CN113443083A - 一种基于无人船的数据智能处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人船智能数据处理装置，主要包括姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块三部分，通过多接口与无人船上的RTK和单波束测深仪相连，在无人船作业时读取三维坐标和水深数据，并对数据进行实时的校准与传输工作。姿态传感器主要负责测量无人船在工作时的三轴角度，然后通过串口传输到装置内部的主控芯片中进行姿态数据的处理和保存。异步控制模块负责实现RTK、测深仪以及姿态数据的同频率接收。数据传输模块在接收到数据信号后通过5G信号实时发送数据至本地上位机或者云端服务器。该装置采用5G通讯技术、智能滤波先进技术手段，操作简便，设计智能，可开发程度高，能够实现对多因素干扰条件下无人船测量数据的实时校准与传输。

Description

一种基于无人船的数据智能处理装置
技术领域
本发明涉及一种基于无人船的多功能数据智能处理装置，涉及电子技术领域，可辅助无人船应用于河道、水库、矿区等水下三维地形的测量工作中。装置通过对无人船测量数据的实时滤波校准，能为无人船的大规模应用提供技术支持。
背景技术
随着国家基础建设和智能化发展步伐的加快，我国对于水下地形测绘与监测工作的精度与时效性要求越来越高，水下地形测量的精确性和快速性已成为制约水利工程建设速度的关键环节。传统测绘领域水下地形测量需要耗费大量的人力、物力等资源，而无人船作为目前智能化与信息化的最新科研成果，能够以遥控或自动控制方式完成测绘等任务，具有吃水浅、机动性高、能耗低等优势。然而，尽管目前用于河道、水库水下地形测量的无人船设备得到了一定的研发支持，但完整的无人船数据智能处理装置的相关发明仍比较缺乏。智能化与一体化是未来测量发展的必然趋势，因此研究设计便捷高效的无人船数据处理装置并应用于水下地形监测，具有重要意义。并且随着5G技术、智能控制技术以及相关滤波算法的发展，通过对智能数据处理装置的研发，能够促进无人船从一种水面搭载平台转变为多功能数据处理系统，使其对人工干预的依赖性逐步降低，完全具备独立、精准的数据处理能力，并从控制端指令驱动的系统逐步发展为事件驱动型的分散式系统，可在一定程度上替代传统的数据内业处理工作。因此，研发高效科学的无人船信息处理装置对我国水下地形数据的完善意义深远。
发明内容
为了解决现有技术无人船测量中存在的数据校正问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于无人船的数据智能处理装置，该装置可实现无人船数据的智能滤波与姿态修正，并且能够实时传输测量数据。该装置安装简便、可靠性高，能有效提高无人船水下地形测量数据的处理速度和测量精度，具有良好的工程应用前景。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无人船的数据智能处理装置，包括保护盒和设置于保护盒中的姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块，所述保护盒采用耐腐蚀材料制成密封盒体，将姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块密封于保护盒内；所述姿态传感器用于实时检测无人船的姿态参数；所述数据传输模块将数据传输模块传输的数据向异步控制模块传输，所述异步控制模块通过数据计算和处理，然后数据传输模块向无人船的控制系统输出姿态校正信息；所述异步控制模块还通过多接口与无人船上的RTK和单波束测深仪信号连接，在无人船作业时读取三维坐标和水深数据，并对数据进行实时的校准和通过数据传输模块传输信息。本发明装置外部使用铸铝保护盒，保护盒设计轻巧简便，接口处设置防水封条，避免装置在无人船行驶过程中浸水短路。
优选地，所述保护盒采用铸铝材料制成密封盒体，在保护盒内侧涂抹防水隔温材料聚氨酯，形成隔水和保温密封层。
优选地，在其电源和GND之间加入自恢复保险丝，避免在所述数据智能处理装置连接到无人船时因为接线问题导致短路，从而烧坏采集器零件的情况发生。本发明采用防止装置，在安装接头时操作失误导致短路，且其自动恢复功能避免了保险丝进行更换时的频繁操作，有效保护装置的电子元件。
