CN114071255A - 一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统、方法、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统、方法、设备及存储介质，属于测控技术、通信工程技术领域，是针对有线电缆网及无线传输技术存在的问题所提出，包括通信系统、通信系统的工作时序和通信系统的安装模式等技术内容，实现了潜航器数据采集系统的通信无线化，采用超宽带通信技术以及自研无线传输协议等技术方案，实现了无线数据传输的高可靠性、极低时延及时延抖动，解决了目前潜航器数据采集系统采用有线通信网络带来的种种问题以及主流无线通信协议无法可靠应用于潜航器舱内特定环境组网通信的问题，有效的保障了潜航器各测控设备之间的数据通信。

Description

一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统、方法、设备 及存储介质

技术领域

本发明属于测控技术、通信工程技术领域，特别是涉及一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统、方法、设备及存储介质。

背景技术

无人潜航器可以在艇内无人控制的情况下，潜入深海复杂环境中自主进行地质或水文环境探测、目标搜寻等任务。近年来，无人潜航器技术迅速发展，在执行各类海洋探测任务中起到了越来越重要的作用。

潜航器的数据采集系统是潜航器测控系统的重要组成部分，负责实时收集并存储各种探测设备或传感器的反馈信号，该系统的特点是：

1.一个主控设备对应多个分布在不同舱段内的采集节点；

2.单次传输数据量较小；

3.对通信网络的传输稳定性、传输时延及时延抖动有着很高的要求。

一般来说，数据采集系统的主机与各设备模块，例如声呐模块、惯性测量装置、地磁测量仪等等，是通过敷设在舱体内部的电缆网进行互联的，以总线形式或点对点的拓扑结构进行组网通信传输数据，通信协议多为RS-485、以太网、CAN等等。

现有技术的缺点是：

上述有线形式的电缆网及通信协议在长期的实践应用中，逐渐显现出无法通过优化设计来解决的种种问题，难以完全满足潜航器内数据采集系统日益复杂的应用需求，主要包括以下几点：

1.一些测控设备因工作环境不同，主要包括压力、温度、工作介质及振动环境或电磁环境等等，需要分别安装在不同的密封舱段内互相物理隔绝，如果这些设备互相之间的通信采用有线电缆连接，则需要在密封舱间设置电缆通孔，不仅增加密封设计的难度，同时在水下高压、振动等复杂工况下，存在结构损坏或气体、液体跨舱渗漏等风险；

2.复杂的电缆网及大量的多芯连接器较为沉重，不利于潜航器的减重和配重设计，尤其对于小型无人潜航器，电缆网及连接器的重量占比更大，更加不利于进一步的减重或质心配置；

3.有线的电缆网增加了潜航器的装配复杂度和难度，而且在潜航器产品的升级迭代过程中，如果需要增减设备功能或调整设备位置，均需要重新设计电缆网，由此带来庞大的设计工作量。

如果将潜航器舱内各设备的通信网络进行无线化，则可以很好的解决上述问题。

但是，市面上主流的无线通信协议方案，例如无线局域网(WLAN)、蓝牙(Bluetooth)、ZigBee协议等等，在实际使用中，均无法满足潜航器数据采集系统的低延迟、高实时性的通信需求，主要原因如下：

1.潜航器舱内的电磁环境与日常地面室内外的电磁环境有着很大的区别。潜航器为密闭金属腔体结构，因腔体效应会对舱内的不同频率的射频电磁波产生明显的抑制或增强的作用，上述无线局域网、蓝牙等常用窄频带无线通信协议，通信时很容易被干扰或抑制导致失效；

2.无线局域网、蓝牙等传输协议存在较大的传输延迟(多为30ms以上)，同时因协议复杂，传输延迟具有很大的不确定性，无法满足潜航器数据采集系统的高实时性、低延迟及时延抖动的通信需求。

综上所述，水下潜航器的数据采集通信系统所采用的有线通信的方式存在种种无法解决的问题，采取无线通信网络可解决这些问题，但市面上主流的无线通信协议方案无法满足潜航器数据采集系统的通信需求。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统、方法、设备及存储介质，可以解决有线电缆网及无线传输技术存在的问题。

本发明采用的技术方案在于：

一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统，包括通信系统，所述通信系统包括独立测控设备与无线通信模块，所述独立测控设备包括数据采集控制模块、声呐模块、惯性测量模块、地磁测量模块和可见光/红外光记录仪模块，声呐模块、惯性测量模块、地磁测量模块和可见光/红外光记录仪模块通过无线通信模块与数据采集控制模块建立数据通信；

