CN106970541B - 一种海底步行机器人长期探测系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底步行机器人长期探测系统及其工作方法。本发明包括陆上固定基站、光电复合缆、海底固定基站和海底移动探测集群。陆上固定基站置于陆地上，由电源、工业控制计算机组成。海底固定基站置于海底并固定，由电压转换及信号传输模块、海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头组成。海底移动探测集群由n个水下步行机器人探测系统组成。水下步行机器人探测系统由水下步行机器人、惯性导航系统、湿插拔接头公头、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪组成。本发明结构简单、易实现，运行可靠，具有强的可扩展性。
Description
技术领域
本发明属于海洋技术领域，具体涉及一种海底步行机器人长期探测系统及其工作方法。
背景技术
地球表面大约被71％的海洋水体所覆盖，海水与陆地的接触面称为海底，海底蕴藏着丰富的生物资源、油气资源和可再生资源。到目前为止，人类已探索的海底只有整个海洋面积的5％，还有95％海洋的海底是未知的，对于海底环境的探测意义重大。
当前在海洋探测中，无人自治机器人(AUV)和远程遥控机器人(ROV)发挥了巨大作用，然而在大范围长期海洋探测方面，它们的应用受限。AUV自身携带能量，其只能在电能耗尽前开展特定时间段的海洋探测任务；另外受限于现有水中通讯技术，AUV在海洋探测过程中并不能进行实时的大数据传输；ROV通过电缆供给能量并完成大数据传输，然而由于电缆的限制，其只能完成一定区域的海洋探测任务；海底环境复杂，现有的AUV和ROV对海底环境的适应性有限。目前，还没有可以对海底环境进行大范围长期连续探测的设备，因此特别需要研发一种海底长期探测系统，以完成对海底环境的大范围长期连续探测，从而为人类研究海底生物和开发海底资源奠定基础。
发明内容
本发明的目的在于提供一种克服以上问题的海底步行机器人长期探测系统及其工作方法，本发明可以实现对海底环境的大范围长期连续探测。
本发明由陆上固定基站、光电复合缆、海底固定基站和海底移动探测集群组成。
陆上固定基站置于陆地上，由电源、工业控制计算机组成，电源与工业控制计算机连接为其提供电能。陆上固定基站和海底固定基站之间通过光电复合缆连接。电源通过光电复合缆将电能传输给海底固定基站；根据探测任务和系统运行情况，工业控制计算机生成的控制信号通过光电复合缆传递给海底固定基站，同时工业控制计算机通过光电复合缆接收海底固定基站的反馈信息。
海底固定基站置于海底并固定，由电压转换及信号传输模块、海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头组成。电压转换及信号传输模块与光电复合缆连接，电压转换及信号传输模块通过光电复合缆接收从陆上固定基站传递的电能和控制信号，同时通过光电复合缆传递反馈信息给陆上固定基站。海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头分别与电压转换及信号传输模块连接。电压转换及信号传输模块分别为海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头提供合适的电能；电压转换及信号传输模块将通过光电复合缆接收到的陆上固定基站信号传输给海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头，并将海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头反馈的信号通过光电复合缆传递给陆上固定基站。
海底移动探测集群由n(n大于等于1)个水下步行机器人探测系统组成。水下步行机器人探测系统由水下步行机器人、惯性导航系统、湿插拔接头公头、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)组成。惯性导航系统、湿插拔接头公头、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)分别安装于水下步行机器人上。水下步行机器人为惯性导航系统、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)提供电能并与它们之间传递信号。无线通讯模块通过无线通讯方式与海底固定基站中的海底固定无线通讯模块进行通讯，一方面接收海底固定无线通讯模块发送的信号，另一方将水下步行机器人探测系统中采集的惯性导航系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)信号传递给海底固定无线通讯模块。各个水下步行机器人探测系统之间也可通过无线通讯模块互相通信。
