CN102999047B - 自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，采用基于DSP的运行异常自检和控制模块与802.11以太网无线通信相结合的技术检测水下机器人运行异常与否，搭载的水质传感器获取多种水质参数，由于DSP的运行异常自检和控制模块的实时检测，可确保获取更加有效而准确的水质参数。它特别适用于因水质参数比较多、测试点多、通信距离远而导致的数据信息比较大的水质检测系统，即使水下环境复杂或者AUV发生异常也能及时通知基站做出应对决策。

Description

自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统

技术领域

本发明涉及一种可以搭载水质检测传感器的自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统及方法，采用基于DSP的运行异常自检和控制模块与802.11以太网无线通信相结合的技术获取水下机器人运行异常信号，以及搭载的水质传感器工作正常与否的数据，并进行自检。属于信号处理与自动化检测技术领域。

背景技术

随着国民经济的飞速发展，工业生产规模的扩大，面对水体环境保护的严峻的现状，部分城市安装了一些水质自动检测设备，很大程度上提高了检测频率和检测数据的准确性及时效性。我国的环境监测体系也相继经历了被动监测、主动监测和自动在线监测三个阶段。但是水下环境错综复杂，存在极大的不确定性和无法预测性，AUV应对复杂环境的检测精度提出了更高的要求。

纵观国内现有的机器人水质检测系统的数据分析与处理系统，仍存在以下不足：第一，GPS无法穿透水面对机器人精确定位，而水下机器人需要长时间在水下进行导航和定位；第二，现有的AUV水质检测通常工作在比较温和的环境下，对于复杂水面环境下测量的水质参数的准确性无法保证，尤其是机器人一旦出现故障，很可能通信中断导致基站无法控制，因而工作效率低，实效性较低；第三，部分联网的系统存在的问题也较多，主要表现为现有系统运行不稳定，故障率高，无法满足高性能、稳定性的要求;数据传输方式落后，成本较高，在监测数据采集与监控模式、广域接入远程通信、系统容错、系统长期稳定性、数据处理分析与管理、环境决策支持等方面还存在诸多缺陷和不足；第四，水下检测和陆地基站的通信系统较为简单，只停留在数据的传递、查询检索和统计功能上，并未转化为相关工作人员所需要的用来分析和决策的数据。

发明内容

发明目的：为了解决以上不足，本发明开发了一套自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，设计了基于DSP的运行异常自检和控制模块，能够更加有效准确地获取数据，以及构建一套完备的数据库系统，并采用基于802.11g的以太网通信方式传输到岸基设备上。采用VS2008软件，自主研发了实时在线分析水下机器人运行是否处于正常态的专用通信系统软件，供水下机器人操作人员使用。软件采用C语言开发，GUI部分使用MFC编写，程序中图像视频处理算法采用OpenCV视觉库中的处理算法作为基础进行开发，软件中的FFT运算采用FFTW3.2开发包。

技术方案：一种自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，包括基于DSP的运行异常自检和控制模块、无线通信网络和水质参数通信模块；水质参数通信模块包括传感器和RS232异步串行通信接口；所述基于DSP的运行异常自检和控制模块通过RS232异步串行通信接口与水下机器人内置计算机互联，基于DSP的运行异常自检和控制模块将测出的自检信息通过RS232传给水下机机器人内置计算机，水下机机器人内置计算机通过无线通信网络把自检信息发给水上移动基站；自检信息就是二进制数字0和1，如果自检信息为0，水上移动基站就认为水下机机器人当前出现异常，水上移动基站发出当前测试异常信号，以便工作人员确认当前获得数据是否为水下机器人各个正常工作下获得的；

所述无线通信网络运用802.11无线通信协议使水下机器人和水上移动基站数据通信，传递水下机器人当前测试数据，同时携带自检信息以便工作人员确认当前获得数据是否为机器人各个正常工作下获得的；所述水质参数通信模块用于数据传递和分析，包括VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow三个部分，通过软件界面实时更新的数据可以清晰得知当前测得的水质检测参数及机器人是否处于正常工作状态。

1）所述基于DSP运行异常自检和控制模块安装在水下机器人内部，通过RS232异步串行通信接口与水下机器人的控制转换器交换数据信息，水下机器人的控制转换器与水下机器人水下载体通过RS－485交换状态数据，并结合自适应滤波器FIR对采集数据进行在线分析，检测是否发生异常；

