CN210629503U - 一种水下设备声学低功耗操控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水下设备声学低功耗操控系统，包括水下无人平台及小型水下航行器、水声通信换能器及通信电路，通信电路包括依次连接的微型光继电器、全波整流电路、低通滤波电路、反向比较器、低功耗单片机及发射放大电路，发射放大电路连接微型光继电器；水声通信换能器依次连接换能器切换电路及微型光继电器，水声通信换能器通过换能器切换电路连接全波整流电路，换能器切换电路连接常规水声通信系统；低功耗单片机一端为异步串行接口UART，另一端采用PWM或IO控制，输出水声发射频率的二进制开关键控OOK调制。本实用新型的优点是，通过配置小型高频水声换能器，增加低成本电路，实现水下无人平台与小型水下航行器/载荷之间的低功耗可靠通信。

Description

一种水下设备声学低功耗操控系统

技术领域

本实用新型属于水下通信领域，具体涉及一种水下设备声学低功耗操控系统，应用于水下无人平台与其搭载设备之间的通信及控制。

背景技术

水下无人航行器(unmanned undersea vehicle，UUV)是具有自主航行能力,可实现水文及海底信息的采集、测绘，海洋环境监测，水下目标探测、定位、跟踪与识别等多种任务需求的无人水下平台。随着技术发展，水下航行器需要投送、布放各类潜浮标、水下功能载荷舱以及小、微型航行器系统，以满足远距离、分布式、长周期水下监测的需求。在投送、布放各类载荷设备时，需要在水下无人平台与载荷设备之间建立一种通信机制，用于传输控制指令与信息。例如，投放前平台需要启动载荷设备并确认其工作状态，传输时空坐标等参数信息。对于小型航行器载荷，需要投放前启动和同步航行器控制系统，实现协同动作，避免出现水下碰撞或平台失稳状态。

背景技术之一为有缆连接方式，需要水下接驳盒实现水下设备布放、脱离，系统复杂，可靠性及灵活性差。

背景技术之二为激光通信方式，可实现高速数据传输，缺点是需要在水下无人平台和小型水下航行器上安装额外激光通信设备，同时激光束需要对准，对系统结构设计约束较大，成本较高且难以兼容已有系统。

背景技术之三是常规水声通信，为了实现较远距离通信目的，水声通信机包含收发换能器及较复杂的信号调制解调系统，不仅设计复杂，成本高，而且系统功耗较大(瓦级及以上)，难以普遍应用于各类载荷，特别是小型低成本系统。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决上述问题，提供一种水下设备声学低功耗操控系统，通过配置小型高频水声换能器，增加少量低成本电路，实现水下无人平台与小型水下航行器/载荷之间的低功耗可靠通信。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种水下设备声学低功耗操控系统，包括水下无人平台及其上设置的小型水下航行器、水声通信换能器及通信电路，所述通信电路用于水下无人平台与小型水下航行器及其荷载的通信连接；所述通信电路包括依次连接的微型光继电器、全波整流电路、低通滤波电路、反向比较器、低功耗单片机及发射放大电路，所述发射放大电路连接微型光继电器；所述水声通信换能器依次连接换能器切换电路及微型光继电器，所述水声通信换能器通过换能器切换电路连接全波整流电路，所述换能器切换电路连接常规水声通信系统；

所述换能器切换电路用于水声通信换能器的切换，使水声通信换能器在本系统和常规水声通信系统之间进行切换；所述微型光继电器用于实现收发合置切换，使水声通信换能器在接收和发射电路之间切换；所述低功耗单片机一端为异步串行接口UART，另一端采用PWM或IO控制，输出水声发射频率的二进制开关键控OOK调制。

进一步的，所述发射放大电路通过低功耗单片机的IO或PWM输出OOK调制波形，经三极管放大、变压器升压后驱动水声通信换能器进行发射。

进一步的，所述换能器切换电路与水声通信换能器、微型光继电器、常规水声通信系统均为双向连接。

进一步的，所述低功耗操控系统的功耗为100～200毫瓦。

作为优选，所述低功耗单片机采用MSP430单片机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型技术方案无需在水下无人平台和小型水下航行器上增加水密接插件、水密电缆等设备，当小型水下航行器需要脱离或回收时无需进行热插拔，实现难度较低，具有成本低、灵活度高、可靠性高等优点。与常规水声通信系统相比，本系统具有低功耗的优点，更加适用于小型水下航行器搭载于水下无人平台时需要节省功耗的使用环境。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，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为搭载了小型水下航行器的水下无人平台结构示意图；

