CN105760115B - Uuv多负载数据集中存储与快速卸载方法 - Google Patents

Uuv多负载数据集中存储与快速卸载方法 Download PDF

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Abstract

UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，涉及UUV多负载数据存储技术领域。本发明是为了解决目前UUV各计算机及负载的数据存储过于分散，导致数据卸载过程繁琐、拆卸工作量大、消耗时间长的问题。本发明以一块密封于专用水密封罐的可更换大容量存储器作为多负载数据集中存储空间，根据不同负载的存储容量需求预先划分相对独立的存储分区，按照存储格式要求分别进行格式化并写入引导程序，由FPGA存储控制器对多负载的数据存储进行协调和管理；数据卸载时，既可通过UUV系统的无线网络模块实现无线卸载，又可通过更替可更换大容量存储器备件实现数据快速卸载。本发明能够有效实现UUV中多个不同功能负载的数据集中存储与快速卸载。

Description

UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法
技术领域
本发明涉及UUV多负载数据存储技术领域，具体涉及UUV多负载数据集中存储和快速卸载技术。
背景技术
随着UUV技术的飞速发展和应用范围不断扩大，其任务功能的不断丰富，这使得UUV的任务作业过程中会产生大量需要存储的宝贵数据。传统上，UUV各负载存储器分散布置在不同的水密舱室或水密罐里面，并集成于非水密壳体包覆的载体之内。
例如，刘颉等在论文“小型自主水下航行器大容量数据存储设计”(海洋技术，第29卷，第1期，P17-23)提出了一种解决大容量数据存储的方法，该方法分别为各个传感器设备提供大容量存储器进行数据存储；
姚科等在论文“自主式水下机器人数据采集与管理系统及其可靠性”(机器人技术，第26卷，第5-2期，P138-140)提出了一种自主式水下机器人的数据采集与管理系统，该系统利用多串口卡采集声纳、导航设备、传感器及推进装置等与UUV载体控制相关的数据，然后通过网络定时传送给工控机保存，数据接口仅限于串口形式，且数据集中存储在工控机上。
以上代表性的UUV数据存储与卸载方法在卸载UUV各负载的数据时，首先需要拆卸UUV非水密壳体、水密舱室或水密罐，连接各控制计算机、负载的数据下载线并对其进行供电，才能开始对各计算机及UUV负载的数据进行卸载，卸载完成后又需要拆除各负载的数据下载线，将非水密壳体、水密舱室或水密罐恢复原样，卸载过程不仅耗时、耗力，耗用UUV系统电量，UUV还不能同步开展工作，过程繁琐且效率较低。
发明内容
本发明是为了解决目前UUV各计算机及负载的数据存储过于分散，所导致的数据卸载过程繁琐、拆卸工作量大、消耗时间长的问题，从而提供一种UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法。
UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，数据集中存储方法：
以可更换大容量存储器作为多负载数据集中存储空间，根据不同负载的存储容量需求预先划分相对独立的存储分区，按照存储格式要求分别进行格式化并写入引导程序，由FPGA存储控制器对多负载的数据存储进行协调和管理；
数据快速卸载方法：
采用无线网络数据卸载方式或采用更替可更换大容量存储器及其专用水密罐数据卸载方式实现。
在数据集中存储过程中，FPGA采用四级数据存储与转存保护机制防止数据存储与转存间的冲突，具体为：
第一级：当数据存储过程中各计算机及负载的缓存器依次请求转存时，按请求的先后顺序依次处理，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第二级：当同一时刻不同接口类型设备的缓存器请求转存时，根据数据接口类型分配先后顺序，首先转存数据接口为光纤的设备，随后是网口、USB接口和串口，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第三级：当同一时刻同一接口类型设备的缓存器请求转存时，分别根据所设置的设备优先级进行转存，以控制系统各计算机为第一优先级、以与各控制计算机构成反馈回路的控制导航类负载为第二优先级，以相对独立工作的观测类传感器为第三优先级，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第四级：当同一时刻同一优先级的设备缓存器请求转存时，根据设备数据ID的序号分别进行转存，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中。
数据快速卸载过程中，卸载的UUV数据包括：任务管理计算机、使命控制计算机、控制与导航计算机存储的运行状态数据，以及负载1、负载2……负载N存储的负载记录数据；N为正整数。
数据集中存储方法中：根据不同负载的存储容量需求划分相对独立的存储分区的原则是：按照所使用UUV的各计算机及负载数据量的比例进行分区。
采用无线网络数据卸载方式的数据卸载方法是：采用UUV水面监控系统通过无线网络模块与UUV建立联系，并遥控给多负载数据集中存储与快速卸载系统上电，然后通过无线网络通信开始下载可更换大容量存储器内存储的数据。
