CN105827270B - 面向水中机器人的水下通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向水中机器人的水下通信装置，包括：发射设备与第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，对串口数据进行调制得到载波信号，对载波信号的功率进行提升，并利用功率提升后的载波信号驱动发射电极，在发射电极与水之间形成发射电流回路，在发射电极的周围形成弱电场并向外发射；接收设备，弱电场在接收设备的接收电极板之间感应出电动势，对电动势信号依次进行放大、滤波和解调处理，从感应电动势信号中解调出原始的串口数据，将串口数据通过标准串行通信协议接口发送至第二水中机器人，以实现第一水中机器人和第二水中机器人之间的通信。本发明具有应用环境限制少、通信可靠性高、实时性好、通信延迟少、体积紧凑等优点。

Description

面向水中机器人的水下通信装置

技术领域

本发明涉及水下通信技术领域，特别涉及一种面向水中机器人的水下通信装置。

背景技术

目前，实现水中机器人通信有很多种方法，例如：无线电通信法、水声通信法、光波通信法等。上述这些水下通信方法，虽然可以有效满足一定条件下水中机器人的通信要求，但都分别存在着各自的缺陷。

(1)无线电通信法：由于电磁波在水中衰减非常严重，导致水中机器人在水下工作时通信能力大打折扣，水下通信成为一个难题；

(2)水声通信法：当应用大范围水域中时，存在技术复杂、通信速率低、通信延迟大、体积大等问题，由于水声通信装置一般体积大，技术复杂，不适合小型水中机器人；

(3)光波通信法：当在小范围水域(有限场)当中使用时，声波反射严重，多径效应难以去除，导致通信质量非常低下，该光波通信法的通信距离近、受水质影响很大，不符合水中机器人对重量、体积、应用环境等方面的性能要求。

发明专利CN 101247184B公开了一种用于水下机器人的通信转发系统，该系统可以向水下机器人提供无缆移动通信服务，为其他水下通信节点提供信息转发服务。但是，该专利采用的仍是水声通信法，当应用于大范围水域中时，存在技术复杂、通信速率低、延迟大等问题。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决所述技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种面向水中机器人的水下通信装置，具有应用环境限制少、通信速率快、通信可靠性高、实时性好、通信延迟少、体积紧凑等优点。

为了实现上述目的，本发明的实施例提供一种面向水中机器人的水下通信装置，包括：发射设备，所述发射设备与第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于接收来自所述第一水中机器人的串口数据，对所述串口数据进行调制得到载波信号，对载波信号的功率进行提升，并利用功率提升后的载波信号驱动发射电极，在所述发射电极与水之间形成发射电流回路，当有电流通过所述发射电流回路时，在所述发射电极的周围形成弱电场并向外发射；所述发射设备，包括：第一乘法器，所述第一乘法器的输入端与所述第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于将所述串口数据与所述第一水中机器人的处理器自身产生的低频载波信号相乘；第二乘法器，所述第二乘法器的输入端通过非门与所述第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于对所述串口数据取反，将取反后的串口数据与所述第一水中机器人的处理器自身产生的高频载波信号相乘；加法器，所述加法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和第二乘法器的输出端相连，用于对所述第一乘法器和第二乘法器的输出信号进行相加，对相加后的输出信号进行放大，得到双频载波调制后信号；功率三极管，所述功率三极管的基极与所述加法器的输出端相连，所述功率三极管的发射极接地；升压变压器，所述升压变压器的初级线圈与所述功率三极管的集电极相连，以控制所述升压变压器的初级线圈的电流变化；蓄电池，所述蓄电池通过电阻与所述升压变压器的初级线圈相连，其中，电流由所述蓄电池依次通过所述电阻、所述升压变压器的初级线圈和所述功率三极管，形成所述发射电流回路；发射电极板，所述发射电极板包括与所述升压变压器的次级线圈相连的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一电极板和所述第二电极板间隔预设距离放置于水中，在所述发射电极板的周围形成弱电场并向外发射。接收设备，所述发射设备产生的弱电场在所述接收设备的接收电极板之间感应出电动势，对所述电动势信号依次进行放大、滤波和解调处理，从所述感应电动势信号中解调出原始的所述串口数据，将所述串口数据通过所述标准串行通信协议接口发送至所述第二水中机器人，以实现所述第一水中机器人和第二水中机器人之间的通信。

