CN109269560A - 一种水下移动平台数据采集传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下移动平台数据采集传输系统，包括AUV、环境信息传感器和AUV姿态传感器，环境信息传感器和AUV运动姿态传感器采集的数据分别发送至环境信息数据采集模块和AUV运动姿态数据采集模块，分别通过环境信息数据处理模块和AUV运动姿态数据处理模块进行处理和运算，并通过数据传输模块和Flash存储模块将原始数据进行存储。本发明运行稳定，实时性好，满足水下传感网络数据采集和传输及环境监测的要求，可实现对AUV平台运动姿态数据的采集和环境数据的动态采集，并将采集到的数据通过声学通信机传输到岸上单元，实现对环境和AUV自身运动状态的长时间监测和记录，解决了现有的数据传输技术无法对水下数据进行采集和传输的问题。

Description

一种水下移动平台数据采集传输系统

技术领域

本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种水下移动平台数据采集传输系统。

背景技术

海洋是人类的资源宝库，也是权益维护的战略重地。随着人们对海洋环境的科学研究、商业开发及沿海军事防御兴趣的日益增加，信息化、现代化的海洋开发技术和海洋环境研究日益受到关注。

在海洋科学研究中，高精度、实时的水下环境数据采集系统在开发海洋资源，研究海洋物理现象等方面都有着十分重要的作用。通过建立水下传感网络，可以把不同距离的传感器收集到的大量数据信息通过水面节点以无线或有线的方式及时地传递到地面控制中心。与传统的数据采集方式相比，这样不仅提高了数据采集效率，防止了因节点失效而导致的数据丢失，同时也扩大了可观测区域。在水下传感网络中，控制中心还可以根据实时数据采集情况向水下节点发出控制信息，以调整工作状态，进行采集任务更新和网络重组等工作。

AUV是一种在水下传感网络中常用的移动平台。搭载有各种传感器的AUV平台，可以在水下自由移动，动态地监测不同区域环境，并根据环境变化来自适应地调节采样机制，跟踪特定的海洋现象，如温跃层和上涌流。AUV的加入，扩大了整个网络对环境的监控范围，提高了网络对短暂、特殊海洋物理现象的跟踪和探测能力，因此设计一套基于AUV平台的数据采集和传输系统，对实现数据的网络化传输和环境监测具有重要意义。在陆地无线网络中，网络节点设计已经有了较为成熟的方案，但是由于传播介质的不同和水下环境的复杂性，这些方案都不能很好地应用于水下，为此，我们提出一种水下移动平台数据采集传输系统。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种水下移动平台数据采集传输系统，具有适用于对水下数据进行采集和传输的特点，解决了现有的数据传输技术无法对水下数据进行采集和传输的问题。

本发明提供如下技术方案：一种水下移动平台数据采集传输系统，包括AUV、环境信息传感器和AUV姿态传感器，环境信息传感器和AUV运动姿态传感器采集的数据分别发送至环境信息数据采集模块和AUV运动姿态数据采集模块，然后分别通过环境信息数据处理模块和AUV运动姿态数据处理模块进行处理和运算，并通过数据传输模块和Flash存储模块将原始数据进行存储，经声学通信机发送给网络中的其他节点，实现数据的网络化传输。

优选的，所述AUV包括电机舱、电池舱、声通舱、电子舱、换能器和CTD。

优选的，所述系统由AUV自身携带的电池供电，所述AUV的控制舱中搭载有4种测量AUV运动状态的传感器，用于测量AUV运动速度、离地高度的多普勒计程仪、测量AUV运动姿态角的智能电子罗盘、全球定位系统和测量AUV运动深度的深度计。

优选的，所述AUV的艏部，还搭载有测量水下环境温度、盐度和压强的温盐深仪，是水下传感网络中的典型移动平台。

优选的，所述系统主要由两片LPC2368芯片组成，采用主从模式工作，其中芯片A为主MCU，芯片B为从MCU。

优选的，所述从MCU接收AUV运动状态传感器数据，推算AUV航行位置，并将数据和推算结果根据主从通信协议传送给主MCU，主MCU接收从MCU上传的AUV运动状态信息，同时将CTD采集到的环境信息一起存入Flash芯片中，并将数据打包发送给声学通信机，与传感网络中的其他节点进行通信。

