CN107235132A - 一种水下机器人水面操控装置 - Google Patents

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俞阿龙
孙红兵
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    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/52—Tools specially adapted for working underwater, not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
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Abstract

一种水下机器人水面操控装置，包含：操控台，可编程逻辑处理器，工控机处理器，光端机模块和图像采集卡。本发明采用光纤作为信号传输载体，传输信息量增大，特别有利于进行水下图像传输，克服了ROV脐带缆较粗，复杂水下环境中不宜拖动，水下扰动大的缺点，提高了水下机动性，能够更好的控制水下机器人的作业，提高作业效率，同时采用实时接收水下图像信号的方式，也克服了AUV不能实时传输信息的缺点。而且本发明智能性较高，可以通过设置自动控制模式，自动控制水下机器人的航行姿态、水下位置等，也可以根据水下机器人上传的图像信息，对其进行手动控制，更有利于局部、精准的作业。

Description

一种水下机器人水面操控装置
技术领域
本发明涉及水下机器人控制技术领域，尤其涉及一种水下机器人水面操控装置。
背景技术
随着世界经济的发展和科技的进步，人民生活水平不断提高，对资源的需求也与日俱增。占地球表面积71％的海洋中蕴含着丰富的生物资源、矿产资源、化学资源、水资源等，开发利用海洋、发展海洋事业已受到世界各国的极大重视。作为研究探索海洋的重要工具，水下机器人已在科学考察、沉船打捞、深海探测等领域有广泛的应用。与陆地环境相比，水下环境更为复杂多变，能见度低，水流变化不定，因此增加了水下机器人控制的难度。同时，由于水下机器人自身的强耦合、非线性、欠驱动以及模型不确定性等特征，使得水下机器人的有效控制成为一个十分具有挑战性的技术难点。
水下机器人按控制方式划分一般可以分为：缆控水下机器人ROV(RemotelyOperated Vehicle)和自治水下机器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。ROV的特色是能量和控制信号通过缆线传输至水下机器人，凭借成本低、控制简便性和信息交互实时性好的特点，从而在决策和作业水平上，ROV仍是现在使用最为广且最为重要的水下探测设备，但是脐带缆较粗，复杂水下环境中不宜拖动、水下扰动较大，作业困难。AUV的特点是无人无缆，自主完成任务，但其水声通信设备昂贵、传输时延较长，无法实现AUV和水面控制端的实时数据交换，在复杂水下环境中无法从水面控制端根据实际水下情况对AUV进行实时监控，影响了AUV的水下安全性与作业能力，目前AUV的智能仍不能在水下作业中实现完全自治。
发明内容
本发明提供一种水下机器人水面操控装置，采用光纤作为信号传输载体，实时接收水下图像信号，传输信息量增大，特别有利于进行水下图像传输，提高了水下机动性。
为了达到上述目的，本发明提供一种水下机器人水面操控装置，包含：
操控台，用于输入操控数据；
可编程逻辑处理器，其电性连接操控台和工控机处理器，用于采集并处理操控台的操控数据，并将操控数据发送给工控机处理器；
工控机处理器，其电性连接可编程逻辑处理器，并通过光纤连接光端机，用于接收可编程逻辑处理器采集的操纵数据，并按照通信协议，控制光端机通过光纤下传至水下机器人；
光端机模块，其包含光纤连接的上位光端机和下位光端机，上位光端机电性连接工控机处理器，下位光端机电性连接水下机器人，用于实现工控机处理器和水下机器人之间的实时通信，将工控机处理器的控制信号下传给水下机器人，并将水下机器人获取的水下图像数据上传给工控机处理器；
图像采集卡，其电性连接下位光端机，用于采集水下机器人获取的水下图像数据。
所述的操控台包含逻辑控制开关和操纵杆，该逻辑控制开关和操纵杆分别电性连接可编程逻辑处理器，所述的逻辑控制开关用于设置水下机器人的工作参数，实现自动控制水下机器人在水下的航行，所述的操纵杆用于手动控制水下机器人在水下的航行。
所述的水下机器人水面操控装置还包含：电源模块，其电性连接工控机处理器，用于为工控机处理器、可编程逻辑处理器和光端机模块提供工作电源，同时实时监测整个水面操控装置和水下机器人的电压。
所述的水下机器人水面操控装置还包含：显示模块，其电性连接工控机处理器，用于实时显示操控数据和水下图像数据。
所述的可编程逻辑处理器的型号采用750-841可编程逻辑处理器。
所述的工控机处理器的型号采用GENE-9455。
所述的光端机采用YKS1V1RD1T1E系列以太网数字复用光端机。
所述的图像采集卡采用DH-VT123图像采集卡。