采用更替可更换大容量存储器及其专用水密罐数据卸载方式是：首先打开UUV非耐压壳体上的手孔盖，从手孔盖处断开可更换大容量存储器与UUV连接的专用水密线缆插头；然后，将可更换大容量存储器从UUV拆出,将可更换大容量存储器的备件装回UUV,将断开的专用水密线缆插头插入该水密封罐备件，建立该水密封罐备件与UUV之间的联系，将手孔盖装回UUV；然后，将拆出的可更换大容量存储器交由UUV水面监控系统，由UUV水面监控系统通过数据专用卸载线缆完成数据卸载。
本发明提高了UUV多种负载的数据存储安全、简化了数据卸载操作步骤、缩短了数据卸载时间、减少耗用UUV系统电量。
附图说明
图1为本发明UUV多负载数据集中存储与快速卸载系统的硬件系统框图。
图1中，标记1为：FPGA控制器，标记2为：任务管理机算机，标记3为：使命控制计算机，标记4为：控制与导航计算机，标记5为：负载1，标记6为：负载2，标记7为：负载N，标记8为：UUV控制系统，标记9为：任务管理计算机备用缓存器，标记10为：使命控制计算机备用缓存器，标记11为：控制与导航计算机备用缓存器，标记12为：负载1备用缓存器，标记13为：负载2备用缓存器，标记14为：负载N备用缓存器，标记15为：任务管理计算机缓存器，标记16为：使命控制计算机缓存器，标记17为：控制与导航计算机缓存器，标记18为：负载1缓存器，标记19为：负载2缓存器，标记20为：负载N缓存器，标记21为：无线网络模块，标记22为：可更换大容量存储器(含专用水密封罐)，标记23为：可更换大容量存储器(含专用水密封罐)(备件)，标记24为：数据缓存模块,标记25为：UUV多负载，标记101为：FPGA控制器与无线网络模块之间的通信总线，标记102-107为：各负载与数据缓存模块之间的数据线(含串口线，USB数据线，网线，光纤，其他)，标记108为：FPGA控制器与可更换大容量存储器之间的专用水密线缆，标记109为：PCI总线，标记42为：数据专用卸载线缆；
图2为数据存储流程图；
图3为UUV结构示意图，标记31为：水密舱室，标记32为：UUV，标记33为：手孔盖，标记108为：专用水密线缆，标记35为：左推进器，标记36为：右推进器；
图4为数据卸载示意图，标记41为：水面监控系统，标记42为：数据专用卸载线缆；
具体实施方式
具体实施方式一、UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，
数据集中存储方法：
以可更换大容量存储器作为多负载数据集中存储空间，根据不同负载的存储容量需求预先划分相对独立的存储分区，按照存储格式要求分别进行格式化并写入引导程序，由FPGA存储控制器对多负载的数据存储进行协调和管理；
数据快速卸载方法：
采用无线网络数据卸载方式或采用更替可更换大容量存储器及其专用水密罐数据卸载方式实现。
需要卸载的UUV数据包括：任务管理计算机、使命控制计算机、控制与导航计算机等UUV控制系统计算机存储的运行状态数据，负载1、负载2……负载N等存储的负载记录数据。由于UUV的最大续航能力是确定的，UUV各控制计算机及负载的数据存储速度也是确定的，因此，以最大续航能力计算，UUV一次出航执行任务所产生的数据总量可计算得到，因此依据该数据总量选择一块对应容量的存储器，按照所使用UUV的各计算机及负载数据量的比例对其进行分区，然后根据各负载数据存储格式的不同对各分区进行格式化并写入引导程序，就具备了向该存储器存储UUV各控制计算机及负载数据的条件。
为了实现对各计算机及负载数据的集中存储与快速卸载，本发明的多负载数据集中存储方法需要设计多个相同的数据缓存模块及根据各负载数据接口类型分别设计相应接口，对UUV的多个负载所产生的数据分别进行缓存，由于各负载的数据存储速度和总数据量的大小均不相同，因此在缓存器容量相同的情况下存满缓存器的时间也不相同；这样便会出现几个缓存器同时存满并向控制器发送转存到大容量存储器请求冲突的现象，为了避免这个问题的出现设计了四级数据存储与转存保护机制，并且在各负载缓存模块中加设一片与原缓存器相同容量的备用缓存器。由于缓存器内数据转存到大容量存储器的速度(300MB/s)远比目前常用负载数据存入缓存器的速度快(由UUV各负载采集频率而定)的多，因此完全可以避免某负载在待转存的过程中出现第一个缓存器存满的同时备用缓存器也存满而引起的数据丢失的情况，这样便有效解决了转存请求冲突时可能导致的数据存储丢失问题。
当各计算机及负载的缓存器依次向FPGA控制器请求转存时，根据请求的先后顺序依次进行转存处理，而等待转存的设备则需将后续产生的数据暂存到备用缓存器中；当前一转存任务完成后，在将随后请求转存设备的缓存器及其备用缓存器的数据一并转存到可更换大容量存储器中。
当同一时刻不同接口类型的设备向FPGA控制器请求转存时，假设在A接口类型负载的第一个缓存器的数据请求转存的同时又有B接口类型负载的缓存器请求转存，这将出现转存到大容量存储器的两个请求信号发生冲突。此时根据四级数据存储与转存保护机制控制器只能将先将数据接口类型为串口的负载缓存器数据转存到可更换大容量存储器中，而数据接口类型为其他类型的设备需将后续采集的数据暂存于其备用缓存器中。待数据接口为串口的负载数据转存完成后，再由控制器控制其他数据接口类型设备缓存器及备用缓存器的数据转存到可更换大容量存储器中。
