CN114040263A - 一种便携式超小型水下机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水下机器人的技术领域，公开了一种便携式超小型水下机器人系统，系统工作流程包括：水上控制终端开启Socket接口，监听水下机器人本体的连接请求；水上控制终端接收水下机器人本体的连接请求，并向水面通信浮标发送控制命令；水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体；水下机器人本体接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。本发明所公开系统采用水下线缆、水上无线方式实现机器人本体与控制终端之间的通信与控制，主要由水下机器人本体、水面通信浮标、水上控制终端以及交互软件组成。

Description

一种便携式超小型水下机器人系统
技术领域
本发明涉及水下机器人的技术领域，尤其涉及一种便携式超小型水下机器人系统。
背景技术
目前水下机器人具备水下探测和简单作业能力，但是整体平台设备繁琐，通过岸上多根线缆连接，需要携带较重的控制箱，只能通过固定操作实现控制；通过对水下机器人系统进行改进，实现一种基于串口通信的水下机器人平台，分别通过RS232接口和RS485实现控制端、转换器和水下机器人本体之间的数据传输。该改进系统虽然通信效果良好，但视频与数据、控制信号采用不同线缆，增加了成本，视频信号易受干扰；且小型水下机器人需要集成多种功能，通过远程控制可完成基本的侦察和清障任务，但是水下机器人系统的控制平台软件不够完善，无法实现多种功能的集成。
为解决超小型水下机器人成本高、操作不灵活等不足，本发明提出一种便携式小型水下机器人系统。系统分为水下机器人本体、水面通信浮标和控制终端3部分。通过搭建局域网方法，在本体中嵌入一个B/S架构的Web服务器，使用基于TCP协议的Socket编程完成数据传输，并将所有信号共用同一链路同时传输，最终通过以太网连接水下机器人实现控制。
本发明所提出的水下机器人系统实现水下视频信号、数据和控制命令一体化传输，利用陆上无线网络传输技术的便捷性，设计一种更加灵活方便的水面控制系统，可由手机或电脑控制，适用于个人在水下拍摄与观察。
发明内容
本发明提供一种便携式超小型水下机器人系统，所述水下机器人系统包括水上控制终端、水面通信浮标以及水下机器人本体，水上控制终端通过向水面通信浮标发送控制命令，水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体，水下机器人接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将测量的水下数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。
为实现上述目的，本发明提供的一种便携式超小型水下机器人系统，所述系统的工作流程包括：
S1：水上控制终端开启Socket接口，监听水下机器人本体的连接请求；
S2：水上控制终端接收水下机器人本体的连接请求，并向水面通信浮标发送控制命令；
S3：水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体；
S4：水下机器人本体接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。
作为本发明所提出系统的进一步改进流程：
所述S1步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序监听水下机器人本体的连接请求，包括：
使用Socket编程在水上控制终端中完成水面控制平台程序设计；所述水面控制平台软件设计包括操作水下机器人的人机交互界面和控制系统，是控制水下机器人的核心，并且基于最新的Web标准与微控制器配合使用，为系统提供远程机器人控制。工作时可以很快连接到移动设备、平板电脑和PC上，无需安装，在浏览器中可录制和观看视频以及遥测数据，可更改电机配置，增加游戏手柄、键盘和操纵杆控制选项，可添加插件，配置陀螺仪/加速度计以保证水下运动的稳定性；
将机器人本体投放在水下后，水上控制终端利用水面控制平台程序建立并初始化Scoket()函数，并将Scoket()函数通信设置为非阻塞，利用Scoket()函数在后台持续监听水下机器人本体的connect()请求。
所述S2步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序接收水下机器人本体的连接请求，包括：
水面控制平台程序监听到水下机器人本体的connect()请求，并调用accept()函数接收水下机器人本体的connect()请求，建立水面控制平台程序与水下机器人本体的connect()请求；
水面控制平台程序持续获取水下机器人本体通信模块的IP地址，并实时更新IP地址与水下机器人本体的域名映射关系；其中水上控制终端与水下机器人本体之间的传输协议为TCP/IP协议，建立连接之后，通过UDP维持长时间通信。
