CN106683373B - 一种水下无人船通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下无人船通信系统，用于实现水下无人船本体与无人船的水上基站之间的通信连接，所述水上基站上设置有第一电力调制解调器，通过电缆与无人船本体上的第二电力调制解调器通信连接。本发明采用图传数传共链路和电力载波技术相结合的方法，不但使人机交互装置可以在控制和管理无人船的同时观看到无人船所采集的视频，并且使通信信号传输的距离更远，同时采用这种方法最大限度地减少了水下无人船本体与水上基站之间的线缆芯数，使线缆总体的重量减轻，提高了无人船的机动性。

Description

一种水下无人船通信系统

技术领域

本发明属于水下无人船领域，具体地说，涉及一种水下无人船通信系统。

背景技术

水下无人船和水下机器人有着广阔的应用前景。在水下勘探，捕鱼，和水下打捞等领域均具有突出的优势。

目前，水下无人船大多采用自治或者有缆控制模式。自治模式，多用在无缆无人船上，无人船按照事先设定或者根据不定时接收到的上位机指令进行水下作业，这种自治模式下的无人船不能实时地获取水下信息和控制无人船，不适用对于无人船实时性要求高的应用情境；而有缆模式，是水下无人船或者水下机器人通过与水面母船相连的脐带缆获得动力，并与母船上的上位机进行数据传输和人机交互。

随着科学技术的不断发展，包括智能手机，平板电脑在内的无线智能终端的综合运算能力得到了长足的进步。目前的智能手机搭载越来越多的智能应用，成为了人们访问移动互联网的方便接口。随之而来的是很多以前需要进行本地运行的复杂应用程序，现在也可以通过无线智能终端方便地实现。如何充分利用无线智能终端的高速运算能力，以及无线互联网的接入能力，成为了越来越多新技术的创新点。使用无线智能终端对无人船的运行进行控制并提供智能化管理的支持，即将成为技术应用的主流。

无人船的作业环境是潜入到水下，由于无线信号在水下的衰减非常大，使用无线终端直接通过无线信号控制水下无人船是很难实现的技术，因此需要优化有线和无线通信技术的结合方式，利用无线智能终端的强大数据处理能力，进一步实现无人船控制系统的升级。

在远距离遥控设备、工业控制和水下机器人领域中，某些场合下电缆的芯数和特征阻抗受环境及现场要素约束，不可能无限制的增加和任意改变。水下无人船在较高航速下，其脐带电缆在水中所形成的阻力往往是无人船本体阻力的几倍到数十倍。以往水下无人船对本体的控制与检测(如电动机、照明灯、摄像机、云台、压力、漏水、接地故障等)，采用的是双线或者3-4线对应一个控制与测量设备。因此造成无人船脐带电缆的芯数和种类繁多、制造与加工麻烦、费用很高。尤为严重的是由于导线的种类多而杂，水下无人船的脐带电缆外径很大，脐带电缆在水中运动所产生的阻力强烈地限制了水下无人船的机动性能。

新型的水下无人船一般采用动力电源、低压电源、照明电源、图像传输、数据传输分别占用不同芯线的方法。这种方法与以往的水下无人船相比，在减少脐带电缆芯线数量上有所改进，但在减少脐带电缆芯线种类和电缆外径上仍然不足，某些场合下，特别是在小型水下无人船上使用不方便，有时甚至无法应用。因此需要一种通信系统可以将图像传输和数据传输用最小的线芯数量进行高速传输。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种水下无人船通信系统，采用图传数传共链路和电力载波技术相结合的方法，不但使人机交互装置可以在控制和管理无人船的同时观看到无人船所采集的视频，并且通信信号传输的距离更远，同时采用这种方法最大限度地减少了水下无人船本体与水上基站之间的线缆芯数，使线缆总体的重量减轻，提高了无人船的机动性。

为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种水下无人船通信系统，用于实现水下无人船本体与无人船的水上基站之间的通信连接，所述水上基站上设置有第一电力调制解调器，通过电缆与无人船本体上的第二电力调制解调器通信连接。

进一步地，所述无人船本体上还设置有第二图数传输单元，所述第二图数传输单元与无人船本体上的控制模块和视频采集模块相连，并将所述控制模块发送的数字信号和视频采集模块发送的图像信号整编为单一链路信号，所述控制模块用于控制水下无人船本体的运行状态和发送水下无人船本体上传感器传来的数字信号，所述视频采集模块用于进行视频采集。

