CN108282220A - 一种潜水器通信系统及通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种潜水器通信系统及通信方法，该系统可以包括：船载通信站、通信中转器和潜水器；船载通信站设置在通信船上，通信中转器可以悬浮在水中；船载通信站，用于向通信中转器发送下行通信数据，并接收来自通信中转器的上行通信数据；通信中转器，用于接收来自船载通信站的下行通信数据，并通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器，以及通过无线通信的方式接收来自潜水器的上行通信数据，并将上行通信数据发送给船载通信站；潜水器，用于通过无线通信的方式接收来自通信中转器的下行通信数据，并通过无线通信的方式向通信中转器发送上行通信数据。本方案可以提高潜水器在水中运动的灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种潜水器通信系统及通信方法。
背景技术
潜水器是一种工作于水下的作业机器人，能够潜入水中完成某些操作，广泛应用于资源勘查、科学考察和军事等多个领域。潜水器分为无人潜水器和载人潜水器，无人潜水器和载人潜水器都需要与水面上的通信站进行通信，与无人潜水器进行通信可以对无人潜水器的运动进行控制，与载人潜水器进行通信可以与载人潜水器中的人员进行随时联系。
目前，潜水器与通信站主要采用有线通信的方式，利用可收放的电缆连接在潜水器与通信站之间，确保潜水器与通信站可以正常进行通信。
针对目前潜水器与通信站进行通信的方法，潜水器需要通过电缆与通信站相连接，当潜水器下潜深度较大时，与潜水器相连接的电缆会对潜水器的运动产生较大的阻力，导致潜水器在水中运动的灵活性较差。
发明内容
本发明实施例提供了一种潜水器通信系统及通信方法，能够提高潜水器在水中运动的灵活性。
第一方面，本发明实施例提供了一种潜水器通信系统，包括：船载通信站、通信中转器和潜水器；
所述船载通信站设置在通信船上，所述通信中转器可以悬浮在水中；
所述船载通信站，用于向所述通信中转器发送下行通信数据，并接收来自所述通信中转器的上行通信数据；
所述通信中转器，用于接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，以及通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并将所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述潜水器，用于通过无线通信的方式接收来自所述通信中转器的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式向所述通信中转器发送所述上行通信数据。
可选地，
所述通信中转器包括：上通信部和下通信部，其中，所述上通信部与所述下通信部通过通信电缆相连，所述下通信部在水中的深度大于所述上通信部在水中的深度；
所述上通信部，用于接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过所述通信电缆将所述下行通信数据发送给所述下通信部，以及将所述下通信部通过所述通信电缆发送的所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述下通信部，用于通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并通过所述通信电缆将所述上行通信数据发送给所述上通信部，以及通过无线通信的方式将来自所述上通信部的所述下行通信数据发送给所述潜水器。
可选地，
所述下通信部包括：距离探测器、电缆绕线器和运动驱动器；
所述电缆绕线器可以对所述通信电缆进行盘绕；
所述距离探测器，用于探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，如果是，向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号；
所述电缆绕线器，用于根据所述跟随信号释放或收回相对应长度的所述通信电缆；
所述运动驱动器，用于根据所述跟随信号驱动所述下通信部向靠近所述潜水器的方向运动相对应的距离。
可选地，
所述距离探测器包括：至少三个信号发射器和数据处理器；
所述下通信部包括球形外壳，所述至少三个信号发射器设置在所述球形外壳的不同位置上；
每一个所述信号发射器，用于向所述潜水器发送脉冲信号，并接收所述脉冲信号被所述潜水器反射形成的反射信号，并将所述反射信号的信号强度值发送给所述数据处理器；
所述数据处理器，用于根据所述至少三个信号发射器分别发送的所述信号强度值，通过如下方程组计算所述潜水器的坐标值；
其中，所述(x，y，z)表征所述潜水器的坐标值，所述(x1，y1，z1)表征所述至少三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，所述(x2，y2，z2)表征所述至少三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，所述(x3，y3，z3)表征所述至少三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，所述ε1、ε2和ε3分别表征所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的所述信号强度值，所述k表征常数，所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器为所述至少三个信号发射器中对应所述信号强度值较大的三个所述信号发射器；
