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CN435
无人监测移动平台
华中科技大学电工电子科创中心
Project
Name of Project: 无人监测移动平台
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Name: 李序 E-Mail: shinelee2008@vip.qq.com Telephone: 027-87486862 Mobile Phone: 13437136862 Mailing Address: 华中科技大学紫菘学生公寓10栋111室
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Name: 肖看 E-Mail: xiaokan@163.net Telephone: 13377858236
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Project Paper - view as Preliminary(2009/06/15), Final(2009/09/14), Draft, Latest
1. 设计概述 (Preliminary Paper)
在远洋科学考察、近海边防检察时，往往出现监测点过少，检测范围和环境受限，考察周期短，数据不全面，实时性不高等缺点。为此，本设计提出水上无人监测移动平台的概念，试图解决以上问题。本设计针对特殊的海洋性气候特点，使用用于我们自行设计的防风浪三角形船体，稳定性好。适用于海洋科学考察，近海边境监测，渔政巡检等，设计小巧，携带方便，能够多点同时布设。在监测过程中，既能独立行动，又能多个平台一起形成系统。能够有效地解决以上所提出的问题。同时，系统采用太阳能作为辅助能源，大大延长平台的运行时间，提高运行效率和使用寿命。
本设计采用Altera 开发板作为开发平台，它是以Altera Cylcone II EP2C8NK FPGA 为主体，它功能强大，性价比极高，具有2个40-pin扩充接头，共有 72 I/O 脚位可应用，可以进行多用途多层次的开发，具有串列传输埠 (Serial Ports)：RS-232 收发器 (DB-9 Pin 接头)，能够与PC进行通讯，此外，它还具有8 MByte 同步动态随机记忆体 (SDRAM) 、4 MByte 快闪记忆体 (Flash)等，能够及时储存测得的实时资料。更重要的是，Altera器件稳定性好，系统集成度高，特别适用于无人监测平台的控制核心。
(Revision: 8 / 2009-09-11 01:43:10)
2. 功能描述 (Final Project Paper)
本设计体现通用型模块化设计的概念，可根据客户需求，短时间内加装相应模块，实现其特定的功能。本设计主要能实现以下功能：
GPS/INS组合定位系统：
全球定位系统（GPS）在军事、航海、航空等领域表现出了高时效高精度的测量、测绘功能和卓越可靠的定位、导航功能，是目前最据应用前景的定位导航系统。但GPS三维定位要求至少直接接收四颗GPS卫星信号，当经过桥梁、坑道、建筑物密集区、室内、水下、掩体、森林以及各类电子干扰（含人为干扰）环境时，均无法正常工作。针对GPS定位系统的固有弱点，本系统采用惯性导航（INS）和GPS组合定位系统（GPS/INS）。惯性导航系统完全自主，只需利用自身惯性元件的观测量，推求位置、速度等导航参数。
但惯导系统存在着误差随时间迅速积累增长的问题。GPS/INS系统，取各子系统之长，高精度的GPS信息作为为外部测量量输入，用来动态修正INS，控制其误差随时间的积累；高频率的INS数据，可以很好地解决GPS动态环境中信号丢失和跳周问题。更重要的是，在恶劣环境中，例如战时GPS不能正常工作时，INS可以独立完成导航定位的工作。本系统可以工作在纯GPS导航、惯性自主导航、组合导航三种模式下，既克服了GPS导航卫星易失锁，动态环境可靠性差的问题，又解决了INS误差随时间迅速积累增长的问题，从而使系统得到精确的路径反馈数据。
多传感器信息融合技术：
本项目集成了目前国际主流的实用机器人技术概念，集成了船载可变焦距摄像机、夜视仪、定向音频探测器、人体热释电传感器、金属探测器、生化气体探测器等多传感器提供互补的信息；系统对多信息进行融合，使之对某一传感器失效仍不影响整体功能，从而使系统具有一定的鲁棒性。
以无线电扩频数据传输为主，备用无线局域网通讯为辅，构成两路并行传输系统，保障了控制台到侦察车的信息传输的可靠性。
