CN117527858A - 一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 - Google Patents
一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117527858A CN117527858A CN202410004028.6A CN202410004028A CN117527858A CN 117527858 A CN117527858 A CN 117527858A CN 202410004028 A CN202410004028 A CN 202410004028A CN 117527858 A CN117527858 A CN 117527858A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- interface
- underwater
- communication
- universal
- signal transmission
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 title claims abstract description 62
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 108
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 42
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 39
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 33
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 29
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 25
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 11
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 5
- 230000011664 signaling Effects 0.000 claims 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 abstract description 5
- 230000009466 transformation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 21
- 230000006870 function Effects 0.000 description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 6
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 6
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 2
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000009429 electrical wiring Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 description 1
- 230000008450 motivation Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L67/00—Network arrangements or protocols for supporting network services or applications
- H04L67/01—Protocols
- H04L67/12—Protocols specially adapted for proprietary or special-purpose networking environments, e.g. medical networks, sensor networks, networks in vehicles or remote metering networks
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J13/00—Controls for manipulators
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
- H01R13/46—Bases; Cases
- H01R13/52—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
- H01R13/46—Bases; Cases
- H01R13/52—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
- H01R13/521—Sealing between contact members and housing, e.g. sealing insert
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R13/00—Details of coupling devices of the kinds covered by groups H01R12/70 or H01R24/00 - H01R33/00