所述数据采集控制模块用于收集并存储声呐模块、惯性测量模块、地磁测量模块和可见光/红外光记录仪模块报送的实时传感器及设备状态数据，并负责整个数据采集系统的通信调度；

所述声呐模块用于潜航器的水声探测功能，可将探测到的水声数据传送至数据采集控制模块；

所述惯性测量模块用于通过惯性敏感元件测量潜航器的瞬时速度及加速度，可将速度及加速度数据传送至数据采集控制模块；

所述地磁测量模块用于获取地磁强度信息与地磁图库数据进行匹配实现水下定位的功能；

所述可见光/红外光记录仪模块用于进行水下可见光/红外光拍摄并记录在模块内置闪存中，将视频拍摄的精确时间及视频图像的帧序号传送给数据采集控制模块，返航后用于进行图像与其他传感数据时间同步。

进一步地，所述无线通信模块包括第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第四无线通信模块和第五无线通信模块；

数据采集控制模块与第一无线通信模块连接、声呐模块与第二无线通信模块连接、惯性测量模块与第三无线通信模块连接、地磁测量模块与第四无线通信模块连接，可见光/红外光记录仪模块与第五无线通信模块连接；

所述第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第四无线通信模块和第五无线通信模块，用于组建拓扑形式为广播模式的无线网络，判断是否将报文通过RS485端口发送给数据采集控制模块或声呐模块或惯性测量模块或地磁测量模块或可见光/红外光记录仪模块。

进一步地，所述第一无线通信模块、第二无线通信模块、第三无线通信模块、第四无线通信模块和第五无线通信模块之间的无线通信采用超宽带通信技术，用于在舱内的电磁环境下，处理信号的抗干扰性、实时性和可靠性。

进一步地，所述超宽带通信技术，通信频段为6.0～6.5GHz，波特率为6.8Mbps。

一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法，采用命令——应答式的通信方式，数据采集控制模块为主控设备、声呐模块、惯性测量模块、地磁测量模块和可见光/红外光记录仪模块为从设备，在一个固定为20ms的数据采集周期内，各设备通信时序包括以下步骤：

步骤S1，数据采集控制模块向声呐模块发送指令，声呐模块收到指令帧后，打包当前水声探测数据，形成数据帧传送给数据采集控制模块；

步骤S2，数据采集控制模块向惯性测量模块发送指令，惯性测量模块处理后返回瞬时惯性测量的数据帧给数据采集控制模块；

步骤S3，数据采集控制模块向地磁测量模块发送指令，地磁测量模块处理后，返回地磁定位信息数据帧给数据采集控制模块；

步骤S4，数据采集控制模块向可见光/红外光记录仪模块发送指令，可见光/红外光记录仪模块处理后，将视频图像当前帧的精确拍摄时间及帧序号打包形成数据帧，发送给数据采集控制模块；

以上步骤S1～步骤S4，不断循环实施。

一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集设备，该设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法。

本发明的有益效果是：

1.实现了潜航器数据采集系统的通信无线化，采用超宽带通信技术以及自研无线传输协议等技术方案，实现了无线数据传输的高可靠性、极低时延及时延抖动，解决了目前潜航器数据采集系统采用有线通信网络带来的种种问题以及主流无线通信协议无法可靠应用于潜航器舱内特定环境组网通信的问题，有效的保障了潜航器各测控设备之间的数据通信。

2.通信网络的无线化，使得各设备跨舱段通信不再需要设置电缆通孔，降低了潜航器在水下高压、振动等复杂工况下产生结构损坏或气体、液体跨舱渗漏等风险，同时也降低了潜航器的结构设计和密封设计的难度。

3.本发明可实现各设备舱的物理隔绝，使得潜航器的设计和装配的具备了较强的模块化的特性，简化了潜航器整机的设计难度和装配难度。不同型号的潜航器所需的功能增减不再需要重新设计电缆通信网，只需进行单独的功能模块设计后，配置不同的模块即可；同时潜航器整机在升级迭代过程中，增减设备功能或调整设备位置也无需重新设计电缆网，显著减少了设计工作量。

