一种远程遥控水下机器人操控系统的制作方法

本发明涉及远程遥控水下机器人控制领域，特别是指一种远程遥控水下机器人操控系统。

背景技术：

随着对海洋领域的开发探索的不断深入，各种各样的潜水设备开始逐渐发挥出愈发重要的作用，其中，远程遥控水下机器人(rov，remoteoperatedvehicle)以其不受能源限制、作业能力强等其他潜水设备所不具备的优势而得到了非常广泛的应用。

远程遥控水下机器人rov作为对海洋领域进行开发探索的重要设备，需要执行海洋科学考察、能源探索、搜索打捞、水下作业以及人员救助等各种复杂工作，其关键性技术在于总体系统的集成与操控。发明人通过对现有的rov集成与操控技术研究发现，现有的rov控制系统往往存在以下问题：

rov控制核心为嵌入式系统，本质是工控处理系统，为了兼顾实现rov水下部分的分散设置的多个观测部件、仪器等设备的功能，其控制结构设计往往不可避免变得非常复杂，这就使得rov的控制灵活度低、可靠性差；rov的水面操控部分与水下设备部分分隔设置，水上操控部分更多是对各种系统信号进行处理，并不对水下设备部分进行实质控制，或者，为实现对水下设备部分的控制额外添加水下控制单元，实际操控人员到执行层数据通路增长，操控实时性差；rov的水面操控部分与水下设备部分之间的信息传输能力受数据信道限制，水面操控部分所获取的数据相对而言不够丰富、直观，相应的控制系统的设计也往往针对特定应用场景，导致rov控制系统的结构固定，从而存在兼容性差、适用范围窄的问题；现有rov控制系统的控制方式单一，人机交互程度低，操控功能受限。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种结构简单、灵活可靠、兼容性高、操控实时性强、适用范围广泛、实现功能更加丰富的远程遥控水下机器人操控系统。

基于上述目的，本发明提供了一种远程遥控水下机器人操控系统，其特征在于，包括水面控制系统与水下操作系统；

所述水面控制系统包括可编程逻辑控制器、主机交互系统、监控网络系统和水面光电转换单元；

所述水下操作系统包括环境信息设备、独立设备、水下功能设备与水下光电转换单元；

所述水面控制系统与所述水下操作系统通过所述水面光电转换单元与所述水下光电转换单元相配合进行通信；

所述主机交互系统通过所述水面光电转换单元接收来自所述环境信息设备的水下环境信息与来自所述独立设备的独立信息，所述主机交互系统通过交互操控网络与所述可编程逻辑控制器相连接，用于与所述可编程逻辑控制器相配合对所述水下环境信息以及所述独立信息进行处理；

所述监控网络系统通过所述水面光电转换单元接收来自所述水下功能设备的设备状态信息，所述监控网络系统通过状态监控网络与所述可编程逻辑控制器相连接，用于与所述可编程逻辑控制器相配合根据所述设备状态信息对所述水下功能设备的运行状态进行监控。

可选的，所述主机交互系统包括主机系统、信号重组切换系统与显示系统；

所述环境信息设备包括水下视频拍摄设备、声呐探测设备与定位设备，所述水下视频拍摄设备用于获取所述水下操作系统所处环境的视频信息，所述声呐探测设备用于获取所述水下操作系统所处环境的声呐成像信息，所述定位设备用于获取所述水下操作系统所处位置信息，所述水下环境信息包括所述视频信息、所述声呐成像信息与所述位置信息；

所述独立设备包括科考探测设备，用于获取目标探测信息，所述独立信息包括所述目标探测信息；

所述主机系统接收所述独立信息，通过所述独立信号对所述独立设备进行监控，对所述独立信息进行可视化处理；

所述信号重组切换系统接收所述水下环境信息与可视化处理后的所述独立信息，对所述水下环境信息以及可视化处理后的所述独立信息进行叠加、重组以及切换处理，并通过所述显示系统进行显示。

