一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端及控制平臺系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端及控制平臺系統(tǒng)，該智能終端包括：數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊，用于提供主控模塊與總線和船載設(shè)備連接的接口電路；主控模塊，用于采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，并組包傳輸至CAN或以太網(wǎng)總線；控制端模塊，用于接收用戶的命令對外圍設(shè)備進行開關(guān)操作；所述數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊包括CAN接口電路、RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路、以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路以及RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路；所述主控模塊通過CAN接口電路連接CAN總線，主控模塊通過RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路或RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路連接傳感器設(shè)備。本發(fā)明智能終端能大大節(jié)省設(shè)備接入總線時導(dǎo)線的數(shù)量，降低設(shè)備整體布局的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
【專利說明】一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端及控制平臺系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及船載設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端及平臺系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來由于世界各國對海洋資源的強力爭奪以及海難事故頻繁發(fā)生，研制出可承擔(dān)情報收集、反潛、精確打擊、海上搜救、水文地理勘察等功能的無人船成為該領(lǐng)域研究熱點。無人船除了搭載如GPS、電羅經(jīng)等常規(guī)導(dǎo)航設(shè)備外，根據(jù)任務(wù)不同還需搭載多種各類型的傳感器設(shè)備，需同時處理的數(shù)據(jù)也是多種類型并存，且處理量也是龐大的?，F(xiàn)有系統(tǒng)方案中，大多采用集中式設(shè)計方案，將設(shè)備接在一個控制器上，通過該控制器實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)的采集與處理工作。該方法具有以下缺點:1)對控制器的處理速度要求高，必然會導(dǎo)致成本增加；2)控制器處理程序需同時具備不同協(xié)議的數(shù)據(jù)接口，增加了程序開發(fā)難度和周期；3)接入到控制器的導(dǎo)線數(shù)量多，布線復(fù)雜；4)故障排查難，當(dāng)某一設(shè)備出現(xiàn)故障后，需要對整個系統(tǒng)進行排查，增加難度；5)不便于擴展，如果后期要加入其他設(shè)備，則需要對整個系統(tǒng)重新規(guī)劃修改。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端及平臺系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端，包括:
數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊，用于提供主控模塊與總線和船載設(shè)備連接的接口電路主控模塊，用于采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，并組包傳輸至CAN或以太網(wǎng)總線；
控制端模塊，用于接收用戶的命令對外圍設(shè)備進行開關(guān)操作；
所述數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊包括CAN接口電路、RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路、以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路以及RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路；
所述主控模塊通過CAN接口電路連接CAN總線，主控模塊通過RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路或RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路連接傳感器設(shè)備，主控模塊通過以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路連接以太網(wǎng)總線。