进一步地，所述第二电力调制解调器与所述第二图数传输单元通过以太网络接口通信连接。

进一步地，所述水上基站上还包括第一图数传输单元，所述第一图数传输单元与第一电力调制解调器相连，将由无人船本体发送来的所述单一链路信号拆分成数字信号和图像信号。

进一步地，所述水下无人船通信系统还包括无线人机交互装置，所述无线人机交互装置经由所述无线通信模块实现与第一图数传输单元的通信连接，所述第一图数传输单元与水上基站的无线通信模块进行通信连接，无线通信模块与无人船的无线人机交互装置进行无线通信连接，所述无线人机交互装置用于对水下无人船本体进行控制或管理。

进一步地，水上基站还包括有线人机交互装置，所述第一图数传输单元与水上基站的有线人机交互装置进行有线通信连接，所述有线人机交互装置包括控制器和图像显示器，所述控制器用于向水下无人船本体发送控制信号，图像显示器用于将接收到的图像信号以图像形式进行显示。

进一步地，所述第一电力调制解调器与所述第一图数传输单元通过以太网络接口通信连接。

进一步地，所述无线人机交互装置包括遥控器，无线智能终端。

进一步地，所述电缆平均密度接近或等于水的密度，至少包括缆芯层和包覆缆芯层的浮力层，所述的缆芯层包括至少一根导线。

进一步地，所述通信连接使用电力载波技术进行通信信号的传输，电力线载波在直流12V的电力线上传输。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明所揭示的一种水下无人船通信系统，采用图传数传共链路和电力载波技术相结合的方法，不但使人机交互装置可以在控制和管理无人船的同时观看到无人船所采集的视频，并且通信信号传输的距离更远，同时采用这种方法最大限度地减少了水下无人船本体与水上基站之间的线缆芯数，使线缆总体的重量减轻，提高了无人船的机动性。

利用第一图数传输单元和第二图数传输单元的配合，不但可以将数字信号或图像信号分别进行传送和接收，还可以将数字信号和图像信号整编成单一链路信号后进行传送和接收，这样，遥控器或无线智能终端接收到数字信号和图像信号后，用户就可以在遥控器或无线智能终端上获知水下无人船的航行状态以及网络摄像机等视频采集单元拍摄得到的图像，便于用户根据对水下无人船进行适时的控制和观察。并且，第一图数传输单元不但可以接收数字信号和/或图像信号，还可以将遥控器或无线智能终端或者其他控制终端发来的控制水下无人船的航行姿态，航行速度，航行深度等控制信号，转发至第二图数传输单元，第二图数传输单元中就会将该控制信号发送至控制模块，然后控制模块就可以根据该控制信号调整无人船的运行状态。

为了方便用户的使用，用户可以根据自己的实际需要选择与水上基站的连接方式，可以是有线连接也可以是无线连接，进而满足用户多样化的需求。

在第一图数传输单元和第二图数传输单元之间，设置的第一电力调制解调器和第二电力调制解调器，使无人船本体与水上基站进行通信时，将数据信号与直流电源叠加在一起，传输距离远，并且最大限度上减少了两者之间线缆的数量，实现只采用至多两芯线就完成了电力传输和图像信号以及数字信号的功能。从而极大减轻了线缆的重量，提高了无人船的机动性。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1是水下无人船通信系统结构示意图。

图中：1、水上基站；2、水下无人船本体；3、无线人机交互装置；4、有线人机交互装置；10、第一电力调制解调器；11、第一图数传输单元；12、基站；20、第二电力调制解调器；21、第二图数传输单元；22、控制模块；23、视频采集单元；31、无线智能终端；32、遥控器；41、控制器；42、图像显示器。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明公开了一种水下无人船通信系统，包括：水上基站1，水下无人船本体2，无线人机交互装置3，有线人机交互装置4。所述水下无人船通信系统使用第一电力调制解调器10，和第二电力调制解调器20，利用电力载波技术传输无人船的水上基站1和水下无人船本体2之间的通信信号；所述通信信号通过第一图数传输单元11和第二图数传输单元21将图像信号和数字信号整编为单一链路的数据信号。本发明采用图传数传共链路和电力载波技术相结合的方法，不但使人机交互装置可以在控制和管理无人船的同时观看到无人船所采集的视频，并且通信信号传输的距离更远，同时采用这种方法最大限度地减少了水下无人船本体2与水上基站1之间的线缆芯数，使线缆总体的重量减轻，提高了无人船的机动性。

实施例

如图1所示，本发明的水下无人船通信系统，包括：水上基站1，水下无人船本体2，无线人机交互装置3，有线人机交互装置4。水上基站1上设置有第一电力调制解调器10，通过电缆与无人船本体2上的第二电力调制解调器20通信连接。

