一种用于海缆抢修的实时通讯型自主遥控水下机器人的制作方法

1.本发明涉及属于水下机器人领域，具体是指一种用于海缆抢修的实时通讯型自主遥控水下机器人。


背景技术：

2.海底电缆的安全是跨海输电系统稳定运行的关键问题，当海底线缆失效部分处于水深50m以下时潜水员无法下潜作业，因此需要利用水下机器人进行海缆抢修工作。
3.水下机器人主要分为无缆自治水下运载器(auv)、有缆遥控水下运载器(rov)和自主/遥控水下机器人(arv)。auv无法实现信号实时传输，但是活动范围较大；而rov虽然能实现实时通信，但需与母船相连，活动范围受限。考虑到工程背景，需实时回传海底线缆画面并操控机器人进行抢修。
4.海面环境复杂，能否进行工作主要取决于天气状况，当浪高或风速超出母船的限制时将不能正常进行抢修工作，若使用母船牵连有缆遥控水下运载器(rov)进行抢修作业将导致作业危险和成本过高等问题，而且数据传输延迟。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是要提供一种用于海缆抢修的实时通讯型自主遥控水下机器人，用浮标代替母船进行信号中转，保证作业不受近浅海复杂环境影响，大大增大了活动范围，并解决了现有技术存在数据传输延迟的问题，从而实现了实时通讯。
6.为了实现此目的，本发明提出了一种用于海缆抢修的实时通讯型自主遥控水下机器人，包括位于水面下方的水下运载器、位于水面上且与所述水下运载器通过脐带缆进行数据传输的的浮标，与所述浮标通过电磁波进行数据传输的末端交互通讯组件；
7.所述水下运载器包括能与所述浮标相互进行信号传输的电子舱，所述电子舱包括第一电力载波模块，与所述第一电力载波模块连接的微型计算机，与所述微型计算机连接的飞行控制模块、传感器和摄像头；
8.所述浮标包括与第一电力载波模块通过脐带缆连接的第二电力载波模块，和与所述第二电力载波模块通过网线连接的第一双向网桥；
9.所述末端交互通讯组件包括与所述第一双向网桥通过电磁波连接的第二双向网桥，还包括与所述第二双向网桥通过以太网连接的上位机。
10.进一步地，所述第一双向网桥和第二双向网桥均为无线网桥。
11.进一步地，所述脐带缆为零浮力型。
12.进一步地，所述水下运载器包括电子舱和相对固定设置在所述电子舱上方的电池舱，相对固定设置在所述电子舱上的多个支架，两个相对固定在所述支架上的平行于x轴方向设置的水平推进器、两个相对固定在所述支架上的平行于z轴方向设置的垂直推进器，所述支架包括连接所述电池的第一支架和四个分别连接所述四个推进器的第二支架。
13.进一步地，所述电子舱和电池舱均为圆柱形，所述电子舱和电池舱的中纵剖面重
合，两个所述水平推进器和两个所述垂直推进器均分别对称设置于所述中纵剖面的两侧。
14.进一步地，所述传感器与摄像头采将集到的数据传输至微型计算机。
15.进一步地，所述水下运载器还包括位于电子舱端部的视觉探头部，所述视觉探头部设置有摄像云台。
16.进一步地，所述飞行控制模块控制所述四个推进器和摄像云台的驱动。
17.进一步地，所述视觉探头部的形状为与所述电子舱大小对应的半球形，所述电子舱与视觉探头部一体成型。
18.与现有技术相比，本发明具有如下优点：
19.1、本发明利用浮标代替母船进行信号中转，保证作业不受近浅海复杂环境影响，大大增大了活动范围，提高了安全性，降低了成本；
20.2、本发明水下运载器将传感器以及摄像头采集到的信息，通过脐带缆传递至浮标，浮标将信息通过电磁波传至上位机，上位机对采集到的信息进行处理；同时上位机将控制信号以同样的路径传递至水下运载器，水下运载器按照控制信号完成工作，其中还包括飞行控制模块对推进器和摄像云台的控制，解决了数据传输延迟的问题，从而实现了实时通讯；
21.3、本发明自主遥控水下机器人的各个结构模块化，易于组装维修。
附图说明
22.图1为本发明自主遥控水下机器人的系统结构简图；
23.图2为本发明自主遥控水下机器人的电力载波通信原理图；
24.图3为本发明水下运载器的结构立体图。
25.图中：1、水平推进器；2、垂直推进器；3、电子舱，4、电池舱；5、视觉探头部；6、支架；6.1、第一支架；6.2、第二支架。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1所示为本发明提出的一种用于海缆抢修的实时通讯型自主遥控水下机器人的系统结构简图，它包括位于水面下方的水下运载器、位于水面上且与水下运载器通过脐带缆进行数据传输的的浮标，与浮标通过电磁波进行数据传输的末端交互通讯组件。利用浮标代替母船进行信号中转，保证作业不受近浅海复杂环境影响，大大增大了活动范围，提高了安全性，降低了成本。
28.图2为本发明自主遥控水下机器人的电力载波通信原理图。水下运载器包括能与浮标相互之间进行信号传输的电子舱，电子舱包括第一电力载波模块，与第一电力载波模块连接的微型计算机，与微型计算机连接的飞行控制模块、传感器和摄像头。这边微型计算
