CN107769861A - 一种水下机器人的跨介质通信方法 - Google Patents

Abstract

一种水下机器人的跨介质通信方法，其内容包括：通过水压传感器检测水下机器人所处的液位层次，从而根据不同的液位层次选择不同的数据传输方式；当判定水下机器人在水面时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块，此时浮标模块处于休眠状态，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机；当判定水下机器人在水下时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块，然后浮标模块再把控制命令通过第一水声通信收发模块转发至水下机器人的第二水声通信收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息，通过浮标模块转发的形式反馈给上位机。

Description

一种水下机器人的跨介质通信方法

技术领域

本发明涉及水下机器人智能通信领域，尤其是一种水下机器人的跨介质通信方法。

背景技术

水下机器人在海难搜救、水下防入侵技术、物种跟踪探测等领域具有广泛的应用价值。在水面环境中，通信介质是空气，水下机器人主要通过无线电进行通信。在水下环境中，通信介质是水，唯一可在水下进行远程信息传输的通信形式是声通信(因为水对无线电波有较强的吸收作用，所以无线电波在水下传播一般不超过百米)。如果水下机器人不能根据环境的变化进行跨介质通信，将有可能导致状态等信息不能实时回传，进而导致水下机器人执行任务的失败。

在现有的技术中检索发现，中国专利申请号为201410412158.X，名称为：一种基于手机蓝牙技术的水下机器人控制系统。在该发明中水下机器人与水面浮标通过缆绳相连，通过有缆通信的方式进行水下通信。但是，受缆绳制约，水下机器人灵活性不足、通信范围有限，尤其是在水下动态演化环境中易酿成缆绳缠绕事故。

再有，中国专利申请号201510154636.6，名称为：一种用于水下机器人群协同控制的通信装置与方法。该发明提供了一种用于水下机器人长距离通信的装置，同时水下机器人之间通过水声通信进行信息交互。但是，陆地与水下通信介质具有明显的差异性，上述差异使得水下机器人只能通过定期上浮的形式进行航线校正，航线纠偏能力弱，进而降低了航行精度。

因此，如何在水下动态演化环境中，融合无线电通信与水声通信的特点，设计一种水下机器人的跨介质通信方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中的不足，提供一种水下机器人的跨介质通信方法。该方法融合了无线电通信与水声通信的特点。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种水下机器人的跨介质通信方法，该方法涉及的设备装置包括上位机模块、浮标模块、水下机器人模块；所述上位机模块包括上位机、第一无线收发模块和第一供电模块，第一供电模块用于给所述上位机模块供电；所述浮标模块包括第一微控制器、第二无线收发模块、第一水声通信收发模块和第二供电模块，第二供电模块用于给所述浮标模块供电；所述水下机器人模块包括第二微控制器、第三无线收发模块、第二水声通信收发模块、陀螺仪模块、推进器动力组成、水压传感器和第三供电模块；所述推进器动力组成包含防水电调和无刷电机；所述第三供电模块用于使所述水下机器人模块正常工作；所述方法内容包括以下步骤：

步骤1：通过水压传感器检测水下机器人所处的液位层次；从而根据不同的液位层次选择不同的数据传输方式；

步骤2：当判定水下机器人在水面时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机，此时浮标模块处于休眠状态；

步骤3：当判定水下机器人在水下时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块，然后浮标模块再把控制命令通过第一水声通信收发模块转发至水下机器人的第二水声通信收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息，通过浮标模块转发的形式反馈给上位机；

步骤4：如果水下机器人位置改变，重新执行步骤1进行液位感知检测水下机器人所处的液位层次；反之，继续进行当前介质下的通信传输。

进一步，在步骤1中，所述检测水下机器人所处的液位层次，是基于水压压力与该处水的深度成比例的原理完成；水压传感器所受的压力可表示为：P＝B+ρgH，式中，P为水压传感器所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，B为液面上大气压力，H为水压传感器所处液体的深度；进而，当P＝B时，此时可以判定水下机器人处于水面，当P＞B时，此时可以判定水下机器人处于水下。