无线人机交互装置3和有线人机交互装置4通过水上基站1实现与水下无人船本体2的数据交互。水上基站1与水下无人船本体2之间使用电力载波的通信技术，通过电力线缆进行通信。无线人机交互装置3与水上基站1通过水上基站1中的基站12进行通信，有线人机交互装置4通过单独的视频线和控制线与水上基站1进行通信。

第一图数传输单元11具有异步串行通信口，图像接口和网络接口。所述有线人机交互装置4包括控制器41和图像显示器42。第一图数传输单元11的数字信号通过异步串行通信口/数据传输接口，使用数据线发送给控制器41，图像信号通过图像数据传输接口发送给图像显示器42。第一图数传输单元11的网络接口能够将数字信号和图形信号发送给基站12，基站12具有无线通信模块。无线人机交互装置3通过基站12实现和第一图数传输单元11之间的信息互传。所述无线人机交互装置3包含：无线智能终端31和遥控器32。

现有的可下潜无人设备具有三种问题：

(1)下潜深度不够，无法获取详细图像；

(2)下潜深度虽然足够但是不能实时控制和回传信息，无法解决通信问题；

(3)与水下无人船连接的电缆数量繁多，水下无人船在水下工作时需要拖拽较粗的脐带电缆，造成无人船的机动性受限的同时，还消耗掉过多的动力储备，从而降低了无人船的运行时长。

本发明使用将图像信号和数字信号整编为单一链路的数据信号的方案，实现了用单一通信链路进行图像和数字信号的传送，为无人船本体所拖拽的线缆种类的降低提供了基础。

如图1所示，本实施例中水上基站1内设置有第一图数传输单元11，水下无人船本体2内设置有第二图数传输单元21。水下无人船为了实现多种任务通常会搭载多种探测设备，其中包括声呐设备、图像采集设备、温度传感器、压力传感器等，同时为了实现对水下无人船的操作，还需要配合控制模块，通过水上的人机交互装置对无人船本体的航行姿态和操作动作的进行控制。在以往的控制通信系统中，需要多根不同的类型的线缆来实现这些需求。但在本发明中，通过水上基站1上的第一图数传输单元11和水下无人船本体2上的第二图数传输单元21相配合，使以上这些数据都整编为单一链路信号，采用一根线缆实现多任务的数据传输。

本发明使用电力载波通信技术，通过水下无人船本体2中的第二电力调制解调器20和水上基站1中的第一电力调制解调器10，使用电源线，将以上的单一链路信号通过电源线进行传输。使用电力载波的通信技术可以使线缆的线径降低、传输距离更远，同时还可以通过该线路完成两者之间的电力传输，从而实现了只是用一条直流电缆就可以实现无人船的供电，控制，图像传输，数据传输等要求。同时电缆的整体为零浮力设计，阻抗小利于信号传输，线缆直径小使用方便且减少了水的阻力，抗拉性能好，结实耐用。

以下以图像和控制信号的传输通信过程为例对本装置进行详细说明。

水下无人船本体2包括，视频采集单元23，控制模块22，和第二图数传输单元21，第二电力调制解调器20；所述水上基站1包括，第一图数传输单元11，基站12，和第一电力调制解调器10。所述第二图数传输单元21将控制模块22发送的数字信号和视频采集单元23发送的图像信号整编为单一链路信号，第二图数传输单元21的数据端口为以太网接口，通过该以太网端口将所述单一链路信号发送至第二电力调制解调器20，第二电力调制解调器20通过电力载波技术将此单一链路信号调制到基电压为12V的直流电路中，通过连接在水下无人船本体2与水上基站1之间的电缆传送给第一电力调制解调器10。在本实施例中连接在水下无人船本体2和水上基站1之间的电缆使用的是两芯的直流电力电缆，用于传输水下无人船本体2和水上基站1之间的数据和电力。

安装在水上基站1上的第一电力调制解调器10将第二电力调制解调器20传送来的电力载波信号进行解调，解调出的单一链路信号通过第一电力调制解调器10的以太网接口，发送至第一图数传输单元11的以太网接口，所述第一图数传输单元11将所述单一链路信号拆分成相应的数字信号和图形信号。

所述的数字信号和图形信号通过水上基站1中的有线通信模块传送给有线人机交互装置4。有线人机交互装置包括有控制器41和图像显示器42，分别用来接收/发送控制信号和接收图像信号。另一方面，所述的数字信号和图像信号通过水上基站1中的基站12上的无线通信模块，通过WIFI/蓝牙/4G/5G等任一方式传送给无线人机交互装置3。无线人机交互装置3包括有无线智能终端31，或者是遥控器32。通过无线的方式用来接收/发送控制信号和接收图像信号和数字信号。所述移动智能终端31包括以下至少之一或其组合，智能手机、平板、台式电脑、笔记本电脑。