海底步行机器人长期探测系统的工作方法如下：
海底步行机器人长期探测系统的工作方法分为两种，一种为探测模式，另一种为探测、充电混合模式。当海底移动探测集群电能充足时，海底步行机器人长期探测系统工作在探测模式，其中所有的水下步行机器人探测系统工作在探测模式；当海底移动探测集群中有水下步行机器人探测系统电能不足时，海底步行机器人长期探测系统工作在探测、充电混合模式，其中电能充足的水下步行机器人探测系统工作在探测模式，电能不足的水下步行机器人探测系统工作在充电模式。
探测模式工作过程为：陆上固定基站中的工业控制计算机根据探测任务规划海底移动探测集群中各个水下步行机器人探测系统的水下步行机器人的行走路径，并生成控制指令；工业控制计算机通过光电复合缆将控制信号传递给海底固定基站中的电压转换及信号传输模块；电压转换及信号传输模块将接受的信号传输给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块通过无线信号将控制指令传递给相应的水下步行机器人探测系统中的无线通讯模块，进而将信号传输给水下步行机器人；基于收到的控制指令，水下步行机器人在海底以一定路径行走，惯性导航系统、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)的探测数据不断传输给水下步行机器人进行储存；水下步行机器人通过无线通讯模块不断将惯性导航系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)的数据传递给海底固定无线通讯模块；海底固定无线通讯模块将数据传输给电压转换及信号传输模块，进一步通过光电复合缆将探测数据传输给陆上固定基站中的工业控制计算机；工业控制计算机接收探测数据并保存分析。
探测、充电混合模式工作过程为：电能充足的水下步行机器人探测系统继续工作在探测模式，电能不足的水下步行机器人探测系统进入充电模式；电能不足的水下步行机器人探测系统通过无线通讯模块将充电请求信号发送给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块将信号传输给电压转换及信号传输模块，进一步通过光电复合缆将信号传输给陆上固定基站中的工业控制计算机；陆上固定基站中的工业控制计算机为水下步行机器人规划回程路径，并生成控制指令，工业控制计算机通过光电复合缆将控制信号传递给海底固定基站中的电压转换及信号传输模块；电压转换及信号传输模块将接收的信号传输给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块通过无线信号将控制指令传递给相应的水下步行机器人探测系统中的无线通讯模块，进而将信号传输给水下步行机器人；水下步行机器人根据接收到的信号行进，当水下步行机器人行进返回到海底固定基站旁边指定位置时，水下步行机器人停止行走，并控制湿插拔接头公头与海底固定湿插拔接头母头进行对接，对接完成后，陆上固定基站中的电源将电能通过光电复合缆、电压转换及信号传输模块、海底固定湿插拔接头母头和湿插拔接头公头不断传输给水下步行机器人，从而对水下步行机器人进行充电；充电过程中的水下步行机器人将储存的探测数据通过湿插拔接头公头、海底固定湿插拔接头母头、电压转换及信号传输模块和光电复合缆传输给陆上固定基站中的工业控制计算机，工业控制计算机将接收到的数据进行储存分析；当水下步行机器人充电完成后，水下步行机器人控制湿插拔接头公头与海底固定湿插拔接头母头分离，从而继续进入探测模式。
本发明可以达到的有益效果：
(1)将陆上电能传输到海底，通过海底固定基站为海底移动探测集群提供电能保证，解决了海底探测系统电能供给问题；通过光电复合缆将海底探测系统大数据传输到陆上进行分析，解决了水中大数据传输问题；实现了对海底环境的长期连续探测，系统结构简单、易实现、运行可靠；
(2)水下步行机器人对海底复杂环境具有很强的适应性，采用水下步行机器人进行海底环境探测，实现了对海底环境的移动式可靠在线探测；
(3)多个水下步行机器人探测系统组成海底移动探测集群对海底参数进行探测，不仅有效扩大了对海底环境的探测范围，同时当出现某个水下步行机器人探测系统出现故障时，其它水下步行机器人探测系统可以及时进行补充，从而提高了整个探测系统的容错性和可靠性；