所述数据处理器，还用于根据所述潜水器的坐标值确定所述下通信部与所述潜水器之间的距离，并在所述下通信部与所述潜水器之间的距离超过所述通信距离阈值后，形成携带有运动方向信息和运动距离信息的所述跟随信号发送给所述电缆绕线器和所述运动驱动器。
可选地，
所述电缆绕线器包括：电缆容纳桶和电缆驱动滚轮组；
所述电缆容纳桶为圆筒状结构，在所述电缆容纳桶的内侧壁上设置有螺纹，所述螺纹的螺距等于所述通信电缆的直径；
所述电缆容纳桶的顶部和底部分别设置有所述通信电缆的电缆入口和电缆出口，其中，所述电缆出口与所述通信电缆固定连接；
所述电缆驱动滚轮组设置在所述电缆入口处，所述电缆驱动滚轮组用于在电动机的带动下驱动所述通信电缆从所述电缆入口进入或退出所述电缆容纳桶，并使得所述通信电缆从所述电缆入口进入所述电缆容纳桶后可以沿所述电缆容纳桶的径向由外至内分层螺旋盘绕在所述电缆容纳桶内。
可选地，
所述上通信部，用于通过次声波通信的方式接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过次声波通信的方式将所述上行通信数据发送给所述船载通信站。
可选地，
该潜水器通信系统进一步包括：通信卫星；
所述船载通信站，还用于将所述下行通信数据发送给所述通信卫星，并接收来自所述通信卫星的所述上行通信数据；
所述通信卫星，还用于将来自所述船载通信站的所述下行通信数据发送给所述通信中转器，并将来自所述通信中转器的所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述中转通信器，还用于接收来自所述通信卫星的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，以及通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并将所述上行通信数据发送给所述通信卫星。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于第一方面所提供的任意一种潜水器通信系统实现潜水器通信的方法，将所述通信中转器悬浮在水中，还包括：
利用所述船载通信站向所述通信中转器发送下行通信数据；
利用所述通信中转器，通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器；
利用所述潜水器，通过无线通信的方法将上行通信数据发送给所述通信中转器；
利用所述通信中转器，将所述上行通信数据发送给所述船载通信站。
可选的，
当所述通信中转器包括所述上通信部和所述下通信部时，
所述利用所述船载通信站向所述通信中转器发送下行通信数据，包括：利用所述船载通信部将所述下行通信数据发送给所述上通信部；
所述通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，包括：利用所述上通信部，通过所述通信电缆将所述下行通信数据发送给所述下通信部，并利用所述下通信部通过无线通信的方式将所述下行通行数据发送给所述潜水器；
所述通过无线通信的方法将上行通信数据发送给所述通信中转器，包括：利用所述潜水器，通过无线通信的方式将所述上行通信数据发送给所述下通信部；
所述将所述上行通信数据发送给所述船载通信站，包括：利用所述下通信部，通过所述通信电缆将所述上行通信数据发送给所述上通信部，并利用所述上通信部将所述上行通信数据发送给所述船载通信站。
可选地，
当所述下通信部包括所述距离探测器、所述电缆绕线器和所述运动驱动器时，进一步包括：
利用所述距离探测器探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，如果是，利用所述距离探测器向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号；
利用所述电缆绕线器，根据所述跟随信号释放或收回相对应长度的所述通信电缆；
利用所述运动驱动器，根据所述跟随信号驱动所述下通信部向靠近所述潜水器的方形运动相对应的距离。
可选地，
当所述距离探测器包括所述至少三个信号发射器和所述数据处理器时，
利用所述距离探测器探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，包括：
分别利用每一个所述信号发射器向所述潜水器发送脉冲信号，并接收所述脉冲信号被所述潜水器反射形成的反射信号，并将所述反射信号的信号强度值发送给所述数据处理器；
利用所述数据处理器，根据所述至少三个信号发射器分别发送的所述信号强度值，通过如下方程组计算所述潜水器的坐标值；
其中，所述(x，y，z)表征所述潜水器的坐标值，所述(x1，y1，z1)表征所述至少三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，所述(x2，y2，z2)表征所述至少三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，所述(x3，y3，z3)表征所述至少三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，所述ε1、ε2和ε3分别表征所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的所述信号强度值，所述k表征常数，所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器为所述至少三个信号发射器中对应所述信号强度值较大的三个所述信号发射器；
利用所述数据处理器，根据所述潜水器的坐标值确定所述下通信部与所述潜水器之间的距离，以判断所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过所述通信距离阈值；
