一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法及系统技术方案

本发明专利技术属于无人平台自主控制技术领域，公开了一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法及系统，航控计算机系统通过以太网口接入以太网交换机，与光电、遥测电台、卫通、雷达和惯导系统进行网络数据通信；通过I/O输出继电器信号，采集遥控器接收信号；同时通过串口与光电、遥测、惯导、导航和发动机进行数据通信；通过输出D/A信号控制发动机油门及舵机；通过A/D信号采集各环境感知传感器的数据；通过各类接口的数据采集、通信和控制，航控计算机完成航行过程中航向、航迹控制以及与岸机的数据通信，保障无人艇的航行作业。本发明专利技术能够大幅提高系统的小型模块化、可靠通用化、实时性以及自主国产化，提高了系统的可维性和实时性。提高了系统的可维性和实时性。提高了系统的可维性和实时性。

【技术实现步骤摘要】
一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法及系统


[0001]本专利技术属于无人平台自主控制
，尤其涉及一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法及系统。

技术介绍

[0002]目前，无人水面艇（Unmanned Surface Vehicle，USV）是一种无人驾驶、能够自主航行的一种小型水面智能任务平台，具有体积小、成本低、雷达反射面积小、高速、智能自主等特点，同其他无人系统一样（例如无人机、无人车、无人水下航行器，等），在执行危险任务或者在环境恶劣区域执行任务时，相比有人系统具有很大的优势。但是，复杂海洋环境下USV能按计划、可靠的完成任务的前提是具有一个性能可靠、坚固耐用、自主可控、小型模块化的无人艇航行控制系统。
[0003]当前USV航行控制系统存在的问题及缺陷为：（1）可靠性有待进一步提高。复杂海洋环境下USV的航行控制主控计算机的工作环境比较恶劣，存在高温、高湿、高盐雾以及大风浪引起的剧烈震动、电压不稳定等情况，可能导致主控计算机故障或者死机。
[0004]（2）小型模块化结构待提升。软件方面，面向不同任务需求的USV在艇体平台、设备选型、算法设计等方面差异较大，需要抽象设备接口层、标准化数据结构，封装不同设备接口类型协议，统一各个设备数据访问流程，提高系统体系结构的模块化水平；硬件方面，特别是小型无人艇需要更加小型化的航控计算机，以便节约空间搭载其他任务载荷；同时，各功能模块应采用模块化设计，各模块功能相对独立，便于维修安装和调试。
[0005]（3）自主可控性需不断加强。操作系统方面应选择国产操作系统；器件选型本着质量可靠、使用成熟、通用常见、国产化原则。
[0006]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有USV航行控制系统的可靠性较差，在复杂海洋环境下可能导致主控计算机故障或者死机；现有USV航行控制系统的小型模块化结构有待提升，同时自主可控性需不断加强。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法及系统。
[0008]本专利技术是这样实现的，一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统，该系统包括航控计算机系统和模块化航行控制软件组成；所述航控计算机系统通过以太网口接入以太网交换机，与光电、遥测电台、卫通、雷达和惯导系统进行网络数据通信；通过I/O输出继电器信号，采集遥控器接收信号；同时通过串口与光电、遥测、惯导、导航和发动机进行数据通信；通过输出D/A信号控制发动机油门及舵机；通过A/D信号采集各环境感知传感器的数据；通过各类接口的数据采集、通信和控制，航控计算机系统完成航行过程中航向、航迹控制以及与岸机的数据通信，保障无人艇
的航行作业；所述模块化航行控制软件分为感知层、数据层、通信层、控制层和执行层。
[0009]所述感知层由A/D采集板卡、串口板的采集模块、各类传感器以及雷达、光电的设备接口程序组成，用于负责对无人平台内部关键部位的温度、震动以及周围障碍物目标进行数据采集；数据层，用于抽象环境数据结构、能源数据结构、航行状态标准数据结构、设备状态标准数据结构、目标和/或障碍物数据结构以及地理信息标准数据结构，兼容各类底层设备；通信层，包括串口通信、TCP/IP协议网络通信、超短波通信以及北斗短报文通信，用于负责整个航行控制系统内部以及与其他各系统间的通信任务；控制层，分为智能决策和航行控制两个子层；其中，智能决策子层是无人平台的中枢，包括智能决策器、路径规划器，受具体任务驱动并综合考虑无人平台当前所处环境和自身状态，调用智能决策算法和目标导引算法进行决策并规划出动作序列，生成目标指令；航行控制子层依据目标指令，调用跟踪控制算法生成必要的控制指令，包括点火/熄火控制、航速和艏向控制、航行灯控制、雷达以及光电的载荷控制；执行层，包括D/A板卡和I/O板卡以及各类相关设备的控制接口程序，用于负责所有控制指令的执行，最终实现对执行机构和各类任务载荷的控制。
[0010]进一步，所述航控计算机系统采用模块化设计，主控模块、存储模块、电源模块、加速模块、AD/DA转换板以及I/O接口板均通过底板连接，电源供电、以太网口、串口、CAN和IO输入通过IO接口板对外引出，AD/DA和IO输出通过转换板对外引出。
[0011]进一步，所述IO接口板用于提供电源输入接口，2路以太网口，8路RS232接口，2路RS422接口，2路CAN接口和12路IO输入；所述AD/DA转换板通过FMC接口与底板连接，对外有16路AD输入接口，8路DA输出接口以及18路I/O输出接口。