优选地，所述自恢复保险丝具有过流过热保护，自动恢复双重功能，当线路出现异常的大电流时，自恢复保险丝的电阻会变大，产生高温从而阻止电流的通过，当温度恢复正常时，自恢复保险丝的电阻又变小，从而又恢复线路导通。
优选地，使用外接电源，形成可拆装供电装置结构。
优选地，姿态传感器测量无人船在工作时的三轴角度，然后通过串口传输到所述数据智能处理装置内部设置的STEM32的主控芯片中，STEM32主机芯片的内置程序快速读取到传感器单总线信令，并进行姿态数据的处理和保存。
优选地，本发明使用BWT901CL姿态传感器，能够精确测量出无人船测量时的三轴的速度，并且精度能达到±0.01°，有效保证了姿态测量数据的精度。
优选地，采用双隔离方式，所述数据智能处理装置通过A单片机采集多种数据传输信号，然后将采集好的数据发送给B单片机，B单片机将数据通过5G模块发送到后台备份或输出。本发明采用双隔离技术，同时完成RTK和单波束测深仪数据流的匹配与解包，芯片还采用抗电磁数字识别技术，从而保证数据传输的安全性与准确性。并且主控芯片内部植入水深异常值滤波算法和异步控制模块，确保设备接收数据的真实性与唯一性。
优选地，内置自动滤波算法，在测深仪检测的数据传输到主机前，利用人工智能算法过滤水深数据中的突变点，获取测深仪数据的有效性数据。
优选地，所述异步控制模块利用信号帧头匹配算法，判断RTK、测深仪以及姿态传感器三者的数据是否存在异步传输的问题，通过信号匹配，保证测量数据点位数据的唯一性和真实性。
优选地，所述数据传输模块采用多方案传输数据，在不同外部作业条件下保证数据安全传输；在装置内部设置5G卡槽，插入5G卡后，进行数据的远距离传输。本发明能保证各种环境下数据都可实时上传，在不受传输距离的限制的同时，保证数据传输时稳定，灵活方便。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明多功能数据智能处理装置能够在实时提供水下地形点的三维坐标的同时，完成无人船姿态误差的自动修正，且无需担心测量数据的存储问题，能够实现无人船测量全过程的精细化和智能化，为提高无人船测量数据的科学性提供服务；
2.本发明采用5G通讯、智能滤波等先进技术手段，操作简便，设计智能，可开发程度高，能够实现对多因素干扰条件下无人船测量数据的实时校准与传输。
附图说明
图1为本发明姿态传感器外部形式图。
图2为本发明装置主板电路示意图。
图3为本发明装置主板实物图。
图4为本发明装置在无人船上安装位置剖面示意图。
图5为本发明装置在无人船上安装位置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1、图4和图5，一种基于无人船的数据智能处理装置，包括保护盒和设置于保护盒中的姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块，所述保护盒采用耐腐蚀材料制成密封盒体，将姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块密封于保护盒内；所述姿态传感器用于实时检测无人船的姿态参数；所述数据传输模块将数据传输模块传输的数据向异步控制模块传输，所述异步控制模块通过数据计算和处理，然后数据传输模块向无人船的控制系统输出姿态校正信息；所述异步控制模块还通过多接口与无人船上的RTK和单波束测深仪信号连接，在无人船作业时读取三维坐标和水深数据，并对数据进行实时的校准和通过数据传输模块传输信息。
本实施例装置可实现无人船数据的智能滤波与姿态修正，并且能够实时传输测量数据。该装置安装简便、可靠性高，能有效提高无人船水下地形测量数据的处理速度和测量精度，具有良好的工程应用前景。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述保护盒采用铸铝材料制成密封盒体，在保护盒内侧涂抹防水隔温材料聚氨酯，形成隔水和保温密封层。将各模块的置于铸铝保护盒中，防止装置因为无人船行驶或者恶劣天气等缘故，致使其灵敏元件浸水损坏。使用轻质高强的铸铝材料，整体刚度好，保护盒内侧涂抹防水隔温材料聚氨酯，防止处理装置因为雨水或者外部高温影响而停止工作。
在本实施例中，在其电源和GND之间加入自恢复保险丝，避免在所述数据智能处理装置连接到无人船时因为接线问题导致短路，从而烧坏采集器零件的情况发生。