所述利用所述距离探测器向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号，包括：
利用所述数据处理器，形成携带有运动方向信息和运动距离信息的所述跟随信号发送给所述电缆绕线器和所述运动驱动器。
本发明实施例提供的潜水器通信系统及通信方法，船载通信站设置在通信船上，潜水器下潜至水面以下后，通信中转器悬浮在水中位于船载通信站与潜水器之间，当船载通信站需要向潜水器发送数据时，船载通信站向通信中转器发送下行通信数据，通信中转器通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器，当潜水器需要向船载通信站发送数据时，潜水器可以通过无线通信的方式向通信中转器发送上行通信数据，通信中转器将上行通信数据发送给船载通信站。由此可见，通信中转器作为船载通信站与潜水器之间通信的中转，使得通信中转器与潜水器之间具有较短的通信距离，从而通信中转器与潜水器之间可以采用无线通信的方式，在保证潜水器能够与船载通信站进行正常通信的前提下，潜水器无需通过通信电缆与船载通信站连接，潜水器在水中运动时不再受到通信电缆的阻碍，从而可以提高潜水器在水中运动的灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。
图1是本发明一个实施例提供的一种潜水器通信系统的示意图；
图2是本发明一个实施例提供的另一种潜水器通信系统的示意图；
图3是本发明一个实施例提供的又一种潜水器通信系统的示意图；
图4是本发明一个实施例提供的一种距离探测器的示意图；
图5是本发明一个实施例提供的一种电缆绕线器的示意图；
图6是本发明一个实施例提供的再一种潜水器通信系统的示意图；
图7是本发明一个实施例提供的一种潜水器通信方法的流程图。
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，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种潜水器通信系统，该系统可以包括：船载通信站10、通信中转器20和潜水器30；
船载通信站10设置在通信船上，通信中转器20可以悬浮在水中；
船载通信站10，用于向通信中转器20发送下行通信数据，并接收来自通信中转器20的上行通信数据；
通信中转器20，用于接收来自船载通信站10的下行通信数据，并通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器30，以及通过无线通信的方式接收来自潜水器30的上行通信数据，并将上行通信数据发送给船载通信站10；
潜水器30，用于通过无线通信的方式接收来自通信中转器20的下行通信数据，并通过无线通信的方式向通信中转器20发送上行通信数据。
本发明实施例提供了一种潜水器通信系统，船载通信站设置在通信船上，潜水器下潜至水面以下后，通信中转器悬浮在水中位于船载通信站与潜水器之间，当船载通信站需要向潜水器发送数据时，船载通信站向通信中转器发送下行通信数据，通信中转器通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器，当潜水器需要向船载通信站发送数据时，潜水器可以通过无线通信的方式向通信中转器发送上行通信数据，通信中转器将上行通信数据发送给船载通信站。由此可见，通信中转器作为船载通信站与潜水器之间通信的中转，使得通信中转器与潜水器之间具有较短的通信距离，从而通信中转器与潜水器之间可以采用无线通信的方式，在保证潜水器能够与船载通信站进行正常通信的前提下，潜水器无需通过通信电缆与船载通信站连接，潜水器在水中运动时不再受到通信电缆的阻碍，从而可以提高潜水器在水中运动的灵活性。
可选地，在图1所示潜水器通信系统的基础上，如图2所示，通信中转器20可以包括上通信部201和下通信部202；
上通信部201与下通信部202通过通信电缆203相连，在水中时下通信部202的深度大于上通信部201；
上通信部201可以接收来自船载通信站10的下行通信数据，并通过通信电缆203将下行通信数据发送给下通信部202，另外，上通信部201还可以接收下通信部202通过通信电缆203发送的上行通信数据，并将上行通信数据发送给船载通信站10；
下通信部202可以接收上通信部201通过通信电缆203发送的下行通信数据，并通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器30，另外，下通信部202还可以通过无线通信的方式接收潜水器30发送的上行通信数据，并通过通信电缆203将接收到的上行通信数据发送给上通信部201。
在通信中转器中，上通信部和下通信部通过通信电缆相连接，当将通信中转器放置到水中后，上通信部和下通信部均可以悬浮在水中，但是下通信部的悬浮深度要比上通信部的悬浮深度更大，即上通信部更靠近水面，具体可以通过控制上通信部和下通信部相对于所处水域水的比重来控制上通信部和下通信部的悬浮深度。
由于上通信部用于与船载通信站进行通信，下通信部用于与潜水器进行通信，而船载通信站位于水面上，潜水器位于水面以下，因此上通信部和下通信部悬浮于船载通信站与潜水器之间，且下通信部靠近潜水器，缩短了下通信部与潜水器之间进行无线通信的距离，保证下通信部与潜水器之间进行无线通信的可靠性。