优选的，所述AUV运动状态传感器包括IGC、DVL和GPS等，所述CTD采集到的环境信息包括温度、盐度和压力等。

优选的，所述主MCU的外围电路中具有ＲTC实时时钟电路和CTD控制电路，用于控制传感器的采样起始时间、采样时间长度、采样时间间隔以及控制CTD的开关，从而降低整个系统的功耗。

本发明提供了一种水下移动平台数据采集传输系统，运行稳定，实时性好，满足水下传感网络数据采集和传输及环境监测的要求，可实现对AUV平台运动姿态数据的采集和环境数据的动态采集，并将采集到的数据通过声学通信机传输到岸上单元，实现对环境和AUV自身运动状态的长时间监测和记录，解决了现有的数据传输技术无法对水下数据进行采集和传输的问题。

附图说明

图1为本发明水下传感网络节点中的数据采集系统结构图；

图2为本发明AUV结构图；

图3为本发明数据采集和传输系统硬件框图；

图4为本发明数据采集过程流程图；

图5为本发明数据发送过程流程图；

图6为本发明上下位机的通信过程示意图；

图7为本发明数据导出通信过程示意图；

图8为本发明千岛湖湖上试验节点分布图；

图9为本发明AUV运动过程中采集到的环境温度和压强图；

图10为本发明AUV水中运动速度数据图；

图11为本发明AUV航行高度和深度数据图；

图12为本发明AUV航行运动姿态角数据图；

图13为本发明AUV在水下的航行轨迹。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-13，本发明提供一种技术方案：一种水下移动平台数据采集传输系统，包括AUV、环境信息传感器和AUV姿态传感器，环境信息传感器和AUV运动姿态传感器采集的数据分别发送至环境信息数据采集模块和AUV运动姿态数据采集模块，然后分别通过环境信息数据处理模块和AUV运动姿态数据处理模块进行处理和运算，并通过数据传输模块和Flash存储模块将原始数据进行存储，经声学通信机发送给网络中的其他节点，实现数据的网络化传输，AUV包括电机舱、电池舱、声通舱、电子舱、换能器和CTD，系统由AUV自身携带的电池供电，AUV的控制舱中搭载有4种测量AUV运动状态的传感器，用于测量AUV运动速度、离地高度的多普勒计程仪、测量AUV运动姿态角的智能电子罗盘、全球定位系统和测量AUV运动深度的深度计，AUV的艏部，还搭载有测量水下环境温度、盐度和压强的温盐深仪，是水下传感网络中的典型移动平台，系统主要由两片LPC2368芯片组成，采用主从模式工作，其中芯片A为主MCU，芯片B为从MCU，从MCU接收AUV运动状态传感器数据，推算AUV航行位置，并将数据和推算结果根据主从通信协议传送给主MCU，主MCU接收从MCU上传的AUV运动状态信息，同时将CTD采集到的环境信息一起存入Flash芯片中，并将数据打包发送给声学通信机，与传感网络中的其他节点进行通信，AUV运动状态传感器包括IGC、DVL和GPS等，CTD采集到的环境信息包括温度、盐度和压力等，主MCU的外围电路中具有ＲTC实时时钟电路和CTD控制电路，用于控制传感器的采样起始时间、采样时间长度、采样时间间隔以及控制CTD的开关，从而降低整个系统的功耗。

“海豚一号”AUV中的传感器数据均可通过串口传输到数据采集系统中，数据采用中断发送和接收。

在对数据进行采集和处理的过程中，系统采用分层设计方案，共分为三层，每一层对应一个数据缓冲区:数据接收缓冲区，数据处理缓冲区和数据发送缓冲区。数据接收缓冲区首先对数据进行接收，在接收到完整的数据帧后将数据放入数据处理缓冲区。在数据处理缓冲区中对接收到的数据进行处理并进行CＲC校验，丢弃不正确的数据帧，将正确的数据帧放入数据发送缓冲区，数据在发送缓冲区内根据相应的数据传输协议进行打包，并通过串口传输给指定设备。在整个数据传输的过程中，加入的超时机制和CＲC校验，保证了目的端接收数据的正确性。

系统需要存储数据有AUV运动姿态角数据（横滚角、纵倾角和航向角）、速度（地坐标下3个方向的速度）、水面GPS位置、AUV运行的深度和高度，以及AUV在水下的位置数据和采集的环境数据（温度、压力），各个传感器的测量精度和采样间隔如下表：

