CN104754275B - 一种小型遥控水下机器人共缆传输装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小型遥控水下机器人共缆传输装置，包括水上模块和水下模块，水上模块和水下模块通过用于传输射频/交流电源信号的传输共缆连接。其方法就是利用载波技术，将视频、数据信号调制，与交流电源信号复合后，通过一根单芯同轴电缆实现多信号传输。本发明包括由共缆相连的水上模块和水下模块，具有成本低廉、传输质量高、抗干扰性强、可以在一根线缆上同时传输电源和两种不同射频信号的特点，适用于小型遥控水下机器人。

Description

一种小型遥控水下机器人共缆传输装置及方法

技术领域

本发明涉及一种小型遥控水下机器人共缆传输装置及方法，属于视频数据电源传输技术领域，应用于小型遥控水下机器人。

背景技术

遥控水下机器人（以下简称ROV），是一种广泛应用于水下观察作业的无人潜器，通过脐带电缆与工作母船相连，母船通过脐带电缆为ROV提供电能，下达指令控制ROV的运动；ROV通过脐带电缆向母船回传各传感器采集的数据、设备的工作状态数据以及水下图像、声纳信号，为ROV遥控操作员提供各种必要信息。因此，单向的视频信号、双向数据信号和单向的交流电源如何高效、可靠、稳定的传输，成为ROV可靠运行的重要前提和先决条件。

目前，ROV对于不同的信号采用专门的线路传输，即多芯电缆传输，成本高昂，而且由于信号之间的电磁干扰，传输的稳定性可靠性较差。

传统的视频监控领域的共缆传输技术，虽然做到了视频、控制数据及电源的共缆传输，但是控制数据都是单向传输，而且传输的电源都是低功率直流电，无法满足水下复杂环境作业的小型遥控水下机器人对信号传输的苛刻要求。

发明内容

针对现有小型遥控水下机器人脐带电缆传输信号存在的传输效率低、传输成本高、抗干扰性能差等问题，本发明提供一种将视频、数据和交流电源共缆传输的装置及方法。

本发明的技术方案是：

一种小型遥控水下机器人共缆传输装置，用于实现视频信号单向传输，数据信号双向半双工传输，交流电源单向传输；包括水上模块和水下模块，水上模块和水下模块通过用于传输射频/交流电源信号的传输共缆连接。

所述水上模块包括顺序连接的隔离式交流变压器、第一电源耦合/分离器和第一视频数据复用器；所述电源耦合/分离器与传输共缆连接；

所述水下模块包括顺序连接的电源滤波电路、电源调整电路、开关电源、第二电源耦合/分离器和第二视频数据复用器；所述电源耦合/分离器与传输共缆连接。

所述第一视频数据复用器包括顺序连接的视频幅度调整电路、视频解调电路、第一射频放大电路、第一信号隔离电路、射频耦合端口、第二信号隔离电路、第二射频放大电路、下行数据调制电路、RS485转换电路以及，RS485转换电路和第二信号隔离电路之间连接的上行数据解调电路；所述射频耦合端口与第一电源耦合/分离器连接，所述RS485转换电路用于与上位机通信。

所述第二视频数据复用器包括顺序连接的视频幅度调整电路、视频调制电路、第一射频放大电路、第一信号隔离电路、射频耦合端口、第二信号隔离电路、第二射频放大电路、上行数据调制电路、RS485转换电路以及，RS485转换电路和第二信号隔离电路之间连接的下行数据解调电路；所述射频耦合端口与第二电源耦合/分离器连接，所述RS485转换电路用于与水下控制器通信；

所述视频调制电路、下行数据解调电路、上行数据调制电路由电源滤波电路输出的DC5V供电；所述第一射频放大电路，第二射频放大电路由开关电源输出的DC12V供电；所述电源滤波电路和开关电源均具有直流输出端口。