进一步，所述发射设备对所述串口数据进行双频调制。

进一步，所述发射电极板的弱电场携带有所述双频载波调制后信号，其中，所述双频载波调制后信号包括有来自所述第一水中机器人的串口数据。

进一步，所述功率三极管采用NPN型三极管。

进一步，所述接收设备包括：

接收电极板，所述接收电极板包括第三电极板和第四电极板，其中，所述发射设备产生的弱电场在所述第三电极板和第四电极板之间感应出电动势；

交流耦合电容，所述交流耦合电容的一端与所述第三电极板相连；

放大及滤波模块，所述放大及滤波模块的一个输入端与所述交流耦合电容的另一端相连，所述放大及滤波模块的另一个输入端与所述第四电极板相连，用于对电动势信号进行放大及滤波处理；

解调模块，所述解调模块的一端与所述放大及滤波模块的输出端相连，所述解调模块的另一端与所述第二水中机器人的处理器的标准串行通信协议接口相连。

进一步，所述解调模块采用锁相环。

根据本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置，通过水下电场实现的通信过程，基于标准的串口协议，在发射端对数据进行双频调制，在接收端对数据进行双频解调，可以很好的降低通信误码率和提高通信速率，并且本发明采用标准的串口通信协议，保证了整个装置可靠性和可扩展性。

由于本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置是基于小范围水域水下电场实现的，所以相对于传统的水下声学通信和光学通信装置具有应用环境限制少、通信速率快、通信可靠性高、实时性好、通信延迟少、体积紧凑等优点，适应于有限场水域下多机器人通信当中。

本发明可以实现水中机器人的良好控制以及完成多样化任务。具体的，利用本发明的水下通信装置，可以实现水中机器人之间可以相互通信，多机器人协作任务，从而完成单个机器人难以完成的复杂任务，进而实现了水中机器人协作，提高了协作效率。此外，本发明还可以实现上位机对水中机器人的控制，有效的解决水中机器人的控制，实现多水中机器人之间的相互协作，以及完成水下大容量传感器数据的收集。本发明可以应用在在中小河水文监测领域，方便的控制水下监测设备完成多种检测任务，并且操作简单，使用安全。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置的结构框图；

图2为根据本发明实施例的发射设备的结构图；

图3为根据本发明实施例的接收设备的结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明实施例提出一种面向水中机器人的水下通信装置，该水下通信装置可以解决水中机器人通信问题，能够适应复杂环境，保障信息的交互安全性，并满足通信实时性。

下面参考图1至图3对本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置进行说明。

如图1所示，本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置，包括：发射设备100和接收设备200。

具体地，发射设备100与第一水中机器人300(作为发送数据方)的标准串行通信协议接口相连。其中，第一水中机器人300的处理器与标准串行通信协议接口相连，该标准串行通信协议接口进一步与发射设备100相连。发射设备100接收来自第一水中机器人300的串口数据。然后，发射设备100对串口数据进行调制得到载波信号。

然后，发射设备100对载波信号的功率进行提升，并利用功率提升后的载波信号驱动发射电极，在发射电极与水之间形成发射电流回路。从而，当有电流通过发射电流回路时，在发射电极的周围形成弱电场并向外发射。

具体地，如图2所示，发射设备100包括：第一乘法器6、第二乘法器7、加法器8、功率三极管13、升压变压器14、蓄电池11和发射电极板。

在本发明的一个实施例中，发射设备100对串口数据进行双频调制。具体而言，第一水中机器人300通过自身处理器上的标准串行通信协议接口2发送串口数据1，串口数据1进入发射设备100，分为两路串口数据，分别与第一水中机器人300自身产生的低频载波信号和高频载波信号进行调制。

具体地，第一乘法器6的输入端与第一水中机器人300的标准串行通信协议接口相连，用于将一路串口数据与第一水中机器人300的处理器自身产生的低频载波信号3相乘。

第二乘法器7的输入端通过非门5与第一水中机器人300的标准串行通信协议接口相连，用于对另一路串口数据取反，将取反后的串口数据与第一水中机器人300的处理器自身产生的高频载波信号4相乘。

加法器8的输入端与第一乘法器6的输出端和第二乘法器7的输出端相连，用于对第一乘法器6和第二乘法器7的输出信号进行相加，以对相加后的输出信号进行放大，得到双频载波调制后信号9。