图2为水下设备声学低功耗操控系统结构图；

图3为全波整流电路图；

图4为发射放大电路图；

图5为发射放大电路发射波形图；

图6为水声通信波形与UART波形图；

图中：1-水下无人平台，2-小型水下航行器，3-水声通信换能器，4-换能器切换电路，5-微型光继电器，6-全波整流电路，7-低通滤波电路，8-反向比较器，9-低功耗单片机，10-发射放大电路，11-常规水声通信系统，12-变压器。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明，但所举实施例只作为对本实用新型的说明，不作为对本实用新型的限定。

如图1所示，为水下无人平台1与搭载的小型水下航行器2系统结构图，该水下无人平台1搭载了两台小型水下航行器2载荷，水下无人平台1与小型水下航行器2上安装高频水声通信换能器3和通信电路。当小型水下航行器2搭载于水下无人平台1进行投送时，需尽量降低其能源消耗。达到投送位置时，需要唤醒/启动航行器载荷，开始任务过程。由于常规水声通信设备功耗较大，不适用于此场合，本专利提出了水下设备声学低功耗操控系统，满足水下设备长时间待机，需要时能够可靠唤醒及通信控制的水下“平台-配载设备”之间的水声通信装置。在平台和载荷已配置有水声通信机的情形下，可以利用原通信机换能器部件，通过增加一个低成本电路系统，即可实现水下无人平台1与航行器载荷之间低功耗可靠通信，并且在载荷离开平台后，通过电路切换，恢复常规水通机功能。该低功耗操控系统结构如图2所示。

该系统中换能器切换电路4用于水声通信换能器3切换，使水声通信换能器3能够在低功耗操控系统和常规水声通信系统11之间进行切换。微型光继电器5用于实现收发合置切换功能，使水声通信换能器3能够在接收和发射电路之间切换。

在接收时，水声通信换能器3通过收发切换电路与全波整流电路6相连通，当接收到二进制开关键控OOK调制波形后，经过全波整流电路6以及低通滤波电路7后变为方波，全波整流电路6可通过图3所示的电路实现，可通过带通滤波器实现对特定频带内的正弦信号进行全波整流，减小其他频带噪声对系统的影响。

由于异步串行接口UART通信协议电平空闲时为高电平，因此需再经过一个反向比较器8，用于波形整形，反向比较器8的参考电平可调节，即判决门限可调节。然后进入低功耗单片机9(MSP430)的UART接收端，通过较为简单的电路实现了将水声通信信号转换为UART信号格式，这样可以直接使用低功耗单片机9UART信号链路及规范，无需其他复杂的通信算法，当低功耗单片机9(MSP430)仅开启UART接收时功耗极低，可以实现低功耗数据接收。

在载荷接收到平台发送的唤醒信号后(含地址匹配)，低功耗单片机9(MSP430)进入到双向通讯模式，提高系统工作频率，退出待机模式。在指定的回复周期，采用PWM或直接IO控制，输出指定基带频率(水声发射频率)的二进制开关键控OOK调制，即用载波是否存在分别表示二进制0和1。

由于本系统主要应用于水下无人平台1与其搭载设备之间的通信及控制，发射换能器与接收换能器之间的距离较近，根据声呐方程，当发射功率为0.1W时，发射声源级约为160dB，假设发射换能器与接收换能器距离10cm，换能器的接收灵敏度为-190dB，则接收端的声压级约为180dB，接收换能器的输出电压约为316mVrms，经过适当放大后可以与UART电平兼容，实现UART通信。以上情况为大致推算，在实际使用时可根据实际使用环境，如换能器距离、接收灵敏度等进行调整，以达到在最小的发射功率下实现可靠通信，进一步节省功耗。

根据以上推算发射端无需太大的发射功率，因此只需使用较为简单的发射放大电路10对发射波形进行放大后，通过水声通信换能器3进行发射。发射电路及发射波形如图4-5所示，通过低功耗单片机9(MSP430)的IO或PWM输出OOK调制波形，经三极管放大、变压器12升压后驱动换能器进行发射。