通常水下机器人工作异常表现为：①水上移动基站设备在预设时间内获取不到水质参数数据；②水上移动基站设备安装的软件界面上相邻时间间隔内显示的数据突变异常，并且多次在同一区域测试数据频繁突变，不稳定；

一旦出现异常，则基于DSP运行异常自检和控制模块告知水上移动基站当前水下机器人工作状态异常，水上移动基站当前读取的数据无效，强制唤回水下机器人回到基站，等待修复。

2）无线通信网络，水上移动基站与水下机器人通信系统的数据链路层采用以太CSMA/CD协议，通信系统的传输层采用TCP/IP协议，并配置24db定向天线确保经过无线AP后的信息能稳定地实现远距离传输，如果仍需增加传输距离，可以外接一个高增益天线，大幅度增加网络覆盖范围。为保证数据通信的时效性，在应用层自主设计出一套简洁的数据通信协议，即：双字节数据低八位（LSB）在前，高八位（MSB）在后，如果水质参数通信模块的各个传感器输出“水质参数信息+高电平FFFF个脉冲”，那么系统默认当前测得的水质参数信息数据有效，则命令水下机器人内置计算机“水质参数信息+输出低电平FFFF个脉冲”；该数据通信协议将为水面移动基站与水下机器人之间实现快速、准确、可靠、安全的通信。

3）水质参数通信模块，还包括VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow三个部分，主要用于数据传递及运算和显示。三个软件均用C语言开发，功能独立，同时三者通过数据库，相互联系，VectorMap和UnderWaterImageShow两者安装在水上移动基站计算机上，均含有自行设计的GUI界面，测试任务和基于DSP运行异常自检和控制模块的自检信息直观地显示在GUI界面上；其中，数据库包括两部分：岸基设备数据库系统（存放：卫星地图数据、岸基设备对机器人航线、航速、航行深度等初始化数据；及传感器和DSP控制模块测试返回的数据）和水下机器人内置计算机的数据库系统（仅仅临时存放：传感器和DSP控制模块测试返回的数据，等待被传送），所以其主要的数据内容有三部分：①岸基设备获取的卫星地图数据、岸基设备对水下机器人航线、航速、航行深度等初始化数据；②水下机器人传感器获取的水质参数，包括：水温、浊度、蓝绿藻、叶绿素a、溶解氧、PH、ORP等；③DSP控制模块获取的机器人工作状态是否正常数据；

VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow通常显示出当前水下机器人工作状况是否正常及传感器在不同经纬度时测得的各个参量的数值大小。基站数据库管理系统还新增加了数据的查询、备份和清理功能，保证数据的实效性。SonarMap安装在机器人内置计算机中，实时获取水下信息。一旦SonarMap反馈给水上移动基站水下机器人异常信息时，水上移动基站发出指令要求水下机器人立即返回，进行故障维修，以减少因机器人异常而丢失产生的损失。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：采用DSP智能自检和以太网无线通信技术相结合的方法，自主研发一套专用软件系统，具有数据精度高，实用性强，智能化程度高等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的系统框图；

图2为本发明实施例的机器人基于DSP运行异常自检和控制模块的电路图，其中，（a）为基于TMS320F28355 DSP芯片自检系统的硬件模块DSP核心板部分，（b）为基于TMS320F28355 DSP芯片自检系统的硬件模块电源滤波及相关接口部分，（c）基于TMS320F28355 DSP芯片自检系统的硬件模块电源与滤波部分；

图3为通信系统专用软件系统框图；

图4为通信系统顶层数据流图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，包括基于DSP的运行异常自检和控制模块、无线通信网络和水质参数通信模块；水质参数通信模块包括传感器和RS232异步串行通信接口；所述基于DSP的运行异常自检和控制模块通过RS232异步串行通信接口与水下机器人内置计算机互联，基于DSP的运行异常自检和控制模块将测出的自检信息通过RS232传给水下机机器人内置计算机，水下机机器人内置计算机通过无线通信网络把自检信息发给水上移动基站；自检信息就是二进制数字0和1，如果自检信息发的0，水上移动基站就认为水下机机器人当前出现异常，水上移动基站发出当前测试异常信号，以便工作人员确认当前获得数据是否为水下机器人各个正常工作下获得的；