根据采样间隔、AUV续航时间、数据存储格式可计算出保证数据完整存储所需要的存储空间，计算公式如下：

其中，C为系统存储容量，Δti为第i个传感器的采样时间间隔，T为系统续航时间，N为传感器的种类。在存储时，在保证测量精度的前提下对采集到的数据进行压缩，将相同采样间隔的采集数据进行合并，节省了系统对存储容量的需求。在数据帧中，根据数据存储的标号计算数据帧在Flash芯片中的存储地址实现数据的读写。数据来源的传感器决定了不同的数据类型，在每一帧存储的数据中，还加入了本地时间戳，便于后续分析和处理。Flash芯片中的数据存储格式如下表：

标号	数据类型	数据区	时间戳
				3	1	12	4

AUV续航时间为2h，由表1和表2可知，可计算出系统所需要的最小数据存储量为3．46MB．由此可知，采用容量为4MB的串行Flash芯片，即可实现数据的有效存储，节省了数据存储空间。

数据传输过程中将采集到的数据需要在水下传感网络中传输，而数据传输主要是通过声学通信机来实现的，声学通信机在没有数据发送时需要进行休眠，以延长系统工作时间，降低系统功耗，因此水下航行器在航行过程中，需要在一定深度下唤醒声学通信机与岸上单元进行通信。在程序设计过程中，数据传输需要和AUV的运动状态结合起来。由于AUV在水下运动，在AUV的控制机构中，如果出现紧急情况，AUV的电机会自动断电，AUV凭借自身的浮力紧急上浮。在这种情况下，为保护声学通信机的换能器，在低于通信深度的情况下需要让声学通信机进入休眠状态。系统在采集到多组小于设定通信深度的数据时，立即向声学通信机发送休眠命令，结束整个通信过程。

数据在网络中的传输是逐跳进行的，由于水声链路的不稳定性，每一帧数据从一个节点成功传输到另一个节点，都会收到下一个节点发送的ACK，若数据传输不成功，则进行自动选择重传（AＲQ）协议。在传输的通信帧中，含有目标地址和源地址，可以判断数据帧的来源和进行路由选择。所设计的同信帧格式如下表所示，其中目的地址和源地址为节点的标号。

采集硬件系统安装在AUV艏部的电子舱内。频繁地拆装AUV可能会导致壳体的损伤，浪费劳动力和时间。在AUV下水之前，需要根据环境对AUV的一些参数进行配置以保证传感器和AUV的工作性能。AUV完成任务后，要将采集到的数据导出，以便后续分析和处理，因此需要设计一个上位机实现以上功能。在上位机的过程中，无论命令配置和数据导出，都需要保证通信的正确性，因此需要运用AＲQ协议。

命令配置，在命令帧中，可配置的参数和命令主要有Flash擦除命令、通信深度设置参数命令，通信时间参数和采样参数命令。

对上位机下达的命令，采用回传解析的方式在上位机上显示出来，以判断下达命令的正确性和可执行性。配置正确的命令参数会被保存到Flash芯片的相应扇区。在AUV意外掉电的情况下，系统重新上电后，会从Flash中相应的扇区取出在岸上配置好的命令，继续执行，避免AUV的重复回收和配置。

数据导出采用一问一答式的通信模式，上位机发送数据导出命令，下位机接收到数据导出命令后将数据发送给上位机。由于数据存储格式中含有标号，下位机根据上位机导出命令中的标号发送数据，根据下一次命令中的标号判断接收是否正确，并可根据标号进行续传。

为测试系统的稳定性和数据传输性能，在千岛湖湖上试验基地对系统的数据采集功能进行了验证，并进行了数据传输试验。

千岛湖湖上试验基地附近水深约50m，考虑到“海豚一号”AUV的航行保护机制（高度保护和深度保护）及航行安全，试验时AUV航行深度设定为5m（定深精度为±0．5m）。AUV在水下自主航行，每次以不同的4个GPS点形成的方形转圈航行，航行4圈后回到出发点，整个航行距离约为3km，每一次试验过程持续约45min，该试验过程共进行了4次，系统工作稳定。在试验过程中，系统需要向通信节点传输数据，通信节点如图8所示。采用的调制解调信号为mFSK信号，信号的中心频率为8kHz，由于节点均锚定在水中，故采用了固定网络路由协议，MAC则采用了MACA协议。