- H01R13/46—Bases; Cases
- H01R13/52—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases
- H01R13/523—Dustproof, splashproof, drip-proof, waterproof, or flameproof cases for use under water
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
- H01R24/00—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure
- H01R24/66—Two-part coupling devices, or either of their cooperating parts, characterised by their overall structure with pins, blades or analogous contacts and secured to apparatus or structure, e.g. to a wall
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
- H04L69/08—Protocols for interworking; Protocol conversion
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
- H04L69/00—Network arrangements, protocols or services independent of the application payload and not provided for in the other groups of this subclass
- H04L69/18—Multiprotocol handlers, e.g. single devices capable of handling multiple protocols
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Computer Security & Cryptography (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
- Small-Scale Networks (AREA)
Abstract
本发明属于机器人控制技术领域，公开了一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统及方法，硬件匹配接口设计了十三芯通用拓展接口，通信适配接口设计了以太网多节点通信架构，电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路。本发明通过采用分布式通信架构、局域网数据交换机制和通用拓展接口兼容支持多种接口形式和通信协议，实现了多节点的互联互通，提高了通信系统的灵活性和可扩展性。内部模块接入多种开关电源转换和通信协议转换芯片，以满足不同仪器的电气需求和传输要求，能够有效提高水下信号传输系统的性能和可靠性。同时，十三芯通用拓展接口为水下机器人的多种仪器设备的接入提供了通用接口，降低了二次改造成本和时间。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制技术领域，尤其涉及一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统、方法及设备。
背景技术
目前，水下机器人在进行作业时，往往需要通过脐带缆与甲板上位机连接，以此实现甲板端操作人员远程遥控、数据传输、监测控制，尤其是机器人挂载的摄像头、灯、云台、机械手、海洋仪器等，均须通过此通道实时交互信息至上位机。有线信号传输属于物理连接，需机械－电气－通信适配，才能完成高精度、低时延和大带宽的数据传输，从而确保数据传输的可靠性和稳定性。
在水下机器人信号传输装置设计中，接口专用性较高，通常不支持仪器混用。由于水下仪器信号输入源的形式多样，不同的信号输入源需要采用不同的通信协议和硬件接口，因此系统的定制化程度较高，通用性较差，甚至是同品牌不同型号的网络摄像头，也会因供电电压不同、是否需要POE接口及传输带宽的不同而有不同的接口需求。如果需要对现有舱体进行信号源的类型和数量改造，就需要进行拆舱，并对内部功能模块进行调整，甚至是端盖接插件类型也需要调整，重新开舱和重新安装舱体会引入新的密封问题，例如连接点和接口处的漏水问题，需要进行专门的检查和处理，成本较高。
通用可扩展接口是一种创新的有线连接接口设计，它允许以原先舱体级联下一级通信舱体的方式扩展原有接口，使得水下机器人可以支持不同类型的电子设备和系统，支持分布式模块化设计，而不需要对原舱体进行大规模的改动。这种装置可以使得不同功能的水下机器人在电子舱体方面具有更高的通用性和灵活性，同时也可以节省设计和制造成本，提高生产效率。
未来，随着水下机器人应用领域的不断扩展和技术的不断发展，水下通信装置将需要具备更高的性能和可靠性，兼容适配各类仪器的接口需求。因此，针对不同的应用需求，研发更加智能化、高效率、低成本的信号传输系统将成为研究的热点之一。例如申请号：201680072818.1 水下通信方法；申请号：202120539757.3 基于光纤放大器的深海远距离无中继光纤通信装置；申请号：201220460618.2 一种通用通信接口互联系统；申请号：201620382949.7 串口通信扩展板。