(4)水下步行机器人除了可以携带本发明中的惯性导航系统、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)和温盐深仪(CTD)，还可以根据实际海底环境探测需要添加其它的传感器，本探测系统具有很强的可扩展性。
附图说明
图1本发明的一种海底步行机器人长期探测系统示意图；
图2本发明的一种海底步行机器人长期探测系统在探测、充电混合模式时的工作示意图；
图中：1.陆上固定基站，2.光电复合缆，3.海底固定基站，4.海底移动探测集群，41.水下步行机器人探测系统，4n.水下步行机器人探测系统，101.电源，102.工业控制计算机，301.电压转换及信号传输模块，302.海底固定摄像系统，303.海底固定无线通讯模块，304.海底固定湿插拔接头母头，4101.水下步行机器人，4102.惯性导航系统，4103.湿插拔接头公头，4104.无线通讯模块，4105.摄像系统，4106.声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，4107.温盐深仪(CTD)，4n01.水下步行机器人，4n02.惯性导航系统，4n03.湿插拔接头公头，4n04.无线通讯模块，4n05.摄像系统，4n06.声学多普勒流速剖面仪(ADCP)，4n07.温盐深仪(CTD)
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种海底步行机器人长期探测系统,由陆上固定基站1、光电复合缆2、海底固定基站3和海底移动探测集群4组成。
陆上固定基站1置于陆地上，由电源101、工业控制计算机102组成，电源101与工业控制计算机102连接为其提供电能。陆上固定基站1和海底固定基站3之间通过光电复合缆2连接。电源101通过光电复合缆2将电能传输给海底固定基站3；根据探测任务和系统运行情况，工业控制计算机102生成的控制信号通过光电复合缆2传递给海底固定基站3，同时工业控制计算机102通过光电复合缆2接收海底固定基站3的反馈信息。
海底固定基站3置于海底并固定，由电压转换及信号传输模块301、海底固定摄像系统302、海底固定无线通讯模块303和海底固定湿插拔接头母头304组成。电压转换及信号传输模块301与光电复合缆2连接，电压转换及信号传输模块301通过光电复合缆2接收从陆上固定基站1传递的电能和控制信号，同时通过光电复合缆2传递反馈信息给陆上固定基站1。海底固定摄像系统302、海底固定无线通讯模块303和海底固定湿插拔接头母头304分别与电压转换及信号传输模块301连接。电压转换及信号传输模块301分别为海底固定摄像系统302、海底固定无线通讯模块303和海底固定湿插拔接头母头304提供合适的电能；电压转换及信号传输模块301将通过光电复合缆2接收到的陆上固定基站信号1传输给海底固定摄像系统302、海底固定无线通讯模块303和海底固定湿插拔接头母头304，并将海底固定摄像系统302、海底固定无线通讯模块303和海底固定湿插拔接头母头304反馈的信号通过光电复合缆2传递给陆上固定基站1。
海底移动探测集群4由n(n大于等于1)个水下步行机器人探测系统组成，以水下步行机器人探测系统41为例进行说明。水下步行机器人探测系统41由水下步行机器人4101、惯性导航系统4102、湿插拔接头公头4103、无线通讯模块4104、摄像系统4105、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107组成。惯性导航系统4102、湿插拔接头公头4103、无线通讯模块4104、摄像系统4105、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107分别安装于水下步行机器人4101上。水下步行机器人4101为惯性导航系统4102、无线通讯模块4104、摄像系统4105、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107提供电能并与它们之间传递信号。无线通讯模块4104通过无线通讯方式与海底固定基站3中的海底固定无线通讯模块303进行通讯，一方面接收海底固定无线通讯模块303发送的信号，另一方将水下步行机器人探测系统41中惯性导航系统4102、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107采集的信号传递给海底固定无线通讯模块303。各个水下步行机器人探测系统之间也可通过无线通讯模块互相通信。