[0012]进一步，所述电源模块，用于为整个航控计算机供电，支持18~36V输入，输出12V@4A、5V@10A、3.3V@2A；所述主控模块，用于负责整个航控系统的运行和调度，运行翼辉实时操作系统，支持2路千兆网接口以及SRIO、PCIe的高速总线；所述数据加速模块采用8核DSP，用于实现高速的数据解算处理，以保障航控算法按规定的周期完成解算任务；所述数据存储模块采用SATA接口，容量为128GB，用于实时存储无人艇航行过程中产生的全部任务数据。
[0013]进一步，所述航控计算机系统内各模块结构外形尺寸以及安装要素符合VITA74.0模块设计规范。
[0014]进一步，所述主控模块、数据加速模块和电源模块符合19mm模块规范要求，数据存储模块符合12.5mm模块规范要求，机箱符合Nano ATR机箱标准。
[0015]本专利技术另一目的在于提供一种应用所述小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统的小型模块化嵌入式无人艇航行控制方法，该方法包括以下步骤：步骤一，航控计算机系统中，通过以太网口接入以太网交换机，与光电、遥测电台、
卫通、雷达和惯导系统进行网络数据通信；通过I/O输出继电器信号，采集遥控器接收信号，同时通过串口与光电、遥测、惯导、导航和发动机进行数据通信；通过输出D/A信号控制发动机油门及舵机，并通过A/D信号采集各环境感知传感器的数据；航控计算机系统通过各类接口的数据采集、通信和控制，完成航行过程中航向、航迹控制以及与岸机的数据通信，保障无人艇的航行作业；步骤二，模块化航行控制软件中，感知层对无人平台内部关键部位的温度、震动以及周围障碍物目标进行数据采集；数据层抽象环境数据结构、能源数据结构、航行状态标准数据结构、设备状态标准数据结构、目标和/或障碍物数据结构以及地理信息标准数据结构；通信层对整个航行控制系统内部以及与其他各系统间的通信任务；控制层，受具体任务驱动并综合考虑无人平台当前所处环境和自身状态，调用智能决策算法和目标导引算法进行决策并规划出动作序列，生成目标指令；依据目标指令，调用跟踪控制算法生成必要的控制指令，包括点火/熄火控制、航速和艏向控制、航行灯控制、雷达以及光电的载荷控制；执行层负责所有控制指令的执行，最终实现对执行机构和各类任务载荷的控制。
[0016]本专利技术另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统，其特征在于，所述小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统包括航控计算机系统和模块化航行控制软件组成；所述航控计算机系统通过以太网口接入以太网交换机，与光电、遥测电台、卫通、雷达和惯导系统进行网络数据通信；通过I/O输出继电器信号，采集遥控器接收信号；同时通过串口与光电、遥测、惯导、导航和发动机进行数据通信；通过输出D/A信号控制发动机油门及舵机；通过A/D信号采集各环境感知传感器的数据；通过各类接口的数据采集、通信和控制，航控计算机系统完成航行过程中航向、航迹控制以及与岸机的数据通信，保障无人艇的航行作业；所述模块化航行控制软件分为感知层、数据层、通信层、控制层和执行层。2.如权利要求1所述的小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统，其特征在于，所述感知层由A/D采集板卡、串口板的采集模块、各类传感器以及雷达、光电的设备接口程序组成，用于负责对无人平台内部关键部位的温度、震动以及周围障碍物目标进行数据采集；数据层，用于抽象环境数据结构、能源数据结构、航行状态标准数据结构、设备状态标准数据结构、目标和/或障碍物数据结构以及地理信息标准数据结构，兼容各类底层设备；通信层，包括串口通信、TCP/IP协议网络通信、超短波通信以及北斗短报文通信，用于负责整个航行控制系统内部以及与其他各系统间的通信任务；控制层，分为智能决策和航行控制两个子层；其中，智能决策子层是无人平台的中枢，包括智能决策器、路径规划器，受具体任务驱动并综合考虑无人平台当前所处环境和自身状态，调用智能决策算法和目标导引算法进行决策并规划出动作序列，生成目标指令；航行控制子层依据目标指令，调用跟踪控制算法生成必要的控制指令，包括点火/熄火控制、航速和艏向控制、航行灯控制、雷达以及光电的载荷控制；执行层，包括D/A板卡和I/O板卡以及各类相关设备的控制接口程序，用于负责所有控制指令的执行，最终实现对执行机构和各类任务载荷的控制。3.如权利要求1所述小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统，其特征在于，所述航控计算机系统采用模块化设计，主控模块、存储模块、电源模块、加速模块、AD/DA转换板以及I/O接口板均通过底板连接，电源供电、以太网口、串口、CAN和IO输入通过IO接口板对外引出，AD/DA和IO输出通过转换板对外引出；所述IO接口板用于提供电源输入接口，2路以太网口，8路RS232接口，2路RS422接口，2路CAN接口和12路IO输入；所述AD/DA转换板通过FMC接口与底板连接，对外有16路AD输入接口，8路DA输出接口以及18路I/O输出接口。4.如权利要求2所述小型模块化嵌入式无人艇航行控制系统，其特征在于，所述电源模块，用于为整个航控计算机供电，支持18~36V输入，输出12V@4A、5V@10A、3.3V@2A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建强，刘忠，李轲，胡生亮，许江湖，冯成旭，夏清涛，罗亚松，刘志坤，刘一平，张媛媛，谢君，王雷，李焰，随博文，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
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