进一步，在步骤2中，所述上位机通过第一无线收发模块把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块，同时水下机器人通过第三无线收发模块将自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机，其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块配置为发射模式，第一无线收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答信号，则此次通信成功，同时清除第一无线收发模块存储的控制命令，若未收到应答，则第一无线收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，如需继续发射，则进入下一次发射模式，否则进入空闲模式；

接收数据时，将第三无线收发模块配置为接收模式，配置本机地址和接收的数据包大小，等待数据包到来；当第三无线收发模块检测到有效的地址和校验码时，第三无线收发模块自动把字头、地址和校验码移去后将数据包存储，同时将中断标志位，置为高电平，通知第二微控制器读取数据；同时第三无线收发模块进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给上位机的第一无线收发模块；若无接收数据，则进入空闲模式。

进一步，在步骤3中，所述上位机通过第一无线收发模块把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块，然后浮标模块再把控制命令通过第一水声通信收发模块转发至水下机器人的第二水声通信收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息，通过浮标模块转发的形式反馈给上位机；其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块配置为发射模式，第一无线收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待第二无线收发模块的应答信号；若收到应答信号，则第一无线收发模块的通信成功；若未收到应答，则第一无线收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；第二无线收发模块接收到的控制命令，通过第一微控制器打包成数据帧形成基带数字信号，利用基带数字信号控制载波相位的变化来对信号进行调制，调制信号s(t)可表示为：

其中，g(t)为幅度为1的信号包络波形；T_S为码元时间宽度；ω_c为载波角频率；为第n个码元对应的相位；a_n＝cosφ_n和b_n＝sinφ_n为每个码元的两个比特；和为双极性二电平脉冲信号；

具体调制过程为：

输入的串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的的序列，再由脉冲产生双极性二电平脉冲信号I(t)和Q(t)，然后对cosω_ct和sinω_ct进行调制，相加得到正交相移键控信号；最后由编码器将调制信号s(t)数字化处理，进而第一水声通信收发模块进入发射模式，并将电信号转换为声信号发射出去；第一水声通信收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待第二水声通信收发模块的应答信号；若收到应答信号，则第一水声通信收发模块通信成功；若未收到应答，则第一水声通信收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；

接收数据时，第二水声通信收发模块接收声信号，第二微控制器采集的接收信号输入到解调器的正交相移键控信号码元可表示为：

r(t)＝acos(ω_ct+φ_n)

r(t)与两路正交相干的载波相乘分别输出为：

其中，的中心频率是载频的两倍，是纯粹的基带信号；

然后，第二水声通信收发模块使用低通滤波器抑制I、Q两路中的高频部分，保留基带信号；解调后的两路基带信号判决后得到I、Q两路的码元，逆码变换的功能与发送端相反，经过逆码变换和并/串转换后，变成(为)串行数据输出，得到原始的控制命令；同时第二水声通信收发模块进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给第一水声通信收发模块，然后再通过第二无线收发模块转发给上位机的第一无线收发模块；若无接收数据，则进入空闲模式。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明采用软硬件均采用模块化设计，具有拓展性强、移植性好、体积小巧、便于后期维护与开发的特点。

2、采用了融合水声和无线电通信，不仅在水面可进行数据的实时传输，而且在水下更加可以通过水声通信进行实时的数据传输，保证了水下水下机器人在水声弱通信环境中实时可靠地进行数据传输。

附图说明

图1是本发明方法中的流程图；

图2是本发明方法中的通信结构示意图；

图3是本发明方法中的水下机器人结构示意图。

在图2中：201—第一无线收发模块，202—上位机，203—第一供电模块，204—第二无线收发模块，205—第一水声通信收发模块，206—第一微控制器，207—第二供电模块，208—第三无线收发模块，209—第二水声通信收发模块，210—第二微控制器，211—陀螺仪模块，212—水压传感器，213—第三供电模块，214—防水电调，215—无刷电机。

在图3中：301—框架，302—浮力罩外壳，303—防水开关，304—水深探测装置，305—水声通信装置，306—电池密封舱，307—控制装置密封舱，308—驱动装置，309—无线通信装置。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