一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，包括以下步骤：

水上模块的第一视频数据复用器将上位机的控制数据进行调制并转换成射频信号，与隔离式交流变压器输出的交流电源信号经第一电源耦合/分离器耦合成射频电源混合信号，经传输共缆传输至水下模块；

水下模块的第二电源耦合/分离器将接收到的射频电源混合信号分离成射频信号和交流电源信号；开关电源将交流电源信号转换成直流电源信号，经电源滤波电路滤波后，共同给视频数据复用器以及水下设备供电；同时，第二视频控制复用器将射频信号进行解调还原成控制数据经485总线发送至水下控制器；

水下模块的第二视频控制复用器接收水下摄像头的视频信号和水下控制器的水下设备状态数据，并将视频信号和水下设备状态数据分别进行调制后耦合成射频信号输出至第二电源耦合/分离器，再经传输共缆传输至水上模块；

水上模块接收传输共缆传来的射频信号，经第一电源耦合/分离器传输至第一视频数据复用器，第一视频数据复用器将射频信号中的视频信号和水下设备状态数据分离，分别进行解调还原，将视频信号输出至上位机，水下设备状态数据反馈至上位机。

所述水上模块的视频数据复用器将上位机发出的485格式控制数据进行调制并转换成射频信号，包括以下步骤：

第一视频数据复用器内的RS485转换电路将上位机的485格式控制数据转换为TTL格式数据，经下行数据调制电路以FSK方式调制，形成中心频率为f1的射频信号，再依次经射频放大电路、信号隔离电路得到放大、隔离后的射频信号。

所述第二视频数据复用器将射频信号进行解调还原成控制数据包括以下步骤：

第二视频数据复用器的射频耦合端口将射频信号经第二信号隔离电路提取出中心频率为f1的射频信号，经下行数据解调电路解调形成TTL格式数据，再经RS485转换电路转换成485格式控制数据。

所述视频信号和水下设备状态数据分别进行调制后耦合成射频信号，包括以下步骤：

第二视频幅度调整电路将视频信号进行幅度调整后，经视频调制电路以ASK方式进行调制，再经第一射频放大电路、第一信号隔离电路进行放大隔离；

同时，RS485转换电路将485格式的水下设备状态数据转换为TTL格式数据，经上行数据调制电路以FSK方式调制成中心频率为f2的射频信号，经第二射频放大电路、第二信号隔离电路进行放大隔离；

将放大隔离后分别包含视频信息和水下设备状态信息的射频信号通过射频耦合端口耦合成射频信号。

所述视频数据复用器将射频信号中的视频信号和485格式的水下设备状态数据分离，分别进行解调还原，包括以下步骤：

射频信号通过第一信号隔离电路分离出视频调制信号，经第一射频放大电路、视频解调电路、视频幅度调整电路还原出视频信号；

同时，射频信号经第二信号隔离电路分离出中心频率为f2的射频信号，经上行数据解调电路解调出TTL格式数据，经RS485转换电路转换成485格式的水下设备状态数据。

所述中心频率f1与f2不等。

本发明的有益效果及优点：

1.本发明通过一根单芯同轴电缆实现了母船与小型ROV之间多信号的传输以及交流电的输送，节省线材、降低成本，提高了信号的抗干扰能力，使母船与小型ROV之间的信号传输更加高效、可靠、经济。

2.本发明包括由共缆相连的水上模块和水下模块，具有成本低廉、传输质量高、抗干扰性强、可以在一根线缆上同时传输电源和两种不同射频信号的特点，适用于小型遥控水下机器人。

附图说明

图1为小型遥控水下机器人共缆传输系统总体框图；

其中，1水上模块，2水下模块，3传输共缆，16AC220V电源端口，17隔离式交流变压器，18电源耦合/分离器，19电源耦合/分离器；41视频数据复用器，42视频数据复用器，43水下电源模块；