扩频系统具有低截获概率、抗干扰能力强、可多址接入、保密性强等一系列的优势，在军事通信领域获得了广泛的应用。
利用扩频通信模块把战场现场采集数据（如图像、各种传感器采集的数据等）可靠地传回指挥中心和实现指挥中心对侦测平台的可靠控制。
船体结构，周身以太阳能板包裹，增大接受太阳光的面积。前后为流线型船体，减小阻力，其中加装锂电池和超声波与雷达探测模块并牢牢固定。船身为内部密封结构，具体结构如下：船身内为平衡控制台，控制台上放置电路控制板和各种传感器（绿色模块所示）模块，控制台板宽与船体内径相同，使控制台只能以船体中心轴运动。红色圆球为超声波探测器与无线摄像头模块，能够对前方信息进行无间断的音频与视频采集。船体外安装三个电机（均作防水处理），三个电机成等边三角形配置，使不论在什么情况下，总有两个电机在水下运转，另外一个电机离开水后自动停转。在密封舱内，控制台只能以船体中心轴运动，由于地心引力的作用，，防止电路翻转剧烈而产生破坏性影响。同时，密封舱与外壳之间可填充缓冲液，进一步减缓波浪颠簸对电路的影响。6.自动姿态修正：采用电子罗盘，角速度传感器和倾斜角传感器，对平台的自我姿态进行自动修正，避免翻船，撞船等情况的发生。(Revision: 7 / 2009-09-12 01:37:05)
3. 性能参数 (Final Project Paper)
水上无人监测平台
设计参数 实际参数
速度最大值： 5m/s 4m/s
最大续航时间： 2h 1.5/h
最大续航距离： 25km 15km
最小转弯半径： 5m 6m
系统空载： 1kg 1.3kg
系统满载： 3.5kg 3kg
最大负载 ： 2.5kg 1.7kg
数据最远传输距离（短信模式） 10km 15km
数据最远传输距离（无线通信模式） 1km 500m
系统平均功耗 25W 37.4W
最小定位误差 2m 5m
系统抗风浪最大级数 10级 未测
系统最小延时 5ms 8ms
系统成本 1000元 1500元
我们使用的是Altera CycloneII EP2C8系列的FPGA核（由于受系统模型体积限制，只好放弃DE1板），并使用16M的SDRAM 和 4M的FLASH作为存储外设，虽然此型系列的FPGA属于较低端产品，但本着“够用”的原则，我们充分发挥它的优势和发掘它的潜能。在使用过程中，我们明显感受得到FPGA在同类产品中无法替代的优势，总结起来有以下几点：
1.系统功耗低。系统虽然复杂，但功耗较低，所以我们尽量发掘片上资源，将外设集成到系统上，有效地降低了系统能耗。
2. 系统搭建迅速，简便，基于SOPC的系统开发给我们带来了很大的方便，有效地缩短了开发周期，给了我们更多的时间来验证自己的想法。
3.系统外设丰富，在FPGA中 ，每个GPIO均能单独配置，让开发者根据系统要求的不同而选择不同的配置方案，这是8051或者MSP430所无法企及的。
(Revision: 4 / 2009-09-11 02:30:32)
4. 设计结构 (Preliminary Paper)
(Revision: 2 / 2009-06-15 21:53:55)
5. 设计方法 (Final Project Paper)
设计描述分硬件和软件两个部分。硬件部分主要包括GPRS功能模块、电子罗盘功能模块、GSM功能模块、INS功能模块、SRAM和Flash芯片以及各种接口等；软件部分主要完成各种参数的测量与传送，船体自适应性控制，通过人机界面进行实时信息交互等。
整个系统通过Nios II软核处理器控制，SOPC Builder’负责添加各种外设、逻辑模块，并分配地址空问、中断优先级，采用全新的具有Windows界面风格的Nios II集成环境IDE开发和调试软件程序，极大地简化了系统设计。
1.硬件部分
(1)GPRS与GSM功能的实现：采用了市售的通用GPRS功能模块与GSM模块，GSM模块和Nios处理器之间的通信采用AT命令，这样可以简化产品设计。
（2）电子罗盘模块：采用SDC-102是一款低成本平面数字罗盘模块。输入电压低，功率小，体积小。其工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度。此罗盘以232电平全双工方式与上位机进行通信。该 产品精度高，稳定性高。并且具有重新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出的波特率是9600bps,有连续输出与询问输出两种方式，同时具有安装角和磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境。