由于无线信号在水中损耗较大，在水中进行长距离无线通信具有诸多困难，为此通过通信电缆将上通信部与下通信部相连接，可以缩短下通信部与潜水器之间的通信距离，保证下通信部与潜水器之间能够正常进行无线通信。下通信部通过通信电缆与上通信部进行数据交互，上通信部悬浮在距离水面较近的水中，可以通过无线通信方式或有线通信方式与船载通信站进行数据交互。上通信部与下通信部通过通信电缆进行通信，通信质量不受通信距离的限制，通过控制通信电缆的长度可以改变上通信部与下通信部之间的距离，使得下通信部可以悬浮在水中更深的区域，满足潜水器下潜至水中更深位置进行作业的需求，从而可以提升该潜水器通信系统的适用性。
可选地，在图2所示潜水器通信系统的基础上，如图3所示，下通信部202可以包括：距离探测器2021、电缆绕线器2022和运动驱动器2023；
距离探测器2021可以探测下通信部202与潜水器30之间的距离，并在下通信部202与潜水器30之间的距离超过预先设定的通信距离阈值后，分别向电缆绕线器2022和运动驱动器2023发送跟随信号；电缆绕线器2022可以对通信电缆203进行盘绕，当接收到距离探测器2021发送的跟随信号后，电缆绕线器2022根据跟随信号释放或收回相对应长度的通信电缆203；运动驱动器2023接收到距离探测器2021发送的跟随信号后，根据跟随信号驱动下通信部202向靠近潜水器30的方向运动相对应的距离。
由于潜水器在水下作业时需要进行运动，潜水器运动会改变其与下通信部之间的距离，而潜水器与下通信部之间进行无线通信具有一定的有效通信距离，当潜水器与下通信部之间的距离超过通信距离阈值后，潜水器与下通信部之间进行无线通信的可靠性将下降。为了保证下通信部与潜水器之间能够进行可靠、稳定的无线通信，下通信部需要根据潜水器的运动情况跟随潜水器运动，使得潜水器与下通信部之间的距离始终在有效通信距离范围内。
距离探测器可以检测下通信部与潜水器之间的距离，并判断下通信部与潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，当下通信部与潜水器之间的距离超过通信距离阈值后分别向运动驱动器和电缆绕线器发送跟随信号。电缆绕线器根据跟随信号对通信电缆进行盘绕或释放，以改变下通信部与上通信部之间通信电缆的长度，具体地，当下通信部与潜水器之间的距离增大时电缆绕线器释放通信电缆，增加下通信部与上通信部之间通信电缆的长度，使得下通信部可以向靠近潜水器的方向运动；当下通信部与潜水器之间的距离减小至一定值时电缆绕线器盘绕通信电缆，此时潜水器可能为向水面方向运动，下通信部需要向靠近上通信部的方向运动，及时将多余的通信电缆进行盘绕，避免多余的通信电缆与下通信部和潜水器的运动造成干扰。运动驱动器根据距离探测器发送的跟随信号，可以驱动下通信部向靠近潜水器的方向运动，使得下通信部与潜水器之间的距离位于无线通信的有效通信距离之内；另外，当下通信部与潜水器之间的距离小于一定阈值后，运动驱动器会驱动下通信部向靠近上通信部的方向运动一定距离，在保证下通信部与潜水器之间距离在有效通信距离范围内的同时，缩短上通信部与下通信部之间的距离。
需要说明的是，当电缆绕线器检测到其上所盘绕的通信电缆已经全部释放后，电缆绕线器还会向潜水器和船载通信站发送报警信息，提示潜水器和通信船上的用户潜水器与下通信部之间的距离存在超过通信距离阈值的风险，提示用户对潜水器的运动方向和距离进行控制。
距离探测器探测下通信部与潜水器之间的距离，并在下通信部与潜水器之间距离超过通信距离阈值后向运动驱动器和电缆绕线器发送跟随信号，电缆绕线器根据跟随信号对通信电缆进行盘绕或释放，使得通信电缆不会牵制下通信部的运动，运动驱动器则根据跟随信号驱动下通信部向靠近潜水器的方向运动，使得下通信部在一定范围内可以跟随潜水器在水下运动，保证下通信部与潜水器之间能够正常地进行无线通信，从而潜水器可以在一定范围内自由运动，进一步提升了潜水器在水中运动的灵活性。
可选地，在图3所示潜水器通信系统的基础上，如图4所示，距离探测器2021可以包括：至少三个信号发射器204和数据处理器205；
下通信部202包括有球形外壳，各个信号发射器204设置在球形外壳的不同位置上，每一个信号发射器204可以分别向潜水器30发送脉冲信号，并接收其所发送脉冲信号被潜水器反射后形成的发射信号，还可以获得其所接收反射信号的信号强度值，并将所获得的信号强度值发送给数据处理器205；
数据处理器205在接收到各个信号发射器204发送的信号强度值后，从各个信号发射器204中选择三个对应信号强度值最大的三个信号发射器204，将这三个信号发射器204的坐标值和对应的信号强度值代入如下方程组计算获得潜水器30对应的坐标值；
其中，(x，y，z)表征潜水器30的坐标值，(x1，y1，z1)表征数据处理器205所选择三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，(x2，y2，z2)表征数据处理器205所选择三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，(x3，y3，z3)表征数据处理器205所选择三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，ε1、ε2和ε3分别表征第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的信号强度值，k表征常数；
数据处理器205在计算出潜水器30的坐标值后，根据潜水器30的坐标值和下通信部202的坐标值确定下通信部202与潜水器30之间的距离，并在下通信部202与潜水器30之间的距离超所通信距离阈值后，形成携带有相对应运动方向信息和运动距离信息的跟随信息，并将跟随信息分别发送给电缆绕线器2022和运动驱动器2023。
各个信号发射器设置在下通信部球形外壳的不同位置上，每一个信号发射器分别向潜水器发送脉冲信号，并接收其所发送脉冲信号被潜水器反射后形成的反射信号。信号发射器与潜水器之间的距离不同，信号发射器所接收到的反射信号的强度也不同，从而数据处理器可以根据各个信号发射器所接收反射信号的信号强度值来确定下通信部与潜水器之间的距离。