本发明是一种水下机器人的跨介质通信方法，该方法涉及的设备装置包括上位机模块、浮标模块、水下机器人模块；所述上位机模块包括上位机202、第一无线收发模块201和第一供电模块203，第一供电模块用于给所述上位机模块供电；所述浮标模块包括第一微控制器206、第二无线收发模块204、第一水声通信收发模块205和第二供电模块207，第二供电模块用于给所述浮标模块供电；所述水下机器人模块包括第二微控制器210、第三无线收发模块208、第二水声通信收发模块209、陀螺仪模块211、推进器动力组成、水压传感器212和第三供电模块213；所述推进器动力组成包含防水电调214和无刷电机215；所述第三供电模块用于使所述水下机器人模块正常工作。如图1所示为本发明涉及的一种水下机器人的跨介质通信方法的工作流程，所述设备工作流程包括以下步骤：

步骤1：通过水压传感器212检测水下机器人所处的液位层次；从而根据不同的液位层次选择不同的数据传输方式；所述检测水下机器人所处的液位层次，是基于水压压力与该处水的深度成比例的原理完成；水压传感器所受的压力可表示为：P＝B+ρgH，式中，P为水压传感器所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，B为液面上大气压力，H为水压传感器所处液体的深度；进而，当P＝B时，此时可以判定水下机器人处于水面，当P＞B时，此时可以判定水下机器人处于水下。

步骤2：当判定水下机器人在水面时，上位机202通过第一无线收发模块201把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块208，同时水下机器人通过第三无线收发模块208将自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机202，图2所示是本发明方法中的通信结构示意图，其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块201配置为发射模式，第一无线收发模块201在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答信号，则此次通信成功，同时清除第一无线收发模块201存储的控制命令，若未收到应答，则第一无线收发模块201自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，如需继续发射，则进入下一次发射模式，否则进入空闲模式；

接收数据时，将第三无线收发模块208配置为接收模式，配置本机地址和接收的数据包大小，等待数据包到来；当第三无线收发模块208检测到有效的地址和校验码时，第三无线收发模块208自动把字头、地址和校验码移去后将数据包存储，同时将中断标志位，置为高电平，通知第二微控制器210读取数据；同时第三无线收发模块208进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给上位机202的第一无线收发模块201；若无接收数据，则进入空闲模式。

步骤3：当判定水下机器人在水下时，上位机202通过第一无线收发模块201把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块204，进而浮标模块携带的第一水声通信收发模块205将控制命令转发至水下机器人的第二水声通信收发模块209，同时第二水声通信收发模块209将水下机器人的速度和偏航角信息，发射给第一水声通信收发模块205，通过浮标模块携带的第二无线收发模块204的转发，可将水下数据反馈给上位机202，其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块201配置为发射模式，第一无线收发模块201在发射数据后立即进入接收模式，等待第二无线收发模块204的应答信号；若收到应答信号，则第一无线收发模块201的通信成功；若未收到应答，则第一无线收发模块201自动重新发射数据，直至发射成功；第二无线收发模块204接收到的控制命令，通过第一微控制器206打包成数据帧形成基带数字信号，利用基带数字信号控制载波相位的变化来对信号进行调制，调制信号s(t)可表示为：

其中，g(t)为幅度为1的信号包络波形；T_S为码元时间宽度；ω_c为载波角频率；为第n个码元对应的相位；a_n＝cosφ_n和b_n＝sinφ_n为每个码元的两个比特；和为双极性二电平脉冲信号；

具体调制过程为：

输入的串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的的序列，再由脉冲产生双极性二电平脉冲信号I(t)和Q(t)，然后对cosω_ct和sinω_ct进行调制，相加得到正交相移键控信号；最后由编码器将调制信号s(t)数字化处理，进而第一水声通信收发模块205进入发射模式，并将电信号转换为声信号发射出去；第一水声通信收发模块205在发射数据后立即进入接收模式，等待第二水声通信收发模块209的应答信号；若收到应答信号，则第一水声通信收发模块205通信成功；若未收到应答，则第一水声通信收发模块205自动重新发射数据，直至发射成功；