本发明采用光纤作为信号传输载体，传输信息量增大，特别有利于进行水下图像传输，克服了ROV脐带缆较粗，复杂水下环境中不宜拖动，水下扰动大的缺点，提高了水下机动性，能够更好的控制水下机器人的作业，提高作业效率，同时采用实时接收水下图像信号的方式，也克服了AUV不能实时传输信息的缺点。而且本发明智能性较高，可以通过设置自动控制模式，自动控制水下机器人的航行姿态、水下位置等，也可以根据水下机器人上传的图像信息，对其进行手动控制，更有利于局部、精准的作业。
附图说明
图1是本发明提供的一种水下机器人水面操控装置的结构框图。
具体实施方式
以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种水下机器人水面操控装置，包含：
操控台3，用于输入操控数据；
可编程逻辑处理器2，其电性连接操控台3和工控机处理器1，用于采集并处理操控台3的操控数据，并将操控数据发送给工控机处理器1；
工控机处理器1，其电性连接可编程逻辑处理器2，并通过光纤连接光端机4，用于接收可编程逻辑处理器2采集的操纵数据，并按照通信协议，控制光端机4通过光纤下传至水下机器人；
光端机模块，其包含光纤连接的上位光端机401和下位光端机402，上位光端机401电性连接工控机处理器1，下位光端机402电性连接水下机器人，用于实现工控机处理器1和水下机器人之间的实时通信，将工控机处理器1的控制信号下传给水下机器人，并将水下机器人获取的水下图像数据上传给工控机处理器1；
图像采集卡5，其电性连接下位光端机402，用于采集水下机器人获取的水下图像数据；
电源模块6，其电性连接工控机处理器1，用于为工控机处理器1、可编程逻辑处理器2和光端机模块提供工作电源，同时实时监测整个水面操控装置和水下机器人的电压；
显示模块7，其电性连接工控机处理器1，用于实时显示操控数据和水下图像数据。
所述的操控台3包含逻辑控制开关和操纵杆，该逻辑控制开关和操纵杆分别电性连接可编程逻辑处理器2，所述的逻辑控制开关用于设置水下机器人的工作参数，实现自动控制水下机器人在水下的航行，所述的操纵杆用于手动控制水下机器人在水下的航行。
本实施例中，所述的可编程逻辑处理器2的型号采用750-841PLC。WAGO750系列可编程逻辑控制器是模块化的现场总线I/O系统，它由现场总线适配器/控制器、用于连接各种类型信号的现场总线模块、以及终端模块三部分一起共同构成一个完整的现场总线节点。由于操控台发送的操控数据主要为模拟信号和数字信号，因此在现场总线模块中采用了8通道的750-430数字信号总线模块与4通道的750-457模拟信号总线模块，整个现场总线节点通过LED来指示控制器与节点的工作状态。在通讯协议方面，750-841系列可编程逻辑器件除了支持Modbus/UDP、Ethernet/IP～b外，还支持FTP(文件传输协议：File TransferProtocol)、SNMP(简单网络管理协议：Simple Network Management Protocol)、SNTP(简单网络时间协议：Simple Network Time Protocol)等协议，这使得它在控制中的应用非常灵活。本实施例中，可编程逻辑处理器的通讯协议采用Modbus/UDP，同时采用WAGO标准Modbus/UDP的动态链接库的设计进行了可编程逻辑控制器的采集，能够使水面工控机处理器通过VB6.0的设计与WAGO 750系列以太网模块进行数据交换，从而达到工控机对控制对象进行信息采集和控制输出的目的。
本实施例中，所述的工控机处理器1的型号采用GENE-9455。GENE-9455是一款高性能主处理器，在工业领域应用广泛，相较于嵌入式系统，性能更加稳定，抗干扰能力更强。其板载Intel Atom N270处理器1.6GHz，FSB 533MHz，系统内存达到200pin DDR2 SODIMMx1，最大支持2GB(DDR2 400/533)，以太网为Intel 82574L，10/100/1000Base-TX，RJ-45x2。在系统应用方面，此处理器支持电源电压和温度监测、网络唤醒、可编程超时中断或系统复位，并且总共提供了4个可供选择切换的RS-232与RS-485串口，其供电方式为+12VAT/ATX，功耗仅为1.55A@+12V。由于本发明会对水下摄像头进行图像采集并且实时显示，因此对处理器的LCD显示及分辨率也有较高要求，GENE-9455的显存最高可达224MB/DVMT 3.0，分辨率最大支持1920×1440，LCD最大支持1920×1200，并且其LCD接口为双LVDS LCDs，即18位双通道LVDS LCD与24位双通道LVDS LCD，这些性能对水下图像的显示起到了很大的支持。
本实施例中，所述的光端机采用YKS1V1RD1T1E系列以太网数字复用光端机，其搭配全球领先的光纤传输技术，可以实现以太网信号及串口信号在单芯光纤上无失真、高质量地传输。YKS1V1RD1T1E系列以太网光端机配置全数字无压缩传输技术，以达到优品质的传输效果，采用即插即用的设计方法使得装配简便，便于携带，而且在应用中无需每次都进行现场调节，所有的光、电接口均统一于国际标准，可以使水下机器人在各种不同的复杂环境下工作。并且该光端机采用结构模块化设计，可基于现场不同情况灵活选择独立式或机架式的安装方式。在本发明中，该光端机的主要特性是支持高分辩率的视频信号传输，可进行千兆大容量的光纤传输。在数据特性方面，其串口接口具备一路反向数据接口，接口信号支持RS-232、RS-422(全双工)、RS-485(2/4线制)的通信协议，传输码速率达到了256Kbps，并且误码率低到只有10-9；以太网接口为ANSIX3T12TP-PMD标准，支持TCP/IP与UDP协议，这些性能使得整个系统在应用中高度稳定。