4.无线通信网络不需要较为沉重的电缆网及大量的多芯连接器，更加有利于潜航器的减重和配重设计。

附图说明

图1是一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统的通信系统框图；

图2是一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统的无线通信系统通信时序图；

图3是一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统的无线通信系统安装示意图；

具体实施方式

如图1所示，通信系统实施方式如下：

硬件系统由独立测控设备与无线通信模块组成。其中，独立测控设备包括数据采集控制模块1、声呐模块2、惯性测量模块3、地磁测量模块4、可见光/红外光记录仪模块5；每个独立设备分别与一个无线通信模块6～10连接。

数据采集控制模块1的功能是收集并存储模块2～5报送的实时传感器及设备状态数据，并负责整个数据采集系统的通信调度；

声呐模块2用于潜航器的水声探测功能，可将探测到的水声数据传送至数据采集控制模块1；

惯性测量模块3利用惯性敏感元件测量潜航器的瞬时速度及加速度，可将速度及加速度数据传送至数据采集控制模块1；

地磁测量模块4的功能是获取地磁强度信息与地磁图库数据进行匹配实现水下定位的功能；

可见光/红外光记录仪模块5的功能是进行水下可见光/红外光拍摄并记录在模块内置闪存中。本发明应用中，可见光/红外光记录仪模块5可将视频拍摄的精确时间及视频图像的帧序号传送给数据采集控制模块1，以便返航后进行图像与其他传感数据时间同步。

无线通信模块6～10为相同硬件的模块。无线通信模块之间的无线通信采用超宽带(UWB)通信技术，在舱内的电磁环境下，超宽带通信技术具备更好的抗干扰能力、更高的实时性和可靠性。

无线通信模块6～10基于Decawave公司生产型号为DWM1000的UWB通信模组开发，由DWM1000实现UWB的信道编码、射频等功能，通信协议为自研。本发明所采用的超宽带通信频段为6.0～6.5GHz，波特率为6.8Mbps。

无线通信模块壳体上设有微波天线、RS485接口及供电接口，通过机械固定的方式安装在各测控设备外壳上，通过RS-485连接线与独立设备连接传输数据，模块与设备RS-485协议组网的拓扑形式为点对点，传输波特率为921600bps。模块的供电由所连接的测控设备提供。

所述无线通信模块6～10在上电后组成的无线网络，拓扑形式为广播模式。无线通信模块可通过更改内部闪存的数据来为每个设备设置不同的节点ID，在某个模块发送数据时，其他模块通过判断报文中的目标节点ID，判断是否将报文通过RS485端口发送给目标设备。

如图2所示，数据采集系统采用命令——应答式的通信方式，主控设备节点为数据采集控制模块1，其他设备节点2～5为从设备，在一个固定为20ms的数据采集周期内，各设备通信时序如下：

步骤1：数据采集控制模块1向声呐模块2发送指令，声呐模块2收到指令帧后，打包当前水声探测数据，形成数据帧传送给数据采集控制模块1；

步骤2：数据采集控制模块1向惯性测量模块3发送指令，惯性测量模块3处理后返回瞬时惯性测量的数据帧给数据采集控制模块1；

步骤3：数据采集控制模块1向地磁测量模块4发送指令，地磁测量模块4处理后，返回地磁定位信息数据帧给数据采集控制模块1；

步骤4：数据采集控制模块1向可见光/红外光记录仪模块5发送指令，可见光/红外光记录仪模块5处理后，将视频图像当前帧的精确拍摄时间及帧序号打包形成数据帧，发送给数据采集控制模块1；

然后重复步骤1～4，如此循环往复，实现数据采集系统的功能。

如图3所示，通信系统的安装方式如下：

无线通信系统的安装模式如图3所示，按照潜航器的密封设计要求，潜航器内分隔为数个密封腔体12，密封腔体之间采用可透过频率为3.5～6.5GHz微波射频信号的非金属材质隔板11进行相互的物理隔绝，各个测控设备模块13分别安装在不同的密封腔体12之内，所述测控设备模块13指的是数据采集控制模块与第一无线通信模块或声呐模块与第二无线通信模块或惯性测量模块与第三无线通信模块或地磁测量模块与第四无线通信模块或可见光/红外光记录仪模块与第五无线通信模块中的一组，每个密封腔体12内可安装一组或多组，每组的摆放顺序不设具体限制。如此设置，既可以满足舱内各个设备的通信需求，各个密封舱又不需要再设置电缆通孔，有效的提高了舱段间的密封性。

本领域内的技术人员通过上述实施例提及的系统及方法，本实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式，模块之间也可根据计算机逻辑结构进行重新组织。而且，本实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