可选的，所述主机交互系统还包括双指令操作输入系统，用于接收本地操作控制指令；

所述主机系统包括主领航主机与副领航主机，所述双指令操作输入系统分别与所述主领航主机以及所述副领航主机相连接；

所述主领航主机、所述副领航主机与所述可编程逻辑控制器组成所述交互操控网络。

可选的，所述主机交互系统还包括远程监控系统，所述远程监控系统用于将所述主机系统与所述可编程逻辑控制器的控制状态信息发送至远端，并接受来自远端的远程操作控制指令。

可选的，所述监控网络系统包括网络转换系统与主副领航操控系统、

所述网络转换系统与所述可编程逻辑控制器以及所述主副领航操控系统组成所述状态监控网络；

所述网络转换系统接收所述设备状态信息，对所述设备状态信息进行转换处理并将转换处理后的所述设备状态信息发送至所述主副领航操控系统与所述可编程逻辑控制器；

所述可编程逻辑控制器用于对转换处理后的所述设备状态信息进行处理，得到系统状态信息，(水下部分系统的运行装填)并将所述系统状态信息发送至所述主副领航操控系统；

所述主副领航操控系统根据所述系统状态信息配合所述可编程逻辑控制器对所述水下功能设备进行操控。

可选的，所述监控网络系统还包括水面供电监控系统；

所述水面供电监控系统用于对所述水下功能设备进行供电，并根据所述设备状态信息对所述水下功能设备进行供电监控保护。

可选的，所述水下功能设备包括导航系统设备、高度计、深度计、灯控设备、液压动力设备、检测传感设备与水下i/o控制单元：

所述导航系统设备用于获取所述水下操作系统的位置信息、速度信息与航向信息；

所述高度计独立提供所述水下操作系统对海床的距离信息；

所述深度计独立提供所述水下操作系统海平面的距离信息；

所述灯控设备为所述水下操作系统提供照明，并根据来自所述水面控制系统的照明控制指令进行照明亮度调节；

所述液压动力设备为所述水下操控系统提供运动动力，并根据来自所述水面控制系统的驱动控制指令调整运动状态；

所述检测传感设备对所述液压动力设备运行状态信息进行监控，当所述运行状态信息出现异常时做出警示，所述运行状态信息包括所述液压动力设备的压力信息、油液位置信息、运行温度信息以及运行湿度信息；

所述水下i/o控制单元根据来自所述水面控制系统的供电控制指令对所述水下操作系统进行供电监控保护，所述水下i/o控制单元还对所述导航系统设备、所述高度计、所述深度计、所述检测传感设备进行数据采集，并将采集到的数据发送至所述水面控制系统。

可选的，所述水面控制系统还包括机械臂控制单元；

所述水下操作系统还包括电控机械臂；

所述机械臂控制单元为独立控制单元，通过所述水面光电转换单元以及所述水下光电转换单元与所述电控机械臂连接，对所述电控机械臂进行直接控制。

可选的，所述水面控制系统还包括先进控制单元；

所述先进控制单元与所述可编程逻辑控制器连接，向所述可编程逻辑控制器发送智能操控指令。

从上面所述可以看出，本发明提供的一种远程遥控水下机器人操控系统的水面控制系统与水下操作系统之间采用光电转换的方式进行数据交换以及操控命令传输，具有较强的数据传输能力，在实现水面控制系统与水下操作系统间数据高速传输的同时，所能够传输的数据量与数据种类也更加丰富，在此基础上，利用水面控制系统对水下操作系统的各项设备进行数据读取显示以及控制，具有结构简单、操控实时性强、可靠性高的优点，在水面控制系统中采用可编程逻辑控制器作为主控制器，采用主机交互系统、监控网络系统与所述可编程逻辑控制器相配合控制的方式对水下操作系统中的各项设备进行针对性操控，具有兼容性高、可扩展性强的优点，其适用范围更加宽泛；主机交互系统中采用分散式操控输入系统，具有多种类的操控方式，结合对丰富数据种类的可视化显示，能大大提高rov控制的人机交互程度，满足多种操控功能需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，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为本发明实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中水面控制系统部分结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中水面控制系统部分结构示意图；

图5为本发明实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中水下操作系统部分结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

本发明提供了一种远程遥控水下机器人操控系统。

如图1所示，本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统，包括水面控制系统1与水下操作系统2；

所述水面控制系统1包括可编程逻辑控制器4、主机交互系统3、监控网络系统5和水面光电转换单元6；

所述水下操作系统2包括环境信息设备8、独立设备9、水下功能设备10与水下光电转换单元7；

所述水面控制系统1与所述水下操作系统2通过所述水面光电转换单元6与所述水下光电转换单元7相配合进行通信；

所述主机交互系统3通过所述水面光电转换单元6接收来自所述环境信息设备8的水下环境信息与来自所述独立设备9的独立信息，所述主机交互系统3通过交互操控网络与所述可编程逻辑控制器4相连接，用于与所述可编程逻辑控制器4相配合对所述水下环境信息以及所述独立信息进行处理；

所述监控网络系统5通过所述水面光电转换单元6接收来自所述水下功能设备10的设备状态信息，所述监控网络系统5通过状态监控网络与所述可编程逻辑控制器4相连接，用于与所述可编程逻辑控制器4相配合根据所述设备状态信息对所述水下功能设备10的运行状态进行监控。

所述远程遥控水下机器人操控系统，包括水面控制系统1与水下操作系统2，以所述可编程逻辑控制器(plc)4作为控制核心，集成主机交互系统3与监控网络系统5构成控制网络，并对控制网络进行分组，能实现对远程遥控水下机器人rov的全面监控。水面控制系统与水下操作系统之间通过水面光电转换单元6与水下光电转换单元7相配合进行通信，采用光电信号转换的方式实现信号透明传输，保证水面控制系统1与水下操作系统2间数据高速传输的同时，所能过传输的数据量与数据种类也更加丰富，以此为基础水面控制系统1与水下操作系统2分隔开，对rov的控制集中在水面控制系统1来实现，水面控制系统1对水下操作系统2的各种设备进行数据读取显示以及控制，具有结构简单、操作实时性强、可靠性强的优点。以可编程逻辑控制器(plc)4为主控制器，采用主机交互系统3、监控网络系统5与可编程逻辑控制器(plc)4相配合控制的方式对水下操作系统2的各项设备进行针对性操控，具有兼容性高、可扩展性强的优点，其适用范围更宽泛。

如图2所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述主机交互系统3包括主机系统301、信号重组切换系统302与显示系统303；

所述环境信息设备8包括水下视频拍摄设备801、声呐探测设备802与定位设备803；

所述水下视频拍摄设备801用于获取所述水下操作系统所处环境的视频信息，所述水下视频拍摄设备801包括多个水下摄像机，输出符合视频信号或网络视频信号作为视频信息，多个水下摄像机独立设置，其布置位置可以根据实际需求灵活设置。

所述声呐探测设备802用于获取所述水下操作系统所处环境的声呐成像信息，所述声呐探测设备802由前视声呐、多波束声呐等组成，根据所述前视声呐与所述多波束声呐发出探测信息的返回信号，处理后可得到所述声呐成像信息。

所述定位设备803用于获取所述水下操作系统所处位置信息，所述水下环境信息包括所述视频信息、所述声呐成像信息与所述位置信息；

所述独立设备9包括科考探测设备，用于获取目标探测信息，所述独立信息包括所述目标探测信息；

所述主机系统301接收所述独立信息，所述主机系统301中独立设置有与所述科考探测设备相对应的目标探测信息处理计算机，专门用于对水下操作系统2中的科考探测设备进行控制，所述远程遥控水下机器人rov操控系统在每次工作时都可以根据探测目的的不同，灵活更换设置不同的科考探测设备，相应的所述主机系统301中也灵活搭载不同的所述目标探测信息处理计算机，这样在所述rov操控系统整体架构不变的基础上，只需设置不同所述独立设备9即满足多种不同种类工作需求，大大提高所述rov操控系统的兼容性及适用范围。

所述主机系统301通过所述独立信号对所述独立设备9进行监控，对所述独立信息进行可视化处理，将可视化处理后的所述独立信息发送至所述目标重组切换系统302以待显示；

所述信号重组切换系统302有符合视频切换器、vga视频切换器、视频分割器、视频信号转换器、视频字幕叠加器组成，在接收到所述视频信息与所述声呐成像信息之后，对将视频信号经所述视频字幕叠加器叠加、重组后再所述显示系统303上实现自由切换显示，同时也将接收到的所述视频信息与所述声呐成像信息进行存储，此外，也对来自所述主机系统301中的目标探测信息处理计算机发送的与可视化处理后的所述独立信息相应的vga视频信息进行自由切换显示。

如图3所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述主机交互系统3还包括双指令操作输入系统304，用于接收本地操作控制指令；

所述双指令操作输入系统304包括双鼠标键盘输入系统与双触摸屏输入系统；

所述主机系统301包括主领航主机3011与副领航主机3012，所述双指令操作输入系统304中地所述双鼠标键盘输入系统与所述双触摸屏输入系统各自分别与所述主领航主机3011以及所述副领航主机3012相连接，所述双指令操作输入系统304用以接收设置参数和操作指令，结合所述显示系统303提供灵活丰富的人机交互方式，丰富了控制方式，提高人机交互程度，增强rov的操控功能。

所述主领航主机3011、所述副领航主机3012与所述可编程逻辑控制器4组成所述交互操控网络。

所述主机系统301与所述双指令操作输入系统304相结合，构建成主副两套人机交互操作系统，再分别与所述可编程逻辑控制器(plc)4相结合，plc获取所述主领航主机3011和所述副领航主机3012通过所述双指令操作输入系统304接收的设置参数与操作指令，并反馈自身从所述交互操控网络中获取数据处理后的信息，实现对所述水下操控系统2中所述独立设备9的操控。

其中，所述主领航主机3011与所述副领航主机3012在与plc进行信息交互之前，两个会首先通过所述交互操控网络完成数据交互，保证所述主领航主机3011与所述副领航主机3012的设置参数与操作指令数据一致，可以随时在两领航主机任意一个出现故障时，另外一个作为冗余主机继续维持所述rov操控系统的正常运转。在一些可选实施例中，所述主机系统301还包括维护主机，出现前述两领航主机中任意一个出现故障，另外一个作为冗余主机继续维持所述rov操控系统正常运转的同时，所述维护主机对所出现故障的所述领航主机进行维护，并记录故障维护日志。这样的冗余保护机制能够保证所述rov操控系统工作的可靠性与稳定性。

在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述主机交互系统3还包括远程监控系统，所述远程监控系统用于将所述主机系统301与所述可编程逻辑控制器4的控制状态信息发送至远端，并接受来自远端的远程操作控制指令。这样的控制结构使得对所述rov操控系统的控制不再受所处空间位置局限，通过远程监控系统接收来自远端的远程操作控制指令，对rov的控制方式更加灵活；此外，可以实现远端控制中心对多个所述rov操控系统的远程控制，多个远程遥控水下机器人rov联合工作进行海洋科考、能源探索等任务，具备更高效的任务执行效率，实现更强大的科考探索功能。

如图4所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述监控网络系统5包括网络转换系统501与主副领航操控系统502；

所述网络转换系统501与所述可编程逻辑控制器4以及所述主副领航操控系统502组成所述状态监控网络；

所述网络转换系统501主要由交换机与任意信号转换单元组成，从所述水面光电转换单元6接收到来自所述水下操作系统2的各种功能设备的设备状态信息，将所述设备状态信息接入交换机，通过所述状态监控网络将所述设备状态信息进行转换发送至所述主副领航操控系统502与所述可编程逻辑控制器4；

所述主副领航操控系统502包括主领航操作面板、副领航操作面板、操作i/o信号采集单元与电源模块。主、副领航操作面板都包含操作按钮、摇杆与调位器等。所述操作i/o信号采集单元将通过主、副领航操作面板输入的操作指令信息收集处理好，采用网络结构接入所述状态监控网络，发送至所述可编程逻辑控制器plc。

所述可编程逻辑控制器4用于对转换处理后的所述设备状态信息进行处理，得到系统状态信息，并将所述系统状态信息通过所述操作i/o信号采集单元发送至所述主副领航操控系统502，去控制所述主、副领航操作面板的指示信息；

采用上述方式，所述主副领航操控系统502根据所述系统状态信息配合所述可编程逻辑控制器4对所述水下功能设备进行操控。

如图4所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述监控网络系统5还包括水面供电监控系统503；

所述水面供电监控系统503由供电单元硬件、电源检测传感器与电源i/o信号采集单元组成，所述电源检测传感器获取水下功能设备的用电状况信息，所述电源i/o信号采集单元采集所述用电状况信息，对其进行处理并发送至所述可编程逻辑控制器plc，plc通过所述电源i/o信号采集单元发送相应的电源控制指令，控制所述供电单元硬件中接触器的分合闸、设备的复位与状态显示，从而实现对所述水下功能设备进行供电，并根据所述设备状态信息对所述水下功能设备进行供电监控保护。

如图5所示，在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述水下功能设备10包括导航系统设备1001、高度计1002、深度计1003、灯控设备1004、液压动力设备1005、检测传感设备1006与水下i/o控制单元1007：

所述导航系统设备1001由高度传感器、多普勒测速仪、usbl、罗盘单中的一个或多个组合组成，用于获取所述水下操作系统的位置信息、速度信息与航向信息；

所述高度计1002独立提供所述水下操作系统对海床的距离信息；

所述深度计1003独立提供所述水下操作系统海平面的距离信息；

所述灯控设备1004为所述水下操作系统提供照明，并根据来自所述水面控制系统的照明控制指令进行照明亮度调节；

所述液压动力设备1005为所述水下操控系统提供运动动力，并根据来自所述水面控制系统的驱动控制指令调整运动状态；

所述检测传感设备1006对所述液压动力设备运行状态信息进行监控，当所述运行状态信息出现异常时做出警示，所述运行状态信息包括所述液压动力设备的压力信息、油液位置信息、运行温度信息以及运行湿度信息；

所述水下i/o控制单元1007根据来自所述水面控制系统的供电控制指令对所述水下操作系统进行供电监控保护，所述水下i/o控制单元还对所述导航系统设备、所述高度计、所述深度计、所述检测传感设备进行数据采集，并将采集到的数据发送至所述水面控制系统。

在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述水面控制系统1还包括机械臂控制单元；

所述水下操作系统2还包括电控机械臂，搭设与所述rov操控系统，用于完成抓取、移动等复杂运动操作；

所述机械臂控制单元为独立控制单元，通过所述水面光电转换单元以及所述水下光电转换单元与所述电控机械臂连接，对所述电控机械臂进行直接控制。

一些可选实施例中，所述水下操作系统还预设有可扩展单元，可以根据实际工作应用需求，利用所述可扩展单元添加配置更多功能模块。

在本发明的一些可选实施例所提供的一种远程遥控水下机器人操控系统中，所述水面控制系统还包括先进控制单元；

所述先进控制单元与所述可编程逻辑控制器连接，向所述可编程逻辑控制器发送智能操控指令，实现对rov的智能操控。

上述实施例的装置用于实现前述实施例中相应的方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不再赘述。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本发明难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(ic)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态ram(dram))可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。