下通信部的球形外壳上设置有至少三个信号发射器，各个信号发射器获取到所接收到反射信号的信号强度值后，数据处理器从各个信号发射器中选择对应信号强度值最大的三个信号发射器，根据这三个信号发射器对应的坐标值和信号强度值来确定潜水器的坐标值，可以保证确定出的潜水器的坐标值具有较高的准确性，使得确定出的潜水器与下通信部之间的距离具有较高的准确性，从而可以使得下通信部与潜水器之间的距离在有效通信距离范围之内，保证潜水器与下通信部之间进行无线通信的可靠性，从而提高潜水器与船载通信站进行通信的可靠性。
具体地，各个信号发射器可以均匀地设置在下通信部球形外壳的下半球外壁上，数据处理器以下通信部球形外壳的圆心为原点创建三维直角坐标系，获得各个信号发射器在该坐标系中的坐标值，进而可以根据各个信号发射器所获得的信号强度值和各个信号发射器的坐标值来确定潜水器在该坐标系中的坐标值。各个信号发射器发送具有不同频率的脉冲信号，保证每个信号发射器可以识别中其所发送脉冲信号被反射后形成的反射信号。
可选地，在图3所示潜水器通信系统的基础上，如图5所示，电缆绕线器可以包括：电缆容纳桶206和电缆驱动滚轮组207；
电缆容纳桶206为圆筒状结构，在电缆容纳桶206的内侧壁上设置有螺纹2063，并且螺纹2063的螺距等于通信电缆203的直径；
电缆容纳桶206的顶部和底部分别设置有通信电缆203的电缆入口2061和电缆出口2062，其中，通信电缆203穿过电缆出口2062后与电缆出口2062固定连接；
电缆驱动滚轮组207设置在电缆入口2061处，电缆驱动滚轮组207可以在电动机的带动下驱动通信电缆203从电缆入口2061进入或退出电缆容纳桶206，通信电缆203从电缆入口2061进入电缆容纳桶206后可以沿电缆容纳桶206的径向由内之外分层螺旋盘绕在电缆容纳桶206内。
电缆容纳桶的电缆入口处设置有电缆驱动滚轮组，电缆驱动滚轮组能够将通信电缆传输到电缆容纳桶中，通信电缆从电缆入口进入电缆容纳桶后，通信电缆沿电缆容纳桶内壁上的螺纹盘绕在电缆容纳桶内，当贴近电缆容纳桶内侧壁全部盘绕通信电缆后，通信电缆在最外层通信电缆的内侧继续进行盘绕。同时，电缆驱动滚轮组还可以从电缆容纳桶中将通信电缆输出。
电缆驱动滚轮组将通信电缆输入到电缆容纳桶中后，将通信电缆盘绕在电缆容纳桶中，并沿电缆容纳桶的径向由外向内分层进行盘绕，在下通信部内部电缆容纳桶无需转动，仅需通过电动机驱动电缆驱动滚轮组转动便可以将通信电缆盘绕在电缆容纳桶中，节省了电缆绕线器所占的空间，使得下通信部的搬运和运动更加方便。
可选地，在图2所示潜水器通信系统的基础上，上通信部201可以通过次声波通信的方式接收来自船载通信站10的下行通信数据，还可以通过次声波通信的方式将来自下通信部的上行通信数据发送给船载通信站10。
由于次声波中水中传播时的损耗较小，可以有效地在水中传播较长的距离，上通信部采用次声波与船载通信站进行无线通信，使得上通信部可以下潜至较深位置后仍能够与船载通信站进行正常通信，从而在通信电缆长度一定时下通信部可以下潜至更深的位置，与位于更深位置的潜水器进行正常通信，使得潜水器可以在更深的水底进行作业，提升了潜水器可以作业的水下深度。另外，上通信部与船载通信部进行无线通信，通信船可以在距离上通信部一定距离的水面范围内自由移动，提升了通信船运动的灵活性。
可选地，在图1所示潜水器通信系统的基础上，如图6所示，该潜水器通信系统还可以包括：通信卫星40；
一方面，船载通信站10可以将下行通信数据发送给通信卫星40，通信卫星40将来自船载通信站10的下行通信数据发送给通信中转器20，通信中转器20通过无线通信的方式将来自通信卫星40的下行通信数据发送给潜水器30；另一方面，通信中转器20可以通过无线通信的方式接收来自潜水器30的上行通信数据，并将上行通信数据发送给通信卫星40，通信卫星40将来自通信中转器20的上行通信数据发送给船载通信站10。
船载通信站除了可以直接与通信中转器进行通信外，还可以将通信卫星作为中转与通信中转器进行通信，这样设置有船载通信站的通信船将不再受水域的限制，可以在距离通信中转站较远的地方通过通信卫星与通信中转器进行通信，进一步提升了该潜水器通信系统的适用性。
在上述各个实施例中，通信中转器与潜水器之间进行的无线通信，可以采用次声波传输通信数据，由于次声波在水中有效传输的距离较大，可以提高通信中转器与潜水器进行有效无线通信的距离，使得潜水器在运动更加自由，进一步提升潜水器在水中运动的灵活性。
如图7所示，本发明一个实施例提供了一种利用上述各个实施例提供的任意一种潜水器通信系统实现潜水器通信的方法，该方法可以包括以下步骤：
步骤701：将通信中转器悬浮在水中；
步骤702：利用船载通信站向通信中转器发送下行通信数据；
步骤703：利用通信中转器，通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器；
步骤704：利用潜水器，通过无线通信的方法将上行通信数据发送给通信中转器；
步骤705：利用通信中转器，将上行通信数据发送给船载通信站。
本发明实施例提供了一种潜水器通信方法，将通信中转器悬浮在水中，使通信中转器位于船载通信站与潜水器之间后，可以利用船载通信站向通信中转器发送下行通信数据，进而利用通信中转器通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器，另外还可以利用潜水器通过无线通信的方式向通信中转器发送上行通信数据，进而利用通信中转器将上行通信数据发送给船载通信站。由于通信中转器与潜水器之间通过无线的方式进行通信，潜水器的运动不再受到通信电缆的阻碍，从而可以提升潜水器在水中运动的灵活性。
可选地，如图7所示，当通信中转器包括上通信部和下通信部时，
步骤702可以包括：利用船载通信部将下行通信数据发送给上通信部；
相应地，步骤703可以包括：利用上通信部，通过通信电缆将下行通信数据发送给下通信部，并利用下通信部通过无线通信的方式将下行通行数据发送给潜水器；
相应地，步骤704可以包括：利用潜水器，通过无线通信的方式将上行通信数据发送给下通信部；
相应地，步骤705可以包括：利用下通信部，通过通信电缆将上行通信数据发送给上通信部，并利用上通信部将上行通信数据发送给船载通信站。
可选地，在图7所示潜水器通信方法的基础上，当下通信部包括距离探测器、电缆绕线器和运动驱动器时，该方法还可以包括：
利用距离探测器探测下通信部与潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，如果是，利用距离探测器向电缆绕线器和运动驱动器发送跟随信号；
利用电缆绕线器，根据跟随信号释放或收回相对应长度的通信电缆；
利用运动驱动器，根据跟随信号驱动下通信部向靠近潜水器的方形运动相对应的距离。
可选地，当距离探测器包括至少三个信号发射器和数据处理器时，利用距离探测器探测下通信部与潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，包括：
分别利用每一个信号发射器向潜水器发送脉冲信号，并接收脉冲信号被潜水器反射形成的反射信号，并将反射信号的信号强度值发送给数据处理器；
利用数据处理器，根据至少三个信号发射器分别发送的信号强度值，通过如下方程组计算潜水器的坐标值；
其中，(x，y，z)表征潜水器的坐标值，(x1，y1，z1)表征至少三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，(x2，y2，z2)表征至少三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，(x3，y3，z3)表征至少三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，ε1、ε2和ε3分别表征第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的信号强度值，k表征常数，第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器为至少三个信号发射器中对应信号强度值较大的三个信号发射器；
利用数据处理器，根据潜水器的坐标值确定下通信部与潜水器之间的距离，以判断下通信部与潜水器之间的距离是否超过通信距离阈值；
相应地，利用距离探测器向电缆绕线器和运动驱动器发送跟随信号，包括：
利用数据处理器，形成携带有运动方向信息和运动距离信息的跟随信号发送给电缆绕线器和运动驱动器。
需要说明的是，上述实施例所提供潜水器通信方法包括的各个步骤，与前述实施例所提供潜水器通信系统内的各单元模块之间的信息交互、执行过程等内容基于同一构思，具体内容可参见本发明系统实施例中的叙述，此处不再赘述。
综上所述，本发明各个实施例提供的潜水器通信系统及通信方法，至少具有如下有益效果：
1、在本发明实施例中，船载通信站设置在通信船上，潜水器下潜至水面以下后，通信中转器悬浮在水中位于船载通信站与潜水器之间，当船载通信站需要向潜水器发送数据时，船载通信站向通信中转器发送下行通信数据，通信中转器通过无线通信的方式将下行通信数据发送给潜水器，当潜水器需要向船载通信站发送数据时，潜水器可以通过无线通信的方式向通信中转器发送上行通信数据，通信中转器将上行通信数据发送给船载通信站。由此可见，通信中转器作为船载通信站与潜水器之间通信的中转，使得通信中转器与潜水器之间具有较短的通信距离，从而通信中转器与潜水器之间可以采用无线通信的方式，在保证潜水器能够与船载通信站进行正常通信的前提下，潜水器无需通过通信电缆与船载通信站连接，潜水器在水中运动时不再受到通信电缆的阻碍，从而可以提高潜水器在水中运动的灵活性。
2、在本发明实施例中，由于上通信部用于与船载通信站进行通信，下通信部用于与潜水器进行通信，而船载通信站位于水面上，潜水器位于水面以下，因此上通信部和下通信部悬浮于船载通信站与潜水器之间，且下通信部靠近潜水器，缩短了下通信部与潜水器之间进行无线通信的距离，保证下通信部与潜水器之间进行无线通信的可靠性。
3、在本发明实施例中，上通信部与下通信部通过通信电缆进行通信，通信质量不受通信距离的限制，通过控制通信电缆的长度可以改变上通信部与下通信部之间的距离，使得下通信部可以悬浮在水中更深的区域，满足潜水器下潜至水中更深位置进行作业的需求，从而可以提升该潜水器通信系统的适用性。
4、在本发明实施例中，距离探测器探测下通信部与潜水器之间的距离，并在下通信部与潜水器之间距离超过通信距离阈值后向运动驱动器和电缆绕线器发送跟随信号，电缆绕线器根据跟随信号对通信电缆进行盘绕或释放，使得通信电缆不会牵制下通信部的运动，运动驱动器则根据跟随信号驱动下通信部向靠近潜水器的方向运动，使得下通信部在一定范围内可以跟随潜水器在水下运动，保证下通信部与潜水器之间能够正常地进行无线通信，从而潜水器可以在一定范围内自由运动，进一步提升了潜水器在水中运动的灵活性。
5、在本发明实施例中，下通信部的球形外壳上设置有至少三个信号发射器，各个信号发射器获取到所接收到反射信号的信号强度值后，数据处理器从各个信号发射器中选择对应信号强度值最大的三个信号发射器，根据这三个信号发射器对应的坐标值和信号强度值来确定潜水器的坐标值，可以保证确定出的潜水器的坐标值具有较高的准确性，使得确定出的潜水器与下通信部之间的距离具有较高的准确性，从而可以使得下通信部与潜水器之间的距离在有效通信距离范围之内，保证潜水器与下通信部之间进行无线通信的可靠性，从而提高潜水器与船载通信站进行通信的可靠性。
6、在本发明实施例中，电缆驱动滚轮组将通信电缆输入到电缆容纳桶中后，将通信电缆盘绕在电缆容纳桶中，并沿电缆容纳桶的径向由外向内分层进行盘绕，在下通信部内部电缆容纳桶无需转动，仅需通过电动机驱动电缆驱动滚轮组转动便可以将通信电缆盘绕在电缆容纳桶中，节省了电缆绕线器所占的空间，使得下通信部的搬运和运动更加方便。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个······”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同因素。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储在计算机可读取的存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质中。
最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的较佳实施例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种潜水器通信系统，其特征在于，包括：船载通信站、通信中转器和潜水器；
所述船载通信站设置在通信船上，所述通信中转器可以悬浮在水中；
所述船载通信站，用于向所述通信中转器发送下行通信数据，并接收来自所述通信中转器的上行通信数据；
所述通信中转器，用于接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，以及通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并将所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述潜水器，用于通过无线通信的方式接收来自所述通信中转器的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式向所述通信中转器发送所述上行通信数据。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述通信中转器包括：上通信部和下通信部，其中，所述上通信部与所述下通信部通过通信电缆相连，所述下通信部在水中的深度大于所述上通信部在水中的深度；
所述上通信部，用于接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过所述通信电缆将所述下行通信数据发送给所述下通信部，以及将所述下通信部通过所述通信电缆发送的所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述下通信部，用于通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并通过所述通信电缆将所述上行通信数据发送给所述上通信部，以及通过无线通信的方式将来自所述上通信部的所述下行通信数据发送给所述潜水器。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述下通信部包括：距离探测器、电缆绕线器和运动驱动器；
所述电缆绕线器可以对所述通信电缆进行盘绕；
所述距离探测器，用于探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，如果是，向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号；
所述电缆绕线器，用于根据所述跟随信号释放或收回相对应长度的所述通信电缆；
所述运动驱动器，用于根据所述跟随信号驱动所述下通信部向靠近所述潜水器的方向运动相对应的距离。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述距离探测器包括：至少三个信号发射器和数据处理器；
所述下通信部包括球形外壳，所述至少三个信号发射器设置在所述球形外壳的不同位置上；
每一个所述信号发射器，用于向所述潜水器发送脉冲信号，并接收所述脉冲信号被所述潜水器反射形成的反射信号，并将所述反射信号的信号强度值发送给所述数据处理器；
所述数据处理器，用于根据所述至少三个信号发射器分别发送的所述信号强度值，通过如下方程组计算所述潜水器的坐标值；
其中，所述(x，y，z)表征所述潜水器的坐标值，所述(x1，y1，z1)表征所述至少三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，所述(x2，y2，z2)表征所述至少三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，所述(x3，y3，z3)表征所述至少三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，所述ε1、ε2和ε3分别表征所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的所述信号强度值，所述k表征常数，所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器为所述至少三个信号发射器中对应所述信号强度值较大的三个所述信号发射器；
所述数据处理器，还用于根据所述潜水器的坐标值确定所述下通信部与所述潜水器之间的距离，并在所述下通信部与所述潜水器之间的距离超过所述通信距离阈值后，形成携带有运动方向信息和运动距离信息的所述跟随信号发送给所述电缆绕线器和所述运动驱动器。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，