图2为小型遥控水下机器人共缆传输系统水上模块结构图；

其中，41视频数据复用器，15射频耦合端口，8信号隔离电路，7射频放大电路，6视频解调电路，5视频幅度调整电路，4视频输出端口，9RS485端口，10RS485转换电路，11下行数据调制电路，12上行数据解调电路，13射频放大电路，14信号隔离电路，18电源耦合/分离器，16220V交流电源，17隔离式交流变压器；

图3为小型遥控水下机器人共缆传输系统水下模块结构图；

其中，42视频数据复用器，25视频输入端口，24视频幅度调整电路，23视频调制电路，22射频放大电路，21信号隔离电路，20射频耦合端口，26信号隔离电路，27下行数据解调电路，30上行数据调制电路，31射频放大电路，28RS485转换电路，29RS485端口，19电源耦合/分离器，43水下电源模块，32开关电源，35DC12V输出端口，33电源调整电路，34电源滤波电路，36DC5V输出端口；

图4是电源耦合/分离器的工作原理框图；

图5为小型遥控水下机器人共缆传输装置接线示意图；

其中，17隔离式交流变压器，18电源耦合/分离器，19电源耦合/分离器，41视频数据复用器，42视频数据复用器，43水下电源模块，44水下摄像头，50、59、60、61、62、63、64、65均为压线端子，51、52、53、54、55、56、57、58均为75-5型F头端口。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的信号传输过程及传输原理做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明涉及的小型遥控水下机器人共缆传输系统，包括与传输射频和交流电的同轴电缆相连的水上模块和水下模块及其供电电路，可以同时实现视频信号单向传输，数据信号双向半双工传输，交流电源单向传输。

水上模块传输的110V50Hz的交流电，经电源耦合/分离器与射频信号耦合，然后经过同轴电缆传送到水下模块的电源耦合/分离器，与射频信号分离后为水下机器人各种设备供电。

水下模块采集的视频信号经视频调制电路调制，然后经同轴电缆传送到水上模块的视频解调电路，恢复出原始的视频信号。

水下模块发出的水下机器人工作状态数据，经数据调制电路调制，然后经同轴电缆传送到水上模块的数据解调电路，恢复出原始的数据信号；水上模块发出的控制信号，经数据调制电路调制，然后经同轴电缆传送到水下模块的数据解调电路，恢复出原始控制信号。

视频调制采用ASK（幅度键控调制）方式，调制视频载波为55.296MHz。

数据调制采用FSK（频移健控调制）方式，采用两个不同的调制频率来实现485数据的半双工双向传输。

如图2所示，水上模块1包括：视频数据复用器41，电源耦合/分离器18，隔离式交流变压器17。视频数据复用器的主要功能是实现视频、数据的调制解调；视频数据复用器41有3个接口：视频输出端口4、RS485端口9、射频耦合端口15，复用器的射频耦合端口15接电源耦合/分离器18的射频端口。隔离式交流变压器17接电源耦合/分离器18的电源端口，输出与220V市电完全隔离的110V50Hz电源。电源耦合/分离器18，是由电感、电容、电阻无源电子元件搭建的耦合电路，功能是实现射频信号与110V交流电的耦合并通过共缆3传输。

如图3所示，水下模块2包括：视频数据复用器42，电源耦合/分离器19，水下电源模块43。视频数据复用器的主要功能是实现视频、数据的调制解调；视频数据复用器42有3个接口：视频输入端口25、RS485端口29、射频耦合端口20，复用器的射频耦合端口20接电源耦合/分离器19的射频端口。水下电源模块43包括：开关电源32、DC12V输出端口35、电源调整电路33、电源滤波电路34、DC5V输出端口36。水下电源模块的功能是将110V交流电转换为12V、5V直流电，为水下模块各电路及ROV各设备供电，水下电源模块的输入接电源耦合/分离器19的电源端口。电源耦合/分离器19，是由电感、电容、电阻无源电子元件搭建的滤波电路，功能是实现射频信号与110V交流电的分离。