[0005]按上述方案，所述主控模塊采用STM32單片機。
[0006]一種新型的無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)，包括:信息采集單元、執(zhí)行單元、通信單元和控制器；所述通信單元和控制器連接，所述信息采集單元、執(zhí)行單元和控制器通過CAN和以太網(wǎng)總線連接；
信息采集單元，用于采集船載導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息；
執(zhí)行單元，用于根據(jù)控制器的操作指令進行船舶航行操作；所述執(zhí)行單元包括智能終端和通過智能終端驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；所述智能終端為多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端； 通信單元，用于船端與岸端的數(shù)據(jù)傳輸；
控制器，用于接收總線上的導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成操作指令。
[0007]按上述方案，所述信息采集單元包括智能終端和分別由智能終端驅(qū)動的GPS和電羅經(jīng)等船載傳感器設(shè)備。
[0008]按上述方案，所述控制器包括數(shù)據(jù)融合處理模塊、路徑規(guī)劃模塊和智能決策模塊。
[0009]數(shù)據(jù)融合處理模塊，用于融合處理船載多源傳感器采集信息，提供本船的航行姿態(tài)信息及感知周圍水域的環(huán)境信息，并將信息通過通信單元發(fā)送至岸端監(jiān)控；
還用于根據(jù)融合處理的信息，識別水面靜止和運動的目標(biāo)；
路徑規(guī)劃模塊，用于根據(jù)本船位置信息及目標(biāo)點位置坐標(biāo)，并結(jié)合電子海圖信息規(guī)劃有效路徑備選；
智能決策模塊，用于保證船舶按照人工設(shè)定的航向穩(wěn)定航行和避開動態(tài)船舶。
[0010]本發(fā)明的智能終端的功能如下:
該智能終端能將具有RS232或RS485接口的常用監(jiān)控設(shè)備或特定應(yīng)用功能設(shè)備，如船舶領(lǐng)域常用的GPS、測深儀、電羅經(jīng)等接入到CAN總線或以太網(wǎng)總線；
該智能終端通過控制端模塊能對設(shè)備進行單獨的開啟和關(guān)斷操作，避免設(shè)備故障對總線數(shù)據(jù)的傳輸造成影響。
[0011]本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:
1.智能終端具有CAN和以太網(wǎng)兩種總線協(xié)議，可以根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的協(xié)議進行選擇；
2.同時能實時監(jiān)控兩種總線的工作狀態(tài)，每種總線協(xié)議具有兩路接口，當(dāng)一路CAN或以太網(wǎng)總線出現(xiàn)故障時，自動切換為另一路備用通道進行數(shù)據(jù)傳輸。以CAN總線為例，其切換方式如下:單片機根據(jù)其中一路CAN通信控制器的錯誤代碼寄存器的數(shù)值確定該通信通道是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)CAN通信控制器發(fā)生錯誤碼溢出，則立即切換為第二路通信通道傳輸數(shù)據(jù)。
[0012]3.該智能終端大大節(jié)省設(shè)備接入總線時導(dǎo)線的數(shù)量，降低設(shè)備整體布局的復(fù)雜度，提聞系統(tǒng)穩(wěn)定性。
[0013]4.該智能終端與現(xiàn)有技術(shù)對比，能將多種帶RS232或RS485接口常用設(shè)備方便、高質(zhì)量地接入到現(xiàn)在廣泛使用的CAN總線和以太網(wǎng)總線中，并能對接入的設(shè)備進行單獨的開啟和關(guān)斷操作，避免單一設(shè)備出現(xiàn)故障對總線的數(shù)據(jù)傳輸造成影響。另外，基于該智能終端設(shè)計的無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)設(shè)計方案，為面向多任務(wù)的無人船研制提供新的思路。
[0014]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步說明，附圖中:
圖1為智能終端的原理圖；
圖2為智能終端的STM32單片機最小系統(tǒng)圖；
圖3為智能終端的CAN接口電路圖；
圖4為智能終端的RS232接口電路圖圖5為智能終端的以太網(wǎng)接口電路圖圖6為智能終端的RS485接口電路圖圖7為智能終端的功能流程圖；
圖8為智能終端的中斷流程圖；
圖9為智能終端監(jiān)測軟件用戶界面示意圖；
圖10為基于智能終端設(shè)計的無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)框圖。
[0016]

【具體實施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0018]如圖1所示，一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端，包括:
數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊，用于提供主控模塊與總線和船載設(shè)備連接的接口電路；
主控模塊，用于采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，并組包傳輸至CAN或以太網(wǎng)總線；
控制端模塊，用于接收用戶的命令對外圍設(shè)備進行開關(guān)操作；
所述數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊包括CAN接口電路、RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路、以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路以及RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路；
所述主控模塊通過CAN接口電路連接CAN總線，主控模塊通過RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路或RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路連接傳感器設(shè)備，主控模塊通過以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路連接以太網(wǎng)總線。
[0019]STM32單片機I為該智能終端的核心模塊，如圖2所示，主控模塊采用的是STM系列的STM32H03VET6單片機，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、組包傳輸至總線，并能實時監(jiān)控兩種總線的通信狀態(tài)。另外，單片機能接收用戶發(fā)送的命令來實現(xiàn)接入設(shè)備的開啟和關(guān)斷。
[0020]CAN接口電路2包括兩路CAN通信通道，采用芯片SN65HVD230進行CAN數(shù)據(jù)的傳輸，當(dāng)一路通信通道出現(xiàn)故障時，自動切換為另一路備用CAN通信通道進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示，CAN接口電路采用SN65HVD230芯片進行數(shù)據(jù)傳輸，芯片供電電壓為3.3V，外部接有120 Ω的終端電阻。因為要保證CAN總線數(shù)據(jù)的正常傳送，需要在總線上并聯(lián)兩個120歐姆的終端電阻，而CAN總線上常掛接多個設(shè)備，如果每個設(shè)備都帶終端電阻，則會造成CAN總線通信故障，所以該智能終端配置有跳帽W3可以選擇是否在總線間接入終端電阻，保證CAN總線穩(wěn)定運行。
[0021 ] RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路3，采用驅(qū)動芯片MAX3232及電阻電容構(gòu)成驅(qū)動電路，過壓過流保護電路包括P6KE13CA、10mA保險、限流電阻，保證和帶RS232接口設(shè)備的穩(wěn)定通信。如圖4所示，RS232接口采用驅(qū)動芯片MAX3232及0.1uf電容構(gòu)成驅(qū)動電路，過壓過流保護電路包括P6KE13CA的TVS管做電壓保護、10mA保險做電流保護、100 Ω的限流電阻，避免因為瞬時高壓燒壞芯片，實現(xiàn)和帶RS232接口設(shè)備的穩(wěn)定通信。
[0022]以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器4包括兩路以太網(wǎng)通信通道，采用芯片W5500進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，隔離變壓器集成在以太網(wǎng)接口芯片RJ45中。在以太網(wǎng)通信中，當(dāng)一路通信通道出現(xiàn)故障時，自動切換為另一路備用以太網(wǎng)通信通道進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖5所示，為以太網(wǎng)控制芯片W5500的外圍電路及以太網(wǎng)接口芯片RJ45，其中W5500外圍電路中的電阻、電容應(yīng)嚴格按要求值配置，否則會造成以太網(wǎng)通信失敗，RJ45為網(wǎng)線接口，內(nèi)部集成了隔離變壓器，確保以太網(wǎng)通信安全暢通。另外，在以太網(wǎng)通信中，當(dāng)一路通信通道出現(xiàn)故障時，自動切換為另一路以太網(wǎng)通信通道進行數(shù)據(jù)傳輸。
[0023]RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路5，采用驅(qū)動芯片SP485R與相應(yīng)的電阻電容構(gòu)成驅(qū)動電路，光耦隔離電路采用芯片NEC2501，實現(xiàn)帶RS485接口設(shè)備的穩(wěn)定接入和安全運行。如圖6所示，RS485驅(qū)動電路采用驅(qū)動芯片SP485R與相應(yīng)的電阻電容構(gòu)成，圖中VDrVD4是保證總線上的電壓在-12V、7V之間，光耦隔離電路采用芯片NEC2501，主要是避免電壓沖擊燒壞單片機的I/O 口，保證帶RS485接口設(shè)備的穩(wěn)定接入和安全運行。
