CN104683019A - 一种用于水下机器人的无线通讯系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于水下机器人的无线通讯系统及方法，无线通讯管理单元分别与无线电数传电台、无线网桥、移动通信模块、卫星通讯设备和水声通讯机连接；无线通讯管理单元开始运行后，从水下机器人安装的自动驾驶仪获取水下机器人自主导航位置信息、水下机器人状态信息。无线通讯管理单元自适应选择适合的无线通讯设备与母船进行无线通讯，同时将母船发送的控制指令发送给自动驾驶仪。本发明保证无线通讯覆盖水下机器人使命执行的各个阶段，对各个通讯设备进行统一管理和调度，降低自动驾驶仪的负担，降低通讯成本和能源消耗，同时保证水下机器人的安全。

Description

一种用于水下机器人的无线通讯系统及方法

技术领域

本发明涉及一种无线通讯领域，具体地说是一种用于水下机器人的无线通讯系统及方法。

背景技术

随着人们对海洋的探索日益频繁和迫切，水下机器人作为一种重要的工具得到了大量的应用。

由于水下机器人应用环境复杂多变，水下机器人与母船保持通讯就变得非常重要。尤其是AUV（Autonomous Underwater Vehicle）由于和母船没有线缆连接，只能使用无线通讯设备与母船通讯。目前可用于水下机器人的无线通讯主要有如下的几种：

低频无线电通讯，一般使用无线电数传电台作为通讯设备，其特点是使用简单，通过串口即可收发数据，通讯距离可达几十千米；缺点是通讯速率较低，一般最高可达几十kbps，通讯距离受地形等环境影响大，有遮挡时通讯距离大大降低；一般只需要投入设备费用，通讯无需另外付费。

高频无线电通讯，可使用无线网桥作为无线通讯设备，通过以太网口收发数据，通讯速率可达11Mbps、54Mbps，通讯距离一般可达3～5千米，由于频率较高，信号绕射能力较低，一般只能进行视距通讯；一般只需要投入设备费用，通讯无需另外付费。

卫星通讯，比较有代表性的是铱星和北斗通讯。卫星通讯一般不受地形影响，通讯距离由卫星信号覆盖范围决定，铱星可以做到全球覆盖，北斗目前可以覆盖我国周边地区。卫星通讯速率较低，且除通信设备费用外还需支付通讯产生的流量费用，通讯成本较高。

2G/3G移动通讯，通讯速率可达几十kbps至几Mbps，需要在有2G/3G移动信号的地方才能进行通讯，目前在大部分的陆地和近海都可以正常通讯，但是在远海一般没有信号。除通信设备费用外还需支付通讯产生的流量费用，但是综合成本较卫星通讯低。

水声通讯，可在水下进行通讯。通讯距离与信号频率等相关，一般通讯速率较低。

单独使用以上的通讯手段只能在水下机器人使命中的一段时间内保持通讯，综合管理和调度各种无线通讯设备，保持水下机器人在使命执行期间可以不间断保持与母船的联系显得尤为重要。

发明内容

针对水下机器人在使命全程保持与母船通讯需求，本发明综合使用高频无线电通讯、低频无线电通讯、卫星通讯、移动通信模块、水声通讯设备作为通讯手段，并设置无线通讯管理单元对各种无线通讯设备进行统一的调度和管理，构成覆盖水下机器人使命执行过程的无线通讯系统，同时降低通讯的能源消耗和通讯成本。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种用于水下机器人的无线通讯系统，无线网桥通过以太网口与无线通讯管理单元连接，无线电数传电台、卫星通讯设备、水声通讯机通过串口与无线通讯管理单元连接，移动通信模块通过USB接口与无线通讯管理单元连接，自动驾驶仪与无线通讯管理单元通过CAN总线和以太网连接。

所述无线通讯管理单元内置ARM架构的微控制器和控制电路。

所述控制电路集成串口控制电路、以太网控制电路、CAN总线控制电路和USB控制电路。

一种用于水下机器人的无线通讯方法，无线通讯管理单元开始运行后，从水下机器人安装的自动驾驶仪获取水下机器人自主导航位置信息、水下机器人状态信息；

无线通讯管理单元自适应选择适合的无线通讯设备与母船进行无线通讯，同时接收母船发送的控制指令并转发给自动驾驶仪。

所述无线通讯管理单元自适应选择适合的无线通讯设备的方法如下：

若水下机器人在水下航行，则使用水声通讯机进行通讯，其他通讯设备关闭；

若水下机器人在水面，则关闭水声通讯机，打开无线网桥进行通讯；

若无线网桥与母船交互通讯正常，则使用无线网桥通讯，若无线网桥无法与母船交互通讯，则打开无线电数传电台进行通讯；

若无线电数传电台与母船交互通讯正常，则使用无线电数传电台进行通讯，若无线电数传电台无法与母船交互通讯，则打开移动通信模块进行通讯；

若移动通信模块交互通讯正常，则使用移动通信模块进行通讯，若移动通信模块无法交互通讯，则打开卫星通讯设备进行卫星通讯。

在进行卫星通讯期间，若移动通信模块交互通讯正常，则使用移动通信模块进行通讯，停止进行卫星通讯设备的卫星通讯；

在使用移动通信模块通讯期间，若无线电数传电台交互通讯正常，则使用无线电数传电台进行通讯，停止移动通信模块的通讯；

在使用无线电数传电台通讯期间，若无线网桥交互通讯正常，则使用无线电数传电台和无线网桥同时进行通讯；

若水下机器人潜入水下，则使用水声通讯机进行通讯，关闭其他所有无线通讯设备。

卫星通讯设备和移动通讯设备通过有无网络信号来判断是否能够通讯，无线电数传电台和无线网桥通过在限定时间内是否可与母船建立通讯链接判断能否通讯。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.综合多种无线通讯手段，保证无线通讯覆盖水下机器人使命执行的各个阶段；

2.使用内置控制程序的无线通讯管理单元对各个通讯设备进行统一管理和调度，水下机器人的自动驾驶计算机只需与无线通讯管理单元进行通讯，降低自动驾驶计算机的负担；

3.无线通讯管理单元根据内置的控制程序，自动选择最佳的通讯方式，同时停止不需要的通讯方式，降低通讯成本和能源消耗。

附图说明

图1是本发明总体结构框图；

图2是本发明控制程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，为本发明的总体结构框图。本发明为一种用于水下机器人的无线通讯系统，包括无线电数传电台，无线网桥、移动通信模块、卫星通讯设备、水声通讯机及无线通讯管理单元构成。其中，所述的无线通讯管理单元通过以太网和CAN总线与水下机器人的自动驾驶计算机连接，以太网可以进行高速通讯，CAN总线可以进行高实时性要求的通讯；所述的无线通讯管理单元可通过串口、以太网、USB接口等分别与各通讯设备连接；所述的无线通讯管理单元同时集成各通讯设备的电源开关，可以根据工况关闭部分通讯设备，降低能源消耗。

无线电数传电台为低频无线电设备，卫星通讯设备为铱星模块，无线网桥为高频无线电设备。

无线网桥采用美国UbiquitiTM Networks公司推出的2.4GHz频段的NanoStation2产品，通过以太网口与无线通讯管理单元连接。

无线电数传电台使用友讯达公司的FC201B/2305E型无线电数传电台，信号频率225MHz，通过串口与无线通讯管理单元连接。

移动通信模块使用TD-SCDMA制式的3G数据模块，支持TD-SCDMA制式3G网络和GSM制式2G网络，通过USB接口与无线通讯管理单元连接。

卫星通讯使用铱星公司的SBD9602模块，通过串口与无线通讯管理单元连接。

水声通讯机使用S2CR8/16型水声通讯机，信号频率16KHz，通讯距离可达8000m，通过串口与无线通讯管理单元连接。

无线通讯管理单元内置ARM架构的32位微控制器AM3359，该微控制器内部集成串口、以太网、CAN总线、USB控制器，可以方便的与水下机器人的自动驾驶计算机和各无线通讯设备连接。

如图2所示为本发明控制程序流程图。采用无线通讯管理单元内部微控制器内置控制程序的控制方法，所述控制程序步骤如下：无线通讯管理单元开始运行后，从自动驾驶计算机获取水下机器人在水面还是在水下的状态以及需要发送的信息；无线通讯管理单元根据内置的控制程序，选择适合的无线通讯设备如移动通信模块、无线网桥、无线电数传电台、卫星通讯设备、水声通讯机与母船进行无线通讯，同时将接收母船发送的控制指令并转发给自动驾驶仪。

所述无线通讯管理单元选择适合的无线通讯设备的方法如下：若水下机器人在水下航行，则使用水声通讯机进行通讯，其他通讯设备关闭；若水下机器人在水面，则关闭水声通讯机，打开无线网桥进行通讯；若无线网桥可以与母船建立连接，则使用无线网桥通讯，若无线网桥无法与母船建立连接，则打开无线电数传电台进行通讯；若无线电数传电台可以与母船建立连接，则使用无线电数传电台进行通讯，若无线电数传电台无法与母船建立连接，则打开移动通信模块进行通讯；若移动通信模块有信号，则使用移动通信模块进行通讯，若移动通信模块无信号，则打开铱星模块进行卫星通讯。卫星通讯设备和移动通讯设备通过有无网络信号来判断是否能够通讯，无线电数传电台和无线网桥通过在限定时间内是否可与母船建立通讯链接判断能否通讯。

在进行卫星通讯期间，若移动通信模块有信号，则使用移动通信模块进行通讯，停止进行卫星通讯；在使用移动通信模块通讯期间，若无线电数传电台或无线网桥可以建立连接，则使用无线电或无线网桥通讯，停止移动通信模块的通讯；若水下机器人返回水下，则使用水声通讯机进行通讯，关闭其他无线通讯设备。

Claims (6)

1.一种用于水下机器人的无线通讯系统，其特征在于：

无线网桥通过以太网口与无线通讯管理单元连接，无线电数传电台、卫星通讯设备、水声通讯机通过串口与无线通讯管理单元连接，移动通信模块通过USB接口与无线通讯管理单元连接，自动驾驶仪与无线通讯管理单元通过CAN总线和以太网连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人的无线通讯系统，其特征在于：所述无线通讯管理单元内置ARM架构的微控制器和控制电路。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下机器人的无线通讯系统，其特征在于：所述控制电路集成串口控制电路、以太网控制电路、CAN总线控制电路和USB控制电路。

4.一种用于水下机器人的无线通讯方法，其特征在于：

无线通讯管理单元开始运行后，从水下机器人安装的自动驾驶仪获取水下机器人自主导航位置信息、水下机器人状态信息；

无线通讯管理单元自适应选择适合的无线通讯设备与母船进行无线通讯，同时接收母船发送的控制指令并转发给自动驾驶仪。

5.根据权利要求4所述的一种用于水下机器人的无线通讯方法，其特征在于：

所述无线通讯管理单元自适应选择适合的无线通讯设备的方法如下：

若水下机器人在水下航行，则使用水声通讯机进行通讯，其他通讯设备关闭；

若水下机器人在水面，则关闭水声通讯机，打开无线网桥进行通讯；

若无线网桥与母船交互通讯正常，则使用无线网桥通讯，若无线网桥无法与母船交互通讯，则打开无线电数传电台进行通讯；

若无线电数传电台与母船交互通讯正常，则使用无线电数传电台进行通讯，若无线电数传电台无法与母船交互通讯，则打开移动通信模块进行通讯；

若移动通信模块交互通讯正常，则使用移动通信模块进行通讯，若移动通信模块无法交互通讯，则打开卫星通讯设备进行卫星通讯。

6.根据权利要求5所述的一种用于水下机器人的无线通讯方法，其特征在于：

在进行卫星通讯期间，若移动通信模块交互通讯正常，则使用移动通信模块进行通讯，停止进行卫星通讯设备的卫星通讯；

在使用移动通信模块通讯期间，若无线电数传电台交互通讯正常，则使用无线电数传电台进行通讯，停止移动通信模块的通讯；

在使用无线电数传电台通讯期间，若无线网桥交互通讯正常，则使用无线电数传电台和无线网桥同时进行通讯；

若水下机器人潜入水下，则使用水声通讯机进行通讯，关闭其他所有无线通讯设备。