（3）INS功能的实现：INS功能的实现主要依靠MXC6202GHMN-MEMSIC加速度传感器来实现，MXC6202GHMN是美新公司刚刚推出来的一款加速度传感器，它利用I2C总线传输技术，7bit自定义地址位，范围从-2g（g为当地重力加速度值）到+2g，精度达到g/512,是一款高性能，低功率的加速度传感器。然后将该传感器的值进行一次积分和二次积分处理，从而得到速度和距离的相关值，实现INS的惯性导航。
（4）电机控制的实现：我们采用模糊算法与PID算法相结合，利用L298相关电路进行控制，在内部利用红外对管的收发位置的不同，来判断电机当前位置，有平台的特殊结构可知，不管在任何情况下，都有两个电机处于水下，一个处于水上，这时由FPGA控制，来实现电机的轮转开启，从而合理的利用系统能源。
（5）船体自适应的调整：船体的自适应调整由其特殊的机械结构所完成（如前介绍）。
2.软件部分
（1）交互界面的实现：为了更好的实现平台的可交互性我们采用两种交互模式，即短信主动查询模式，与PC被动查询模式。短信主动查询模式，利用GSM模块内的AT命令进行编程和解码，通过中国移动覆盖全国的有效网络，实现简单的远距离无线查询。PC被动查询模式，利用windows VC 创建MFC界面，在有限距离内，实现对平台全方位的跟踪控制与数据查询，同时也能实现自动导航定位的无人控制。MFC界面如图所示：
（2）SOPC软件系统开发
面主要介绍下该平台的Nios II系统的设计方案：
在设计过程中，尽量使用SOPC Builder中已有的标准配置IP核，如UART、Flash、SRAM等，这样可以缩短开发时间，提高系统可靠性。我们充分利用SOPC Builder可配置多个UART的优点，我们配置了多个UART分别用于与PC上位机通信，以及搭载GPS、GSM等多个模块，节约IO口，而且通信简便，各个UART的中断互不干扰。
下面是系统的各个组件：
(Revision: 6 / 2009-09-14 07:29:58)
6. 设计特点 (Preliminary Paper)
通用型模块化设计：着重突出其作为基本载体的特点，根据具体的任务，只需挂载相应的扩展功能模块，即可在短时间内构造出具有特定功能的应用系统。
小水面圆体船设计：小水面圆体船设计极大地减小了与水的接触面积，减少水的阻力，提高能效转换。同时圆体船抗风浪能力极强，在大海中有极强的生存力。
GPS/INS组合定位系统：采用GPS与惯性导航相结合的组合定位系统，系统可工作在纯GPS导航、惯性自主导航、组合导航三种模式下，克服了纯GPS导航卫星易失锁，动态环境可靠性差的问题，使系统得到精确的路径反馈数据。更重要的是，在恶劣环境中，例如战时GPS受干扰或被turndown的情况下而不能正常工作时，INS可以独立完成导航定位的工作。同时本系统预留了通用的接口，为结合“北斗”卫星定位系统使用提供了便利。利用Altera CycloneⅡ EP2C8NK 数据处理能力较好，并发速度较快，能及时接受GPS模块输出的信息，迅速做出答复。
多传感器信息融合技术：船载可变焦距摄像机、夜视仪、定向音频探测器、金属探测器、人体热释电传感器、生化气体探测器等多传感器提供互补的信息，实时再现前方战场信息。利用Altera CycloneⅡ EP2C8NK 扩展IO口较多，能快速并行处理数据，使终端获得的资料实时性较高。
双通信系统：无线电扩频数据传输为主，备用无线局域网通讯为辅，构成两路并行传输系统，保障了控制台到监测平台的信息传输的可靠性。利用Altera CycloneⅡ EP2C8NK 数据处理能力较好，并发速度较快，迅速做出答复。
提出“Teamwork”群控侦察模式的设想，各终端与主控端之间、各终端与终端之间交互信息，构成共享信息网络，并为网络中的每一个节点提供一个全局的环境信息。利用Altera CycloneⅡ EP2C8NK 价格便宜，性价比高，可大量装备。
总的说来，Altera FPGA具有如下优点：
1.Altera FPGA运行速度快
Altera FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M，极大地提高了运算数度，适合高精度AD/DA的使用,而单片机运行速度低的多.在高速场合,单片机无法代替FPGA。