在本实施例中，所述自恢复保险丝具有过流过热保护，自动恢复双重功能，当线路出现异常的大电流时，自恢复保险丝的电阻会变大，产生高温从而阻止电流的通过，当温度恢复正常时，自恢复保险丝的电阻又变小，从而又恢复线路导通。
在本实施例中，使用外接电源，形成可拆装供电装置结构。保证电池的可拆卸性，提高数据传输的连续性。
在本实施例中，姿态传感器测量无人船在工作时的三轴角度，然后通过串口传输到所述数据智能处理装置内部设置的STEM32的主控芯片中，STEM32主机芯片的内置程序快速读取到传感器单总线信令，并进行姿态数据的处理和保存。内置程序可在极短时间内读取到完整的传感器单总线信令，解决了传感器的时序传输难题，能有效提高数据的稳定性与准确性。
在本实施例中，采用双隔离方式，所述数据智能处理装置通过A单片机采集多种数据传输信号，然后将采集好的数据发送给B单片机，B单片机将数据通过5G模块发送到后台备份或输出。有效提高测量数据传输的稳定性与安全性。
在本实施例中，内置自动滤波算法，在测深仪检测的数据传输到主机前，利用人工智能算法过滤水深数据中的突变点，获取测深仪数据的有效性数据。本发明利用人工智能算法过滤水深数据中的突变点，保证测深仪数据的有效性。
在本实施例中，所述异步控制模块利用信号帧头匹配算法，判断RTK、测深仪以及姿态传感器三者的数据是否存在异步传输的问题，通过信号匹配，保证测量数据点位数据的唯一性和真实性。
在本实施例中，所述数据传输模块采用多方案传输数据，在不同外部作业条件下保证数据安全传输；在装置内部设置5G卡槽，插入5G卡后，进行数据的远距离传输。保证传输条件不受现场工作环境的限制。
本实施例多功能数据智能处理装置能够在实时提供水下地形点的三维坐标的同时，完成无人船姿态误差的自动修正，且无需担心测量数据的存储问题，能够实现无人船测量全过程的精细化和智能化，为提高无人船测量数据的科学性提供服务；本实施例本发明采用5G通讯、智能滤波等先进技术手段，操作简便，设计智能，可开发程度高，能够实现对多因素干扰条件下无人船测量数据的实时校准与传输
实施例三：
本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，保护盒尺寸为设置120×200×30mm，保护盒外壳采用轻质高强材料，整体刚度高，轻巧且方便携带，能最大限度保证内部现场采集器的正常工作，内壁涂抹防水隔温材料聚氨酯，一方面防止在无人船测量过程中装置内部进水损坏，还可避免室外阳光直射导致内部温度过高零件烧坏。
图1为BWT901CL姿态传感器样图，传感器通过MCU采集无人船三轴的动态角度后传输到处理装置的主控芯片中，BWT901CL姿态传感器采样频率快，测量精度高，静态精度为±0.05°，动态精度能达到±0.1°。
图2为装置主板电路示意图，是整款发明的核心系统，设计尺寸60×120mm，主板上开设3个直径5mm的圆孔，便于设备定位。处理装置使用双隔离技术的STEM32主板，以确保数据传输的稳定性。此外在主板中设置有异步控制模块和水深滤波算法，异步控制主要是为了能够确保RTK、测深仪、姿态传感器三者数据的同频率接收，保证某一条传输数据下三种数据能够一一对应。滤波算法则是为了防止测深仪在测量时异常突变值的出现，在数据传输到终端之前，将异常数据提前过滤。主板中还设置有存储功能，本地最多可以存储30000条测量数据。为了方便设备调试，主板上加装了232数据接口，可直接连接PC端调试或者设置设备的工作模式与工作指令。在一些不便架设无线电台的施工现场，处理装置内设有5G卡槽，可以通过5G信号控制设备或是传输测量数据，处理装置中配置5G状态信号灯判断5G信号的强弱以及5G卡槽的供电状态。
图3为装置主板实物图，在首次使用该装置时，需要将装置安装到无人船船体内部，通过定位孔利用强力胶将姿态传感器安装在无人船重心位置，保证姿态传感器数据的测量的有效性。装置的主板放入保护盒中，并将保护盒放置于无人船的船头的储物箱中，通过232多串口转接器与RTK、测深仪以及姿态传感器连接，并检查接头的连接有效性，确保数据传输稳定。
图4为装置位置剖面示意图，在无人船测量工作之前，检查处理装置的外接电源的电量是否充足，并及时更换低电量的电池。提前打开该处理装置，通过5G信号指示灯判断该作业地点的信号强弱，确保数据传输的连续性。在上述工作完成后，即可将无人船放置到预设的测线起点处对相关水域进行测量工作，相关作业人员通过网页端即可实时查看测量数据的采集状况。