当同一时刻同一接口类型的设备缓存器向FPGA控制器请求转存时，根据所设置的设备优先级进行判断，高优先级的设备缓存器数据由FPGA控制器首先进行转存，低优先级的设备后续采集的数据暂存于其备用缓存器中。当高优先级的设备缓存器数据转存完成后，再将低优先级设备缓存器及备用缓存器的数据一并转存到可更换大容量存储器中。
当同一时刻同一接口类型且同一优先级的设备缓存器向FPGA控制器请求转存时，根据设备ID的大小进行判断，控制器首先转存ID值较小设备缓存器的数据，ID值较大设备后续采集的数据暂存于其备用缓存器中。当ID值较小设备缓存器的数据转存完成后，再将ID值较大设备的缓存器及备用缓存器的数据一并转存到可更换大容量存储器中。
为了使多负载数据集中存储与快速卸载系统适应UUV水下工作的环境要求，将可更换大容量存储器单独密封在专用的水密封罐内，并通过专用水密线缆与UUV控制系统相连；另外，该水密封罐布置在UUV非水密壳体的手孔盖附近，便于从UUV拆出和装回。
待UUV任务完成后，需要卸载各控制计算机及负载的数据，可视情况选择无线网络数据卸载方式或更替可更换大容量存储器及其专用水密罐的数据卸载方式。
如果时间充足且UUV剩余电量足够，根据任务情况需要可选择无线网络数据卸载方式。选择该数据卸载方式时，UUV水面监控系统首先通过无线网络模块与UUV建立联系，并遥控给多负载数据集中存储与快速卸载系统上电，然后便可以通过无线网络通信开始下载可更换大容量存储器内存储的数据；其特点是操作步骤简单，无需拆卸UUV非水密壳体与水密舱室/水密罐，但需要UUV给数据集中存储与快速卸载系统供电，耗用UUV电量，卸载数据时UUV不能执行其它任务。
当UUV剩余电量不充足，或者UUV还需执行其它任务时，可选择更替可更换大容量存储器及其专用水密罐的数据卸载方式。当选择该数据卸载方式时，首先打开UUV非耐压壳体上的手孔盖，从手孔盖处断开可更换大容量存储器(含水密封罐)与UUV连接的专用水密线缆插头；随后，将可更换大容量存储器(含水密封罐)从UUV拆出,将可更换大容量存储器(含水密封罐)的备件装回UUV,将断开的专用水密线缆插头插入该水密封罐备件，建立该水密封罐备件与UUV之间的联系，将手孔盖装回UUV；然后，将拆出的可更换大容量存储器(含水密封罐)交由UUV水面监控系统，由UUV水面监控系统通过数据专用卸载线缆完成数据卸载，这样便快速完成了UUV数据卸载，保证UUV可以及时进行下一步的航行任务不受影响，该数据卸载方式不耗用UUV电量，UUV还可同期执行其它任务。
本发明的具体实现方案框图如图1所示，主要由FPGA控制器1、数据缓存模块、无线网络模块、数据专用卸载线缆、可更换大容量存储器及其备件组成；其中数据缓存模块通过PCI总线与FPGA控制器相联，数据缓存模块的另一端为串口、USB口连接线，用于与不同接口类型的计算机及UUV负载相联；FPGA控制器与可更换大容量存储器(含专用水密封罐)之间通过数据卸载专用线缆进行连接。由于工作过程类似，现在主要以负载1的数据存储过程为例进行分析。在UUV的航行过程中负载1以一定的频率采集数据，所采集的数据经数据转换模块将数据转换后经USB接口105存储到缓存器18中；当缓存器18存满后，FPGA控制器1通过PCI总线109会接收到缓存满的转存请求信号，由FPGA控制器1的转存冲突程序分析此时是否存在转存冲突(有其他负载缓存器的转存请求或正在执行的转存任务)。如果未出现转存冲突，由FPGA控制器1执行数据转存程序将缓存器18中的数据经数据专用卸载线缆108转存到可更换大容量存储器22内负载15对应的存储目录中。
如果负载1的缓存器18向FPGA控制器1请求转存时，同时恰有其他转存任务正在进行，例如负载2的缓存器19同时向FPGA控制器1请求转存，则控制器1就会根据四级数据转存冲突判断方法进行判断。首先判断两负载数据接口类型，如果负载15的数据接口为串口，负载26数据接口为USB接口，则首先转存负载1缓存器18中的数据。在此过程中，负载2后续采集的暂存于其备用缓存器13中，待负载1的转存任务完成后，将负载2的缓存器19及备用缓存器13中的数据一并转存入可更换大容量存储器22中。因为缓存器18数据转存入可更换大容量存储器22的速度较快，所以此时负载1的缓存器18的转存任务早已完成，一定能避免再次出现转存冲突问题，则可以响应负载2的转存请求，将缓存器19和备用缓存器13中的数据一并转存入可更换大容量存储器22内，则缓存器19和备用缓存器13中的数据均可以顺利的转存到可更换大容量存储器22中，完成负载2的数据存储到可更换大容量存储器的任务。
如图3所示，当采用更替可更换大容量存储器及其专用水密罐的数据卸载方式时，首先打开UUV非耐压壳体上的手孔盖33，从手孔盖33处断开可更换大容量存储器含水密封罐)22与UUV连接的专用水密线缆35插头；随后，将可更换大容量存储器(含水密封罐)22从UUV32拆出，将可更换大容量存储器(含水密封罐)的备件23装回UUV,将断开的专用水密线缆35插头插入该水密封罐备件23，建立该水密封罐备件23与UUV32之间的联系，将手孔盖33装回UUV。
如图4所示，将拆出的可更换大容量存储器含水密封罐22交由UUV水面监控系统41，由UUV水面监控系统41通过数据专用卸载线缆42完成数据卸载。