根据本实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图或方框图中的每一流程或方框、以及流程图或方框图中的流程或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

Claims (7)

1.一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统，其特征在于，包括通信系统，所述通信系统包括独立测控设备与无线通信模块，所述独立测控设备包括数据采集控制模块(1)、声呐模块(2)、惯性测量模块(3)、地磁测量模块(4)和可见光/红外光记录仪模块(5)，声呐模块(2)、惯性测量模块(3)、地磁测量模块(4)和可见光/红外光记录仪模块(5)通过无线通信模块与数据采集控制模块(1)建立数据通信；

所述数据采集控制模块(1)用于收集并存储声呐模块(2)、惯性测量模块(3)、地磁测量模块(4)和可见光/红外光记录仪模块(5)报送的实时传感器及设备状态数据，并负责整个数据采集系统的通信调度；

所述声呐模块(2)用于潜航器的水声探测功能，可将探测到的水声数据传送至数据采集控制模块(1)；

所述惯性测量模块(3)用于通过惯性敏感元件测量潜航器的瞬时速度及加速度，可将速度及加速度数据传送至数据采集控制模块(1)；

所述地磁测量模块(4)用于获取地磁强度信息与地磁图库数据进行匹配实现水下定位的功能；

所述可见光/红外光记录仪模块(5)用于进行水下可见光/红外光拍摄并记录在模块内置闪存中，将视频拍摄的精确时间及视频图像的帧序号传送给数据采集控制模块(1)，返航后用于进行图像与其他传感数据时间同步。

2.根据权利要求1所述的一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统，其特征在于，所述无线通信模块包括第一无线通信模块(6)、第二无线通信模块(7)、第三无线通信模块(8)、第四无线通信模块(9)和第五无线通信模块(10)；

数据采集控制模块(1)与第一无线通信模块(6)连接、声呐模块(2)与第二无线通信模块(7)连接、惯性测量模块(3)与第三无线通信模块(8)连接、地磁测量模块(4)与第四无线通信模块(9)连接，可见光/红外光记录仪模块(5)与第五无线通信模块(10)连接；

所述第一无线通信模块(6)、第二无线通信模块(7)、第三无线通信模块(8)、第四无线通信模块(9)和第五无线通信模块(10)，用于组建拓扑形式为广播模式的无线网络，判断是否将报文通过RS485端口发送给数据采集控制模块(1)或声呐模块(2)或惯性测量模块(3)或地磁测量模块(4)或可见光/红外光记录仪模块(5)。

3.根据权利要求1所述的一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统，其特征在于，所述第一无线通信模块(6)、第二无线通信模块(7)、第三无线通信模块(8)、第四无线通信模块(9)和第五无线通信模块(10)之间的无线通信采用超宽带通信技术，用于在舱内的电磁环境下，处理信号的抗干扰性、实时性和可靠性。

4.根据权利要求2所述的一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集系统，其特征在于，所述超宽带通信技术，通信频段为6.0～6.5GHz，波特率为6.8Mbps。

5.一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法，其特征在于，采用命令——应答式的通信方式，数据采集控制模块(1)为主控设备,声呐模块(2)、惯性测量模块(3)、地磁测量模块(4)和可见光/红外光记录仪模块(5)为从设备，在一个固定为20ms的数据采集周期内，各设备通信时序包括以下步骤：

步骤S1，数据采集控制模块(1)向声呐模块(2)发送指令，声呐模块(2)收到指令帧后，打包当前水声探测数据，形成数据帧传送给数据采集控制模块(1)；

步骤S2，数据采集控制模块(1)向惯性测量模块(3)发送指令，惯性测量模块(3)处理后返回瞬时惯性测量的数据帧给数据采集控制模块(1)；

步骤S3，数据采集控制模块(1)向地磁测量模块(4)发送指令，地磁测量模块(4)处理后，返回地磁定位信息数据帧给数据采集控制模块(1)；

步骤S4，数据采集控制模块(1)向可见光/红外光记录仪模块(5)发送指令，可见光/红外光记录仪模块(5)处理后，将视频图像当前帧的精确拍摄时间及帧序号打包形成数据帧，发送给数据采集控制模块(1)；

以上步骤S1～步骤S4，不断循环实施。

6.一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集设备，其特征在于：该设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求5所述的一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求5所述的一种应用于无人潜航器舱内的无线数据采集方法。

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