综上所述，本发明上述实施例无人船多功能智能数据处理装置，主要包括姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块三部分。装置通过多接口与无人船上的RTK和单波束测深仪相连，在无人船作业时读取三维坐标和水深数据，并对数据进行实时的校准与传输工作。姿态传感器主要负责测量无人船在工作时的三轴角度，然后通过串口传输到装置内部的STEM32的主控芯片中进行姿态数据的处理和保存。异步控制模块负责实现RTK、测深仪以及姿态数据的同频率接收。数据传输模块由电平转换器、5G卡槽、数码管等组成，其在接收到数据信号后通过5G信号实时发送数据至本地上位机或者云端服务器。该装置采用5G通讯技术、智能滤波等先进技术手段，操作简便，设计智能，可开发程度高，能够实现对多因素干扰条件下无人船测量数据的实时校准与传输。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：包括保护盒和设置于保护盒中的姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块，所述保护盒采用耐腐蚀材料制成密封盒体，将姿态传感器、异步控制模块和数据传输模块密封于保护盒内；所述姿态传感器用于实时检测无人船的姿态参数；所述数据传输模块将数据传输模块传输的数据向异步控制模块传输，所述异步控制模块通过数据计算和处理，然后数据传输模块向无人船的控制系统输出姿态校正信息；所述异步控制模块还通过多接口与无人船上的RTK和单波束测深仪信号连接，在无人船作业时读取三维坐标和水深数据，并对数据进行实时的校准和通过数据传输模块传输信息。
2.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：所述保护盒采用铸铝材料制成密封盒体，在保护盒内侧涂抹防水隔温材料聚氨酯，形成隔水和保温密封层。
3.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：在其电源和GND之间加入自恢复保险丝，避免在所述数据智能处理装置连接到无人船时因为接线问题导致短路，从而烧坏采集器零件的情况发生。
4.根据权利要求3所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：所述自恢复保险丝具有过流过热保护，自动恢复双重功能，当线路出现异常的大电流时，自恢复保险丝的电阻会变大，产生高温从而阻止电流的通过，当温度恢复正常时，自恢复保险丝的电阻又变小，从而又恢复线路导通。
5.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：使用外接电源，形成可拆装供电装置结构。
6.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：姿态传感器测量无人船在工作时的三轴角度，然后通过串口传输到所述数据智能处理装置内部设置的STEM32的主控芯片中，STEM32主机芯片的内置程序快速读取到传感器单总线信令，并进行姿态数据的处理和保存。
7.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：采用双隔离方式，所述数据智能处理装置通过A单片机采集多种数据传输信号，然后将采集好的数据发送给B单片机，B单片机将数据通过5G模块发送到后台备份或输出。
8.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：内置自动滤波算法，在测深仪检测的数据传输到主机前，利用人工智能算法过滤水深数据中的突变点，获取测深仪数据的有效性数据。
9.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：所述异步控制模块利用信号帧头匹配算法，判断RTK、测深仪以及姿态传感器三者的数据是否存在异步传输的问题，通过信号匹配，保证测量数据点位数据的唯一性和真实性。
10.根据权利要求1所述基于无人船的数据智能处理装置，其特征在于：所述数据传输模块采用多方案传输数据，在不同外部作业条件下保证数据安全传输；在装置内部设置5G卡槽，插入5G卡后，进行数据的远距离传输。
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