Claims (3)

1.UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，其特征是：
数据集中存储方法：
以可更换大容量存储器作为多负载数据集中存储空间，根据不同负载的存储容量需求预先划分相对独立的存储分区，按照存储格式要求分别进行格式化并写入引导程序，由FPGA存储控制器对多负载的数据存储进行协调和管理；
数据快速卸载方法：
采用无线网络数据卸载方式或采用更替可更换大容量存储器及其专用水密罐数据卸载方式实现；
在数据集中存储过程中，FPGA采用四级数据存储与转存保护机制防止数据存储与转存间的冲突，具体为：
第一级：当数据存储过程中各计算机及负载的缓存器依次请求转存时，按请求的先后顺序依次处理，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第二级：当同一时刻不同接口类型设备的缓存器请求转存时，根据数据接口类型分配先后顺序，首先转存数据接口为光纤的设备，随后是网口、USB接口和串口，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第三级：当同一时刻同一接口类型设备的缓存器请求转存时，分别根据所设置的设备优先级进行转存，以控制系统各计算机为第一优先级、以与各控制计算机构成反馈回路的控制导航类负载为第二优先级，以相对独立工作的观测类传感器为第三优先级，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
第四级：当同一时刻同一优先级的设备缓存器请求转存时，根据设备数据ID的序号分别进行转存，等待转存的设备数据暂存入相应的备用缓存器中；
所述的无线网络数据卸载方式的数据卸载方法为：
采用UUV水面监控系统通过无线网络模块与UUV建立联系，并遥控给多负载数据集中存储与快速卸载系统上电，然后通过无线网络通信开始下载可更换大容量存储器内存储的数据；
所述的更替可更换大容量存储器及其专用水密罐数据卸载方式为：
首先打开UUV非耐压壳体上的手孔盖，从手孔盖处断开可更换大容量存储器与UUV连接的专用水密线缆插头；然后，将可更换大容量存储器从UUV拆出,将可更换大容量存储器的备件装回UUV,将断开的专用水密线缆插头插入水密罐备件，建立该水密罐备件与UUV之间的联系，将手孔盖装回UUV；然后，将拆出的可更换大容量存储器交由UUV水面监控系统，由UUV水面监控系统通过数据专用卸载线缆完成数据卸载。
2.根据权利要求1所述的UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，其特征在于数据快速卸载过程中，卸载的UUV数据包括：任务管理计算机、使命控制计算机、控制与导航计算机存储的运行状态数据，以及负载1、负载2……负载N存储的负载记录数据；N为正整数。
3.根据权利要求1所述的UUV多负载数据集中存储与快速卸载方法，其特征在于数据集中存储方法中：根据不同负载的存储容量需求划分相对独立的存储分区的原则是：按照所使用UUV的各计算机及负载数据量的比例进行分区。
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