接收数据时，第二水声通信收发模块209接收声信号，第二微控制器210采集的接收信号输入到解调器的正交相移键控信号码元可表示为：

r(t)＝acos(ω_ct+φ_n)

r(t)与两路正交相干的载波相乘分别输出为

其中，的中心频率是载频的两倍，是纯粹的基带信号；然后，第二水声通信收发模块209使用低通滤波器抑制I、Q两路中的高频部分，保留基带信号；解调后的两路基带信号判决后得到I、Q两路的码元，逆码变换的功能与发送端相反，经过逆码变换和并/串转换后，变成为串行数据输出，得到原始的控制命令；同时第二水声通信收发模块209进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给第一水声通信收发模块205，然后再通过第二无线收发模块204转发给上位机的第一无线收发模块201；若无接收数据，则进入空闲模式。

步骤4：如果水下机器人位置改变，重新执行步骤1进行液位感知检测水下机器人所处的液位层次；反之，继续进行当前介质下的通信传输。

所述水下机器人如图3所示，它是由框架301、浮力罩外壳302、防水开关303、水深探测装置304、水声通信装置305、无线通信装置309、驱动装置308、控制装置密封舱307和电池密封舱306组成；所述控制装置密封舱307中安装有第二微控制器210和陀螺仪模块211；所述电池密封舱306安装有第三供电模块；所述水深探测装置304为水压传感器212；所述水声通信装置305为第二水声通信收发模块209；所述无线通信装置309为第三无线收发模块208；所述驱动装置308为包含防水电调214和无刷电机215的推进器动力组成；所述防水电调214与第三供电模块208连接并把直流电转换为三相交流电给无刷电机215供电，通过第二微控制器210控制防水电调214的控制端来控制无刷电机215的正反转速；第二微控制器210通过控制装置分别与第三无线收发模块309、第二水声通信收发模块305、陀螺仪模块211、水压传感器212、防水电调210和防水开关303相连接。

本发明所达到的有益的技术效果：本发明在水下动态演化环境中，融合无线电通信与水声通信的特点，设计一种水下机器人的跨介质通信方法，不仅在水面可进行数据的实时传输，而且在水下更加可以通过水声通信进行实时的数据传输，保证了水下水下机器人在水声弱通信环境中实时可靠地进行数据传输，使得水下机器人在水下复杂环境下能够自由灵活的运动。

本发明不局限于上述的优选实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或者相近似的技术方案，均属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种水下机器人的跨介质通信方法，该方法涉及的设备装置包括上位机模块、浮标模块、水下机器人模块；所述上位机模块包括上位机、第一无线收发模块和第一供电模块，第一供电模块用于给所述上位机模块供电；所述浮标模块包括第一微控制器、第二无线收发模块、第一水声通信收发模块和第二供电模块，第二供电模块用于给所述浮标模块供电；所述水下机器人模块包括第二微控制器、第三无线收发模块、第二水声通信收发模块、陀螺仪模块、推进器动力组成、水压传感器和第三供电模块；所述推进器动力组成包含防水电调和无刷电机；所述第三供电模块用于使所述水下机器人模块正常工作；其特征在于：所述方法内容包括以下步骤：

步骤1：通过水压传感器检测水下机器人所处的液位层次；从而根据不同的液位层次选择不同的数据传输方式；

步骤2：当判定水下机器人在水面时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机，此时浮标模块处于休眠状态；

步骤3：当判定水下机器人在水下时，上位机通过第一无线收发模块把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块，然后浮标模块再把控制命令通过第一水声通信收发模块转发至水下机器人的第二水声通信收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息，通过浮标模块转发的形式反馈给上位机；