水上模块、水下模块各有一个电源耦合/分离器，其功能分别是将电源与射频信号耦合、分离。电源耦合/分离器的工作原理如图4所示，利用电容器通高频、阻低频的特性，110V交流电源无法通过射频信号端口输出，射频信号可以通过电容器与110V交流电源在电源/射频复合端口复合，实现电源、射频复合传输；利用LC低通滤波器对于高频信号的衰减作用，复合信号中的射频成分无法通过低通滤波器，实现电源与射频信号的分离。

如图3所示，视频信号从视频输入端口25进入，经视频幅度调整电路24，视频调制电路23，射频放大电路22，信号隔离电路21，射频耦合端口20，最后由电源插入器19送入共缆3传输至水上模块1。RS485端口29输出的水下设备状态数据，通过RS485转换电路转换为TTL格式数据，到上行数据调制电路调制成中心频率61.796MHz的射频，经射频放大电路31放大，经信号隔离电路26、射频耦合端口20，最终由电源插入器19送入共缆3传输至水上模块1。射频电源混合信号由共缆3经电源耦合/分离器19分离出射频信号，经射频耦合端口20、信号隔离电路26分离出携带控制信息、中心频率31.5MHz的射频，经下行数据解调电路27解调，形成TTL格式数据，到RS485转换电路28转换成485格式数据，通过RS485端口29输出485格式控制信号。射频电源混合信号由共缆3经电源耦合/分离器19分离出的110V交流电作为ROV和水下模块2的供电电源，具体过程如下：110V交流经开关电源32转化为12V直流，给射频放大电路22、射频放大电路31供电，同时输出至DC12V输出端口35，为ROV的其他设备供电；开关电源32输出直流12V，经电源调制电路33、电源滤波电路34输出5V直流，为视频调制电路23、下行数据解调电路27、上行数据调制电路30供电，同时输出至DC5V输出端口36，为ROV的其他设备供电。

如图2所示，射频电源混合信号由共缆3经电源耦合/分离器18分离出射频信号，经射频耦合端口15和信号隔离电路8分离出视频调制信号，经射频放大电路7放大后由视频解调电路6还原成视频信号，经视频幅度调整电路5进行阻抗匹配和幅度微调后，从视频输出端口4输出；射频信号经射频耦合端口15和信号隔离电路14分离出携带水下设备状态数据、中心频率61.796MHz的射频，经上行数据解调电路12解调出TTL格式数据，RS485转换电路10转换成485数据，通过RS485端口9上传至上位机。上位机发出的485格式控制信号通过RS485端口9输入至RS485转换电路10转换成TTL格式数据，经过下行数据调制电路11的调制，形成中心频率31.5MHz的射频，经射频放大电路13放大，经信号隔离电路14、射频耦合端口15、电源耦合/分离器18，由共缆3发送至水下模块2。220V交流电源16经过隔离式交流变压器17隔离变换为110V交流电，经电源耦合/分离器18与射频信号耦合，通过共缆3传输至水下模块2。

共缆传输系统的接线示意图如图5所示，隔离式交流变压器17将220V市电转换为110V交流电，送入电源耦合/分离器18的压线端子，与射频信号耦合后，从电源耦合/分离器18的F头端口52通过SYV75-5型同轴电缆传输至水下；从F头端口55进入电源耦合/分离器19，经压线端子输出110V交流电至水下电源模块43，经过整流变压后，输出直流12V为视频数据复用器42、水下摄像头44供电。同时输出直流5V为ROV其他设备供电。

视频信号从水下摄像头44的BNC端口输出，通过SYV75-5型同轴电缆至F头端口58，经视频数据复用器42调制成射频，从F头端口57通过同轴电缆传输至F头端口56，从电源耦合/分离器19的F头端口55输出至水上电源耦合/分离器18的F头端口52；经F头端口51至视频数据复用器41的F头端口53，解调后将原始视频信号从F头端口54传给监视器。