水声通信的频率可根据实际使用的水声通信换能器3频段进行选择，UART波特率也应进行对应的调整。例如当水声通信脉冲频率为30KHz时，可选择UART波特率为1200bps，如图6所示，每个UART比特时长为1/1200＝0.833ms，即25个正弦波周期，图中UART波形已经过反相器转换。

在有噪声干扰时，可通过增加通信数据帧格式协议来提高通信的可靠性，例如将帧头固定为0xA50x5A，帧尾固定为0x33，并增加数据长度位和CRC校验位，如表1所示，接收端可通过对帧头、帧尾、数据长度以及校验位进行检测和校验，判断数据是否接收正确。另外还可通过多次握手、确认等方式，进一步提高通信可靠性。

表1通信数据帧格式协议

通过上述方法，可实现通过水声换能器进行UART通信，当小型水下航行器2搭载于水下无人平台1时，仅需开启低功耗单片机9(MSP430)的UART接收功能，此时低功耗单片机9(MSP430)的功耗极低，可以节省小型水下航行器2内部电量。当水下无人平台1需要向小型水下航行器2发送指令时，可通过上述发射过程向小型水下航行器2发送UART指令，小型水下航行器2收到指令后可向水下无人平台1发送回应，实现了系统间的双向通信。

当小型水下航行器2离开水下无人平台1后，通过换能器切换电路4，将水声通信换能器3与常规水声通信系统11相连，实现远距离水声通信功能。

本实用新型的创新点在于：

1)用UART串口链路规范实现短距水声通信，通过简单的信号调理电路，即可实现平台-载荷间半双工通信功能，系统功耗极低(待机数十毫瓦级，半双工通信100～200毫瓦)，开发难度及系统成本均很低。

2)通过唤醒、寻址及多级状态机确认方式，实现水下“平台-载荷”间通信的可靠性，防止水下误操作。

与传统的有缆通信相比，本发明技术方案无需在水下无人平台1和小型水下航行器2上增加水密接插件、水密电缆等设备，当小型水下航行器2需要脱离或回收时无需进行热插拔，实现难度较低，具有成本低、灵活度高、可靠性高等优点。与常规水声通信系统11相比，本系统具有低功耗的优点，更加适用于小型水下航行器2搭载于水下无人平台1时需要节省功耗的使用环境。

本实用新型中未做详细描述的内容均为现有技术。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下设备声学低功耗操控系统，其特征在于，包括水下无人平台(1)及其上设置的小型水下航行器(2)、水声通信换能器(3)及通信电路，所述通信电路用于水下无人平台(1)与小型水下航行器(2)及其荷载的通信连接；所述通信电路包括依次连接的微型光继电器(5)、全波整流电路(6)、低通滤波电路(7)、反向比较器(8)、低功耗单片机(9)及发射放大电路(10)，所述发射放大电路(10)连接微型光继电器(5)；所述水声通信换能器(3)依次连接换能器切换电路(4)及微型光继电器(5)，所述水声通信换能器(3)通过换能器切换电路(4)连接全波整流电路(6)，所述换能器切换电路(4)连接常规水声通信系统(11)；

所述换能器切换电路(4)用于水声通信换能器(3)的切换，使水声通信换能器(3)在本系统和常规水声通信系统(11)之间进行切换；所述微型光继电器(5)用于实现收发合置切换，使水声通信换能器(3)在接收和发射电路之间切换；所述低功耗单片机(9)一端为异步串行接口UART，另一端采用PWM或IO控制，输出水声发射频率的二进制开关键控OOK调制。

2.根据权利要求1所述的一种水下设备声学低功耗操控系统，其特征在于，所述低功耗单片机(9)采用MSP430单片机。

3.根据权利要求1所述的一种水下设备声学低功耗操控系统，其特征在于，所述发射放大电路(10)通过低功耗单片机(9)的IO或PWM输出OOK调制波形，经三极管放大、变压器(12)升压后驱动水声通信换能器(3)进行发射。

4.根据权利要求1所述的一种水下设备声学低功耗操控系统，其特征在于，所述换能器切换电路(4)与水声通信换能器(3)、微型光继电器(5)、常规水声通信系统(11)均为双向连接。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种水下设备声学低功耗操控系统，其特征在于，所述低功耗操控系统的功耗为100～200毫瓦。

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