步骤4：如果水下机器人位置改变，重新执行步骤1进行液位感知检测水下机器人所处的液位层次；反之，继续进行当前介质下的通信传输。

2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的跨介质通信方法，其特征在于：所述检测水下机器人所处的液位层次，是基于水压压力与该处水的深度成比例的原理完成；水压传感器所受的压力可表示为：P＝B+ρgH，式中，P为水压传感器所受的压力，ρ为被测液体的密度，g为当地重力加速度，B为液面上大气压力，H为水压传感器所处液体的深度；进而，当P＝B时，此时可以判定水下机器人处于水面，当P＞B时，此时可以判定水下机器人处于水下。

3.根据权利要求1所述的一种水下机器人的跨介质通信方法，其特征在于：所述上位机通过第一无线收发模块把控制命令直接发送给水下机器人的第三无线收发模块，同时水下机器人通过第三无线收发模块将自身的速度和偏航角信息实时反馈给上位机，其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块配置为发射模式，第一无线收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待应答信号，若收到应答信号，则此次通信成功，同时清除第一无线收发模块存储的控制命令，若未收到应答，则第一无线收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；发射成功后，如需继续发射，则进入下一次发射模式，否则进入空闲模式；

接收数据时，将第三无线收发模块配置为接收模式，配置本机地址和接收的数据包大小，等待数据包到来；当第三无线收发模块检测到有效的地址和校验码时，第三无线收发模块自动把字头、地址和校验码移去后将数据包存储，同时将中断标志位，置为高电平，通知第二微控制器读取数据；同时第三无线收发模块进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给上位机的第一无线收发模块；若无接收数据，则进入空闲模式。

4.根据权利要求1所述的一种水下机器人的跨介质通信方法，其特征在于：所述上位机通过第一无线收发模块把控制命令先发送给浮标模块的第二无线收发模块，然后浮标模块再把控制命令通过第一水声通信收发模块转发至水下机器人的第二水声通信收发模块，同时水下机器人也把自身的速度和偏航角信息，通过浮标模块转发的形式反馈给上位机；其通信流程如下：

发送数据时，将第一无线收发模块配置为发射模式，第一无线收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待第二无线收发模块的应答信号；若收到应答信号，则第一无线收发模块的通信成功；若未收到应答，则第一无线收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；第二无线收发模块接收到的控制命令，通过第一微控制器打包成数据帧形成基带数字信号，利用基带数字信号控制载波相位的变化来对信号进行调制，调制信号s(t)可表示为：

其中，g(t)为幅度为1的信号包络波形；T_S为码元时间宽度；ω_c为载波角频率；为第n个码元对应的相位；a_n＝cosφ_n和b_n＝sinφ_n为每个码元的两个比特；和为双极性二电平脉冲信号；

具体调制过程为：

输入的串行二进制信息序列经过串－并行转换，分成两路速率减半的的序列，再由脉冲产生双极性二电平脉冲信号I(t)和Q(t)，然后对cosω_ct和sinω_ct进行调制，相加得到正交相移键控信号；最后由编码器将调制信号s(t)数字化处理，进而第一水声通信收发模块进入发射模式，并将电信号转换为声信号发射出去；第一水声通信收发模块在发射数据后立即进入接收模式，等待第二水声通信收发模块的应答信号；若收到应答信号，则第一水声通信收发模块通信成功；若未收到应答，则第一水声通信收发模块自动重新发射数据，直至发射成功；

接收数据时，第二水声通信收发模块接收声信号，第二微控制器采集的接收信号输入到解调器的正交相移键控信号码元可表示为：

r(t)＝acos(ω_ct+φ_n)

r(t)与两路正交相干的载波相乘分别输出为：

其中，的中心频率是载频的两倍，是纯粹的基带信号；

然后，第二水声通信收发模块使用低通滤波器抑制I、Q两路中的高频部分，保留基带信号；解调后的两路基带信号判决后得到I、Q两路的码元，逆码变换的功能与发送端相反，经过逆码变换和并/串转换后，变成(为)串行数据输出，得到原始的控制命令；同时第二水声通信收发模块进入发射状态对接受数据进行应答，并将自身的速度和偏航角信息发射给第一水声通信收发模块，然后再通过第二无线收发模块转发给上位机的第一无线收发模块；若无接收数据，则进入空闲模式。