CN110417473B - 一种用于水下机器人的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下机器人的通信系统，所述系统包括：汇集接口模块，其包括两个内部通信接口以及外部通信单元，所述外部通信单元用于建立外部通信连接；多个子站模块，每个所述子站模块包括两个内部通信接口以及一个或多个设备接口，所述设备接口用于连接水下机器人内置的功能模块；其中：所述汇集接口模块以及多个所述子站模块构成一个逻辑上的多节点通信环形队列，所述通信环形队列中任意节点的两个内部通信接口分别与前一个以及后一个节点的一个内部通信接口连接。相较于现有技术，本发明的通信系统结构简单、易于布线，具有更高的系统稳定性以及数据吞吐量。

Description

一种用于水下机器人的通信系统

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种用于水下机器人的通信系统。

背景技术

水下资源是自然资源的一个重要组成部分。随着人类资源需求的不断提高，水下资源的勘探开发越来越被重视。

由于水下并不具备人类正常的生存条件，因此，为了保证安全，针对水下资源的勘探开发作业需要尽量实现无人化操作，这就要求水下作业设备要具备很高的自动化水平。在现有技术中，通常使用水下机器人实现无人化水下作业。

由于水下环境不同于地上环境，通常的地面环境下的设备无法直接用于水下环境。用于水下环境作业的设备必须考虑到液体导电带来的漏电、流体阻力以及浮力等多种环境影响因素，尤其的，针对深水环境，还需要考虑深水环境下的环境高压。这就使得水下机器人的设计难度远远高于地面设备，尤其的，水下机器人的通信系统在安全性、稳定性以及数据传输量上存在很大的缺陷。这不仅大大提高了水下机器人的成本，而且由于通信系统的技术限制，水下机器人的功能也远远弱于地面机器人，大大提高了水下资源的勘探开发难度。

发明内容

本发明提供了一种用于水下机器人的通信系统，所述系统包括：

汇集接口模块，其包括两个内部通信接口以及外部通信单元，所述外部通信单元用于建立外部通信连接；

多个子站模块，每个所述子站模块包括两个内部通信接口以及一个或多个设备接口，所述设备接口用于连接水下机器人内置的功能模块；

其中：

所述汇集接口模块以及多个所述子站模块构成一个逻辑上的多节点通信环形队列，所述通信环形队列中任意节点的两个内部通信接口分别与前一个以及后一个节点的一个内部通信接口连接。

在一实施例中，所述子站模块包含一块母板以及一块或多块子板，其中：

所述子板安装在所述母板上；

所述子站模块的内部通信接口构造在所述母板上；

所述设备接口构造在所述子板上。

在一实施例中，所述母板与所述子板间采用可插拔接口连接。

在一实施例中，采用光纤建立所述系统的物理通信链路。

在一实施例中，采用脐带缆建立所述系统的物理通信链路。

在一实施例中，所述外部通信单元包括：

分光器，其配置为通过光纤连接外部设备；

光合成模块，其配置为接收所述分光器输出的光信号并通过所述汇集接口模块的内部通信接口输出，接收来自子站模块输出的光信号并合成后转发到所述分光器。

在一实施例中，所述系统包含一条环状光纤链路。

在一实施例中，所述子站模块还包括一个波分复用单元。

在一实施例中，所述系统包含多条环状光纤链路。

在一实施例中，每个所述子站模块还包括：

多个波分复用单元，每个所述波分复用单元对应所述系统的一条环状光纤链路；

子站分光器，所述子站分光器连接到每个所述子站模块的所有波分复用单元。

相较于现有技术，本发明的通信系统结构简单、易于布线，具有更高的系统稳定性以及数据吞吐量。

本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1、图2、图3以及图5是根据本发明不同实施例的系统结构简图；

图4是根据本发明一实施例的系统在光纤断裂情况下的结构示意图；

图6～图8是根据本发明一实施例的系统在光纤断裂的不同情况下的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

水下资源是自然资源的一个重要组成部分。随着人类资源需求的不断提高，水下资源的勘探开发越来越被重视。

由于水下并不具备人类正常的生存条件，因此，为了保证安全，针对水下资源的勘探开发作业需要尽量实现无人化操作，这就要求水下作业设备要具备很高的自动化水平。在现有技术中，通常使用水下机器人实现无人化水下作业。

由于水下环境不同于地上环境，通常的地面环境下的设备无法直接用于水下环境。用于水下环境作业的设备必须考虑到液体导电带来的漏电、流体阻力以及浮力等多种环境影响因素，尤其的，针对深水环境，还需要考虑深水环境下的环境高压。这就使得水下机器人的设计难度远远高于地面设备，尤其的，水下机器人的通信系统在安全性、稳定性以及数据传输量上存在很大的缺陷。这不仅大大提高了水下机器人的成本，而且由于通信系统的技术限制，水下机器人的功能也远远弱于地面机器人，大大提高了水下资源的勘探开发难度。

为降低水下资源的勘探开发难度，在提高水下机器人功能的前提下控制水下机器人的硬件成本，本发明提出了一种新的用于水下机器人的通信系统。

在现有技术中，水下机器人采用集中式控制方式，水下POD采集设备开关及状态信息、视频图像信息、传感器检测的压力、深度、温度等信息，然后统一打包发送给位于船舶上的主控制系统。主控制系统通过逻辑计算结合运行控制方式产生的各种控制信息，再由水下的辅助电路进行转换后驱动各种部件，从而实现控制功能。然而，当控制高度集中时，水下和水上通信的及时性要求更高，对上层集中控制器的性能要求更高，当任务增加时会降低控制器的可靠性和稳定性。

针对上述问题，在本发明的系统中，采用分布式控制平台，使得各个功能模块有一定自主控制功能，与水面控制系统进行控制的分层。这样不仅可以优化各个功能模块的通信供电线路设计，而且可以降低系统结构复杂程度，提高系统稳定性。

具体的，在一实施例中，系统包括：

汇集接口模块，其包括内部通信接口以及外部通信单元，外部通信单元用于建立外部通信连接；

多个子站模块，每个子站模块包括内部通信接口以及一个或多个设备接口，设备接口用于连接水下机器人内置的功能模块。

根据本发明的系统，在机器人系统内，功能模块与汇集接口模块通过子站模块通信后，由汇集接口模块统一与水面控制系统通信。这样，每个子站模块内部都具有通信和控制功能，可以对接入的部件和模块进行自主控制，与水上控制系统构成了实现了水面总控为主、各个子站模块分布式控制为辅的控制方式。

不采用集中控制模式，采用分布式控制平台，使得各个功能模块有一定自主控制功能，与水面控制系统进行控制的分层，减少对水面控制器的任务量和要求，从而保证水下和水上通信的及时性，降低上层集中控制器的硬件性能要求，保证控制器的可靠性和稳定性。

进一步的，考虑到水下机器人系统所要搭载的功能模块可能具备各种不同的通信协议，目前由于各类传感器和工具的通信接口多样化，接口内容包含CAN、串口和Profibus等。如果功能模块直接连接子站模块，导致子站模块需要根据各个部件来调整通信接口。为了尽可能保证水下机器人系统的扩展性，降低增加系统功能时的操作难度，在一实施例中，在水下机器人系统的子站模块中采用子母板结构。具体的，子站模块包含一块母板以及一块或多块子板，其中：

子板安装在母板上；

子站模块的内部通信接口构造在母板上；

设备接口构造在子板上。

子站模块的内部通信接口就可以根据设计需求基于特定的通信协议构造；子板母板间的通信协议也可以根据设计需求基于特定的通信协议构造；而子板上用于连接功能模块的设备接口则可以根据功能模块的设计需求来构造。这样在更换或增加功能模块时就不需要变动子站模块的木板，只需将对应新功能模块的子板安装到木板上，然后将新功能模块连接到新子板上即可。

进一步的，在一实施例中，为了简化操作，子站模块的母板与子板间采用可插拔接口连接。

本发明的系统采用分布式结构布局代替传统集中设计，并且每个分布式子站结构相同，具有模块化，通用性。具体说来，具有以下有益效果：

(1)本发明布局结构，接口统一，但可以根据不同的传感器类型灵活配置接口单元，可保证配置最优，系统效率高；

(2)统一的接口，就要去统一的电缆需求，减少电缆要求及制作复杂度，简化系统。

进一步的，在水下机器人系统中，功能模块(传感器和工具)分布在水下机器人本体的全方面，并不是分功能来集中布局的。因此就导致安装功能模块的各个子站模块也需要分布在水下机器人本体的全方面。而所有的子站模块均需要与汇集接口模块通信，这就导致多个子站模块与汇集接口模块间存在多条通信电缆，从而导致线路布置十分复杂。

针对上述问题，在一实施例中，水下机器人系统不采用以汇集接口模块为中心的“星型”接线布局方式，而采用了“环形”接线布局方式。具体的：

每个子站模块包含两个内部通信接口；

汇集接口模块包含两个内部通信接口；

汇集接口模块以及多个子站模块构成一个逻辑上的多节点通信环形队列，通信环形队列中任意节点的两个内部通信接口分别与前一个以及后一个节点的一个内部通信接口连接。

由于采用了环形接线网络，大大节省了电缆布置的复杂度和长度。

如图1所示，系统由汇集点(汇集接口模块110)、分布式子站1～N(子站模块1～N)组成(N依据水下机器人具体配置确定数量)，其中汇集点与分布式子站1～N均为自带补偿的充油压力平衡箱。

分布式子站1和分布式子站N分别于汇集点相连，于汇集点进行通信循环通道，这样汇集点和分布式子站1～N组成一个通信环网。把汇集点和分布式子站1～N都当成通信环网中的一个基站。因此任意一个基站都可以选择通过左边通信链路、或者通过右边通信链路进行通信，并选择任一方向左右优先级高的一方，例如右边通信优先。在运行过程中，各个相连基站时刻进行相互握手，检测相邻基站的通信链路的状态，同时将前端所有节点的通信链路的完好状态反馈给后端节点；同时也将后端所有节点的通信链路完好状态反馈给前端节点，这样使得各个节点知晓整个环网的通信链路的状态。若检测有故障，则相应调节通信路径。以分布式子站(N-1)为例，(N-1)检测和分布式子站(N-2)的握手不通，则(N-1)自动往右边基站N进行通信；若(N-1)检测和基站N的通信不通，则K自动往左边基站(N-2)进行通信。这样的话允许整个环网中所有通信链路连接中一个通信链路损坏而不影响整个通信；而同一个基站左右两边的通信链路损坏时，可以切除此部件，而不影响其他部件的通信。若整个通信环网都正常时，则按照优先级的方向构成一个单方向通信，这样可以节省热备份带来的一些损耗。

进一步的，由于串行通信方式不能满足数据吞吐量的要求，同时电信号传输容易受干扰，不易于合成和分解等问题。因此，在一实施例中，水下机器人内部的通信连接采用光纤通信连接。光纤需要考虑其最小转弯半径等因素，因此从可靠性方面考虑环网布局是最合适的。

本发明的系统的各分布式子站与水面通信采用光纤各自并行通信，通信速率快，可以克服串口通信速率低、分布式结构后数据吞吐量大、容易造成故障的缺点，有利益实现水面水下先进控制算法。

进一步的，在一实施例中，系统内采用脐带缆建立通信物理链路。脐带缆是一种专门的水下电缆，用于建立物理通信链路。采用脐带缆进行连接，通用性强，并且可靠性远高于一般充油光纤连线和电缆连线。其具有以下有益效果：

(1)可靠性高，脐带缆外套保护性强，抗压能力好不容易被破坏。

(2)脐带缆自身保护性较好，可以较低成本的实现光纤电缆复合通信。

如图2所示，系统由集成了光纤的脐带缆、汇集点(汇集接口模块)、分布式子站(子站模块)1～N组成(N依据水下机器人具体配置确定数量)，其中汇集点与分布式子站1～N均为自带补偿的充油压力平衡箱。

汇集点中光合成单元和分布式子站1～N通过环网脐带缆中的光纤组成一个光纤环网。各个子站通过配置采用不同的波长的光作为载波进行信号传输，采用统一的以太网通信协议。这样的话，每个子站的信号都是独立的，只是利用不同波长的光合成，并在同一根光纤中传输。这样的环网可以互相冗余，可以允许所有的环中的光纤可以有一根损坏，而不影响通信。另外，在汇集点通过光的合成，易于实现汇集站两边的通信合成。光信号在汇集点合成以后通过对外脐带缆的光纤信号实现与水面系统通信。

采用光纤环网连接，使用标准接口，可以无顺序对所接入的子站模块进行接入和取消。这样，不仅节省了电缆布置的复杂度和长度；同时，由于环形网络的双向性特征，双向通信网络相互冗余，提高了系统的可靠性和稳定性。

进一步的，在一实施例中，为构造光纤通信链路，外部通信单元包括：

分光器，其配置为通过光纤连接外部设备；

光合成模块，其配置为接收分光器输出的光信号并通过汇集接口模块的内部通信接口输出，接收来自子站模块输出的光信号并合成后转发到分光器。

进一步的，在一实施例中，系统包含一条环状光纤链路。

具体的，在一实施例中，每根环网脐带缆中将有1根光纤用于通信。如图3所示，其中光信号在汇集点合成以后由分光器分成2路通过对外脐带缆的2根光纤信号实现与水面系统通信连接。其中2根光纤信号互为备用，由水面通信系统自动转换使用哪路光纤通信。汇集点中光合成单元和分布式子站1～N通过环网脐带缆中的1根光纤组成一个光纤环网。

进一步的，在一实施例中，如图3所示，对应单条环状光纤链路，子站模块还包括一个波分复用单元(Wavelength Division Multiplexing，WDM模块)。

具体的，在一实施例中，如图3所示，通信系统中分布式子站1～N结构相同，由WDM模块、固定母板及对附加在母板的对外接口板组成。固定母板将所连接的各个部件的信息进行汇集汇总，根据类型和需求将其接入不同波长的WDM端口，利用载波波长的不同实现对不同信号的融合和同时输送。同时接受端也通过对波长的分解方便将其分解和还原成各路信号。

这种连接方式的优点是：

——简单，容易连接，尤其是在水下采用脐带缆的较硬的线缆，可以方便连接和布线；

——有利于通信的热备份，其中一个光纤的损耗不会影响通信，而一个子站两边光纤的损坏，不会影响其他子站的通信。

——利用不同波长的光作为载体，方便合成和分离；

——水下光纤通信可以提高电磁干扰性能，增加其稳定性；

——光纤作为载体，可以走多种通信协议，可以满足稳定性好，数据吞吐大的以太网通信需求。

在如图3所示的光纤通信系统中，环网脐带缆中有任一光纤断，仍不影响该网络通信,可继续工作。即如图4所示。假如在分布式子站(N-1)与分布式子站N站间发生光纤断裂，则分布式子站1～(N-1)将只能向左边依次向汇集点进行通信，而分布式子站N直接向右向汇集点进行通信。所以该系统能实现环网中任一光纤断后的自冗余通信。

进一步的，为提高系统稳定性，在一实施例中，系统包含多条环状光纤链路。即，在一实施例中，每根环网脐带缆中将有多根光纤用于通信。

以2根光纤为例，在一实施例中，如图5所示，每根环网脐带缆中将有2根光纤用于通信。其中光信号在汇集点合成以后由分光器分成2路通过对外脐带缆的2根光纤信号实现与水面系统通信连接。其中2根光纤信号互为备用，由水面通信系统自动转换使用哪路光纤通信。而汇集点中光合成单元和分布式子站1～N通过环网脐带缆中的2根光纤组成2个光纤环网。

进一步的，在一实施例中，对应多光纤，每个子站模块还包括多个波分复用单元，每个波分复用单元对应系统的一条环状光纤链路。进一步的，在一实施例中，每个子站模块还包括子站分光器，子站分光器连接到每个子站模块的所有波分复用单元。

具体的，以2根光纤为例，在一实施例中，如图5所示，通信系统中分布式子站1～N结构相同，由WDM1模块、WDM2模块，分光器、固定母板及对附加在母板的对外接口板组成。固定母板将所连接的各个部件的信息进行汇集汇总，根据类型和需求将其接入分光器后，再分别接入WDM1端口和WDM2端口，利用载波波长的不同实现对不同信号的融合和同时输送。相邻分布式子站间WDM端口相连。

在图5所示光纤通信系统中，环网脐带缆中有任1根光纤断，仍不影响该网络双向通信，可继续工作。即如图6所示，假如在分布式子站(N-1)与分布式子站N站间发生1根光纤断裂，则分布式子站1～N对原通信方式没有任何影响，仍然可以双向通信。所以该三冗余通信系统能实现环网中任一光纤断后的自冗余通信。

在图5所示光纤通信系统中，环网脐带缆中有任2根光纤断，其中最坏的情况之一是在两个分布式子站间2根光纤同时断裂，即如图7所示假如在分布式子站(N-1)与分布式子站N站间发生2根光纤断裂，则分布式子站1～(N-1)将只能向左边依次向汇集点进行通信，而分布式子站N直接向右向汇集点进行通信。所以该系统能实现环网中2根光纤断后的自冗余通信。

在图5所示光纤通信系统中，环网脐带缆中有任3根光纤断，其中最坏的情况之一是在两个分布式子站间发生2根光纤断裂和其中一个分布式子站与邻近分布式子站间的1根光纤断裂，即如图8所示假如在分布式子站(N-1)与分布式子站N站间发生2根光纤断裂，分布式子站(N-1)与分布式子站(N-2)站间发生1根光纤断裂，则分布式子站1～(N-1)将只能向左边依次向汇集点进行通信，而分布式子站N直接向右向汇集点进行通信。所以该系统能实现环网中,3根光纤断后的自冗余通信。

本发明的系统采用分布式光纤环网的自冗余通信方式。该通信系统中允许网络中可以出现一处或最多允许三处最坏情况的故障，都能保持通信，继续正常工作。具有以下有益效果：

(1)可具有单冗余或三冗余通信功能，能高可靠性的保证系统通信；

(2)实现冗余方式简单。实现单冗余只需增加一脐带缆形成环网。而组成三冗余方式，也只需增加分布式子站一个WDM模块，并且各分布式子站模块化，结构相同，与单冗余方式也互换性强。由于脐带缆都是复合多根光纤，至少2根以上，所以三冗余方式也不会增加脐带缆成本，实现简单。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于水下机器人的通信系统，其特征在于，所述系统包括：

汇集接口模块，其包括两个内部通信接口以及外部通信单元，所述外部通信单元用于建立外部通信连接；

多个子站模块，每个所述子站模块包括两个内部通信接口以及一个或多个设备接口，所述设备接口用于连接水下机器人内置的功能模块，所述汇集接口模块与所述多个子站模块均为自带补偿的充油压力平衡箱；

其中：

所述汇集接口模块以及多个所述子站模块构成一个逻辑上的多节点通信环形队列，所述通信环形队列中任意节点的两个内部通信接口分别与前一个以及后一个节点的一个内部通信接口连接，任意一个子站模块都可以选择通过左边通信链路、或者通过右边通信链路进行通信，采用光纤建立所述系统的物理通信链路；

所述子站模块包含一块母板以及一块或多块子板，其中：

所述子板安装在所述母板上；

所述子站模块的内部通信接口构造在所述母板上；

所述设备接口构造在所述子板上；

所述外部通信单元包括：

分光器，其配置为通过光纤连接外部设备，其中，光信号在汇集点合成以后由分光器分成2路通过对外脐带缆的2根光纤信号实现与水面系统通信连接，其中2根光纤信号互为备用；

光合成模块，其配置为接收所述分光器输出的光信号并通过所述汇集接口模块的内部通信接口输出，接收来自子站模块输出的光信号并合成后转发到所述分光器。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述母板与所述子板间采用可插拔接口连接。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，采用脐带缆建立所述系统的物理通信链路。

4.根据权利要求1~3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含一条环状光纤链路。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述子站模块还包括一个波分复用单元。

6.根据权利要求1~3中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统包含多条环状光纤链路。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，每个所述子站模块还包括：

多个波分复用单元，每个所述波分复用单元对应所述系统的一条环状光纤链路；

子站分光器，所述子站分光器连接到每个所述子站模块的所有波分复用单元。

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