[0024]控制端模塊，用于接收用戶的命令對外圍設(shè)備進行開關(guān)操作，包括用戶操作界面，該界面采用HTML語言構(gòu)成網(wǎng)頁界面，通過以太網(wǎng)接口與智能終端進行數(shù)據(jù)交互，具有配置智能終端工作方式、開啟和關(guān)斷接入終端的設(shè)備、實時監(jiān)測設(shè)備的原始數(shù)據(jù)的功能。
[0025]如圖7所示，為智能終端主流程圖。給智能終端上電后，STM32單片機先進行系統(tǒng)初始化設(shè)置，包括設(shè)置看門狗、設(shè)置中斷響應(yīng)、初始化等，然后通過開關(guān)狀態(tài)判斷設(shè)備是否開啟，如果未開啟則等待，如果開啟則開始接收設(shè)備數(shù)據(jù)并解析出有效數(shù)據(jù)；接著單片機判斷是否將數(shù)據(jù)傳輸至CAN總線，如果是則傳輸，然后如果不是則判斷是否轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)總線輸出數(shù)據(jù)；如果判斷為轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)協(xié)議輸出則傳輸，如果不是則返回至是否打開設(shè)備進行下一次檢測。
[0026]單片機接收設(shè)備或總線上的數(shù)據(jù)都是采用中斷方式，其流程圖如圖8所示，程序開始運行后，如果有中斷產(chǎn)生，檢測是否為RS232中斷，如果是則進行數(shù)據(jù)采集，如果不是則檢測是否為RS485中斷，如果是則進行數(shù)據(jù)采集，如果不是則判斷是否為CAN中斷，如果是則接收CAN數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)動作，如果不是則判斷是否為以太網(wǎng)中斷，如果是則接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)進行相應(yīng)動作，如過不是則中斷結(jié)束。
[0027]該智能終端中的兩種總線都有兩路數(shù)據(jù)接口，當(dāng)一路通信出現(xiàn)故障時，能自動切換為另一路備用通道通信。以CAN總線為例，其切換方式如下:單片機根據(jù)其中一路CAN通信控制器的錯誤代碼寄存器的數(shù)值確定該通信通道是否正常，一旦發(fā)現(xiàn)CAN通信控制器發(fā)生錯誤碼溢出，則立即切換為第二路通信通道傳輸數(shù)據(jù)。
[0028]圖9所示為智能終端監(jiān)測軟件用戶界面，用于用戶設(shè)置智能終端工作方式，監(jiān)測傳感設(shè)備工作狀態(tài)以及顯示設(shè)備數(shù)據(jù)信息。用戶可選擇CAN總線或以太網(wǎng)總線中的一種，并能設(shè)置任一總線工作方式。另外，用戶可選擇打開和關(guān)閉與智能終端相連的設(shè)備，并有指示燈顯示設(shè)備狀態(tài)。當(dāng)某一設(shè)備打開后，該界面還能監(jiān)測設(shè)備傳輸?shù)娇偩€上的數(shù)據(jù)。
[0029]基于該智能終端，設(shè)計一種無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)，如圖10所示，基于智能終端設(shè)計的無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)，包括信息采集單元、執(zhí)行單元、通信單元和控制器，控制器采用工控機。通過智能終端將船載傳感器信息轉(zhuǎn)發(fā)至總線，同時終端能接收操作人員發(fā)送至總線的控制指令驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)動作，該系統(tǒng)實現(xiàn)了無人船的遙控、自主航行的功能。
[0030]一種無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)包括:信息采集單元、執(zhí)行單元、通信單元和控制器；所述通信單元和控制器連接，所述信息采集單元、執(zhí)行單元和控制器通過CAN和以太網(wǎng)總線連接； 信息采集單元，用于采集船載導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息；
執(zhí)行單元，用于根據(jù)控制器的操作指令進行船舶航行操作；所述執(zhí)行單元包括智能終端和通過智能終端驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；
通信單元，用于船端與岸端的數(shù)據(jù)傳輸；
控制器，用于接收總線上的導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成操作指令。
[0031]信息采集單元包括智能終端和分別由智能終端驅(qū)動的GPS和電羅經(jīng)等船載傳感器設(shè)備。
[0032]所述控制器包括數(shù)據(jù)融合處理模塊、路徑規(guī)劃模塊和智能決策模塊；
數(shù)據(jù)融合處理模塊，用于融合處理船載多源傳感器采集信息，提供本船的航行姿態(tài)信息及感知周圍水域的環(huán)境信息，并將信息通過通信單元發(fā)送至岸端監(jiān)控；