经测试，系统工作稳定，4次任务均采集到了所需数据，根据Flash芯片中记录的时间戳，没有发现数据丢失的现象。最后一次任务采集的数据结果如图9-图12所示。一部分为CTD采集到的环境温度和压强数据，其结果分别如图9（a）和图9（b）所示;另一部分为AUV的运动姿态数据，AUV在各个方向上的运动速度如图10（a）、图10（b）和图10（c）所示，总速度（绝对值）如图10（d）所示，AUV运动的深度和离地高度变化分别如图11（a）和图11（b）所示，AUV运动的航向角、纵倾角和横滚角分别如图12（a）、图12（b）和图12（c）所示。

在通信功能测试试验中，由于AUV下潜定深任务深度为5m（定位精度约为±0．5m），因此在整个实验过程中，设定准备接入网络的通信深度为3m，结束通信过程深度为2m。根据采集的AUV运动姿态数据，系统采用航位推算计算出AUV航行轨迹，通过将AUV的三维位置与环境数据相对应，与Flash芯片中存储的本地时间戳一起在时间和空间上重构了整个环境数据获取过程。声学通信机被唤醒后，AUV在运行的过程中，每一分钟向岸上通信单元实时上报一组AUV运动姿态信息和环境信息数据。在整个试验过程中，AUV向岸上成功发送44帧数据，岸上单元成功接收43帧，正确接收率达97．72%。系统推算出来的AUV航行位置和岸上单元正确接收并解析的AUV数据上传点如图13所示。

AUV在运行过程中定期上报环境温度、压力数据和自身的运动状态信息数据，不仅实现了环境的监测，也对AUV水下状态和位置进行实时监控。而且将采集动态位置和环境数据进行融合，也是目前海洋环境观测所需要的。

本发明运行稳定，实时性好，满足水下传感网络数据采集和传输及环境监测的要求，可实现对AUV平台运动姿态数据的采集和环境数据的动态采集，并将采集到的数据通过声学通信机传输到岸上单元，实现对环境和AUV自身运动状态的长时间监测和记录，解决了现有的数据传输技术无法对水下数据进行采集和传输的问题。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：包括AUV、环境信息传感器和AUV姿态传感器，环境信息传感器和AUV运动姿态传感器采集的数据分别发送至环境信息数据采集模块和AUV运动姿态数据采集模块，然后分别通过环境信息数据处理模块和AUV运动姿态数据处理模块进行处理和运算，并通过数据传输模块和Flash存储模块将原始数据进行存储，经声学通信机发送给网络中的其他节点，实现数据的网络化传输。

2.根据权利要求1所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述AUV包括电机舱、电池舱、声通舱、电子舱、换能器和CTD。

3.根据权利要求1所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述系统由AUV自身携带的电池供电，所述AUV的控制舱中搭载有4种测量AUV运动状态的传感器，用于测量AUV运动速度、离地高度的多普勒计程仪、测量AUV运动姿态角的智能电子罗盘、全球定位系统和测量AUV运动深度的深度计。

4.根据权利要求1所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述AUV的艏部，还搭载有测量水下环境温度、盐度和压强的温盐深仪，是水下传感网络中的典型移动平台。

5.根据权利要求1所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述系统主要由两片LPC2368芯片组成，采用主从模式工作，其中芯片A为主MCU，芯片B为从MCU。

6.根据权利要求5所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述从MCU接收AUV运动状态传感器数据，推算AUV航行位置，并将数据和推算结果根据主从通信协议传送给主MCU，主MCU接收从MCU上传的AUV运动状态信息，同时将CTD采集到的环境信息一起存入Flash芯片中，并将数据打包发送给声学通信机，与传感网络中的其他节点进行通信。

7.根据权利要求6所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述AUV运动状态传感器包括IGC、DVL和GPS等，所述CTD采集到的环境信息包括温度、盐度和压力等。

8.根据权利要求5所述的一种水下移动平台数据采集传输系统，其特征在于：所述主MCU的外围电路中具有ＲTC实时时钟电路和CTD控制电路，用于控制传感器的采样起始时间、采样时间长度、采样时间间隔以及控制CTD的开关，从而降低整个系统的功耗。