部分水下信号传输系统要求对外接仪器设备的信号源类型和电气规格具有明确的限制，难以满足系统通用性的要求。系统所支持的外设仪器单一，不支持局部直接调试检修功能。虽然陆地设备通用信号传输系统的研究取得了一定成果，但技术方案只适用于易于拆卸扩展的舱体，在水下机器人通信装置方面难以实现迁移。因此，有必要深入探索水下机器人信号传输领域，研发新型水下信号传输系统，以满足水下机器人复杂多变的使用需求，支持各种外设仪器，增强系统可扩展性以及局部调试检修功能。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术的水下信号传输系统要求对外接仪器设备的信号源类型和电气规格具有明确的限制，难以满足系统通用性的基本要求；信号传输系统所支持的外设仪器单一，不支持局部直接调试检修功能；只适用于易于拆卸扩展的舱体，在水下机器人上难以实现迁移。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统、方法及设备。
本发明是这样实现的，一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统，包括：硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口；
硬件匹配接口采用十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；
通信适配接口采用以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；
电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接。
进一步，十三芯通用拓展接口的硬件形式采用通用品牌的水密连接器，水密接插件实现水下环境中挂载传感器与水下机器人电控系统间电力传输与通信交互；
建立以太网多节点通信架构，包括信息交互模块和协议转换模块。以TCP/IP协议进行多节点间数据传输；以千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成MAC地址的映射，实现水下机器人与挂载的外设仪器的通信；并配置物联网网关，支持典型的RS232-以太网、RS485-以太网、RS422-以太网、CAN-以太网等通信协议转换，实现多种通信接口的大带宽兼容通信；同时也支持构建透明串口通道，在甲板远端用串口收发数据；
配置开关电源适配隔离模块及继电器，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管，传输24VDC，最大300W功率电力；同时高效转换成海洋仪器设备常见电压48V、12V、5V。
进一步，接插件安装于水下机器人电控舱体端盖上，以十三芯接插件实现与挂载仪器的有缆连接；内部芯线中四组双绞信号线经水晶头与网络交换机相连，实现以太网信号交互；接插件其余芯线通过继电器后与电源转换模块相连，实现舱外仪器的电气连接。
进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统采用568b的网络线序，并以直连线方式制成RJ45水晶头后接入交换机。
进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统的通信配置，采用TCP/IP协议进行水下机器人信号传输系统与挂载仪器的通信交互；设置水下机器人信号传输系统为TCP Server，仪器端为TCP Client；TCP Client 为TCP网络提供客户端连接，主动向服务器发起连接请求并建立连接，实现仪器数据与水下机器人信号传输系统数据的交互。
进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统的配置TCP/IP参数的操作包括为：指定本机的IP地址、子网掩码及指定网关；接口采用固定IP制，主机和从机在同一网段，用子网掩码区分网络地址和主机地址并进行适配，配置网关在网络层以上实现网络互连。
十三芯接口两路电源线进入电控系统后会接入电源隔离模块再到电力转换单元，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管。
本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统通用接口扩展形式，所述具备通用接口系统设计包括以下步骤：
通过采用分布式通信架构、局域网数据交换机制和通用拓展接口兼容支持多种接口形式和通信协议，实现了多节点的互联互通；
内部模块接入多种开关电源转换和通信协议转换芯片，满足不同仪器的电气需求和传输要求；
十三芯通用拓展接口的设计，为水下机器人的多种仪器设备的接入提供了通用接口。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述具备通用可拓展接口水下信号传输方法。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述具备通用可拓展接口水下信号传输方法。
本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统的通用接口配置方法，用于配置具备通用可扩展接口的水下信号传输系统，包括以下步骤：首先，安装十三芯通用扩展接口的硬件匹配接口于水下机器人舱体端盖上，用于实现与挂载仪器的有缆连接；其次，配置以太网多节点通信架构，包括设置物联网网关和透明传输通道，以支持挂载仪器的信息交互；最后，连接电气适配接口到电源转换模块和隔离保护电路，以实现舱外仪器的电气连接。