所述无线通信网络运用802.11无线通信协议使水下机器人和水上移动基站数据通信，传递传感器采集的水下机器人当前测试数据，同时携带自检信息以便工作人员确认当前获得数据是否为机器人各个正常工作下获得的；所述水质参数通信模块用于数据传递和分析，包括VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow三个部分，通过软件界面实时更新的数据可以清晰得知当前测得的水质检测参数及机器人是否处于正常工作状态。

如图1所示，基于DSP运行异常自检和控制模块采用美国德州仪器公司研制的数字信号处理器TMS320F28335芯片作为CPU。该芯片集成度很高，片内集成的许多常用外设节省了设计难度和电路板面积，提高了DSP系统的可靠性和稳定性。图2为相应的硬件电路设计部分，硬件模块主要包括：电源模块，DSP数据处理模块，RS232串口通信模块和按键控制模块等。

如图2所示，水下机器人ROV与基于DSP运行异常自检和控制模块的检测仪通过RS232异步串行通信接口进行数据传输，水质参数通信模块传感器的逻辑控制电路将接收到的数据显示在基站显示屏上，通过水上基站计算机上的VectorMap软件实时操控机器人在水中的运动和发送数据采集指令。采用RS232异步串行通信方式与DSP运行异常自检和控制模块中的控制转换器进行数据通信，该控制转换器再与水下机器人通过RS485进行远距离数据通信。在电路设计中采用MAX232芯片和74CBTD3384芯片构成RS232通信模块。外扩存储器可以使用IS61LV25616芯片，其读写周期为10ns，空间大小为0.5M，既可存放程序代码，也可存放机器人与DSP运行异常自检和控制模块通信的数据。

U8是缓冲和电瓶转换单元。2OE和1OE端接地，26、27、29、30、36、37端分别与22、23、19、20、12、13端连接，并同时连接到CANRX1、CANTX、SCIRXDB1、SCITXDB、SCITXDA、SCIRXDA1端。U11为EEPROM接口单元，A0、A1、A2接地，WP、SCL、SDA分别连接TMS320F28335芯片的IOB13、IOB12、IOB11端。U14为CAN总线接口单元，发送端CANTX1连接+5V电源下拉470Ω电阻，接收端CANRX1连接+5V电源下拉470Ω电阻。CANH和CANL分别连接JP6接口的CANL和CANH接口输出。MAX202E芯片的TIOUT与PCTXDA连接，R1IN与PCRXDA连接，随后输出到COM1口。MAX202E芯片的T2OUT与PCTXDB连接，R2IN与PCRXDB连接，随后输出到COM2口。

系统上电后，水下机器人先进行各个模块的功能初始化，各个功能模块进入稳定工作状态后，系统进入主程序，采用自适应有限脉冲响应滤波器FIR模型给水下机器人建模，利用在线实际测量的传感器信号，对FIR进行在线训练，针对水下机器人控制系统的状态方程，得到FIR滤波器参数系列，例如在j时刻，Pj＝（P1j，P2j，…PNj），在j+1时刻可以得到参数矢量Pj+1，从而得到相邻时刻的矢量差ΔPj，根据ΔPj的大小变化速率判断有无故障。同时观察计算FIR滤波器的在线信噪比的变化，信噪比数值出现跳变时，则判断有故障存在。

专用软件部分的设计如图3，软件部分主要模块包括：移动基站数据库处理模块、AUV（水下机器人）内置计算机及数据库单元、无线通信网络。移动基站数据库处理模块中，以PC机为信息处理平台，在C#环境下建立SQLServer2000数据库系统。数据分为两类：VectorMap对机器人进行航线设置的数据，机器人航行的初始速度和预订的航行深度，初始化数据由RS232无线串口从基站传送到AUV内置计算机；UnderWaterImageShow无线接收的水下机器人测试数据，并获取DSP进行异常自检的数据信息，随后对其进行分析计算，如果软件如果判断当前无异常，则把水质参数的数据分别匹配到相应的经纬度，软件绘制该区域的等高线图，标注各个经纬度的参数。如果判断当前数据存在异常，则再次发送指令给水下机器人内置计算机，命令其立即返回基站。