還用于根據(jù)融合處理的信息，識別水面靜止和運動的目標(biāo)；
路徑規(guī)劃模塊，用于根據(jù)本船位置信息及目標(biāo)點位置坐標(biāo)，并結(jié)合電子海圖信息規(guī)劃有效路徑備選；
智能決策模塊，用于保證船舶按照人工設(shè)定的航向穩(wěn)定航行和避開動態(tài)船舶。
[0033]該無人船船端分布式控制平臺系統(tǒng)通過智能終端將船載傳感器設(shè)備電羅經(jīng)、GPS等接入到總線，工控機接收總線上的數(shù)據(jù)通過電臺發(fā)送至岸端顯示，實現(xiàn)無人船舶運動信息監(jiān)控。同時，用戶能通過岸端界面發(fā)送指令至總線，智能終端接收總線上的控制命令轉(zhuǎn)換為RS232協(xié)議數(shù)據(jù)輸出，控制執(zhí)行機構(gòu)動作，實現(xiàn)無人船遙控、自主航行功能。
[0034]基于智能終端構(gòu)建的分布式控制平臺可方便地基于任務(wù)進行系統(tǒng)功能擴展。如接入水質(zhì)監(jiān)測傳感器用于水質(zhì)監(jiān)測功能；接入網(wǎng)絡(luò)攝像頭進行海事監(jiān)管；接入海事衛(wèi)星通訊終端用于危機通訊；接入遙控救生投放設(shè)備用于海難救援等。
[0035]應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種多協(xié)議轉(zhuǎn)換的無人船船載智能終端，其特征在于，包括: 數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊，用于提供主控模塊與總線和船載設(shè)備連接的接口電路 主控模塊，用于采集傳感器設(shè)備的數(shù)據(jù)，并組包傳輸至CAN或以太網(wǎng)總線； 控制端模塊，用于接收用戶的命令對外圍設(shè)備進行開關(guān)操作； 所述數(shù)據(jù)協(xié)議端口模塊包括CAN接口電路、RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路、以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路以及RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路； 所述主控模塊通過CAN接口電路連接CAN總線，主控模塊通過RS232驅(qū)動電路和過壓過流保護電路或RS485驅(qū)動電路和光耦隔離電路連接傳感器設(shè)備，主控模塊通過以太網(wǎng)控制器和隔離變壓器電路連接以太網(wǎng)總線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能終端，其特征在于，所述主控模塊采用STM32單片機。
3.一種新型的無人船船端控制平臺系統(tǒng)，包括:信息采集單元、執(zhí)行單元、通信單元和控制器；所述通信單元和控制器連接，所述信息采集單元、執(zhí)行單元和控制器通過CAN和以太網(wǎng)總線連接； 信息采集單元，用于采集船載導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息； 執(zhí)行單元，用于根據(jù)控制器的操作指令進行船舶航行操作；所述執(zhí)行單元包括通過智能終端和智能終端驅(qū)動的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；所述智能終端為權(quán)利要求1或2所述的智能終端； 通信單元，用于船端與岸端的數(shù)據(jù)傳輸； 控制器，用于接收總線上的導(dǎo)航設(shè)備信息和傳感器設(shè)備信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理形成操作指令。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述信息采集單元包括智能終端和分別由智能終端驅(qū)動GPS和電羅經(jīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制平臺系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器包括數(shù)據(jù)融合處理模塊、路徑規(guī)劃模塊和智能決策模塊， 數(shù)據(jù)融合處理模塊，用于融合處理船載多源傳感器采集信息，提供本船的航行姿態(tài)信息及感知周圍水域的環(huán)境信息，并將信息通過通信單元發(fā)送至岸端監(jiān)控； 還用于根據(jù)融合處理的信息，識別水面靜止和運動的目標(biāo)； 路徑規(guī)劃模塊，用于根據(jù)本船位置信息及目標(biāo)點位置坐標(biāo)，并結(jié)合電子海圖信息規(guī)劃有效路徑備選； 智能決策模塊，用于保證船舶按照人工設(shè)定的航向穩(wěn)定航行和避開動態(tài)船舶。
【文檔編號】G05B19/418GK104298192SQ201410451660
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月5日
【發(fā)明者】黃珍, 李俊杰, 徐小強, 張?zhí)m鵬, 李 浩 申請人:武漢理工大學(xué)