优选地，所述第一图数传输单元11，通过第一电力调制解调器10的调制，和第二电力调制解调器20的解调，利用水上基站1与水下无人船本体2之间的直流电缆，还能够将接收的由所述有线人机交互装置4或者无线人机交互装置3发送来的控制信号，发送至所述第二图数传输单元21，所述第二图数传输单元21将所述控制信号发送至控制模块22，进而控制水下无人船的运行状态和操作动作。

在上述技术方案中，控制模块22能够控制水下无人船的航行深度、航行速度、航行方向，声呐采集等动作。并且，控制模块22还能够将水下无人船的各种采集设备，包括声呐设备、温度传感器、压力传感器等采集到的信息转化成相应的数字信号，并将这些数字信号发送到第二图数传输单元21，另外，视频采集单元23(例如，照相机、摄像相机)能够收集用户需要的图像信号，发送至第二图数传输单元21。

当只有控制模块22向第二图数传输单元21发送数字信号时，第二图数传输单元21就会将该数字信号发送给第二电力调制解调器20进行调制，使用第二电力调制器20与第一电力调制解调器10间的直流电缆进行数据传送，然后通过第一电力调制解调器10解调，将数字信号解调出来，通过以太网接口发送至水上基站1中的第一图数传输单元11。第一图数传输单元11就会将该数字信号发送到对应的有线交互装置4中，或者通过基站12传送到无线人机交互装置3。

当只有视频采集单元23将图像信号，向第二图数传输单元21发送时，第二图数传输单元21会将该图像信号发送给第二电力调制解调器20进行调制，使用第二电力调制器20与第一电力调制解调器10间的直流电缆进行数据传送，然后通过第一电力调制解调器10解调，将图像信号解调出来，通过以太网接口发送至水上基站1中的第一图数传输单元11。第一图数传输单元11通过基站12将该图形信号发送到无线智能终端31，或者有线交互装置4中的图像显示器42上直接在屏幕上显示该图形。

当控制模块22和视频采集单元23同时向第二图数传输单元21发送数字信号和图像信号时，第二图数传输单元21将数字信号和图像信号整编成单一链路信号后，第二图数传输单元21会将单一链路信号发送给第二电力调制解调器20进行调制，使用第二电力调制器20与第一电力调制解调器10间的直流电缆进行数据传送，然后通过第一电力调制解调器10解调，将单一链路信号解调出来，通过以太网接口发送至水上基站1中的第一图数传输单元11。第一图数传输单元11将该单一链路信号进行拆分，并将拆分后的数字信号和图像信号发送到对应的有线交互装置4中，或者通过基站12传送到无线人机交互装置3。通过有线人机交互装置4中的图像显示器42或者是无线智能终端31上获知无人船的航行状态以及图像采集单元23采集的图像。数字信号通过异步串行通信口/数据传输接口发送给控制器41和所述的无线智能终端31和遥控器32。

通过上述技术方案，利用第二图数传输单元21和第一图数传输单元11的配合，以及第二电力调制解调器20和第一电力调制解调器10的调制解调，不但可以将数字信号或图像信号分别进行传送和接收，还可以将数字信号和图像信号整编成单一链路信号后进行传送和接收，这样，在有线人机交互装置4或无线人机交互装置3接收到数字信号和图像信号后，用户就可以在图像显示器42或无线智能终端31上获知无人船的航行状态，以及视频采集单元23采集拍摄得到的图像，便于用户根据这些信息通过控制器41或者无线智能终端31或者遥控器32控制无人船的航行状态。

并且，第一图数传输单元11不但可以接收数字信号和/或图像信号，还可以将遥控器32或无线智能终端31或控制器41发来的控制无人船的航行状态的控制信号，通过第一电力调制解调器10和第二电力调制解调器20，转发至第二图数传输单元21，第二图数传输单元21中就会将该控制信号发送至控制模块22，然后控制模块22就可以根据该控制信号调整控制无人船的航行状态。

其中，第一图数传输单元11与第二图数传输单元21中均设有PDDL芯片，用来将数字信号和图像信号整编成单一链路信号后进行传送或接收。

本实施例中第一电力调制解调器和第二电力调制解调器均采用基电压为12V的直流电实现通信信号的载波传输。本实施例中，电池的供电电压在(3.7-4.2)*3之间，同时考虑水上基站1的工作电压，最终确定基电压为12V。