自主研发的一套软件系统在软件模块上包含三部分：VectorMap（矢量软件）、UnderWaterImageShow（水下测量数据显示信息）和SonarMap（水下机器人内置计算机参数获取软件）三部分，前两者安装在基站计算机上，SonarMap安装在机器人上，VectorMap、UnderWaterImageShow和SonarMap它们之间的信息传递借助于802.11以太网实现远距离信息传输。机器人内部主要有的核心模块是：机器人计算机处理中心、基于DSP的运行异常自检和控制模块、水质参数传感器检测模块和水质参数通信模块。

如图4显示了系统顶层内部软件之间的数据流图，整个数据流图显示了软件和基于DSP的运行异常自检和控制模块、无线通信网络和水质参数通信模块协调工作的过程。软件系统控制以上模块的主要过程为：①VectorMap（矢量软件）根据自身获取的卫星地图信息寻找机器人要执行任务地区的经纬度数据、机器人测试停留时间、航速，然后通过RS232或无线wifi初始化机器人，机器人通过串口接收到初始信息后，传递到机器人内置计算机数据库。②机器人接收的以上初始化信息再传送到内置计算机数据库，同时也初始化SonarMap软件，机器人开始执行任务。SonarMap将各个经纬度的水质参数信息、基于DSP的运行异常自检和控制模块自检信息间歇性告知机器人内置计算机数据库。如果机器人获取数据未发现异常（如数据突然中断、数据阶段性跳跃不定）等情况，则在机器人到下一个测试点之前先浮出水面借助于802.11g以太网无线通信网络实时将测试数据传送到基站计算机，如果机器人工作发生异常，则在下一个测试点之前，机器人将当前异常信息传送到基站计算机，基站计算机理解发送命令以无线的方式告知机器人停止执行任务，返回基站。③在水下机器人内部控制模块中，基于DSP的运行异常自检和控制模块采用RS232串口通信方式与水下机器人计算机的控制转换器进行数据通信。

无线通信网络数据链路层使用位于以太网MAC层的CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionDetection，带冲突检测的载波检测多路访问）协议。当一个节点需要发送数据时，以太网先监听信道是否被占用。若信道处于忙时，以太网持续等待至信道空闲时才发送数据；若信道处于空闲状态，以太网立即开始发送数据。如果两个或更多节点同时监听信道空闲并发送数据，将发生冲突。当冲突被检测到，节点停止冲突数据的发送，并等待一段随机长度的时间后再次监听信道，判断是否重发数据。每次等待的时间由BEB（BinaryExponentialBackoff，二进制回退算法）回退算法确定，在第10次回退后，等待时间为一固定值。第16次回退后，节点停止动作并报错。每个发送节点都必须运行上述算法载波检测多路访问）协议区域处理平台接收连接到区域处理平台的各个监控点的视频信号，这些数据均是由对应的视频分析前置模块发送。

本系统中，为水面移动基站与水下机器人之间实现快速、准确、可靠、安全的通信，在应用层自定了一套简洁的数据通信协议，双字节数据低八位（LSB）在前，高八位（MSB）在后，如果水质参数通信模块的各个传感器输出“水质参数信息+高电平FFFF个脉冲”，那么系统默认当前测得的水质参数信息数据有效，则命令水下机器人内置计算机“水质参数信息+输出低电平FFFF个脉冲”。

1．控制DSP的TMS320F28335芯片处理器

发送：3100LSBMSB     FFSADMK  06   LSBMSB     CRC

接收：无

例如：

发送：3100       0500      FF0000         07   FFxxxx  34

接收：无

发送：31000500FF110105FFFFFF34//输出高电平FFFF个脉冲

发送：31000500FF11010500FFFFCA//输出低电平FFFF个脉冲

接收：01020400FF0100070B

2．采集水质参数溶解氧模拟量

包头数据长度用户数据短地址模拟量

31000200FF01000117

发送：3100LSBMSB     FFSADMK  01   CRC

接收：3100LSBMSB     FFSADMK  01LSBMSBLSBMSB      CRC

3．输出水质参数溶解氧模拟量

发送：3100LSBMSB     FFSADMK  02LSBMSBLSBMSBCRC

接收：无

4．采集当前传感器状态信息数字量

发送：3100LSBMSB     FFSADMK  CDCRC

接收：3100LSBMSB     FFSADMK  CDSBCRC

5．输出当前传感器状态信息数字量

发送：3100LSBMSB     FFSADMK  04SBCRC

接收：无

例如：

发送：3100       0810      FF0100  04   0F   FC

接收：无

发送：31000800FF0100040FFC

接收：31000800FF010098

Claims (4)