海底步行机器人长期探测系统的工作方法如下：
海底步行机器人长期探测系统的工作方法分为两种，第一工作方法为探测模式，第二工作方法为探测、充电混合模式。
当海底移动探测集群电能充足时，海底步行机器人长期探测系统工作在探测模式，其中所有的水下步行机器人探测系统以第一工作方法(探测模式)运行。如图1所示，以水下步行机器人探测系统41为例，对第一工作方法(探测模式)进行说明如下：陆上固定基站1中的工业控制计算机102根据探测任务规划海底移动探测集群中水下步行机器人探测系统41的水下步行机器人4101的行走路径并生成控制指令；工业控制计算机102通过光电复合缆2将控制信号传递给海底固定基站3中的电压转换及信号传输模块301；电压转换及信号传输模块301将接受的信号传输给海底固定无线通讯模块303，海底固定无线通讯模块303通过无线信号将控制指令传递给水下步行机器人探测系统41中的无线通讯模块4104，进而将信号传输给水下步行机器4101人；基于收到的控制指令，水下步行机器人4101在海底以一定路径行走，惯性导航系统4102、摄像系统4105、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107的探测数据不断传输给水下步行机器人4101进行储存；水下步行机器人4101通过无线通讯模块4104不断将惯性导航系统4102、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)4106和温盐深仪(CTD)4107的数据传递给海底固定无线通讯模块303；海底固定无线通讯模块303将数据传输给电压转换及信号传输模块301，进一步通过光电复合缆2将探测数据传输给陆上固定基站1中的工业控制计算机102；工业控制计算机102接收探测数据并保存分析。
当海底移动探测集群中存在一个或多个水下步行机器人探测系统电能不足时，海底步行机器人长期探测系统以第二工作方法(探测、充电混合模式)运行，其中电能充足的水下步行机器人探测系统工作在探测模式，电能不足的水下步行机器人探测系统工作在充电模式。如图2所示，以水下步行机器人探测系统41和4n为例，对第二工作方法(探测、充电混合模式)进行说明。水下步行机器人探测系统41工作在探测模式，工作过程与第一工作方法中所述相同；水下步行机器人探测系统4n工作在充电模式，具体工作过程如下：水下步行机器人探测系统4n通过无线通讯模块4n04将充电请求信号发送给海底固定无线通讯模块303，海底固定无线通讯模块303将信号传输给电压转换及信号传输模块301，进一步通过光电复合缆2将信号传输给陆上固定基站1中的工业控制计算机102；陆上固定基站1中的工业控制计算机102为水下步行机器人4n01规划回程路径并生成控制指令，工业控制计算机102通过光电复合缆2将控制信号传递给海底固定基站3中的电压转换及信号传输模块301；电压转换及信号传输模块301将接收的信号传输给海底固定无线通讯模块303，海底固定无线通讯模块303通过无线信号将控制指令传递给水下步行机器人探测系统4n中的无线通讯模块4n04，进而将信号传输给水下步行机器人4n01；水下步行机器人4n01根据接收到的信号行进，当水下步行机器人4n01行进返回到海底固定基站3旁边指定位置时，水下步行机器人4n01停止行走，并控制湿插拔接头公头4n03与海底固定湿插拔接头母头304进行对接，对接完成后，陆上固定基站1中的电源101将电能通过光电复合缆2、电压转换及信号传输模块301、海底固定湿插拔接头母头304和湿插拔接头公头4n03不断传输给水下步行机器人4n01，从而对水下步行机器人4n01进行充电；充电过程中的水下步行机器人4n01将储存的探测数据通过湿插拔接头公头4n03、海底固定湿插拔接头母头304、电压转换及信号传输模块301和光电复合缆2传输给陆上固定基站1中的工业控制计算机102，工业控制计算机102将接收到的数据进行储存分析；当水下步行机器人4n01充电完成后，水下步行机器人4n01控制湿插拔接头公头4n03与海底固定湿插拔接头母头304分离，从而进入探测模式。
Claims (1)
1.一种海底步行机器人长期探测系统的工作方法，该工作方法分为两种模式：探测模式和探测、充电混合模式；其特征在于：
当海底移动探测集群电能充足时，海底步行机器人长期探测系统工作在探测模式，其中所有的水下步行机器人探测系统工作在探测模式；当海底移动探测集群中有一个或多个水下步行机器人探测系统电能不足时，海底步行机器人长期探测系统工作在探测、充电混合模式，其中电能充足的水下步行机器人探测系统工作在探测模式，电能不足的水下步行机器人探测系统工作在充电模式；
探测模式工作过程为：
陆上固定基站中的工业控制计算机根据探测任务规划海底移动探测集群中各个水下步行机器人探测系统的水下步行机器人的行走路径，并生成控制指令；工业控制计算机通过光电复合缆将控制信号传递给海底固定基站中的电压转换及信号传输模块；电压转换及信号传输模块将接受的信号传输给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块通过无线信号将控制指令传递给相应的水下步行机器人探测系统中的无线通讯模块，进而将信号传输给水下步行机器人；基于收到的控制指令，水下步行机器人在海底以一定路径行走，惯性导航系统、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪的探测数据不断传输给水下步行机器人进行储存；水下步行机器人通过无线通讯模块不断将惯性导航系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪的数据传递给海底固定无线通讯模块；海底固定无线通讯模块将数据传输给电压转换及信号传输模块，进一步通过光电复合缆将探测数据传输给陆上固定基站中的工业控制计算机；工业控制计算机接收探测数据并保存分析；
探测、充电混合模式工作过程为：
电能充足的水下步行机器人探测系统继续工作在探测模式，电能不足的水下步行机器人探测系统进入充电模式；电能不足的水下步行机器人探测系统通过无线通讯模块将充电请求信号发送给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块将信号传输给电压转换及信号传输模块，进一步通过光电复合缆将信号传输给陆上固定基站中的工业控制计算机；陆上固定基站中的工业控制计算机为水下步行机器人规划回程路径，并生成控制指令，工业控制计算机通过光电复合缆将控制信号传递给海底固定基站中的电压转换及信号传输模块；电压转换及信号传输模块将接收的信号传输给海底固定无线通讯模块，海底固定无线通讯模块通过无线信号将控制指令传递给相应的水下步行机器人探测系统中的无线通讯模块，进而将信号传输给水下步行机器人；水下步行机器人根据接收到的信号行进，当水下步行机器人行进返回到海底固定基站旁边指定位置时，水下步行机器人停止行走，并控制湿插拔接头公头与海底固定湿插拔接头母头进行对接，对接完成后，陆上固定基站中的电源将电能通过光电复合缆、电压转换及信号传输模块、海底固定湿插拔接头母头和湿插拔接头公头不断传输给水下步行机器人，从而对水下步行机器人进行充电；充电过程中的水下步行机器人将储存的探测数据通过湿插拔接头公头、海底固定湿插拔接头母头、电压转换及信号传输模块和光电复合缆传输给陆上固定基站中的工业控制计算机，工业控制计算机将接收到的数据进行储存分析；当水下步行机器人充电完成后，水下步行机器人控制湿插拔接头公头与海底固定湿插拔接头母头分离，从而继续进入探测模式；
该工作方法使用的探测系统，包括陆上固定基站、光电复合缆、海底固定基站和海底移动探测集群；其特征在于：
陆上固定基站置于陆地上，由电源、工业控制计算机组成，电源与工业控制计算机连接为其提供电能；陆上固定基站和海底固定基站之间通过光电复合缆连接；
海底固定基站置于海底并固定，由电压转换及信号传输模块、海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头组成；电压转换及信号传输模块与光电复合缆连接；海底固定摄像系统、海底固定无线通讯模块和海底固定湿插拔接头母头分别与电压转换及信号传输模块连接；
海底移动探测集群由n个水下步行机器人探测系统组成，其中n大于等于1；水下步行机器人探测系统由水下步行机器人、惯性导航系统、湿插拔接头公头、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪组成；惯性导航系统、湿插拔接头公头、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪分别安装于水下步行机器人上；水下步行机器人为惯性导航系统、无线通讯模块、摄像系统、声学多普勒流速剖面仪和温盐深仪提供电能并与它们之间传递信号；无线通讯模块通过无线通讯方式与海底固定基站中的海底固定无线通讯模块进行通讯；各个水下步行机器人探测系统之间也可通过无线通讯模块互相通信。
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