上行485数据从下位机的A-B压线端子64传输至A-B压线端子59，在视频数据复用器42完成TTL电平信号的转换以及数据调制，以射频信号的形式从F头端口57输出至电源耦合/分离器19的F头接口56，从F头接口55送至水上电源耦合/分离器18，经F头接口51、F头接口53进入水上视频数据复用器41，经过解调还原出TTL信号，再转换成485数据信号，经A-B压线端子65送至上位机。下行485数据从上位机发送至下位机，传输路径与上行485数据一致，在视频数据复用器41完成TTL电平信号的转换以及数据调制，在视频数据复用器42完成数据解调以及485电平信号的转换。

交流变压器采用110V、500VA隔离式交流变压器，与市电220V交流电完全隔离，以保证人身安全和静电屏蔽。电源耦合/分离器采用的是深圳市视海通电子有限公司的野外电源插入器SYDCQA，允许通过较大电流。视频数据复用器采用的是深圳市西艾特电子技术有限公司的AVD6.0调制解调模块，水上模块的视频数据复用器AVD6H，为直流9V供电，数据通信采用RS485通信格式，双向半双工传输，最大传输速率1200bps；数据调制方式为FSK，接收数据载波为61.796MHz，发射数据载波为31.5MHz；视频调制方式为ASK，接收视频载波为55.296MHz。水下模块的视频数据复用器AVD6T，为直流12V供电，数据通信采用RS485通信格式，双向半双工传输，最大传输速率1200bps；数据调制方式为FSK，接收数据载波为31.5MHz，发射数据载波为61.796MHz；视频调制方式为ASK，发射视频载波为55.296MHz。同轴电缆采用SYV75-5型同轴电缆。

Claims (6)

1.一种小型遥控水下机器人共缆传输装置，其特征在于：用于实现视频信号单向传输，数据信号双向半双工传输，交流电源单向传输；包括水上模块(1)和水下模块(2)，水上模块(1)和水下模块(2)通过用于传输射频/交流电源信号的传输共缆(3)连接；

所述水上模块(1)包括顺序连接的隔离式交流变压器(17)、第一电源耦合/分离器(18)和第一视频数据复用器(41)；所述电源耦合/分离器(18)与传输共缆(3)连接；

所述水下模块(2)包括顺序连接的电源滤波电路(34)、电源调整电路(33)、开关电源(32)、第二电源耦合/分离器(19)和第二视频数据复用器(42)；所述电源耦合/分离器(19)与传输共缆(3)连接；

所述第一视频数据复用器(41)包括顺序连接的视频幅度调整电路(5)、视频解调电路(6)、第一射频放大电路(7)、第一信号隔离电路(8)、射频耦合端口(15)、第二信号隔离电路(14)、第二射频放大电路(13)、下行数据调制电路(11)、RS485转换电路(10)以及，RS485转换电路(10)和第二信号隔离电路(14)之间连接的上行数据解调电路(12)；所述射频耦合端口(15)与第一电源耦合/分离器(18)连接，所述RS485转换电路(10)用于与上位机通信；

所述第二视频数据复用器(42)包括顺序连接的视频幅度调整电路(24)、视频调制电路(23)、第一射频放大电路(22)、第一信号隔离电路(21)、射频耦合端口(20)、第二信号隔离电路(26)、第二射频放大电路(31)、上行数据调制电路(30)、RS485转换电路(28)以及，RS485转换电路(28)和第二信号隔离电路(26)之间连接的下行数据解调电路(27)；所述射频耦合端口(20)与第二电源耦合/分离器(19)连接，所述RS485转换电路(28)用于与水下控制器通信；