通过采用上述双频载波调制方法对两路串口数据进行调制，可以有效降低通信误码率，并在一定程度上提高通信速率，确保通信效果。

加法器8的输出端连接至功率三极管13的基极b，功率三极管13的发射极e接地。在本发明的一个实施例中，功率三极管13采用NPN型三极管。双频载波调制后的信号通过电阻10驱动功率三极管13，从而控制功率三极管13的工作状态。

升压变压器14的初级线圈与功率三极管13的集电极c相连，以控制升压变压器14的初级线圈的电流变化。

蓄电池11通过电阻与升压变压器14的初级线圈相连。其中，电流由蓄电池11依次通过电阻12、升压变压器14的初级线圈和功率三极管13，形成发射电流回路。

在本发明的一个实施例中，发射电流可以通过改变电阻的大小来实现。其中，当电阻10的阻值减小时，发射电流增大；反之，当电阻10的阻值增大时，发射电流减小。

发射电极板包括与升压变压器14的次级线圈相连的第一电极板16和第二电极板17。其中，第一电极板16和第二电极板17间隔预设距离放置于水中，在发射电极板的周围形成弱电场18，并以发射电极板为中心在水中向外发射。

具体地，发射电流流过升压变压器14的初级线圈，升压变压器14的次级线圈两端产生驱动电压。该驱动电压加载到发射上，由于第一和第二电极板17间隔一定的距离放置在水中，因此会在水中的两块电极板之间产生弱电场18。而且该弱电场18的变化频率与加载到发射电极板上的驱动电压的频率相同，所以第一和第二电极板17之间变化的电场携带有载波调制后的信号9的信息。该双频载波调制后信号9包括有来自第一水中机器人300的串口数据1。

由发射设备100产生的弱电场在接收设备200的接收电极板之间感应出电动势。接收设备200接收该电动势信号，并对该电动势信号依次进行放大、滤波和解调处理，从感应电动势信号中解调出原始的串口数据。然后将串口数据通过标准串行通信协议接口发送至第二水中机器人400(作为接收数据方)的处理器，从而实现第一水中机器人300和第二水中机器人400之间的通信及数据传输。

如图3所示，接收设备200包括：接收电极板、交流耦合电容21、放大及滤波模块和解调模块。

具体地，接收电极板包括第三电极板19和第四电极板20。其中，发射设备100产生的弱电场在第三电极板19和第四电极板20之间感应出电动势。交流耦合电容21的一端与第三电极板19相连。放大及滤波模块的一个输入端与交流耦合电容21的另一端相连，放大及滤波模块的另一个输入端与第四电极板20相连，用于对电动势信号进行放大及滤波处理。

其中，第三和第四电极板20之间的电动势信号首先过交流耦合电容21，再进入放大滤波模块22。由于接收电极板之间电场信号很微弱，并且附带有强烈的背景噪声，因此需要。放大及滤波模块对该电场信号进行必要的放大和滤波，从而提高电场信号的信噪比，为信号下一级解调处理做准备。

解调模块的一端与放大及滤波模块的输出端相连，解调模块的另一端与第二水中机器人400的处理器的标准串行通信协议接口相连。在本发明的一个实施例中，解调模块采用锁相环23。

经过放大及滤波处理后的电场信号(即电动势信号)，进入锁相环23进行解调处理。具体地，锁相环23可以根据电场信号所携带的频率信息解调出原始的串口数据，解调出的串口数据发送至第二水中机器人400的处理器上的标准串行通信协议接口24。由于第一水中机器人300和第二水中机器人400均采用标准的串行通信协议，即发送和接收两端的处理器设定相同的协议，从而第一和第二水中机器人400可以正确的接收数据，实现水中机器人之间的通信。

需要说明的是，本发明实施例提供的面向水中机器人的水下通信装置，也同样适用于水中机器人和上位机之间的通信，只要水中机器人的处理器和上位机满足设定相同的协议，即可实现相互之间的数据传输。

根据本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置，通过水下电场实现的通信过程，基于标准的串口协议，在发射端对数据进行双频调制，在接收端对数据进行双频解调，可以很好的降低通信误码率和提高通信速率，并且本发明采用标准的串口通信协议，保证了整个装置可靠性和可扩展性。

