无人艇通信系统硬件及软件协议的设计与实现

发布时间：2020-05-15 14:21

【摘要】：水面无人艇是一种利用远程监控系统对船舶设备运行状况进行监视与管理的无人驾驶船舶,需要长时间在无人值守的环境下完成各种工作。为适应工作要求,无人艇需要搭载更多的传感器及设备以获取各类数据来支持水面上的自主航行和作业,因此所需要接入的传感器的数量及数据接口类型也越来越多。然而现有的船舶通信系统只提供船舶制造领域的一些标准设备接口,不能实现非标准设备数据的获取和应用。本文来源于水质监测无人艇的研发,针对上述问题,设计并实现了一个水面无人艇通信系统,该系统能获取多个不同类型接口的传感器数据,并在CAN总线上以NMEA2000报文的形式进行传输,然后借助无线通信手段与地面站建立通信连接,将数据上传至地面站同时接收地面站指令,实现地面站与无人艇的数据交互。本文所开展工作如下:一、查阅现有的无人艇及其数据通信的相关资料,在此基础上完成该水质参数监测无人艇通信系统的体系搭建,将系统分为用于底层设备间通信的设备通信网络和用于人为监控的船舶管理网络,并设计数据通道联系两个网络。二、设计本系统所使用的通信协议。设备通信网络以CAN协议为基础,并借鉴其高层协议NMEA2000的报文格式和动态地址分配,根据无人艇的数据需求设计水质参数等多种设备数据报文协议,解决了应用中获取多类型数据的要求;船舶管理网络建立起了船岸两端的无线连接,以TCP/IP模型为参考,在应用层设计用户数据协议,用于解决实际应用中用户的数据需求。三、基于协议的解读和设计,在设备通信网络中设计支持多类型接口数据接收、解析和封装的通用软硬件,使不同接口类型的设备及传感器能够在总线上互相收发数据。在船舶管理网络中建立基于Linux系统和UDP协议的船载服务器作为两个网络之间的数据通道,接收船舶的实时状态数据并上传至地面站,同时校验并转发地面站的指令到设备通信网络。四、根据系统的设计目标和实际的应用场景要求,对各部分功能进行测试,从测试结果中分析系统对数据的获取、处理和应用能力,最后将系统搭载在水质参数监测无人艇上进行实地测试,将地面站收到的参数数据与标定值进行比较,以此分析系统整体性能。
【图文】：

斯巴达,侦察兵

，用领域无人艇的研发，目前英、美、以色列等国都在不断研发先进的高速水面艇，用于执行多种海上军事任务，以增强其海军实力。２１世纪以来，，随着无线自动化、人工智能等技术的迅猛发展，制约ＵＳＶ发展的多项关键技术瓶颈得到破，无人艇迎来了一段高速发展期，世界上各军事强国己将其列为重点军事项行研宄和开发，其中美国和以色列在该领域尤为领先（张树凯等，２０１５）。逡逑美国作为ＵＳＶ的发展主导国家，有着许多研究机构、军方单位等长期致力领域的研宄。美海军于２００７年７月发布了《海军无人水面艇自主计划》，明确面无人艇反水雷、反潜等７项使命任务以及障碍规避、载荷／武器耦合等５大重展技术，为美国海军水面无人艇指明了发展的方向。２００５年美国研发了斯巴达兵（Ｓｐａｒｔａｎ邋Ｓｃｏｕｔ）水面无人艇，该型无人艇是美国军用无人艇中最具代表性果，主要用于避免己方海上军事力量受不对称力量的威胁，也可以装备武器来方部队提供火力支援，从而建立在海上战斗中的优势。２０１０年，美国启动研制主式反潜持续跟踪无人水面艇（ＡＣＴＵＶ），该型无人水面艇排水量约１５０邋ｔ，长ｍ，最大航速５０邋ｋｍ／ｈ，能在５级海况下持续工作，在７级海况下能保证航行和可独立在海上航行２？３个月，代表了当今无人水面艇领域的最高技术水平（许２０１８）。在不久的将来，水面无人艇将成为美海军的重要部分。逡逑

海洋资源,以色列,实际应用,阶段

图２邋“保护者”号无人艇逡逑Ｆｉｇ．邋２邋Ｐｒｏｔｅｃｔｏｒ邋ＵＳＶ逡逑Ｎ丨和以色列，我国在水丨ｆｒｉ无人艇领域的研宄尽管起步相对对海洋资源利用的重视，发展十分迅速，己经从最初的概的实际应用阶段。我国现在自主研发水面无人艇的有哈尔
【学位授予单位】：海南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U665.2;TN914

【参考文献】