本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统的多节点通信架构建立方法，用于建立具备通用可拓展接口水下信号传输系统的多节点通信架构，包括以下步骤：首先，选择Subconn品牌的水密连接器作为十三芯通用拓展接口的硬件形式，以实现水下环境中的电力传输与通信交互；然后，通过信息交互模块和协议转换模块建立以太网多节点通信架构，使用TCP/IP协议进行多节点间数据传输；接着，配置千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成MAC地址的映射，以实现水下机器人与挂载外设仪器间的通信；最后，支持包括RS232-以太网、RS485-以太网、RS422-以太网、CAN-以太网等通信协议转换，实现多种通信接口的兼容通信，并构建透明串口通道。
本发明的另一目的在于提供一种水下机器人舱体的电气连接配置方法，用于配置具备通用可拓展接口水下信号传输系统的电气连接，包括以下步骤：首先，安装十三芯接插件于水下机器人电控舱体端盖上，通过内部芯线的四组双绞信号线与网络交换机相连，实现以太网信号交互；然后，将接插件的其余芯线通过继电器连接到电源转换模块，实现舱外仪器的电气连接；最后，采用开关电源适配隔离模块及继电器，配置各个电路的输入输出引脚，并加装熔断保险丝和二极管，用于传输24VDC，最大300W功率电力，并高效转换成海洋仪器设备常用工作电压。
本发明的另一目的在于提供一种水下机器人通信的网络配置方法，用于配置具备通用可拓展接口水下信号传输系统的网络，包括以下步骤：首先，采用568b的网络线序，并以直连线方式制成RJ45水晶头后接入交换机；其次，采用TCP/IP协议进行水下机器人信号传输系统与挂载仪器间的通信交互，设置水下机器人信号传输系统为TCP Server，仪器端为TCP Client，以实现仪器数据与水下机器人信号传输系统数据的交互；最后，为接口指定本机的IP地址、子网掩码及指定网关，并采用固定IP制，同时通过十三芯接口的两路电源线进入内部系统，并接入电源隔离模块到电力转换单元，确保各个电路的安全性。
第一，本发明提供的可拓展接口水下信号传输系统包括三个主要部分，分别是硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口。其中，硬件匹配接口设计了十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；通信适配接口设计了以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接。
本发明实现模块化设计：该接口的设计采用模块化原则，以便于系统的功能扩展和接口增容，从而支持不断丰富的海洋科研任务需求。本发明提高了系统的可扩展性：本发明的十三芯通用拓展接口采用插拔式连接，支持多种设备的连接。本发明提高了系统的可靠性和稳定性：本通信架构具有高度的可靠性和稳定性，以确保数据的高质量传输，同时支持多级节点连接，以便于不同舱体或设备之间的互联互通。开关电源适配隔离模块支持高效电力转换，且具有强大的隔离保护功能，以确保电气安全性，并能够降低电磁干扰的影响。
第二，本发明的水下机器人可在高风险、多污染以及可见度低的复杂环境下工作，目前，水下机器人已经在海洋探索、渔业养殖、水下检测维修、搜救、消费娱乐、军事、教育等领域广泛应用。2020年全球水下机器人行业市场规模大约36.34亿美元，到21年达到42.05亿美元，预测2025年有望达到91.20亿美元。由于应用用途不同，水下机器人搭载的作动机构及探测仪器也不同，导致水下机器人型号众多。因此，设计可以搭载兼容多种作业模式的可拓展接口装置，不仅可以拓展水下机器人的作业能力，还有助于推动水下机器人的统型设计，以较低的成本实现“一机多用”，具有重要的商业价值和实践意义。
第三，本发明所解决的技术问题在于，设计电气－通信－机械通用接口，解决了水下机器人产品在进行功能扩展和接口升级改造中需要对原舱体进行拆舱加工，而增加漏水耐压密封问题风险技术问题。
在本领域中，针对水下机器人的功能实现和接口支持，技术人员往往主张在产品总体设计阶段就做好接口设计和资源规划，针对机器人所挂载的不同的仪器设备设计特性接口，电气和通信功能完全实现后，再考虑水密舱体的机械设计和密封，做到专口专用，富裕的通信资源往往局限于舱体内部。而机械技术人员在考虑富裕资源时往往只考虑将备用水密接插件安装于舱体，内部的电气线路则根据后续新的挂载仪器需求再开舱进行升级改造。本领域技术人员没有动机设计仪器通用接口。因此，不考虑水下机器人电控舱体电气－通信－机械通用接口属于本领域的技术偏见。
本申请克服了技术偏见，通过将设计电气－通信－机械通用接口，一方面可以作为仪器的备用接口，另一方面也支持外挂新舱体做系统扩展升级，而无需对原舱体进行拆舱及机械加工，从而不影响系统的可靠性，还可并行工序提高研发效率。
第四，本发明具备可拓展接口的水下有线通信系统取得的显著技术进步包括：
1）通用可拓展接口设计：采用十三芯通用拓展接口，提高了系统的兼容性和扩展性，使得系统能够方便地连接多种不同的挂载仪器。
2）高效的通信架构：采用以太网多节点通信架构和物联网网关，实现了高效稳定的信息交互，提高了通信效率。
3）电气安全保障：通过电源转换模块和隔离保护电路，保证了电气连接的安全，减少了设备损坏和故障的风险。
4）灵活的通信配置：通过TCP/IP协议、568b网络线序和直连线方式制成的RJ45水晶头，实现了灵活可靠的通信连接，提高了数据传输的效率和准确性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输方法流程图；
图3是本发明实施例提供的实验方案的结构图；
图4是本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。
本发明主要针对以下现有技术的问题和缺陷进行改进，实现显著的技术进步：