1.一种自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，其特征在于：包括基于DSP的运行异常自检和控制模块、无线通信网络和水质参数通信模块；所述水质参数通信模块包括传感器和RS232异步串行通信接口；所述基于DSP的运行异常自检和控制模块通过RS232异步串行通信接口与水下机器人内置计算机互联，基于DSP的运行异常自检和控制模块将测出的自检信息通过RS232传给水下机机器人内置计算机，水下机机器人内置计算机通过无线通信网络把自检信息发给水上移动基站；

所述无线通信网络运用802.11无线通信协议使水下机器人和水上移动基站数据通信；所述水质参数通信模块用于数据传递和分析，包括VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow三个部分，通过软件界面实时更新水质检测参数及确定水下机器人的工作状态；

自检信息用二进制数字0和1作为标志，如果自检信息为0，水上移动基站就认为水下机机器人当前出现异常，水上移动基站发出当前测试异常信号；反之，若自检信息始终为1，则正常获取机器人传送到基站的水质参数信息；

所述基于DSP运行异常自检和控制模块安装在水下机器人内部，通过RS232异步串行通信接口与水下机器人的控制转换器交换数据信息，水下机器人的控制转换器与水下机器人水下载体通过RS－485交换状态数据，并结合自适应滤波器FIR对采集数据进行在线分析，检测是否发生异常；一旦出现异常，则基于DSP运行异常自检和控制模块告知水上移动基站当前水下机器人工作状态异常，水上移动基站当前读取的数据无效，水上移动基站强制唤回水下机器人回到基站。

2.如权利要求1所述的自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，其特征在于：无线通信网络中，水上移动基站与水下机器人通信系统的数据链路层采用以太CSMA/CD协议，通信系统的传输层采用TCP/IP协议，并配置24db定向天线，如果仍需增加传输距离，外接一个高增益天线；同时在应用层设计出一套数据通信协议，即：双字节数据低八位在前，高八位在后，如果水质参数通信模块的各个传感器输出“水质参数信息+高电平FFFF个脉冲”，那么系统默认当前测得的水质参数信息数据有效，则命令水下机器人内置计算机“水质参数信息+输出低电平FFFF个脉冲”。

3.如权利要求1所述的自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，其特征在于：水质参数通信模块主要用于数据传递及运算和显示；VectorMap、SonarMap和UnderWaterImageShow通过移动基站数据库相互联系，VectorMap和UnderWaterImageShow两者安装在水上移动基站计算机上，均包括GUI界面，测试任务和基于DSP运行异常自检和控制模块的自检信息直观地显示在GUI界面上； SonarMap安装在机器人内置计算机中，实时获取水下信息；一旦SonarMap反馈给水上移动基站水下机器人异常信息时，水上移动基站发出指令要求水下机器人立即返回。

4.如权利要求3所述的自主导航式水下机器人运行异常自检及数据传输系统，其特征在于：移动基站数据库中的数据分为VectorMap对水下机器人进行航线设置的数据和UnderWaterImageShow无线接收的水下机器人通过传感器采集到的测试数据两类； VectorMap对水下机器人进行航线设置的数据，水下机器人航行的初始速度和预订的航行深度，初始化数据由RS232异步串行通信接口从基站传送到水下机器人内置计算机；UnderWaterImageShow无线接收的水下机器人通过传感器采集到的测试数据，并获取基于DSP运行异常自检和控制模块进行异常自检的自检信息，随后对自检信息进行分析计算；如果判断当前无异常，则把传感器采集到的水质参数分别匹配到相应的经纬度，绘制该相应的经纬度区域的等高线图，标注各个经纬度的参数；如果判断当前数据存在异常，则再次发送指令给水下机器人内置计算机，命令其立即返回基站。