所述电缆绕线器包括：电缆容纳桶和电缆驱动滚轮组；
所述电缆容纳桶为圆筒状结构，在所述电缆容纳桶的内侧壁上设置有螺纹，所述螺纹的螺距等于所述通信电缆的直径；
所述电缆容纳桶的顶部和底部分别设置有所述通信电缆的电缆入口和电缆出口，其中，所述电缆出口与所述通信电缆固定连接；
所述电缆驱动滚轮组设置在所述电缆入口处，所述电缆驱动滚轮组用于在电动机的带动下驱动所述通信电缆从所述电缆入口进入或退出所述电缆容纳桶，并使得所述通信电缆从所述电缆入口进入所述电缆容纳桶后可以沿所述电缆容纳桶的径向由外至内分层螺旋盘绕在所述电缆容纳桶内。
6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，
所述上通信部，用于通过次声波通信的方式接收来自所述船载通信站的所述下行通信数据，并通过次声波通信的方式将所述上行通信数据发送给所述船载通信站。
7.根据权利要求1至6中任一所述的系统，其特征在于，进一步包括：通信卫星；
所述船载通信站，还用于将所述下行通信数据发送给所述通信卫星，并接收来自所述通信卫星的所述上行通信数据；
所述通信卫星，还用于将来自所述船载通信站的所述下行通信数据发送给所述通信中转器，并将来自所述通信中转器的所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
所述中转通信器，还用于接收来自所述通信卫星的所述下行通信数据，并通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，以及通过无线通信的方式接收来自所述潜水器的所述上行通信数据，并将所述上行通信数据发送给所述通信卫星。
8.一种基于权利要求1至7中任一所述潜水器通信系统实现潜水器通信的方法，其特征在于，将所述通信中转器悬浮在水中，还包括：
利用所述船载通信站向所述通信中转器发送下行通信数据；
利用所述通信中转器，通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器；
利用所述潜水器，通过无线通信的方法将上行通信数据发送给所述通信中转器；
利用所述通信中转器，将所述上行通信数据发送给所述船载通信站。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，
当所述通信中转器包括所述上通信部和所述下通信部时，
所述利用所述船载通信站向所述通信中转器发送下行通信数据，包括：利用所述船载通信部将所述下行通信数据发送给所述上通信部；
所述通过无线通信的方式将所述下行通信数据发送给所述潜水器，包括：利用所述上通信部，通过所述通信电缆将所述下行通信数据发送给所述下通信部，并利用所述下通信部通过无线通信的方式将所述下行通行数据发送给所述潜水器；
所述通过无线通信的方法将上行通信数据发送给所述通信中转器，包括：利用所述潜水器，通过无线通信的方式将所述上行通信数据发送给所述下通信部；
所述将所述上行通信数据发送给所述船载通信站，包括：利用所述下通信部，通过所述通信电缆将所述上行通信数据发送给所述上通信部，并利用所述上通信部将所述上行通信数据发送给所述船载通信站；
和/或，
当所述下通信部包括所述距离探测器、所述电缆绕线器和所述运动驱动器时，进一步包括：
利用所述距离探测器探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，如果是，利用所述距离探测器向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号；
利用所述电缆绕线器，根据所述跟随信号释放或收回相对应长度的所述通信电缆；
利用所述运动驱动器，根据所述跟随信号驱动所述下通信部向靠近所述潜水器的方形运动相对应的距离。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，当所述距离探测器包括所述至少三个信号发射器和所述数据处理器时，
利用所述距离探测器探测所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过预先设定的通信距离阈值，包括：
分别利用每一个所述信号发射器向所述潜水器发送脉冲信号，并接收所述脉冲信号被所述潜水器反射形成的反射信号，并将所述反射信号的信号强度值发送给所述数据处理器；
利用所述数据处理器，根据所述至少三个信号发射器分别发送的所述信号强度值，通过如下方程组计算所述潜水器的坐标值；
其中，所述(x，y，z)表征所述潜水器的坐标值，所述(x1，y1，z1)表征所述至少三个信号发射器中第一信号发射器的坐标值，所述(x2，y2，z2)表征所述至少三个信号发射器中第二信号发射器的坐标值，所述(x3，y3，z3)表征所述至少三个信号发射器中第三信号发射器的坐标值，所述ε1、ε2和ε3分别表征所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器所发送的所述信号强度值，所述k表征常数，所述第一信号发射器、第二信号发射器和第三信号发射器为所述至少三个信号发射器中对应所述信号强度值较大的三个所述信号发射器；
利用所述数据处理器，根据所述潜水器的坐标值确定所述下通信部与所述潜水器之间的距离，以判断所述下通信部与所述潜水器之间的距离是否超过所述通信距离阈值；
所述利用所述距离探测器向所述电缆绕线器和所述运动驱动器发送跟随信号，包括：
利用所述数据处理器，形成携带有运动方向信息和运动距离信息的所述跟随信号发送给所述电缆绕线器和所述运动驱动器。
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