所述水下机器人本体由主控模块、传感器模块、电源模块和机械动力模块组成，其中控制模块主要负责接收水下传感器传送的数据，直接控制水下机器人硬件(推进器、LED灯、高清摄像头、摄像头微伺服、红外遥感)，是机器人控制中心，核心控制板包括BeagleBone Black开发板及Arduino Mega2560；
Arduino微控制器连接到Beagle Bone Black开发板，Beagle Bone Black开发板是水下机器人系统大脑，使用Node.js运行系统软件，接收命令并转发给水下机器人硬件，用户从控制端发送Beagle Bone Black开发板命令，由Arduino微控制器处理后执行；Arduino微控制器负责将电机命令转发到每个电机(速度/方向)，并接收遥测数据供用户在控制设备上查看，其中Arduino微控制器具有较高的时间精度，能有效处理脉冲宽度调制(PWM)信号。除Arduino微控制器外，还使用3个电动速度控制器(ESC)控制水下机器人本体中的电机，电子稳定控制系统可改变电子马达的速度和方向；
水下机器人的其它硬件包括推进器、LED灯、高清摄像头、摄像头微伺服、红外遥感、IMU姿态传感器和电池，其中Hitec HS-81伺服系统控制摄像头倾斜角度，使用无刷电机作为系统推进器，型号为Turnigy Aerodrive DST-700kv。
所述S2步骤中水上控制终端生成水下机器人的控制命令，包括：
建立水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器的事件驱动编程，所述事件驱动程序是为响应用户或系统生成的操作而编写的程序，这些动作包括点击鼠标、按键或移动操纵杆，其中水上控制终端包括用于控制机器人运动的手柄，以及用于显示控制界面的手机或PC，对手柄按键进行编码控制；
根据水面控制平台程序与水下机器人本体之间的connect()请求，建立水面控制平台程序、水面通信浮标以及水下机器人本体之间的网络连接，所述水面通信浮标中的无线路由器通过AP模式将水上控制终端接入局域网，把有线网络转换为无线网络，使用DHCP与水下机器人以太网连接；用户在水面控制平台程序中利用手柄控制水下机器人本体的动作，生成对应动作的控制命令信号流，所述水下机器人本体的动作包括移动、开启/关闭视频录制、加速/减速；其中控制命令信号流中包括水下机器人本体的IP地址以及对水下机器人本体进行控制的操作命令。
所述水面通信浮标主要由顶部通信盒、无线路由器、显示和操作的终端设备组成。顶部通信盒组件包含电源管理模块和以太网通信模块，主要负责将锂电池输出电压分别转换为12V、5V和3.3V，为水下潜体各种设备器件进行供电，并提供以太网RJ-45接口与无线路由器进行通信；其中水面通信浮标通过线缆与水下机器人本体连接。
所述S2步骤中建立水下传感器网络，水上控制终端利用水下传感器网络向水面通信浮标发送控制命令，包括：
在水上控制终端到水面通信浮标之间的水面区域设置若干水下传感器，并将水面通信浮标作为目标节点；将水上控制终端到水面通信浮标之间的距离L均分为d段，每一段的长度为L/d，将分割后每一段区域内的水下传感器作为区域内的节点，若当前区域内不存在水下传感器，则将该区域合并到邻近区域，得到n层的水下无线网络分层模型，其中n≤d；
实时计算每层水下无线网络区域内节点的value值：
Figure BDA0003337628220000031
其中：
value(i,j)表示第i层水下无线网络中节点j的value值；
er(j)表示节点j的剩余能量；
e0(j)表示节点j的初始能量；
d(j,s)表示节点j到目标节点s的距离；
mj表示节点j的邻居节点数量；
在每层水下无线网络区域中实时选择value值最大的节点作为该层的簇头节点；
建立簇头节点的传输路由表，每层的簇头节点hc将更靠近目标节点的簇头节点信息存储到自身的路由表中，所述簇头节点信息包括簇头节点的剩余能量以及距离信息；
将水上控制终端作为初始节点，初始节点选择邻近水下无线区域的簇头节点传输控制命令信号流，接收到控制命令信号流的簇头节点计算路由表中存储的簇头节点的路由值：
Figure BDA0003337628220000032
其中：
α(p)表示簇头节点p的路由值；
er(p)表示簇头节点p的剩余能量；
eu(p)表示簇头节点p上一次作为簇头节点的能量损失；
接收到控制命令信号流的簇头节点选择路由值最大的簇头节点传输控制命令信号流，若簇头节点的路由表为空，则直接将控制命令信号流传输到目标节点，即水面通信浮标。
所述S3步骤中水面通信浮标将接收到的控制命令发送到水下机器人本体，包括：
水下机器人本体的DHCP服务器分发IP地址并充当DNS服务器；
水面通信浮标接收到到水上控制终端传输的控制命令信号流，并从控制命令信号流中解析出发送的水下机器人本体的IP地址，利用线缆逐帧将接收到的控制命令信号流转发到对应IP地址的水下机器人本体，在发送前用指针存放实际值，把控制命令信号流分为若干字节再打包发送，接收时再还原，其中每一帧数据包含一个字节；所述水面通信浮标与水上控制终端的通信协议相同。