接口标准化问题：在现有技术中，水下机器人与挂载设备之间的接口往往缺乏标准化，导致连接和兼容性问题。本发明通过采用十三芯通用拓展接口，提供了标准化的解决方案，以实现不同设备间的有效连接。
多样化通信需求：水下环境中的设备需要支持多种通信协议以适应不同的任务需求。本发明的以太网多节点通信架构和协议转换模块支持多种通信接口，解决了这一问题。
电力供应与隔离保护：传统的水下电力传输系统往往存在电力供应不稳定和隔离保护不足的问题。本发明的电气适配接口通过配置开关电源适配隔离模块及继电器等，提供稳定的电力供应并保证了系统的安全性。
数据传输效率：在水下环境中，高效的数据传输至关重要。本发明通过配置千兆交换机和物联网网关，提高了数据传输效率，特别是在大带宽数据传输方面。
本发明解决现有技术问题所带来的技术效果和显著技术进步：
兼容性和适应性强：十三芯通用拓展接口使得系统与多种水下设备兼容，提高了水下机器人的适应性和应用范围。
通信效率高：以太网多节点通信架构确保了在复杂水下环境中的高效稳定通信，特别是对于高数据量的传输需求。
安全性和可靠性提高：通过电源转换模块及隔离保护电路，系统提供了更高的安全性和可靠性，避免了水下操作中的电气风险。
扩展性和灵活性：系统设计考虑了多种通信协议和电源需求，使其具备良好的扩展性和灵活性，适应不同类型的水下任务。
本发明实施例的两个具体实施例为：
实施例1：水下生态监测与数据采集
多样化设备接入：水下机器人通过十三芯通用拓展接口连接多种生态监测设备，如水质分析仪、温度传感器、压力计等，实现多方面的环境数据采集。
实时数据传输与处理：利用以太网多节点通信架构和物联网网关，机器人能够实时将采集到的数据传输至水面的监控中心。同时，支持快速响应的协议转换，确保数据传输的即时性和准确性。
能源管理与环境适应性：电气适配接口提供适应不同环境条件的稳定电源，确保设备在多变的水下环境中稳定运行。特别适合长时间的水下生态监测任务。
实施例2 ：水下油气管道检测与维护
高强度工作设备接口：为执行油气管道的检测与维护任务，水下机器人通过十三芯通用拓展接口连接高精度的摄像头、声呐和机械臂等设备。
大数据处理能力：考虑到油气管道检测数据量大，系统利用高性能的以太网通信架构，实现大数据量的快速处理和传输，保障了检测数据的时效性和完整性。
强化的电力支持与安全保障：针对深水油气管道检测的高能耗需求，系统配备高功率的电源转换模块，同时加强隔离保护措施，确保在复杂水下环境中的安全稳定运行。
如图1所示，本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统，包括：硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口；
其中，硬件匹配接口设计了十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；通信适配接口设计了以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接。
在本发明的实施例中，设计十三芯通用拓展接口，提供电力供能及大带宽通信传输，可在不拆舱体的前提下通过拓展接口外挂新舱，便于系统功能扩展，接口增容。接口的硬件形式采用Subconn品牌的水密连接器，约占一半以上深水接插件市场，同时可以与其他主流品牌进行互换替代。水密接插件是实现水下环境中挂载传感器与水下机器人电控系统间电力传输与通信交互的重要途径。水密接插件需具有很强的环境适应性：承受高压、腐蚀、低温等环境影响，甚至需要在深海环境下实现长期驻留。以通用接插件的形式进行外部连接，可快速完成电气通信的机械物理连接，具有普适性，可兼容各类常见仪器接口。
在本发明的实施例中，建立以太网多节点通信架构，包括信息交互模块和协议转换模块以TCP/IP协议进行多节点间数据传输。以千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成MAC地址的映射，即可实现水下机器人与挂载的外设仪器的通信。并配置物联网网关，支持典型的RS232-以太网、RS485-以太网、RS422-以太网、CAN-以太网等通信协议转换，实现多种通信接口的大带宽兼容通信。同时也支持透明串口传输，构建透明串口通道，可在甲板远端用串口收发数据，大大地增加系统的容错率。
在本发明的实施例中，配置开关电源适配隔离模块及继电器，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管。传输24VDC，300W功率电力，具备一定电气隔离，故前级电路损坏不会影响后级电路。同时可高效转换成海洋仪器设备常见电压48V、12V、5V 等，支持扩展仪器设备正常供电工作，同时可对各支路隔离保护，确保电气安全，降低电磁干扰。
本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的构成，可拓展接口水下通信装置及舱体包括三个主要部分，分别是接插件物理接口、以太网通信接口与直流电源转换电气接口。其中，接插件安装于水下机器人舱体端盖上，以十三芯接插件实现与挂载仪器的有缆连接；内部芯线中四组双绞信号线经水晶头与网络交换机相连，实现以太网信号交互；接插件其余芯线通过继电器后与电源转换模块相连，实现舱外仪器的电气连接。
本发明提供的具备通用可拓展接口的水下信号传输系统的工作原理主要基于三个核心部分的协同工作：硬件适配接口、通信适配接口以及电气适配接口。下面详细介绍每个部分的工作原理：
第一，硬件适配接口
1）物理接口：硬件适配接口包括一个十三芯的通用拓展接口，安装在水下机器人电控舱体端盖上。这个接口主要用于实现与挂载在水下机器人上的仪器之间的有缆连接。
2）信号传输：通过接插件的物理连接，水下机器人可以与各种挂载仪器进行物理级的通信和数据交换。
第二， 通信适配接口
