CN104683739A - 用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统及方法，多通信模块一端连接水下无人航行器，另一端连接工控计算机，用于实现工控计算机和水下无人航行器之间的通信连接；卫星导航单元连接工控计算机，用于将采集岸基/水面信息显控系统的当前位置信息发送给工控计算机；显示单元连接工控计算机，用于显示水下无人航行器的状态信息和位置信息及岸基/水面信息显控系统的位置信息；操控单元连接工控计算机，对工控计算机发出控制命令。本发明通过多种通信方式与水下无人航行器进行实时通信和遥控操作，无线通信距离远、传输信号稳定、可靠，并可实现非视距无线视频传输，可对水下无人航行器进行全面、可靠、安全的监视与操控。

Description

用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统及方法

技术领域

本发明涉及水下无人航行器领域，具体地说是用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统及方法。

背景技术

以往的水下无人航行器岸基/水面信息显控设备由于受到通信技术的影响，往往采用简易的组合通信方式，如采用水面线缆加无线电台或水声设备，传输的数据量、通信距离很有限，一般只有几公里左右，一旦水面有遮挡就无法进行无线通信，还会受到各类回波反射、水下噪声等干扰，易出现信号质量差，网络中断，网络延迟现象。这种通信系统的可靠性较低，一旦工作失效，就会使水面信息显控设备与水下无人航行器失去通信连接。这样会对水下无人航行器的实时、有效监控带来很大的困难，很难保证水下无人航行器的航行安全。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于融合通信的岸基/水面信息显控系统及方法，实现了对水下无人航行器进行全方位（水面、水下环境下）的状态实时监视与操控，该水面信息显控系统传输距离远、传输信号稳定、可靠，并可实现非视距无线视频传输，使其对水下无人航行器的监控能力大大增强，可以充分保障水下无人航行器的航行安全。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统，多通信模块一端连接水下无人航行器，另一端连接工控计算机，用于实现工控计算机和水下无人航行器之间的通信连接；

卫星导航单元连接工控计算机，用于将采集岸基/水面信息显控系统的当前位置信息发送给工控计算机；

显示单元连接工控计算机，用于显示水下无人航行器的状态信息和位置信息及岸基/水面信息显控系统的位置信息；

操控单元连接工控计算机，对工控计算机发出控制命令。

所述多通信模块包括无线电台、卫星通讯模块、微波通信模块、水声通信设备和水面线缆；

所述无线电台一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行无线电通信；

所述卫星通讯模块一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行卫星通信；

所述微波通信模块一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行微波通信；

所述水声通信设备一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行水声通信；

水下无人航行器还通过水面线缆连接到工控计算机，用于有线通信。

所述工控计算机包括数据通讯模块、数据融合模块、图形显示模块和命令决策模块；

所述数据通讯模块连接多通信模块，用于多通信模块和工控计算机板卡的数据采集和解析工作，负责多通信模块状态的更新；

所述命令决策模块一端连接数据通讯模块，用于与数据通讯模块进行数据的交互；另一端连接操控单元，接收操控单元发送的命令；

所述数据融合模块一端连接数据通信模块，接收数据通讯模块采集的数据，并且按照融合算法进行数据融合，将数据融合结果反馈给数据通讯模块；另一端连接图形显示模块；

所述图形显示模块连接显示单元，用于接收数据融合模块发送的位置、姿态信息，并以动画形式发送给显示单元。

一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，通过卫星导航单元采集岸基/水面信息显控系统的当前位置信息，将当前位置信息反馈到工控计算机；

岸基/水面信息显控系统选择与水下无人航行器的通信方式，得到水下无人航行器的状态信息和位置信息，并传到工控计算机；

工控计算机进行数据采集，且将采集到的多通信模块数据进行解析，再将解析后的数据进行数据融合处理，发送到显示单元，操控单元根据显示单元显示的数据融合处理结果发出控制命令，通过工控计算机发送给多通信模块，最终发送到水下无人航行器，实现对水下无人航行器的实时控制。

所述岸基/水面信息显控系统选择与水下无人航行器的通信方式包括以下过程：

如果水下无人航行器在水面工作，无线电台通过无线电通信方式与工控计算机进行通信；

或，卫星通讯模块通过卫星通信方式与工控计算机进行通信；

或，微波通信模块通过微波通信的方式与工控计算机进行通信；

如果水下无人航行器在水下工作，水声通信设备通过水声通信方式与工控计算机进行通信；

或，水面线缆通过有线通信方式与工控计算机进行通信。

所述数据融合处理包括以下过程：

首先初始化融合算法参数，计算多通信模块参数的贝叶斯估计，并合成概率分布函数，之后进入周期循环；

每个周期首先更新融合数据状态，之后获取数据通讯模块提供的实时设备数据；

如果多通信模块有设备故障，则更新多通信模块设备参数的贝叶斯估计，重新计算合成概率分布函数；

根据分析联合分布函数的似然函数，根据似然函数最小值条件计算融合算法参数，得到最终融合值并提供给图形显示模块，完成数据融合处理。

如果多通信模块没有设备故障，则直接分析联合分布函数的似然函数，根据似然函数最小值条件计算相关参数，计算最终融合值并提供给图形显示模块，完成数据融合处理。

工控计算机的数据采集和解析过程包括：

数据通讯模块首先初始化与多通信模块交互的各通讯线程参数和工控计算机各板卡参数；

然后各线程查询自身的消息队列，如果消息队列有命令决策模块发送的消息，则与设备通讯的线程通过自身的通讯信道将命令发送给多通信模块；

采集工控计算机板卡数据，将采集的板卡数据换算成状态参数；

如果多通信模块有数据，与多通信模块通讯的线程将各自通讯信道上的数据从缓冲区取出并进行解析，将解析后的数据发送到命令决策模块，且将需要融合的数据发送到数据融合模块。

如果消息队列没有命令决策模块发送的消息，则直接采集工控计算机板卡数据。

如果多通信模块没有数据，判断三个采集周期是否均无数据，如果三个采集周期均无数据，则上报给用户设备无数据故障，反之设备无数据标示加1.

本发明具有以下有益效果及优点：

1.岸基/水面信息显控系统可根据与水下无人航行器的通信距离及通信内容要求对通信方式进行切换，多种通信方式之间互为冗余，保证了其工作稳定，可靠。

2.岸基/水面信息显控系统采用信息融合技术，对多种通信方式的数据进行采集、解析、融合处理，保证了各种数据交互和命令发送的正确性、有效性，提高了系统工作的可靠性。

3.通信距离范围大、可实现远距离视频传输。从岸基上的近距离有线通信到几公里的水声通信、几公里至十几公里的无线电通信和微波通信乃至几百公里范围内的卫星通信等等，保证了岸基/水面信息显控系统与水下无人航行器的通信实现无缝覆盖通信，并实现了微波通信在十几公里范围内的视频稳定传输，保证了对水下无人航行器的实时、有效监控。

4.简单、坚固、通用的柜体结构设计，使其在水面船只上安装、使用十分方便，设备均安装于柜体内部托板上，便于进行内部设备的拆卸和维护。

5.岸基/水面信息显控系统稳定安全，可防止误操作。其中操控单元按钮采用内嵌下压式，防止误操作发送错误指令；在岸基/水面信息显控系统中安装了水面监控软件，人机界面友好、操控简单、运行可靠；操控单元与水面监控软件配合使用，操控单元控制指令需通过水面监控软件确认后才可发送，这样可避免操控单元误操作带来的不利影响，提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的柜体结构示意图；

图3为本发明的坡形工作台结构示意图；

图4为本发明的开关面板示意图；

图5为本发明的内部设备连接示意图；

图6为本发明的水面监控软件组成、功能示意图；

图7为数据采集和解析流程图；

图8为数据融合过程流程图；

图9为图形显示模块程序流程图；

其中1为柜体、2为无线电台、3为卫星通讯模块、4为微波通信模块、5为卫星导航单元、6为水声通信设备、7为水面线缆、8为电源控制盒、9为工控计算机、10为操控单元、11为开关面板、12为显示单元、13为、14为竖梁、15为吊环、16为挡板、17为减震器、18为托板、19为后门、20为接线孔、21为底板、22为天线接线孔、23为坡形工作台由方向盘、24为防水键盘、25为控制按钮、26为紧急停止开关、27为四相操纵杆、28为微调鼠标、29为双推杆、30为鼠标、31为保险丝、32为电源总开关、33为指示灯、34为USB接口、35为网络接口、36为电源控制按钮。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的结构示意图，由柜体1、无线电台2、卫星通讯模块3、微波通信模块4、卫星导航单元5、水声通信设备6、水面线缆7、电源控制盒8、工控计算机9、操控单元10、开关面板11、显示单元12组成，其中无线电台2、卫星通讯模块3、微波通信模块4、水声通信设备6、电源控制盒8、工控计算机9、显示单元12固定安装在柜体1的内部，开关面板11安装于柜体1上，卫星导航单元5、操控单元10安装于柜体1外部坡形工作台13上，水面线缆7安装于柜体1外部。无线电台2实现无线电通信、卫星通讯模块3实现卫星通信、微波通信模块4实现微波通信、水声通信设备6实现水声通信，水面线缆通过有线通信方式与工控计算机进行通信，这5种设备组成岸基/水面信息显控系统融合通信系统，可将水下无人航行器的视频、状态等信息从几米到几百公里的范围内传送到岸基/水面信息显控系统，如果水下无人航行器在水面工作，可通过无线电通信、卫星通信、微波通信三种方式将水下无人航行器的状态信息传回岸基/水面信息显控系统，尤其可实现在十几公里范围内的视频数据非视距传输，解决了以往的水下无人航行器水面信息显控设备无线通信一旦被遮挡便无法通信的难题；如果水下无人航行器在水下工作，可通过水声通信、水面线缆将水下无人航行器的状态信息传回岸基/水面信息显控系统。以上无线通信、水声通信、有线通信的多种通信方式相融合实现了岸基/水面信息显控系统与水下无人航行器的可靠通信。

工控计算机板卡包括：模数转换板卡、串口板卡、I/O板卡。

工控计算机9可实现将采集到的多种通信方式的水下无人航行器状态信息融合处理后送到显示单元12显示出来，同时将操控信息及其它控制信息通过多通信网络发送到水下无人航行器，实现对其监视和操控。

图2为岸基/水面信息显控系统柜体结构示意图，由坡形工作台13、竖梁14、吊环15、挡板16、减震器17、托板18、后门19、接线孔20、底板21、天线接线孔22组成，其中吊环15便于系统搬运，减震器17对系统进行减震作用。

图3为岸基/水面信息显控系统操控单元结构示意图。坡形工作台由方向盘23、防水键盘24、控制按钮25、紧急停止开关26、四相操纵杆27、微调鼠标28、双推杆29、鼠标30组成，各器件与坡形工作台之间均密封。

图4为岸基/水面信息显控系统开关面板示意图，开关面板6由保险丝31、电源总开关32、指示灯33、USB接口34、网络接口35、电源控制按钮36组成，各器件与开关面板之间均密封。

图5为岸基/水面信息显控系统内部设备连接示意图，其中无线电台2实现无线电通信、卫星通讯模块3实现卫星通信、微波通信模块4实现微波通信、水声通信设备6实现水声通信，水面线缆7实现有线通信，这5种设备组成水面信息显控系统多通信模块，实现与水下无人航行器的可靠通信，工控计算机9是信息显控系统的核心部分，与多通信模块及操控单元10连接，可以将采集到的多种通信方式的水下无人航行器状态信息送到显示单元12显示出来，同时将操控单元10的操控信息及其它控制信息通过多通信模块发送到水下无人航行器，实现对其监视和操控。电源控制盒8、开关面板11为整个水面信息显控提供能源及供电控制；操控单元10为工控计算机9提供操控信息；卫星导航单元5给出岸基/水面信息显控系统的当前位置信息，通过工控计算机9处理后得到与水下无人航行器的相对距离和位置，在显示单元12显示出来，为岸基/水面信息显控系统监控提供帮助。

图6为岸基/水面信息显控系统水面监控软件组成、功能示意图，方式通过水面监控软件进行信息融合、处理与显示。工控计算机的模块由数据通讯模块、数据融合模块、图形显示模块、命令决策模块组成，数据通讯模块主要负责对多通信网络进行数据采集、解析工作，数据融合模块主要负责数据融合，并将结果提供给图形显示模块与命令决策模块。命令决策模块主要负责数据交互和命令发送。数据融合模块根据多通信模块各设备通讯状态将数据通讯模块采集的数据按照融合算法进行数据融合，并将结果提供给图形显示模块与命令决策模块。图形显示模块主要负责将数据融合模块提供的数据信息以动画形式在显示单元上进行显示。

图7为数据通讯模块、命令决策模块程序框图。数据通讯模块首先初始化与多通信模块交互的各通讯线程参数，初始化工控计算机各板卡参数，然后各线程每个周期都会查询自身的消息队列是否有命令决策模块发送过来的消息存在，如果有消息、与设备通讯的线程会通过自身的通讯信道将命令发送出去。处理完消息队列之后，采集工控计算机板卡信息，进而更新，与多通信模块通讯的线程会将各自通讯信道上的数据从缓冲区取出并进行解析，将解析后的数据发送给命令决策模块，将需要融合的数据提交给数据融合模块。

图8为数据融合模块程序框图。首先初始化融合算法参数，计算每个设备的贝叶斯估计并合成概率分布函数，之后进入周期循环。每个周期首先更新融合数据状态，之后获取数据通讯模块提供的最新设备数据，根据设备无数据状态位来决定是否更新多通信模块每个设备的贝叶斯估计，是否需要重新计算合成概率分布函数。根据算法分析联合分布函数的似然函数，最后根据似然函数最小值条件计算相关参数，计算最终融合值并提供给图形显示模块。

图9为图形显示模块程序框图。该模块首先初始化软件各模块库，读取用户定制的配置文件，根据消息内容更新用户的视角或场景信息。根据数据融合模块处理后的数据更改图形显示。

Claims (10)

1.一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统，其特征在于：

多通信模块一端连接水下无人航行器，另一端连接工控计算机，用于实现工控计算机和水下无人航行器之间的通信连接；

卫星导航单元连接工控计算机，用于将采集岸基/水面信息显控系统的当前位置信息发送给工控计算机；

显示单元连接工控计算机，用于显示水下无人航行器的状态信息和位置信息及岸基/水面信息显控系统的位置信息；

操控单元连接工控计算机，对工控计算机发出控制命令。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统，其特征在于：所述多通信模块包括无线电台、卫星通讯模块、微波通信模块、水声通信设备和水面线缆；

所述无线电台一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行无线电通信；

所述卫星通讯模块一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行卫星通信；

所述微波通信模块一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行微波通信；

所述水声通信设备一端连接工控计算机，另一端无线连接水下无人航行器，用于与水下无人航行器进行水声通信；

水下无人航行器还通过水面线缆连接到工控计算机，用于有线通信。

3.根据权利要求1所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控系统，其特征在于：所述工控计算机包括数据通讯模块、数据融合模块、图形显示模块和命令决策模块；

所述数据通讯模块连接多通信模块，用于多通信模块和工控计算机板卡的数据采集和解析工作，负责多通信模块状态的更新；

所述命令决策模块一端连接数据通讯模块，用于与数据通讯模块进行数据的交互；另一端连接操控单元，接收操控单元发送的命令；

所述数据融合模块一端连接数据通信模块，接收数据通讯模块采集的数据，并且按照融合算法进行数据融合，将数据融合结果反馈给数据通讯模块；另一端连接图形显示模块；

所述图形显示模块连接显示单元，用于接收数据融合模块发送的位置、姿态信息，并以动画形式发送给显示单元。

4.一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：通过卫星导航单元采集岸基/水面信息显控系统的当前位置信息，将当前位置信息反馈到工控计算机；

岸基/水面信息显控系统选择与水下无人航行器的通信方式，得到水下无人航行器的状态信息和位置信息，并传到工控计算机；

工控计算机进行数据采集，且将采集到的多通信模块数据进行解析，再将解析后的数据进行数据融合处理，发送到显示单元，操控单元根据显示单元显示的数据融合处理结果发出控制命令，通过工控计算机发送给多通信模块，最终发送到水下无人航行器，实现对水下无人航行器的实时控制。

5.根据权利要求4所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：所述岸基/水面信息显控系统选择与水下无人航行器的通信方式包括以下过程：

如果水下无人航行器在水面工作，无线电台通过无线电通信方式与工控计算机进行通信；

或，卫星通讯模块通过卫星通信方式与工控计算机进行通信；

或，微波通信模块通过微波通信的方式与工控计算机进行通信；

如果水下无人航行器在水下工作，水声通信设备通过水声通信方式与工控计算机进行通信；

或，水面线缆通过有线通信方式与工控计算机进行通信。

6.根据权利要求4所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：所述数据融合处理包括以下过程：

首先初始化融合算法参数，计算多通信模块参数的贝叶斯估计，并合成概率分布函数，之后进入周期循环；

每个周期首先更新融合数据状态，之后获取数据通讯模块提供的实时设备数据；

如果多通信模块有设备故障，则更新多通信模块设备参数的贝叶斯估计，重新计算合成概率分布函数；

根据分析联合分布函数的似然函数，根据似然函数最小值条件计算融合算法参数，得到最终融合值并提供给图形显示模块，完成数据融合处理。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：如果多通信模块没有设备故障，则直接分析联合分布函数的似然函数，根据似然函数最小值条件计算相关参数，计算最终融合值并提供给图形显示模块，完成数据融合处理。

8.根据权利要求4所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：工控计算机的数据采集和解析过程包括：

数据通讯模块首先初始化与多通信模块交互的各通讯线程参数和工控计算机各板卡参数；

然后各线程查询自身的消息队列，如果消息队列有命令决策模块发送的消息，则与设备通讯的线程通过自身的通讯信道将命令发送给多通信模块；

采集工控计算机板卡数据，将采集的板卡数据换算成状态参数；

如果多通信模块有数据，与多通信模块通讯的线程将各自通讯信道上的数据从缓冲区取出并进行解析，将解析后的数据发送到命令决策模块，且将需要融合的数据发送到数据融合模块。

9.根据权利要求8所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：如果消息队列没有命令决策模块发送的消息，则直接采集工控计算机板卡数据。

10.根据权利要求8所述的一种用于水下无人航行器的岸基/水面信息显控方法，其特征在于：如果多通信模块没有数据，判断三个采集周期是否均无数据，如果三个采集周期均无数据，则上报给用户设备无数据故障，反之设备无数据标示加1.