能接受来自传感器与摄像头采集到的数据，并和飞行控制模块进行数据的双向传输。本实施例中，微型计算机使用树莓派。
29.浮标包括与第一电力载波模块通过脐带缆连接的第二电力载波模块，和与第二电力载波模块通过网线连接的第一双向网桥，第一双向网桥与第二电力载波模块能进行双向的数据传输。
30.末端交互通讯组件包括与第一双向网桥通过电磁波连接的第二双向网桥，还包括与第二双向网桥通过以太网连接的上位机，第二双向网桥与上位机能进行双向的数据传输。
31.本实施例中，水下运载器投放之后，由岸上操作人员通过上位机控制水下运载器下潜至目标海缆附近，通过水下运载器牵引水面浮标进行运动，由水下运载器对海底海缆进行抢修。
32.本发明的工作原理为将水下运载器以及浮标放入水中后，上位机通过wifi利用电磁波向浮标系统发送控制信息，并对水下运载器的传感器信息进行处理，进而对水下机器人进行运动规划，浮标内置第二电力载波模块和第一双向网桥，通过脐带缆与水下运载器进行信息交互，除此之外还通过局域网与上位机进行信息之间的传递。其工作原理是通过脐带缆将水下运载器传输的信息通过第二电力载波模块和第一双向网桥传输至上位机，供上位机进行信息处理。上位机完成信息处理并再次传输给浮标后，将上位机的控制信号通过脐带缆传输给水下运载器，完成系统的控制。
33.本实施例中，如图2所示，第二电力载波模块能传递上位机的控制信号给第一电力载波模块，第一电力载波模块能将从树莓派接受的传感器信息以及摄像机的视频传递给第二电力载波模块。
34.本实施例中，第一双向网桥和第二双向网桥均为无线网桥，可通过电磁波进行双向的数据传输，可互连两个采用不同传输介质与不同传输速率的网络，使用不同的物理层，互连不同的局域网。保证该通讯系统对于其他水下机器人也同样适用。
35.本实施例中，如图3所示，建立空间直角坐标系，以沿水下运载器长度方向为x轴，宽度方向为y轴，高度方向为z轴。水下运载器两个平行于x轴的水平推进器1、两个平行于y轴的垂直推进器2、电子舱3、电池舱4、视觉探头部5和支架6。电池舱4位于电子舱3的上方，支架6包括连接电池舱4的第一支架6.1和连接四个推进器的第二支架6.2。电池舱4通过第一支架6.1连接在电子舱3上，水平推进器1和垂直推进器2通过第二支架6.2连接在电子舱3上，相互之间均通过螺栓连接，这样实现了各结构的可拆卸，易于组装维修。
36.本实施例中，视觉探头部5位于电子舱3端部，其形状为与电子舱3大小对应的半球形，其内部设置有摄像云台，电子舱3与视觉探头部5一体成型。摄像云台能提高摄像机的稳定性。电子舱3远离视觉探头部5的另一端也可以设置与其形状大小相同的视觉探头部，以提高整体的流线型，减少整体阻力。
37.本实施例中，飞行控制模块控制四个推进器的驱动1、驱动2、驱动3和驱动4和摄像云台的驱动5。这样可以方便进行运动状态的调整，而且相互之间可以进行信息传递。
38.本实施例中，电子舱3和电池舱4均为圆柱形，电子舱3和电池舱4的中纵剖面重合，两个水平推进器1和两个垂直推进器2均分别对称设置于中纵剖面的两侧。保证水下运载器整体的稳定性。
39.本实施例中，其中水下运载器整体的长宽高尺寸为400mm
×
350mm
×
250mm，质量为15kg。其中两个水平推进器1、两个垂直推进器2，推进器均采用功率为30w的r560水下机器人螺旋桨。
40.本实施例中，水下运载器部分包括由电力载波模块和树莓派组成的通讯系统、由四个推进器组成的动力系统，由照明装置、摄像机以及摄像云台组成的观测系统，由传感器组成的测量系统、以及由电池组成的能源系统，水下运载器与浮标通过脐带缆相连接。
41.本实施例中，为了满足水下运载器较大的单向推力需求，在水平方向上布置两个水平推进器1，分别位于中纵剖面的两侧，中纵剖面即为重心轴线所在的平面，在垂直方向两侧布置两个垂直推进器2，使其抵消张力产生的力和力矩，保障水下运载器检测到更为准确的画面。推进器布局满足前进、转弯、升沉和俯仰本实施例中，脐带缆为零浮力型，它不仅承担信息交互的责任，同时连接水下运载器和浮标，实现牵引浮标运动。
42.本实施例中，电池舱4的电源电压为48v，电子舱3内设置有分压器模块，其接收来电池舱的电源，并对48v电压进行分压为5.5v和24v，然后将5.5v电压传送给电子舱3内部各系统模块，并将24v,电压传送给推进系统模块。作为一台小型计算机，树莓派接收上位机传给浮标的控制信号，并根据控制信号调节水下运载器中的动力系统以及观测系统工作；与此同时，树莓派还从水下运载器的其他组件中收集信息，并将其反馈给上位机，飞行控制模块接收到树莓派的控制信号，控制推进器和云台运动，解决了现有技术存在数据传输延迟的问题，从而实现了实时通讯。
43.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。