1）多节点通信架构：设计了基于以太网的多节点通信架构，这使得多个挂载仪器能够同时与水下机器人进行信息交流。
2）网络接口：内部芯线中的四组双绞信号线通过水晶头与网络交换机连接，从而实现以太网信号的交互。
3）物联网网关和透明传输通道：配置有物联网网关和透明传输通道，进一步增强了通信的灵活性和可靠性，支持高级数据交换和远程控制。
第三，电气适配接口
1）电源转换和隔离：电气适配接口包括电源转换模块和隔离保护电路。这一部分将舱体内部的电源转换为适合舱外仪器的电压和电流，同时提供必要的电气隔离，以保护设备和增强安全性。
2）电气连接：接插件的其余芯线通过继电器与电源转换模块相连，为挂载在水下机器人上的外部仪器提供必要的电力支持。
在操作中，水下机器人通过硬件适配接口与外部仪器物理连接，通过通信适配接口进行数据和控制信号的交换，同时通过电气适配接口为这些仪器提供必要的电力。这种设计使得水下机器人能够灵活地扩展功能，连接并控制多种外部设备，同时保持系统的稳定性和可靠性。这一系统尤其适用于复杂的水下环境，如深海探测、海底作业等应用场景。
本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的连接线序如表1。
表1 Subconn十三芯接插件DBH13F内芯线顺序：
| 线序 | 颜色 |
| 1 | 黑 |
| 2 | 橙 |
| 3 | 白 |
| 4-5 | 棕，白棕（双绞） |
| 6-7 | 蓝，白蓝（双绞） |
| 8-9 | 橙，白橙（双绞） |
| 10-11 | 绿，白绿（双绞） |
| 12 | 红 |
| 13 | 绿 |
本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统采用568b的网络线序，并以直连线方式制成RJ45水晶头后接入交换机，线序如表2所示。
表2水下信号传输系统通信接线线序
| 接插件线序 | 颜色 | 水晶头线序 |
| 9 | 白橙 | 1 |
| 8 | 橙 | 2 |
| 11 | 白绿 | 3 |
| 6 | 蓝 | 4 |
| 7 | 白蓝 | 5 |
| 10 | 绿 | 6 |
| 5 | 白棕 | 7 |
| 4 | 棕 | 8 |
表3 水下信号传输系统电气接线线序
| 接插件线序 | 颜色 | 电气连接 |
| 1 | 黑 | 24V DC + |
| 3 | 白 | GND |
| 2 | 橙 | 屏蔽线 |
| 12 | 红 | 备用 |
| 13 | 绿 | 备用 |
本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的通信配置，采用TCP/IP协议进行水下机器人信号传输系统与挂载仪器的通信交互。设置水下机器人系统端为TCP Server，仪器端为TCP Client。TCP Client 为TCP网络提供客户端连接，主动向服务器发起连接请求并建立连接，实现仪器数据与水下机器人数据的交互。
配置TCP/IP参数的操作主要包括为：指定本机的IP地址、子网掩码及指定网关。本接口采用固定IP制，可设置为：
主机IP:192.168.3.1
主机子网掩码：255.255.255.0
主机网关：192.168.3.1
从机IP:192.168.3.X
从机子网掩码：255.255.255.0
从机网关：192.168.3.1
其中x为2-255其中的整数，代表着外设仪器的序号。
本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输系统的电气连接，十三芯接口两路电源线进入系统后会接入电源隔离模块再到电力转换单元，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管。
如图2所示，本发明实施例提供的具备通用可拓展接口水下信号传输方法，包括以下步骤：
S101：通过采用分布式通信架构、局域网数据交换机制和通用拓展接口兼容支持多种接口形式和通信协议，实现了多节点的互联互通；
S102：内部模块接入多种开关电源转换和通信协议转换芯片，满足不同仪器的电气需求和传输要求；
S103：十三芯通用拓展接口的设计，为水下机器人的多种仪器设备的接入提供了通用接口。
本系统除在水下机器人中使用外，另外可设计生产不同型号的机械和电气接口，适配不同的深海采矿车、机器人、自动化测试装置等不同场景的使用，进行原系统接口升级改造和功能扩展。
如图3所示，本发明提供的方案中，电气上采用微型DC-DC隔离转换器。并联供电，最大可支持300W的供电需求，满足绝大部分仪器的功率需求及部分作动机构的功率需求。
本发明方案中，通信上采用以太网互联，在当前IP地址、子网掩码及网关的设置下，最多支持255台设备的端口需求，多台设备可以做接口级联处理。同时可通过子网掩码和网关的设置，接入更多的节点信息。同时网口为千兆网口，满足常规通信带宽需求。
本发明的实验方案中，机械上的水密接插件选取Subconn接插件DBH13F，系列产品得到广泛应用，便于接入其他品牌的通用仪器产品。同时该系列接插件不同规格可满足不同水深要求，更好拓展了水下机器人的适用范围。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统，其特征在于，包括：
硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口；
硬件匹配接口采用十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；
通信适配接口采用以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；
电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接；