所述S4步骤中水下机器人接收到控制命令，按照控制命令执行运动动作，包括：
水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器接收到控制命令信号流，根据水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器之间的事件驱动编程，Arduino微控制器根据控制命令信号流中的水下机器人本体的动作执行策略，控制水下机器人本体的3个推进器实现水下机器人上升、下降、前进、左移和右移运动；所述水下机器人本体的水平方向布局两个推进器，分别为左舷马达和右舷马达，垂直方向布局一个推进器。
所述S4步骤中水下机器人在运动过程中根据控制命令中的摄像头开启命令，拍摄水下视频，并利用传感器测量水下数据，将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端，包括：
水下机器人本体在运动过程中根据控制命令信号流中的摄像头开启命令，开启水下机器人本体的高清摄像头，拍摄水下视频；
水下机器人本体在运动过程中实时使用传感器测量水下数据，所述传感器包括姿态传感器以及压力传感器，姿态传感器型号为IMU:BNO055，压力传感器为MS5837，传感器最大工作压力为30bar，拥有自动校准罗盘功能，适用于磁北优化的IMU输出，可以平滑显示滚动和俯仰；传感器所测量的数据通过I2C串行总线发送到水下机器人的MCU微控制单元中，当水下机器人本体接收到的控制命令信号流中存在测量命令时，水下机器人本体则调用I2C串行总线，调用I2C串行总线的流程为：Wire.begin(adderss)初始化MCU微控制单元地址，请求数据发送，使用wire.read()读取传感器中发送的数据；调用Transmission()建立传感器与MCU微控制单元的连接，执行程序后调用write()发送水下测量数据至MCU微控制单元，最终得到传感器测得的水下测量数据，所述水下测量数据包括：水下机器人深度、导航航向、水温和加速度计/陀螺仪遥测。
水下机器人本体将自身的IP地址、拍摄的水下视频以及水下测量数据打包，并利用水下机器人本体与水面通信浮标之间的线缆将打包后的数据包传输到水面通信浮标，水面通信浮标采用串口服务器将数据包转换为以太网信号，通过无线传输的方式将以太网信号传输到水上控制终端，水上控制终端对以太网信号进行解析，解析得到水下视频信号和水下测量数据信号，并将水下视频信号和水下测量数据信号显示在水上控制终端上，同时更新IP地址与水下机器人本体之间的域名关联。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种便携式超小型水下机器人系统，所述水下机器人系统包括：
水下机器人系统整体框架采用水下线缆、水上无线方式实现机器人本体与控制终端之间的通信与控制，主要由水下机器人本体、水面通信浮标、水上控制终端以及交互软件组成；
水下机器人本体通过接收经过水面通信浮标转化后的控制命令完成水下运动，并将视频信号和数据信号传输至通信浮标并显示在终端设备上；
水面通信浮标放置于水面，通过线缆与机器人本体连接，以无线方式与终端设备连接，负责本体与控制终端的协议转换、信号处理与转发；
水上控制终端负责接收视频与传感器数据，并控制机器人运动和摄像头拍摄。
相对于现有技术，本发明提出一种便携式超小型水下机器人系统，该技术具有以下优势：
首先，本方案公开了一套便携式超小型水下机器人系统，通过在机器人本体中嵌入一个B/S架构的Web服务器，服务器在工作时可以很快连接到移动设备、平板电脑和PC上，无需安装，在浏览器中可录制和观看视频以及遥测数据，可更改电机配置，增加游戏手柄、键盘和操纵杆控制选项，可添加插件，配置陀螺仪/加速度计以保证水下运动的稳定性。同时本方案基于TCP协议进行Socket编程完成数据传输，使用数据和控制命令一体化传输和无线网络传输方法实现水下机器人通信与控制。研究表明，在硬件结构简单的情况下，建立局域网能有效实现水下机器人通信。与其它平台相比，本方案所公开的水下机器人具有体积小、成本低、便于携带、易于操作等特点，适于不同操作系统的终端设备，无需使用体积较大的控制箱。
同时，本方案提出一种水下无线通信方法，通过在水上控制终端到水面通信浮标之间的水面区域设置若干水下传感器，并将水面通信浮标作为目标节点；将水上控制终端到水面通信浮标之间的距离L均分为d段，每一段的长度为L/d，将分割后每一段区域内的水下传感器作为区域内的节点，若当前区域内不存在水下传感器，则将该区域合并到邻近区域，得到n层的水下无线网络分层模型，其中n≤d；实时计算每层水下无线网络区域内节点的value值：
Figure BDA0003337628220000041
其中：value(i,j)表示第i层水下无线网络中节点j的value值；er(j)表示节点j的剩余能量；e0(j)表示节点j的初始能量；d(j,s)表示节点j到目标节点s的距离；mj表示节点j的邻居节点数量；在每层水下无线网络区域中实时选择value值最大的节点作为该层的簇头节点；建立簇头节点的传输路由表，每层的簇头节点hc将更靠近目标节点的簇头节点信息存储到自身的路由表中，所述簇头节点信息包括簇头节点的剩余能量以及距离信息；将水上控制终端作为初始节点，初始节点选择邻近水下无线区域的簇头节点传输控制命令信号流，接收到控制命令信号流的簇头节点计算路由表中存储的簇头节点的路由值：
Figure BDA0003337628220000051
其中：α(p)表示簇头节点p的路由值；er(p)表示簇头节点p的剩余能量；eu(p)表示簇头节点p上一次作为簇头节点的能量损失；接收到控制命令信号流的簇头节点选择路由值最大的簇头节点传输控制命令信号流，若簇头节点的路由表为空，则直接将控制命令信号流传输到目标节点，即水面通信浮标。相较于传统方案，本方案对水下无线网络进行分层处理，每层实时选择传感器节点剩余能量越多，离水面通信浮标更近的传感器节点传感器节点作为通信传输的簇头节点，保障了控制命令的高效传输。
最后，本方案建立水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器的事件驱动编程，所述事件驱动程序是为响应用户或系统生成的操作而编写的程序，这些动作包括点击鼠标、按键或移动操纵杆，其中水上控制终端包括用于控制机器人运动的手柄，以及用于显示控制界面的手机或PC，对手柄按键进行编码控制；虽然水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器采取了不同的编程语言进行编程开发，本方案通过事件驱动编程设计使得水面控制平台程序的控制命令信号流能准确被Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器识别，从而控制水下机器人本体的水下运动，并根据水下机器人本体与IP地址的映射关系，水面控制平台程序可创建带有水下机器人IP地址的控制命令命令流，实现指定水下机器人本体的操控。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种便携式超小型水下机器人系统的工作流程示意图；
图2为本发明一实施例提供的便携式超小型水下机器人系统的内部结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的通信结构示意图；
图4为系统终端、BBB和Arduino微控制器之间的软件工作流程；
图5为本发明一实施例提供的水上控制终端中水面控制平台程序流程图；
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
水下机器人系统包括水上控制终端、水面通信浮标以及水下机器人本体，水上控制终端通过向水面通信浮标发送控制命令，水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体，水下机器人接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将测量的水下数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。参照图1所示，为本发明一实施例提供的便携式超小型水下机器人系统的工作流程示意图。
实施例1：
S1：水上控制终端开启Socket接口，监听水下机器人本体的连接请求。
所述S1步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序监听水下机器人本体的连接请求，包括：
使用Socket编程在水上控制终端中完成水面控制平台程序设计；所述水面控制平台软件设计包括操作水下机器人的人机交互界面和控制系统，是控制水下机器人的核心，并且基于最新的Web标准与微控制器配合使用，为系统提供远程机器人控制。工作时可以很快连接到移动设备、平板电脑和PC上，无需安装，在浏览器中可录制和观看视频以及遥测数据，可更改电机配置，增加游戏手柄、键盘和操纵杆控制选项，可添加插件，配置陀螺仪/加速度计以保证水下运动的稳定性；
将机器人本体投放在水下后，水上控制终端利用水面控制平台程序建立并初始化Scoket()函数，并将Scoket()函数通信设置为非阻塞，利用Scoket()函数在后台持续监听水下机器人本体的connect()请求。
S2：水上控制终端接收水下机器人本体的连接请求，并向水面通信浮标发送控制命令。
所述S2步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序接收水下机器人本体的连接请求，包括：
水面控制平台程序监听到水下机器人本体的connect()请求，并调用accept()函数接收水下机器人本体的connect()请求，建立水面控制平台程序与水下机器人本体的connect()请求；
水面控制平台程序持续获取水下机器人本体通信模块的IP地址，并实时更新IP地址与水下机器人本体的域名映射关系；其中水上控制终端与水下机器人本体之间的传输协议为TCP/IP协议，建立连接之后，通过UDP维持长时间通信。
所述水下机器人本体由主控模块、传感器模块、电源模块和机械动力模块组成，其中控制模块主要负责接收水下传感器传送的数据，直接控制水下机器人硬件(推进器、LED灯、高清摄像头、摄像头微伺服、红外遥感)，是机器人控制中心，核心控制板包括BeagleBone Black开发板及Arduino Mega2560；
Arduino微控制器连接到Beagle Bone Black开发板，Beagle Bone Black开发板是水下机器人系统大脑，使用Node.js运行系统软件，接收命令并转发给水下机器人硬件，用户从控制端发送Beagle Bone Black开发板命令，由Arduino微控制器处理后执行；Arduino微控制器负责将电机命令转发到每个电机(速度/方向)，并接收遥测数据供用户在控制设备上查看，其中Arduino微控制器具有较高的时间精度，能有效处理脉冲宽度调制(PWM)信号。除Arduino微控制器外，还使用3个电动速度控制器(ESC)控制水下机器人本体中的电机，电子稳定控制系统可改变电子马达的速度和方向；
水下机器人的其它硬件包括推进器、LED灯、高清摄像头、摄像头微伺服、红外遥感、IMU姿态传感器和电池，其中Hitec HS-81伺服系统控制摄像头倾斜角度，使用无刷电机作为系统推进器，型号为Turnigy Aerodrive DST-700kv。
所述S2步骤中水上控制终端生成水下机器人的控制命令，包括：
建立水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器的事件驱动编程，所述事件驱动程序是为响应用户或系统生成的操作而编写的程序，这些动作包括点击鼠标、按键或移动操纵杆，其中水上控制终端包括用于控制机器人运动的手柄，以及用于显示控制界面的手机或PC，对手柄按键进行编码控制；
根据水面控制平台程序与水下机器人本体之间的connect()请求，建立水面控制平台程序、水面通信浮标以及水下机器人本体之间的网络连接，所述水面通信浮标中的无线路由器通过AP模式将水上控制终端接入局域网，把有线网络转换为无线网络，使用DHCP与水下机器人以太网连接；用户在水面控制平台程序中利用手柄控制水下机器人本体的动作，生成对应动作的控制命令信号流，所述水下机器人本体的动作包括移动、开启/关闭视频录制、加速/减速；其中控制命令信号流中包括水下机器人本体的IP地址以及对水下机器人本体进行控制的操作命令。
所述水面通信浮标主要由顶部通信盒、无线路由器、显示和操作的终端设备组成。顶部通信盒组件包含电源管理模块和以太网通信模块，主要负责将锂电池输出电压分别转换为12V、5V和3.3V，为水下潜体各种设备器件进行供电，并提供以太网RJ-45接口与无线路由器进行通信；其中水面通信浮标通过线缆与水下机器人本体连接。
S3：水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体。
所述S3步骤中水面通信浮标将接收到的控制命令发送到水下机器人本体，包括：
水下机器人本体的DHCP服务器分发IP地址并充当DNS服务器；
水面通信浮标接收到到水上控制终端传输的控制命令信号流，并从控制命令信号流中解析出发送的水下机器人本体的IP地址，利用线缆逐帧将接收到的控制命令信号流转发到对应IP地址的水下机器人本体，在发送前用指针存放实际值，把控制命令信号流分为若干字节再打包发送，接收时再还原，其中每一帧数据包含一个字节；所述水面通信浮标与水上控制终端的通信协议相同。
S4：水下机器人本体接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。
所述S4步骤中水下机器人接收到控制命令，按照控制命令执行运动动作，包括：
水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器接收到控制命令信号流，根据水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器之间的事件驱动编程，Arduino微控制器根据控制命令信号流中的水下机器人本体的动作执行策略，控制水下机器人本体的3个推进器实现水下机器人上升、下降、前进、左移和右移运动；所述水下机器人本体的水平方向布局两个推进器，分别为左舷马达和右舷马达，垂直方向布局一个推进器。
所述S4步骤中水下机器人在运动过程中根据控制命令中的摄像头开启命令，拍摄水下视频，并利用传感器测量水下数据，将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端，包括：
水下机器人本体在运动过程中根据控制命令信号流中的摄像头开启命令，开启水下机器人本体的高清摄像头，拍摄水下视频；
水下机器人本体在运动过程中实时使用传感器测量水下数据，所述传感器包括姿态传感器以及压力传感器，姿态传感器型号为IMU:BNO055，压力传感器为MS5837，传感器最大工作压力为30bar，拥有自动校准罗盘功能，适用于磁北优化的IMU输出，可以平滑显示滚动和俯仰；传感器所测量的数据通过I2C串行总线发送到水下机器人的MCU微控制单元中，当水下机器人本体接收到的控制命令信号流中存在测量命令时，水下机器人本体则调用I2C串行总线，调用I2C串行总线的流程为：Wire.begin(adderss)初始化MCU微控制单元地址，请求数据发送，使用wire.read()读取传感器中发送的数据；调用Transmission()建立传感器与MCU微控制单元的连接，执行程序后调用write()发送水下测量数据至MCU微控制单元，最终得到传感器测得的水下测量数据，所述水下测量数据包括：水下机器人深度、导航航向、水温和加速度计/陀螺仪遥测。
水下机器人本体将自身的IP地址、拍摄的水下视频以及水下测量数据打包，并利用水下机器人本体与水面通信浮标之间的线缆将打包后的数据包传输到水面通信浮标，水面通信浮标采用串口服务器将数据包转换为以太网信号，通过无线传输的方式将以太网信号传输到水上控制终端，水上控制终端对以太网信号进行解析，解析得到水下视频信号和水下测量数据信号，并将水下视频信号和水下测量数据信号显示在水上控制终端上，同时更新IP地址与水下机器人本体之间的域名关联。
实施例2：
本实施例与实施例1基本相同，区别在于：
S2：水上控制终端接收水下机器人本体的连接请求，并向水面通信浮标发送控制命令。
所述S2步骤中建立水下传感器网络，水上控制终端利用水下传感器网络向水面通信浮标发送控制命令，包括：
在水上控制终端到水面通信浮标之间的水面区域设置若干水下传感器，并将水面通信浮标作为目标节点；将水上控制终端到水面通信浮标之间的距离L均分为d段，每一段的长度为L/d，将分割后每一段区域内的水下传感器作为区域内的节点，若当前区域内不存在水下传感器，则将该区域合并到邻近区域，得到n层的水下无线网络分层模型，其中n≤d；
实时计算每层水下无线网络区域内节点的value值：
Figure BDA0003337628220000081
其中：
value(i,j)表示第i层水下无线网络中节点j的value值；
er(j)表示节点j的剩余能量；
e0(j)表示节点j的初始能量；
d(j,s)表示节点j到目标节点s的距离；
mj表示节点j的邻居节点数量；
在每层水下无线网络区域中实时选择value值最大的节点作为该层的簇头节点；
建立簇头节点的传输路由表，每层的簇头节点hc将更靠近目标节点的簇头节点信息存储到自身的路由表中，所述簇头节点信息包括簇头节点的剩余能量以及距离信息；
将水上控制终端作为初始节点，初始节点选择邻近水下无线区域的簇头节点传输控制命令信号流，接收到控制命令信号流的簇头节点计算路由表中存储的簇头节点的路由值：
Figure BDA0003337628220000082
其中：
α(p)表示簇头节点p的路由值；
er(p)表示簇头节点p的剩余能量；
eu(p)表示簇头节点p上一次作为簇头节点的能量损失；
接收到控制命令信号流的簇头节点选择路由值最大的簇头节点传输控制命令信号流，若簇头节点的路由表为空，则直接将控制命令信号流传输到目标节点，即水面通信浮标。
参照图2所示，为本发明一实施例提供的便携式超小型水下机器人系统的内部结构示意图。在本发明所述系统结构中，系统整体框架采用水下线缆、水上无线方式实现机器人本体与控制终端之间的通信与控制，主要由水下机器人本体、水面通信浮标、水上控制终端以及交互软件组成，系统整体架构如图2所示。水下机器人本体通过接收经过水面通信浮标转化后的控制命令完成水下运动，并将视频信号和数据信号传输至通信浮标并显示在终端设备上。通信浮标放置于水面，通过线缆与机器人本体连接，以无线方式与终端设备连接，负责本体与控制终端的协议转换、信号处理与转发。水上控制终端负责接收视频与传感器数据，并控制机器人运动和摄像头拍摄。
参考图3所示，为本发明一实施例提供的通信结构示意图。水下机器人本体通过100m的轻型系绳与水面通信浮标连接建立通信，将系绳转换为以太网电缆连接无线模块，以便轻松连接到控制端，其中系绳线通过使用接口板和USB电缆转换为以太网电缆。缆绳在本体和控制端之间来回传输数据，包括测量数据和视频以及操作命令。为实现视频信号、数据和命令一体化传输系统，在水面平台和机器人本体之间搭建一个局域网，将视频信号、传感器采集的数据、控制信号共用同一链路同时传输，减少系统线缆和视频电路硬件。视频信号经过水面通信浮标处理后传输至终端设备，处理数据信号时采用串口服务器将主控制器输出转化为以太网信号，然后通过通信浮标传输到终端设备，最后将控制命令处理后发送到串口服务器，转换为串口信号传输到主控制器。终端设备与水下机器人本体IP地址建立连接，即可与该设备建立通信，对水下潜体进行控制。