本实施例中，所述的图像采集卡5采用DH-VT123图像采集卡。由于水下机器人在水下实验的环境多数较为恶劣，在选择图像采集卡时，必须考虑到采集卡的稳定性、功耗、集成度以及传输速率等性能。DH-VT123图像采集卡在使用单卡的情况下，其8位黑白方式的传输速率为15Mbyte/s，而在32位彩色方式的传输速率达到了60Mbyte/s。在水下机器人水面操控装置的设计中，水下图像的采集处理为一重点内容，对于水下机器人而言没有这一性能等于是人没有了“眼睛”，虽然图像采集模块在整个装置中的作用是采集图像数据，但是水面操控装置需要实现对水下图像进行高速、实时的显示。此处DH-VT123图像采集卡与GENE-9455处理器配合使用，可以直接通过MINI PCI槽进行数据读取，并在终端处理显存数据后，即可于操控台进行显示。
在利用本发明提供的水下机器人水面操控装置进行操控时，操作人员可根据水下环境选择不同的工作模式。当水下环境比较简单，水流较小时，可选择自动控制模式，通过操控台设置水下机器人速度、位姿、深度等参数，向工控机处理器发送操作指令，然后通过光纤下达指令，自动控制水下机器人进行作业。当水下环境比较复杂时，操作人员可选择手动控制水下机器人，根据水下机器人上传的水下环境图像，通过操纵杆向工控机处理器发送指令，远程控制水下机器人进行精细作业。
本发明采用光纤作为信号传输载体，传输信息量增大，特别有利于进行水下图像传输，克服了ROV脐带缆较粗，复杂水下环境中不宜拖动，水下扰动大的缺点，提高了水下机动性，能够更好的控制水下机器人的作业，提高作业效率，同时采用实时接收水下图像信号的方式，也克服了AUV不能实时传输信息的缺点。而且本发明智能性较高，可以通过设置自动控制模式，自动控制水下机器人的航行姿态、水下位置等，也可以根据水下机器人上传的图像信息，对其进行手动控制，更有利于局部、精准的作业。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种水下机器人水面操控装置，其特征在于，包含：
操控台（3），用于输入操控数据；
可编程逻辑处理器（2），其电性连接操控台（3）和工控机处理器（1），用于采集并处理操控台（3）的操控数据，并将操控数据发送给工控机处理器（1）；
工控机处理器（1），其电性连接可编程逻辑处理器（2），并通过光纤连接光端机（4），用于接收可编程逻辑处理器（2）采集的操纵数据，并按照通信协议，控制光端机（4）通过光纤下传至水下机器人；
光端机模块，其包含光纤连接的上位光端机（401）和下位光端机（402），上位光端机（401）电性连接工控机处理器（1），下位光端机（402）电性连接水下机器人，用于实现工控机处理器（1）和水下机器人之间的实时通信，将工控机处理器（1）的控制信号下传给水下机器人，并将水下机器人获取的水下图像数据上传给工控机处理器（1）；
图像采集卡（5），其电性连接下位光端机（402），用于采集水下机器人获取的水下图像数据。
2.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的操控台（3）包含逻辑控制开关和操纵杆，该逻辑控制开关和操纵杆分别电性连接可编程逻辑处理器（2），所述的逻辑控制开关用于设置水下机器人的工作参数，实现自动控制水下机器人在水下的航行，所述的操纵杆用于手动控制水下机器人在水下的航行。
3.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的水下机器人水面操控装置还包含：电源模块（6），其电性连接工控机处理器（1），用于为工控机处理器（1）、可编程逻辑处理器（2）和光端机模块提供工作电源，同时实时监测整个水面操控装置和水下机器人的电压。
4.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的水下机器人水面操控装置还包含：显示模块（7），其电性连接工控机处理器（1），用于实时显示操控数据和水下图像数据。
5.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的可编程逻辑处理器（2）的型号采用750-841可编程逻辑处理器。
6.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的工控机处理器（1）的型号采用GENE-9455。
7.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的光端机采用YKS1V1RD1T1E系列以太网数字复用光端机。
8.如权利要求1所述的水下机器人水面操控装置，其特征在于，所述的图像采集卡（5）采用DH-VT123图像采集卡。
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