本发明的无线智能终端所述移动智能终端包括以下至少之一或其组合，智能手机、平板、台式电脑、笔记本电脑。这些移动智能终端都有强大的计算功能，可以预装很多水下无人船的管理软件，应用这些管理软件可以实现水下无人船本体的控制和管理。并且还可以进一步实现多船单任务或者多船多任务的无人船集群化，协同化管理。由于使用了本发明的电力载波和图数信号整合单一链路信号的技术，使得无人船本体和水上基站之间的联络缆只需要使用具有两根线芯的电力线缆连接，就可以实现动力，通信，控制等各种功能需求。

同时电缆的整体为零浮力设计，电缆平均密度接近或等于水的密度，包括缆芯层和包覆缆芯层的浮力层，缆芯层包括至少一根导线。浮力层优先采用TPU材质，TPU材质硬度范围广、机械强度高、耐寒性凸出，加工性能好，且耐油耐水耐霉菌，更重要的是其密度小接近于水的密度，从而利于对线缆的密度调节。

电缆总体阻抗小利于信号传输，线缆直径小使用方便且减少了水的阻力，抗拉性能好，结实耐用。这些设计都最大程度上减轻了线缆的重量，减少了水下无人船运行的阻力，使得无人船的机动性和续航能力都得到了极大的提高。

本实施例以图像和控制信号的整合为例进行说明，需要了解的是，其他数字信号与图像信号的整合方式和本实施例的处理方法相同，过程相同，不再进行赘述。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (4)

1.一种水下无人船通信系统，用于实现水下无人船本体与无人船的水上基站之间的通信连接，其特征在于：所述水上基站上设置有第一电力调制解调器，通过电缆与无人船本体上的第二电力调制解调器通信连接；

所述无人船本体上还设置有第二图数传输单元，所述第二图数传输单元与无人船本体上的控制模块和视频采集模块相连，并将所述控制模块发送的数字信号和视频采集模块发送的图像信号整编为单一链路信号，所述控制模块用于控制水下无人船本体的运行状态和发送水下无人船本体上传感器传来的数字信号，所述视频采集模块用于进行视频采集；

所述第二电力调制解调器与所述第二图数传输单元通过以太网络接口通信连接；

所述水上基站上还包括第一图数传输单元和基站，所述第一图数传输单元与第一电力调制解调器相连，将由无人船本体发送来的所述单一链路信号拆分成数字信号和图像信号；

所述第一电力调制解调器与所述第一图数传输单元通过以太网络接口通信连接；

所述水下无人船通信系统还包括无线人机交互装置和有线人机交互装置，所述第一图数传输单元，通过第一电力调制解调器的调制，和第二电力调制解调器的解调，利用水上基站与水下无人船本体之间的直流电缆，还能够将接收的由所述有线人机交互装置或者无线人机交互装置发送来的控制信号，发送至所述第二图数传输单元，所述第二图数传输单元将所述控制信号发送至控制模块，进而控制水下无人船的运行状态和操作动作；

控制模块能够控制水下无人船的航行深度、航行速度、航行方向，声呐采集等动作，控制模块还能够将水下无人船的各种采集设备，包括声呐设备、温度传感器、压力传感器等采集到的信息转化成相应的数字信号，并将这些数字信号发送到第二图数传输单元，另外，视频采集单元能够收集用户需要的图像信号，发送至第二图数传输单元；

所述电缆平均密度接近或等于水的密度，至少包括缆芯层和包覆缆芯层的浮力层，所述的缆芯层包括至少一根导线；

第一图数传输单元与第二图数传输单元中均设有PDDL芯片，用来将数字信号和图像信号整编成单一链路信号后进行传送或接收；

所述通信连接使用电力载波技术进行通信信号的传输，电力线载波在直流12V的电力线上传输。

2.根据权利要求1所述的水下无人船通信系统，其特征在于：所述无线人机交互装置经由所述无线通信模块实现与第一图数传输单元的通信连接，所述第一图数传输单元与水上基站的无线通信模块进行通信连接，无线通信模块与无人船的无线人机交互装置进行无线通信连接，所述无线人机交互装置用于对水下无人船本体进行控制或管理。

3.根据权利要求1所述的水下无人船通信系统，其特征在于：水上基站还包括有线人机交互装置，所述第一图数传输单元与水上基站的有线人机交互装置进行有线通信连接，所述有线人机交互装置包括控制器和图像显示器，所述控制器用于向水下无人船本体发送控制信号，图像显示器用于将接收到的图像信号以图像形式进行显示。

4.根据权利要求2所述的水下无人船通信系统，其特征在于：所述无线人机交互装置包括遥控器，无线智能终端。

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