十三芯通用拓展接口的硬件形式采用通用品牌的水密连接器，水密接插件实现水下环境中挂载传感器与水下机器人电控系统间电力传输与通信交互；
建立以太网多节点通信架构，包括信息交互模块和协议转换模块，以TCP/IP协议进行多节点间数据传输；以千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成MAC地址的映射，实现水下机器人与挂载的外设仪器的通信；并配置物联网网关，支持典型的RS232-以太网、RS485-以太网、RS422-以太网、CAN-以太网通信协议转换，实现多种通信接口的大带宽兼容通信；同时也支持构建透明串口通道，在甲板远端用串口收发数据；
配置开关电源适配隔离模块及继电器，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管，传输24VDC，最大300W功率电力；同时高效转换成海洋仪器设备常见电压48V、12V、5V。
2.如权利要求1所述的具备通用可拓展接口水下信号传输系统，其特征在于，接插件安装于水下机器人电控舱体端盖上，以十三芯接插件实现与挂载仪器的有缆连接；内部芯线中四组双绞信号线经水晶头与网络交换机相连，实现以太网信号交互；接插件其余芯线通过继电器后与电源转换模块相连，实现舱外仪器的电气连接。
3.如权利要求1所述的具备通用可拓展接口水下信号传输系统，其特征在于，所述具备通用可拓展接口的水下信号传输系统采用568b的网络线序，并以直连线方式制成RJ45水晶头后接入交换机。
4.如权利要求1所述的具备通用可拓展接口水下信号传输系统，其特征在于，所述具备通用可拓展接口的水下信号传输系统的通信配置，采用TCP/IP协议进行水下机器人电控系统与挂载仪器的通信交互；设置水下机器人系统端为TCP Server，仪器端为TCP Client，TCP Client 为TCP网络提供客户端连接，主动向服务器发起连接请求并建立连接，实现仪器数据与水下机器人数据的交互。
5.如权利要求1所述的具备通用可拓展接口水下信号传输系统，其特征在于，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统的配置TCP/IP参数的操作包括为：指定本机的IP地址、子网掩码及指定网关；接口采用固定IP制；
十三芯接口两路电源线进入信号传输系统后会接入电源隔离模块再到电力转换单元，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管。
6.一种基于权利要求1~5任意一项所述信号传输系统的具备通用可拓展接口水下信号传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，安装十三芯通用扩展接口的硬件匹配接口于水下机器人舱体端盖上，用于实现与挂载仪器的有缆连接；
其次，配置以太网多节点通信架构，包括设置物联网网关和透明传输通道，以支持挂载仪器的信息交互；
最后，连接电气适配接口到电源转换模块和隔离保护电路，以实现舱外仪器的电气连接。
7.如权利要求6所述的具备通用可拓展接口水下信号传输方法，其特征在于，还包括以下步骤：
首先，选择通用的水密连接器作为十三芯通用拓展接口的硬件形式，以实现水下环境中的电力传输与通信交互；
然后，通过信息交互模块和协议转换模块建立以太网多节点通信架构，使用TCP/IP协议进行多节点间数据传输；接着，配置千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成MAC地址的映射，以实现水下机器人与挂载外设仪器间的通信；
最后，支持包括RS232-以太网、RS485-以太网、RS422-以太网、CAN-以太网通信协议转换，实现多种通信接口的兼容通信，并构建透明串口通道。
8.如权利要求6所述的具备通用可拓展接口水下信号传输方法，其特征在于，还包括以下步骤：
首先，安装十三芯接插件于水下机器人舱体端盖上，通过内部芯线的四组双绞信号线与网络交换机相连，实现以太网信号交互；
然后，将接插件的其余芯线通过继电器连接到电源转换模块，实现舱外仪器的电气连接；
最后，采用开关电源适配隔离模块及继电器，配置各个电路的输入输出引脚，并加装熔断保险丝和二极管，用于传输24VDC，300W功率电力，并转换成海洋仪器设备常用工作电压。
9.如权利要求6所述的具备通用可拓展接口水下信号传输方法，其特征在于，还包括以下步骤：
首先，采用568b的网络线序，并以直连线方式制成RJ45水晶头后接入交换机；
其次，采用TCP/IP协议进行水下机器人电控系统与挂载仪器间的通信交互，设置水下机器人系统端为TCP Server，仪器端为TCP Client，以实现仪器数据与水下机器人电控系统数据的交互；
最后，为接口指定本机的IP地址、子网掩码及指定网关，并采用固定IP制，同时通过十三芯接口的两路电源线进入电控系统，并接入电源隔离模块到电力转换单元。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410004028.6A CN117527858B (zh) | 2024-01-03 | 2024-01-03 | 一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410004028.6A CN117527858B (zh) | 2024-01-03 | 2024-01-03 | 一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117527858A true CN117527858A (zh) | 2024-02-06 |
| CN117527858B CN117527858B (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=89751603