在本实施例中，系统硬件核心主要是BBB及以Arduino Mega2560为核心的主控板，这两个硬件核心编程语言并不相同，其中Beagle Bone Black整体使用Node.js开发，而Arduino Mega2560主要开发语言为C或C++。为了让BBB请求Arduino执行命令，必须在客户端、BBB和Arduino微控制器之间建立事件驱动编程。通俗地说，事件驱动程序是为响应用户或系统生成的操作而编写的程序，这些动作包括点击鼠标、按键或移动操纵杆。水下机器人系统的客户端、BBB和Arduino微控制器都以不同语言运行，图4为系统客户端、BBB和Arduino微控制器之间的简单信号流。每个事件循环包含多个代码文件，用于定义用户触发的函数和任务，执行某些代码文件，如按键含义、电机状态、马达输出功率等。
参考图5所示，为本发明一实施例提供的水上控制终端中水面控制平台程序流程图。水面控制平台软件功能包括操作水下机器人的人机交互界面和控制系统，是控制水下机器人的核心，并且基于最新的Web标准与微控制器配合使用，为系统提供远程机器人控制。工作时可以很快连接到移动设备、平板电脑和PC上，无需安装，在浏览器中可录制和观看视频以及遥测数据，可更改电机配置，增加游戏手柄、键盘和操纵杆控制选项，可添加插件，配置陀螺仪/加速度计以保证水下运动的稳定性。
需要说明的是，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。并且本文中的术语“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、装置、物品或者方法不仅包括那些要素，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、装置、物品或者方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、装置、物品或者方法中还存在另外的相同要素。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干命令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述系统的工作流程包括：
S1：水上控制终端开启Socket接口，监听水下机器人本体的连接请求；
S2：水上控制终端接收水下机器人本体的连接请求，并向水面通信浮标发送控制命令；
S3：水面通信浮标对所接收的控制命令进行处理并转发到水下机器人本体；
S4：水下机器人本体接收到控制命令，依照控制命令进行水下运动以及摄像头拍摄，并将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端。
2.如权利要求1所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S1步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序监听水下机器人本体的连接请求，包括：
使用Socket编程在水上控制终端中完成水面控制平台程序设计；
将机器人本体投放在水下后，水上控制终端利用水面控制平台程序建立并初始化Scoket()函数，并将Scoket()函数通信设置为非阻塞，利用Scoket()函数在后台持续监听水下机器人本体的connect()请求。
3.如权利要求2所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S2步骤中水上控制终端利用水面控制平台程序接收水下机器人本体的连接请求，包括：
水面控制平台程序监听到水下机器人本体的connect()请求，并调用accept()函数接收水下机器人本体的connect()请求，建立水面控制平台程序与水下机器人本体的connect()请求；
水面控制平台程序持续获取水下机器人本体通信模块的IP地址，并实时更新IP地址与水下机器人本体的域名映射关系；其中水上控制终端与水下机器人本体之间的传输协议为TCP/IP协议，建立连接之后，通过UDP维持长时间通信。
4.如权利要求3所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S2步骤中水上控制终端生成水下机器人的控制命令，包括：
建立水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器的事件驱动编程，所述事件驱动程序是为响应用户或系统生成的操作而编写的程序，这些动作包括点击鼠标、按键或移动操纵杆，其中水上控制终端包括用于控制机器人运动的手柄，以及用于显示控制界面的手机或PC，对手柄按键进行编码控制；
根据水面控制平台程序与水下机器人本体之间的connect()请求，建立水面控制平台程序、水面通信浮标以及水下机器人本体之间的网络连接，用户在水面控制平台程序中利用手柄控制水下机器人本体的动作，生成对应动作的控制命令信号流，所述水下机器人本体的动作包括移动、开启/关闭视频录制、加速/减速；其中控制命令信号流中包括水下机器人本体的IP地址以及对水下机器人本体进行控制的操作命令。