由于本发明实施例的面向水中机器人的水下通信装置是基于小范围水域水下电场实现的，所以相对于传统的水下声学通信和光学通信装置具有应用环境限制少、通信速率快、通信可靠性高、实时性好、通信延迟少、体积紧凑等优点，适应于有限场水域下多机器人通信当中。

本发明可以实现水中机器人的良好控制以及完成多样化任务。具体的，利用本发明的水下通信装置，可以实现水中机器人之间可以相互通信，多机器人协作任务，从而完成单个机器人难以完成的复杂任务，进而实现了水中机器人协作，提高了协作效率。此外，本发明还可以实现上位机对水中机器人的控制，有效的解决水中机器人的控制，实现多水中机器人之间的相互协作，以及完成水下大容量传感器数据的收集。本发明可以应用在在中小河水文监测领域，方便的控制水下监测设备完成多种检测任务，并且操作简单，使用安全。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。本发明的范围由所附权利要求极其等同限定。

Claims (6)

1.一种面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，包括：

发射设备，所述发射设备与第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于接收来自所述第一水中机器人的串口数据，对所述串口数据进行调制得到载波信号，对载波信号的功率进行提升，并利用功率提升后的载波信号驱动发射电极，在所述发射电极与水之间形成发射电流回路，当有电流通过所述发射电流回路时，在所述发射电极的周围形成弱电场并向外发射，其中，所述发射设备，包括：

第一乘法器，所述第一乘法器的输入端与所述第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于将所述串口数据与所述第一水中机器人的处理器自身产生的低频载波信号相乘；

第二乘法器，所述第二乘法器的输入端通过非门与所述第一水中机器人的标准串行通信协议接口相连，用于对所述串口数据取反，将取反后的串口数据与所述第一水中机器人的处理器自身产生的高频载波信号相乘；

加法器，所述加法器的输入端与所述第一乘法器的输出端和第二乘法器的输出端相连，用于对所述第一乘法器和第二乘法器的输出信号进行相加，对相加后的输出信号进行放大，得到双频载波调制后信号；

功率三极管，所述功率三极管的基极与所述加法器的输出端相连，所述功率三极管的发射极接地；

升压变压器，所述升压变压器的初级线圈与所述功率三极管的集电极相连，以控制所述升压变压器的初级线圈的电流变化；

蓄电池，所述蓄电池通过电阻与所述升压变压器的初级线圈相连，其中，电流由所述蓄电池依次通过所述电阻、所述升压变压器的初级线圈和所述功率三极管，形成所述发射电流回路；

发射电极板，所述发射电极板包括与所述升压变压器的次级线圈相连的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一电极板和所述第二电极板间隔预设距离放置于水中，在所述发射电极板的周围形成弱电场并向外发射；

接收设备，所述发射设备产生的弱电场在所述接收设备的接收电极板之间感应出电动势，对所述电动势信号依次进行放大、滤波和解调处理，从所述感应电动势信号中解调出原始的所述串口数据，将所述串口数据通过所述标准串行通信协议接口发送至第二水中机器人，以实现所述第一水中机器人和第二水中机器人之间的通信。

2.如权利要求1所述的面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，所述发射设备对所述串口数据进行双频调制。

3.如权利要求1所述的面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，所述发射电极板的弱电场携带有所述双频载波调制后信号，其中，所述双频载波调制后信号包括有来自所述第一水中机器人的串口数据。

4.如权利要求1所述的面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，所述功率三极管采用NPN型三极管。

5.如权利要求1所述的面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，所述接收设备包括：

接收电极板，所述接收电极板包括第三电极板和第四电极板，其中，所述发射设备产生的弱电场在所述第三电极板和第四电极板之间感应出电动势；

交流耦合电容，所述交流耦合电容的一端与所述第三电极板相连；

放大及滤波模块，所述放大及滤波模块的一个输入端与所述交流耦合电容的另一端相连，所述放大及滤波模块的另一个输入端与所述第四电极板相连，用于对电动势信号进行放大及滤波处理；

解调模块，所述解调模块的一端与所述放大及滤波模块的输出端相连，所述解调模块的另一端与所述第二水中机器人的处理器的标准串行通信协议接口相连。

6.如权利要求5所述的面向水中机器人的水下通信装置，其特征在于，所述解调模块采用锁相环。