所述视频调制电路(23)、下行数据解调电路(27)、上行数据调制电路(30)由电源滤波电路(34)输出的DC5V供电；所述第一射频放大电路(22)，第二射频放大电路(31)由开关电源(32)输出的DC12V供电；所述电源滤波电路(34)和开关电源(32)均具有直流输出端口。

2.一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，其特征在于包括以下步骤：

水上模块(1)的第一视频数据复用器(41)将上位机的控制数据进行调制并转换成射频信号，与隔离式交流变压器(17)输出的交流电源信号经第一电源耦合/分离器(18)耦合成射频电源混合信号，经传输共缆(3)传输至水下模块(2)；

水下模块(2)的第二电源耦合/分离器(19)将接收到的射频电源混合信号分离成射频信号和交流电源信号；开关电源(32)将交流电源信号转换成直流电源信号，经电源滤波电路(34)滤波后，共同给第二视频数据复用器(42)以及水下设备供电；同时，第二视频数据复用器(42)将射频信号进行解调还原成控制数据经485总线发送至水下控制器；

水下模块(2)的第二视频控制复用器(42)接收水下摄像头的视频信号和水下控制器的水下设备状态数据，并将视频信号和水下设备状态数据分别进行调制后耦合成射频信号输出至第二电源耦合/分离器(19)，再经传输共缆(3)传输至水上模块(1)；

水上模块(1)接收传输共缆(3)传来的射频信号，经第一电源耦合/分离器(18)传输至第一视频数据复用器(41)，第一视频数据复用器(41)将射频信号中的视频信号和水下设备状态数据分离，分别进行解调还原，将视频信号输出至上位机，水下设备状态数据反馈至上位机；

所述视频信号和水下设备状态数据分别进行调制后耦合成射频信号，包括以下步骤：

第二视频幅度调整电路(24)将视频信号进行幅度调整后，经视频调制电路(23)以ASK方式进行调制，再经第一射频放大电路(22)、第一信号隔离电路(21)进行放大隔离；

同时，RS485转换电路(28)将485格式的水下设备状态数据转换为TTL格式数据，经上行数据调制电路(30)以FSK方式调制成中心频率为f2的射频信号，经第二射频放大电路(31)、第二信号隔离电路(26)进行放大隔离；

将放大隔离后分别包含视频信息和水下设备状态信息的射频信号通过射频耦合端口(20)耦合成射频信号。

3.根据权利要求2所述的一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，其特征在于所述水上模块(1)的第一视频数据复用器(41)将上位机发出的485格式控制数据进行调制并转换成射频信号，包括以下步骤：

第一视频数据复用器(41)内的RS485转换电路(10)将上位机的485格式控制数据转换为TTL格式数据，经下行数据调制电路(11)以FSK方式调制，形成中心频率为f1的射频信号，再依次经射频放大电路(13)、信号隔离电路(14)得到放大、隔离后的射频信号。

4.根据权利要求2所述的一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，其特征在于所述第二视频数据复用器(42)将射频信号进行解调还原成控制数据包括以下步骤：

第二视频数据复用器(42)的射频耦合端口(20)将射频信号经第二信号隔离电路(26)提取出中心频率为f1的射频信号，经下行数据解调电路(27)解调形成TTL格式数据，再经RS485转换电路(28)转换成485格式控制数据。

5.根据权利要求2所述的一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，其特征在于所述第一视频数据复用器(41)将射频信号中的视频信号和485格式的水下设备状态数据分离，分别进行解调还原，包括以下步骤：

射频信号通过第一信号隔离电路(8)分离出视频调制信号，经第一射频放大电路(7)、视频解调电路(6)、视频幅度调整电路(5)还原出视频信号；

同时，射频信号经第二信号隔离电路(14)分离出中心频率为f2的射频信号，经上行数据解调电路(12)解调出TTL格式数据，经RS485转换电路(10)转换成485格式的水下设备状态数据。

6.根据权利要求3所述的一种小型遥控水下机器人共缆传输方法，其特征在于：所述中心频率f1与f2不等。