5.如权利要求4所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S2步骤中建立水下传感器网络，水上控制终端利用水下传感器网络向水面通信浮标发送控制命令，包括：
在水上控制终端到水面通信浮标之间的水面区域设置若干水下传感器，并将水面通信浮标作为目标节点；将水上控制终端到水面通信浮标之间的距离L均分为d段，每一段的长度为L/d，将分割后每一段区域内的水下传感器作为区域内的节点，若当前区域内不存在水下传感器，则将该区域合并到邻近区域，得到n层的水下无线网络分层模型，其中n≤d；
实时计算每层水下无线网络区域内节点的value值：
Figure FDA0003337628210000011
其中：
value(i,j)表示第i层水下无线网络中节点j的value值；
er(j)表示节点j的剩余能量；
e0(j)表示节点j的初始能量；
d(j,s)表示节点j到目标节点s的距离；
mj表示节点j的邻居节点数量；
在每层水下无线网络区域中实时选择value值最大的节点作为该层的簇头节点；
建立簇头节点的传输路由表，每层的簇头节点hc将更靠近目标节点的簇头节点信息存储到自身的路由表中，所述簇头节点信息包括簇头节点的剩余能量以及距离信息；
将水上控制终端作为初始节点，初始节点选择邻近水下无线区域的簇头节点传输控制命令信号流，接收到控制命令信号流的簇头节点计算路由表中存储的簇头节点的路由值：
Figure FDA0003337628210000021
其中：
α(p)表示簇头节点p的路由值；
er(p)表示簇头节点p的剩余能量；
eu(p)表示簇头节点p上一次作为簇头节点的能量损失；
接收到控制命令信号流的簇头节点选择路由值最大的簇头节点传输控制命令信号流，若簇头节点的路由表为空，则直接将控制命令信号流传输到目标节点，即水面通信浮标。
6.如权利要求5所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S3步骤中水面通信浮标将接收到的控制命令发送到水下机器人本体，包括：
水下机器人本体的DHCP服务器分发IP地址并充当DNS服务器；
水面通信浮标接收到到水上控制终端传输的控制命令信号流，并从控制命令信号流中解析出发送的水下机器人本体的IP地址，利用线缆逐帧将接收到的控制命令信号流转发到对应IP地址的水下机器人本体，在发送前用指针存放实际值，把控制命令信号流分为若干字节再打包发送，接收时再还原，其中每一帧数据包含一个字节；所述水面通信浮标与水上控制终端的通信协议相同。
7.如权利要求6所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S4步骤中水下机器人接收到控制命令，按照控制命令执行运动动作，包括：
水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器接收到控制命令信号流，根据水面控制平台程序、水下机器人本体的Beagle Bone Black开发板以及Arduino微控制器之间的事件驱动编程，Arduino微控制器根据控制命令信号流中的水下机器人本体的动作执行策略，控制水下机器人本体的3个推进器实现水下机器人上升、下降、前进、左移和右移运动。
8.如权利要求7所述的一种便携式超小型水下机器人系统，其特征在于，所述S4步骤中水下机器人在运动过程中根据控制命令中的摄像头开启命令，拍摄水下视频，并利用传感器测量水下数据，将水下测量数据以及拍摄的视频通过水面通信浮标传输到水上控制终端，包括：
水下机器人本体在运动过程中根据控制命令信号流中的摄像头开启命令，开启水下机器人本体的高清摄像头，拍摄水下视频；
水下机器人本体在运动过程中实时使用传感器测量水下数据，所述传感器包括姿态传感器以及压力传感器；传感器所测量的数据通过I2C串行总线发送到水下机器人的MCU微控制单元中，当水下机器人本体接收到的控制命令信号流中存在测量命令时，水下机器人本体则调用I2C串行总线，调用I2C串行总线的流程为：Wire.begin(adderss)初始化MCU微控制单元地址，请求数据发送，使用wire.read()读取传感器中发送的数据；调用Transmission()建立传感器与MCU微控制单元的连接，执行程序后调用write()发送水下测量数据至MCU微控制单元，最终得到传感器测得的水下测量数据；
水下机器人本体将自身的IP地址、拍摄的水下视频以及水下测量数据打包，并利用水下机器人本体与水面通信浮标之间的线缆将打包后的数据包传输到水面通信浮标，水面通信浮标采用串口服务器将数据包转换为以太网信号，通过无线传输的方式将以太网信号传输到水上控制终端，水上控制终端对以太网信号进行解析，解析得到水下视频信号和水下测量数据信号，并将水下视频信号和水下测量数据信号显示在水上控制终端上，同时更新IP地址与水下机器人本体之间的域名关联。
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