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410004028.6A Active CN117527858B (zh) | 2024-01-03 | 2024-01-03 | 一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117527858B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104615056A (zh) * | 2015-01-26 | 2015-05-13 | 中国海洋大学 | 一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统 |
| WO2016065294A1 (en) * | 2014-10-24 | 2016-04-28 | Wahoo Technologies, LLC | System and method for providing underwater video |
| CN109462495A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-12 | 北京工业大学 | 一种船舶硬件与通信系统检测系统及方法 |
-
2024
- 2024-01-03 CN CN202410004028.6A patent/CN117527858B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016065294A1 (en) * | 2014-10-24 | 2016-04-28 | Wahoo Technologies, LLC | System and method for providing underwater video |
| CN104615056A (zh) * | 2015-01-26 | 2015-05-13 | 中国海洋大学 | 一种海洋动力环境海底有缆在线观测系统 |
| CN109462495A (zh) * | 2018-09-30 | 2019-03-12 | 北京工业大学 | 一种船舶硬件与通信系统检测系统及方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王晓杰;李硕;曾俊宝;: "基于I.MX6Q的便携式自主水下机器人控制器设计与实现", 科学技术与工程, no. 08, 18 March 2016 (2016-03-18) * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117527858B (zh) | 2024-03-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7412548B2 (en) | Intelligent self-determining I/O device | |
| CN112511370B (zh) | 一种phy模式自主切换的信号测试系统 | |
| CN117527858B (zh) | 一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法 | |
| CN102055634B (zh) | 一种基于光纤的can节点互联装置 | |
| CN104977884A (zh) | 一种动车组网络控制系统仿真测试台 | |
| CN203119899U (zh) | 一种rtu通信装置及电力传输系统 | |
| CN204497850U (zh) | 智能变电站二次设备组合模块与转接模块标准化接口装置 | |
| CN207677999U (zh) | 新型规约转换装置 | |
| CN216673008U (zh) | 一种带高带宽电力载波通讯方式的数据汇聚系统 | |
| CN210776300U (zh) | 一种模拟量数据采集装置 | |
| CN211505752U (zh) | 漏缆监测器及漏缆监测系统 | |
| CN110417473B (zh) | 一种用于水下机器人的通信系统 | |
| CN210835696U (zh) | 一种扩展io输出装置 | |
| CN209949109U (zh) | 一种基于波长转换技术的电力光纤倍增系统 | |
| CN114257315B (zh) | 一种光通信模块、器件及系统 | |
| CN110022255A (zh) | 基于混合通讯网络数据交换的模块化泛在电力物联网平台 | |
| CN216086887U (zh) | 一种用于工业现场的标识数据网关及其系统 | |
| CN111313620A (zh) | 一种基于光纤通信的总线型集成式电机 | |
| CN206226438U (zh) | 基于双光纤环网的多核智能通讯装置 | |
| CN216490509U (zh) | 一种光通信模块、器件及系统 | |
| CN212588360U (zh) | 一种电力数据传输装置及系统 | |
| CN216609010U (zh) | 油浸变压器检测机器人、控制装置和系统 | |
| CN114629540B (zh) | 一种野外无依托条件下运载器系统的通信组网系统 | |
| CN112838882B (zh) | 一种用于水下油气生产监测的数据传输系统及方法 | |
| CN212020774U (zh) | 一种EtherCAT总线三轴SCARA机械臂控制系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |