CN110620596B - 一种面向水下机器人定位的通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种面向水下机器人定位的通信系统，包括由多个水下定位通信节点组成的定位通信阵列和可携带通信收发器；可携带通信收发器有无线射频通信收发器和光通信收发器，能实现水下无线射频通信和水下光通信两种通信方式；定位通信阵列由多个水下定位通信节点组成，水下定位通信节点有无线射频通信收发器和光通信收发器，能实现水下无线射频通信和水下光通信两种通信方式。本系统采用水下光通信和水下无线射频通信两种通信方式结合，在不同距离使用不同通信方式能够最大限度地发挥两者的优势同时避免来两者的缺点，使得水下无缆机器人能够在较远距离获取水下定位节点的位置，靠近水下定位节点后实现高速通信，获取节点所在位置等信息。

Description

一种面向水下机器人定位的通信系统
技术领域
本发明属于水下机器人研发与测试技术领域，特别涉及一种面向水下机器人定位的通信系统。
背景技术
我国拥有内海和外海水域面积约470万平方千米，其中海洋资源不可估计，目前我国陆地资源开发已逐渐饱和，海洋资源开发在未来具有重要战略地位。国内高校、企业和教育组织加大对水下机器人的研发，同时促进水下机器人相关测试设备的研究开发。水下无缆机器人在水下工作时，需要根据机体所在位置才能进行下一步的运动，所以需要一种能确认水下机器人的位置并反馈给水下机器人的设备系统。系统涉及对水下机器人进行通信，常见的水下通信方式有三种，分别是水声通信、光通信和无线射频通信。
表1：三种水下通信方式对比
Figure GDA0002858741840000011
a稳定性的比较为水声通信、光通信和无线射频通信三者进行对比
在水下环境通信中声波能传输长距离但是数据传输速率低，不适用于水下机器人的高频通信；水下光通信有效通信范围比水声通信小，通信速率可高达1Gps，但是水下光通信需要保证收发设备精确瞄准才能做到稳定通信，这对于在水下复杂环境的水下机器人的要求较高；对于近距离水下无线射频通信系统，射频通信方式较水声通信、激光通信抗干扰能力强，不会受到海浪、船舶等产生的噪声的影响，也不会受到自然光的干扰，也不用担心没有精确对准而接收不到信号，在浑浊嘈杂的的水下环境中优势十分明显，受多径效应和多普勒效应的影响远小于水声通信，在近距离的水下环境中，在允许的衰减范围内，射频通信的优势是显著的，但是水下无线射频通信的缺点是在水下的衰减明显，仅仅适合短距离水下通信。水下机器人在定位通信中需要高速通信，故水声通信完全不符合目前的需求，光通行和无线射频通信只在中距离和短距离水下通信中表现出明显优势，目前的水下通信系统均无法满足水下无缆机器人的定位通信，需要设计发明一种全新的水下通信系统来解决上述问题。
发明内容
为满足技术背景中的需求，本发明提供一种面向水下机器人定位的通信系统。
本发明的技术方案：
一种面向水下机器人定位的通信系统，包括定位通信阵列2和可携带通信收发器3；
所述的可携带通信收发器3包括长方体框架4、密封舱a5、密封舱固定环a6、光信号接收阵列12、密封舱b8、密封舱固定环b9、LED灯a10、密封舱c11、射频收发器a13、密封舱固定环c14、防震橡胶a15、防震橡胶b16、防震橡胶c17、螺丝孔a18、螺丝孔b19、承重不锈钢板a20和承重不锈钢b21；
长方体框架4为中空的长方体不锈钢边框结构，长方体框架4顶部和底部分别固定焊接有承重不锈钢板a20和承重不锈钢板b21，承重不锈钢板a20和承重不锈钢板b21上留有螺丝孔，用于固定密封舱a5、密封舱b8和密封舱c11；光信号接收阵列12密封于密封舱a5中，密封舱a5外层紧贴包裹一层防震橡胶a15，密封舱固定环a6将密封舱a5和防震橡胶a15固定于长方体框架4顶部的承重不锈钢板a20上，使得包裹防震橡胶a15的密封舱a5固定于长方体框架4内部顶层；射频收发器a13密封于密封舱b8中，密封舱b8外层紧贴包裹一层防震橡胶b16，密封舱固定环b9将密封舱b8和防震橡胶b16固定于长方体框架4底部的承重不锈钢板b21上，使得包裹防震橡胶b16的密封舱b8固定于长方体框架4内部底层；LED灯a10密封于密封舱c11中，密封舱c11外层紧贴包裹一层防震橡胶c17，密封舱固定环c14将密封舱c11和防震橡胶c17固定于长方体框架4底部的承重不锈钢板b21上，使得包裹防震橡胶c17的密封舱c11固定于长方体框架4内部底层；
定位通信阵列2由多个水下定位通信节点1组成，水下定位通信节点1包括长方体密封舱22、4块有机玻璃a23、4个密封舱法兰a24、4个光接收机b25、4个有机玻璃b26、4个LED灯b27、4个密封舱法兰b28、微控制器29、4个密封舱法兰c30、4个射频收发器b31和4个有机玻璃c32；水下定位通信节点1为一个长方体形状的装置，其前后左右四个面均有相同的结构；光接收机b25通过密封舱法兰a24和有机玻璃a23密封于长方体密封舱22中，有机玻璃a23与长方体密封舱22表面位于同一平面；微控制器29密封于长方体密封舱22内部；LED灯b27通过密封舱法兰b28和有机玻璃b26密封于长方体密封舱22中，有机玻璃b26与长方体密封舱22表面位于同一平面；射频收发器b31通过密封舱法兰c30和有机玻璃c32密封于长方体密封舱22中，有机玻璃c32与长方体密封舱22表面位于同一平面。
所述的长方体密封舱22包裹在多个水下定位通信节点1外部。
所述的水下定位通信节点1和可携带通信收发器3均有无线射频通信收发器和光通信收发器，能实现水下无线射频通信和水下光通信两种通信方式。
所述的密封舱a5、密封舱b8和密封舱c11均为5mm厚的亚克力圆柱密封舱管，能承受水下最大100米的压力。
所述的光信号接收阵列12由5个按十字架形状排列的光接收机a7组成，光信号接收阵列12通过分析5个光接收机a7接收到信号的相对强弱得到光源的相对方向。
所述的长方体密封舱22为5mm厚的亚克力长方体密封舱，能承受水下最大50米的压力。
所述的LED灯a10和LED灯b27发出0.45～0.55微米的蓝绿色光，蓝绿色光在水下衰减程度远远小于其他色光，在水下环境可传播几十到上百米。
本系统的有益效益：本系统采用水下光通信和水下无线射频通信两种通信方式结合，在不同距离使用不同通信方式能够最大限度地发挥两者的优势同时避免来两者的缺点，使得水下无缆机器人能够在较远距离获取水下定位节点的位置，靠近水下定位节点后实现高速通信，获取节点所在位置等信息。
附图说明
图1a为可携带通信收发器3的主视图；
图1b为可携带通信收发器3的左视图；
图1c为可携带通信收发器3的俯视图；
图1d为可携带通信收发器3的仰视图；
图2a为水下定位通信节点1的主视图；
图2b为水下定位通信节点1的左视图；
图2c为水下定位通信节点1的俯视图；
图3a为本系统通信流程图；
图3b为本系统通信流程图；
图3c为本系统通信流程图；
图4为水下定位通信节点1的电路连接图；
图中：1水下定位通信节点；2定位通信阵列；3可携带通信收发器；4长方体框架；5密封舱a；6密封舱固定环a；7光接收机a；8密封舱b；9密封舱固定环b；10LED灯a；11密封舱c；12光信号接收阵列；13射频收发器a；14密封舱固定环c；15防震橡胶a；16防震橡胶b；17防震橡胶c；18螺丝孔a；19螺丝孔b；20承重不锈钢板a；21承重不锈钢板b；22长方体密封舱；23有机玻璃a；24密封舱法兰a；25光接收机b；26有机玻璃b；27LED灯b；28密封舱法兰b；29微控制器；30密封舱法兰c；31射频收发器b；32有机玻璃c；33水下无缆机器人；34LED灯光；35无线射频。
具体实施方式
以下结合技术方案和说明书附图，进一步说明本发明的具体实施方式。
一种面向水下机器人定位的通信系统，由多个水下定位通信节点1组成的定位通信阵列2和可携带通信收发器3组成；
可携带通信收发器3由长方体框架4、密封舱a5、密封舱固定环a6、5个光接收机a7组成的光信号接收阵列12、密封舱b8、密封舱固定环b9、LED灯a10、密封舱c11、射频收发器a13、密封舱固定环c14、防震橡胶a15、防震橡胶b16、防震橡胶c17、螺丝孔a18、螺丝孔b19、承重不锈钢板a20和承重不锈钢b21组成；将5个光接收机a7按照十字架形状排列固定于密封舱a5内部，将密封好的密封舱a5外层包裹固定一层防震橡胶a15，用密封舱固定环a6和螺丝将包裹一层防震橡胶的密封舱a5固定于长方体框架4顶部的承重不锈钢板a20上，使用螺丝透过承重不锈钢板a20上的螺丝孔a18和螺丝孔b19将密封舱固定环a6固定，使得包裹防震橡胶a15的密封舱a5固定于长方体框架4内部顶层；将射频收发器a13密封于密封舱b8中，密封舱b8外层包裹一层防震橡胶b16，用密封舱固定环b9和螺丝将防震橡胶b16包裹的密封舱b8固定于长方体框架4底部的承重不锈钢板b21上，螺丝透过承重不锈钢板b21上的螺丝孔将密封舱固定环b9固定，使得防震橡胶b16包裹的密封舱b8固定于长方体框架4内部底层；将LED灯a10密封于密封舱c11中，密封舱c11外层包裹一层防震橡胶c17，使用密封舱固定环c14和螺丝将防震橡胶c17包裹的密封舱c11固定于长方体框架4底部的承重不锈钢板b21上，螺丝透过承重不锈钢板b21上的螺丝孔将密封舱固定环b9固定，使得防震橡胶c17包裹的密封舱c11固定于长方体框架4内部底层，完成可携带通信收发器3的组装。
水下定位通信节点1由长方体密封舱22、4块有机玻璃a23、4个密封舱法兰a24、4个光接收机b25、4个有机玻璃b26、4个LED灯b27、4个密封舱法兰b28、微控制器29、4个密封舱法兰c30、4个射频收发器b31和4个有机玻璃c32组成；水下定位通信节点1为一个长方体形状的装置，其前后左右四个面均有类似的结构，以下仅对前后左右面其中的前一面进行说明，其余面不再赘述；将光接收机b25通过密封舱法兰a24和有机玻璃a23密封于长方体密封舱22中，密封时有机玻璃a23与长方体密封舱22表面位于同一平面，接着将微控制器29密封于长方体密封舱22内部，将LED灯b27通过密封舱法兰b28和有机玻璃b26密封于长方体密封舱中，密封时有机玻璃b26与长方体密封舱22表面位于同一平面，将射频收发器b31通过密封舱法兰c30和有机玻璃c32密封于长方体密封舱中，密封时有机玻璃c32与长方体密封舱22表面位于同一平面，剩余三面组装和上述类似，不再赘述。水下定位通信节点1内部的电路连接图如图4所示，微控制器29分别直接与前后左右面的射频收发器、LED灯和光接收器相连，起总控制作用，连接完成后即完成一个水下定位通信节点的组装。
一种面向水下机器人定位的通信系统的实际工作流程如图3所示，首先将记录位置信息的控制程序烧写进水下定位通信节点的微控制器，多个水下定位通信节点按照位置信息固定布置到水下形成定位通信阵列2图中使用4个水下定位通信节点来表示，水下无缆机器人33挂载可携带通信收发器3在水下进行运动工作，水下无缆机器人33与可携带通信收发器3直接相连，水下无缆机器人33负责可携带通信收发器3的控制。
如图3a所示，以下使用定位通信阵列2其中的水下定位通信节点1进行说明水下定位通信节点1初始状态使用水下光通信方式关闭水下无线射频通信方式，水下定位通信节点1的微控制器29控制LED灯b27以特定频率闪动，向外传播该水下定位通信节点1的等待响应信号。当挂载可携带通信收发器3的水下无缆机器人33运动到LED灯光34范围内时，可携带通信收发器3的光信号接收阵列12接收到光信号后将光信号转为数字信号传给水下无缆机器人33。如果光信号接收阵列12不是从正面接收光源，5个按十字架形状排列的光接收机a7所接收到的光强就会不同，水下无缆机器人33根据上述差异数字信号进行机体调整使得可携带通信收发器3的光接收阵列12正面朝向光源。
如图3b所示，调整完成后水下无缆机器人33控制可携带通信收发器3的LED灯a10以特定频率闪动，将水下无缆机器人33对准动作完成的信息发送出去然后等待水下定位通信节点1的应答信号。水下定位通信节点1的光接收机b25接收到上述光信号后转为数字信号发送给微控制器29，微控制器29处理分析后控制LED灯b27以特定频率闪动，将应答信号发送出去同时开启水下无线射频通信方式，射频收发器b31进入工作模式侦听信号。光信号接收阵列12接收到上述水下定位通信节点1所发的应答信号后转为数字信号发送给水下无缆机器人33，水下无缆机器人33控制可携带通信收发器3开启水下无线射频通信方式，射频收发器a13发送射频信号并等待响应信号，同时水下无缆机器人33缓慢直线前进，在前进过程中射频收发器a13不停发送射频信号。当水下无缆机器人33和水下定位通信节点1的距离符合水下无线射频通信的距离后，射频收发器b31接收到射频收发器a13发送的射频信号，将该信号转为数字信号发送给微控制器29，微控制器29控制射频收发器b31发送响应信号。射频收发器a13接收到响应信号后转为数字信号发送给水下无缆机器人33，水下无缆机器人33停止前进，此时水下无缆机器人33和水下定位通信节点1可以发射无线射频35进行通信。
如图3c所示，水下无缆机器人33和水下定位通信节点1关闭水下光通信方式仅使用水下无线射频通信方式进行通信，水下无缆机器人33获取水下定位通信节点1存储信息后根据所获取信息进一步运动。水下定位通信节点1则在和水下无缆机器人33水下无线射频通信结束后关闭水下无线射频通信方式开启水下光通信方式，重新回到图3a的初始状态等待下一次水下无缆机器人33的靠近。

Claims (7)

1.一种面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，该面向水下机器人定位的通信系统包括定位通信阵列(2)和可携带通信收发器(3)；
所述的可携带通信收发器(3)包括长方体框架(4)、密封舱a(5)、密封舱固定环a(6)、光信号接收阵列(12)、密封舱b(8)、密封舱固定环b(9)、LED灯a(10)、密封舱c(11)、射频收发器a(13)、密封舱固定环c(14)、防震橡胶a(15)、防震橡胶b(16)、防震橡胶c(17)、螺丝孔a(18)、螺丝孔b(19)、承重不锈钢板a(20)和承重不锈钢b(21)；
长方体框架(4)为中空的长方体不锈钢边框结构，长方体框架(4)顶部和底部分别固定焊接有承重不锈钢板a(20)和承重不锈钢板b(21)，承重不锈钢板a(20)和承重不锈钢板b(21)上留有螺丝孔，用于固定密封舱a(5)、密封舱b(8)和密封舱c(11)；光信号接收阵列(12)密封于密封舱a(5)中，密封舱a(5)外层紧贴包裹一层防震橡胶a(15)，密封舱固定环a(6)将密封舱a(5)和防震橡胶a(15)固定于长方体框架(4)顶部的承重不锈钢板a(20)上，使得包裹防震橡胶a(15)的密封舱a(5)固定于长方体框架(4)内部顶层；射频收发器a(13)密封于密封舱b(8)中，密封舱b(8)外层紧贴包裹一层防震橡胶b(16)，密封舱固定环b(9)将密封舱b(8)和防震橡胶b(16)固定于长方体框架(4)底部的承重不锈钢板b(21)上，使得包裹防震橡胶b(16)的密封舱b(8)固定于长方体框架(4)内部底层；LED灯a(10)密封于密封舱c(11)中，密封舱c(11)外层紧贴包裹一层防震橡胶c(17)，密封舱固定环c(14)将密封舱c(11)和防震橡胶c(17)固定于长方体框架(4)底部的承重不锈钢板b(21)上，使得包裹防震橡胶c(17)的密封舱c(11)固定于长方体框架(4)内部底层；
定位通信阵列(2)由多个水下定位通信节点(1)组成，水下定位通信节点(1)，包括长方体密封舱(22)、4块有机玻璃a(23)、4个密封舱法兰a(24)、4个光接收机b(25)、4个有机玻璃b(26)、4个LED灯b(27)、4个密封舱法兰b(28)、微控制器(29)、4个密封舱法兰c(30)、4个射频收发器b(31)和4个有机玻璃c(32)；水下定位通信节点(1)为一个长方体形状的装置，其前后左右四个面均有相同的结构；光接收机b(25)通过密封舱法兰a(24)和有机玻璃a(23)密封于长方体密封舱(22)中，有机玻璃a(23)与长方体密封舱(22)表面位于同一平面；微控制器(29)密封于长方体密封舱(22)内部；LED灯b(27)通过密封舱法兰b(28)和有机玻璃b(26)密封于长方体密封舱(22)中，有机玻璃b(26)与长方体密封舱(22)表面位于同一平面；射频收发器b(31)通过密封舱法兰c(30)和有机玻璃c(32)密封于长方体密封舱(22)中，有机玻璃c(32)与长方体密封舱(22)表面位于同一平面；
所述的长方体密封舱(22)包裹在多个水下定位通信节点(1)外部；
所述的水下定位通信节点(1)和可携带通信收发器(3)均有无线射频通信收发器和光通信收发器，能实现水下无线射频通信和水下光通信两种通信方式。
2.根据权利要求1所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的密封舱a(5)、密封舱b(8)和密封舱c(11)均为5mm厚的亚克力圆柱密封舱管，能承受水下最大100米的压力。
3.根据权利要求1或2所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的光信号接收阵列(12)由5个按十字架形状排列的光接收机a(7)组成，光信号接收阵列(12)通过分析5个光接收机a(7)接收到信号的相对强弱得到光源的相对方向。
4.根据权利要求1或2所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的长方体密封舱(22)为5mm厚的亚克力长方体密封舱，能承受水下最大50米的压力。
5.根据权利要求3所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的长方体密封舱(22)为5mm厚的亚克力长方体密封舱，能承受水下最大50米的压力。
6.根据权利要求1、2或5所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的LED灯a(10)和LED灯b(27)发出0.45～0.55微米的蓝绿色光，蓝绿色光在水下衰减程度远远小于其他色光，在水下环境可传播几十到上百米。
7.根据权利要求3所述的面向水下机器人定位的通信系统，其特征在于，所述的LED灯a(10)和LED灯b(27)发出0.45～0.55微米的蓝绿色光，蓝绿色光在水下衰减程度远远小于其他色光，在水下环境可传播几十到上百米。
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