2.Altera FPGA良好的可拓展性我们采用的Altera公司的可编程逻辑器件本身就具有易于扩展和升级的固有特性，同时，我们把可编程逻辑的优势集成到嵌入式处理器的开发流程中。这些特性为该产品的升级和扩展提供了广阔的空间。3.Altera FPGA内部程序并行运行,有处理更复杂功能的能力单片机程序是串行执行的,执行完一条才能执行下一条,在处理突发事件时只能调用有限的中断资源;而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务,这就导致了FPGA工作更有效率4.Altera FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发SOPC Builder中IP核的使用，如UART、Flash、SRAM等，这样可以缩短开发时间，提高系统可靠性。5.Altera FPGA配置能力强，可以减少外设所占空间，精简系统。
FPGA控制内核由nios配置，在资源控制方面可以做得十分准确。在一块Cyclone芯片中我们不仅集成了一个CPU，而且CPU周边的硬件逻辑也可以一块集成进去。我们还利用该芯片内的逻辑单元设计了相关模块以及显示接口模块等，从而使该芯片的外围接口电路尽可能减少，达到高度集成的日的使该产品突出了便于携带的特性。
6.低成本，高性价比特性。
由于我们在作品的FPGA中采用了性价比极高的Cyclone芯片，再加上NiosII嵌入式处理器的完美结合，大大降低了该产品核心处理器部分的成本,而且该产品其他模块及芯片同样采用高性价比产品，这样就能在不改变设备功能的基础上降低设备成本，提高整机性价比。
(Revision: 9 / 2009-09-12 01:39:08)
7. 总结 (Final Project Paper)
2009 Altera 亚洲创新设计大赛是我们组队以来参加的第一项赛事，由于参加全国电赛的原因，我们队的进度与预期有些差距，但是我们都有同样一个信念，那就是要做就做最好，不能半途而废，在这个信念的支撑下，我们日夜赶工，同时消除一些不必要的功能和模块，力求突出我们作品的精华，把我们作品最精华，最有创意的东西展现给评委面前。可能是受参加全国电赛的影响，我们追求作品的能耗比和性价比，力求用最少的能源和最少的花费来产出最大的效能，让作品更加贴近生活与实用。同时，基于平台概念的设计，把自己的想法展现出来的同时，也留下广阔的拓展空间，将作品多样化，系列化，便于以后进一步的升级与开发。
在这次大赛中，我们也收获颇丰，对Altera器件有了更深入地了解并有了自己的使用体会。总的说来，可以归为以下几个方面：
1.处理器体系和开发流程
基于Nios处理器的系统采用全新的，与ARM、MSP430等处理器完全不同的设计流程。现成的微控制器提供了定义明确的外设组，由制造商集成处理器和外设。町配置处理器让设计者自行创建总线体系，定义存储器映射和分配中断优先级，非常自由地完成更多的工作。Altera的SOPC的优势在于它的需求最小，风险很低。2.SOPC Builder开发的快速与便捷。
与传统的嵌入式系统设计不同，基于Niosii系统的SOPC系统开发分为硬件开发与软件开发两个流程。硬件开发主要是创建Niosii系统，为接下来的软件开发应用程序提供运行的平台；软件开发则贴近传统方式，让开发者易于上手，根据系统要求，利用C/C++ 语言和系统所带的API函数编写实现特定功能的程序。SOPC的开发流程比FPGA的开发流程增加了处理器、外设接口的定制步骤以及软件开发的步骤。同时，SOPC Builder具有直观的图形用户接口(GUI)，便于设计者准确地添加和配置系统所需的外设，包括存储器、定制外设和IP模块；能自动完成系统集成工作，这样开发者就可以不必拘泥于定义存储器映射、中断控制和总线控制这样的“制造商工作”。
3.自动生成和集成软、硬件
当开发者点击“Generate”按钮时，SOPC Builder会生成每个硬件部件以及连接部件的片内总线结构、仲裁和中断逻辑。SOPC Builder’也会产生系统可仿真的RTL描述，以及为特定硬件配置设计的测试平台，能够(可选)把硬件系统综合到单个网表中。
利用设计过程中采集的信息，设计的SOPC Builder能够生成C和汇编头文件，这些头文件定义了存储器映射、中断优先级和每个外设寄存器窄间的数据结构。这样的自动生成过程帮助软件设计者处理硬件潜在的变化性。如果硬件改变了，SOPC Builder会自动更新这些头文件。SOPC Builder也会为系统中现有的每个外设生成定制的C和汇编函数库。4．Nios II集成环境(IDE)的应用
Niosii 嵌入式处理器是FPGA生产厂商Altera公司推出的软核处理器，是一种面向用户、可以灵活定制通用RISC嵌入式CPU。设计者可以定制合适的CPU和外设，其中外设可以使用Altera提供的IP核，或自己建立的IP核，然后在SOPC Builder和Quartus ii 中实现。(Revision: 6 / 2009-09-11 22:54:05)