单关节仿生水下可见光通信无人潜航器、系统及控制方法

1.本发明具体涉及一种单关节仿生水下可见光通信无人潜航器、系统及控制方法。


背景技术：

2.led照明器件相较于传统照明方式，有着响应速度快、发光效率高、节能效率高、使用寿命长等特点，近年来随着led照明器件制造工艺的提升，目前可见光led的响应速率已经能够达到皮秒级(10-12s)，可以满足高速网络的传输需求，因此可见光通信(vlc)应运而生。可见光通信的基本工作原理是：以灯灭为0，灯亮为1，通过控制led灯的亮灭进行二进制信号的传输，但是同时，由于led灯的闪烁频率远高于人眼的视觉暂留效应能够感知的频率，因此在提供照明的同时，可见光通信也能够传输数据并且不影响视觉观感，再配合上高敏感度的传感器，即可完成对于二进制信息的有效传输。同时，相较于激光通信，使用led的可见光具有较大的发散角，对准直性要求较低，因此在一定角度内均可进行通信，适用于运动物体之间进行通信的场景。
3.由于电磁波无法在水下进行远距离传输，因此目前水下无人潜航器主要分为两种：遥控式水下载具(rov)与自主式水下载具(auv)，前者使用脐带缆与地面站进行电能传输以及数据交换，并且可以通过脐带缆对潜航器进行实时控制；后者使用自带的供电系统进行供电，并根据预编写的程序进行运动，因此只有回收潜航器后才能得到采集到的数据。在以上两种方案中，rov采集的数据拥有较好的及时性，并且能够实时控制，有针对性地采集数据，但由于脐带缆的存在，采集范围有限；而auv虽然拥有较为广阔的采集范围，但由于无法实时控制，因此采集到的数据不具有实时性与针对性，同时也具有丢失的风险。因此学界一直缺乏一种可以远程遥控的水下无人潜航器。
4.目前水下潜航器的驱动方式可分为螺旋桨推进和仿生推进两种类型，前者由于机械特性限制，存在着系统体积大、机动性弱、推进噪音大、隐蔽性低和推进涡流易损坏周围环境等问题，而仿生推进器推进效率高、机动性能好、隐蔽性高、体积较小且噪声极小。因此，虽然螺旋桨推进器可以在大范围海域中提供较快的移动速度，但仿生推进器可以在小范围中提供较好的帮助。


技术实现要素：

5.技术目的：针对上述背景技术中提出的问题，本发明提供了一种单关节仿生水下可见光通信无人潜航器及其控制方法，潜航器设有单关节仿生推进器与压载舱的组合，可以实现在同一水平面实现前进、左右转以及掉头等操作，并且潜航器在运动过程中始终处于低噪声状态。
6.技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案：
7.一种单关节仿生水下可见光通信无人潜航器，其特征在于：包括透明半球前罩、透明圆柱舱体、压载舱、水泵、单关节仿生鱼鳍、摄像头、处理器、控制器、舵机组件和通信组件，所述通信组件包括分布安装于透明圆柱舱体内的多个可见光通信组件；
8.所述透明半球前罩和单关节仿生鱼鳍分别设置于透明圆柱舱体的前端和尾端，透明半球前罩内设有摄像头，舵机组件用于驱动单关节仿生鱼鳍左右摆动，压载舱设置于透明圆柱舱体的底部，水泵密封固定在压载舱的后端，水泵用于向压载舱内泵入或泵出液体；
9.所述处理器、控制器、舵机组件和通信组件安装于透明圆柱舱体内，处理器电信号连接摄像头、控制器和通信组件，舵机组件和水泵电信号连接控制器，控制器用于接收处理器发送的指令信息并将指令信息发送给对应的舵机组件或水泵。
10.优选地，所述透明圆柱舱体内设有电池，处理器与控制器通过can总线进行连接，电池连接到控制器的电源端口，控制器设有集成降压模块，通过集成降压模块后给控制器与处理器供能，所有通信组件均通过rj45网口与处理器进行连接，进行信号的发送或者接收。
11.优选地，所述透明圆柱舱体内设有透明尾部盖板、竖直隔板、水平隔板，透明半球前罩内设有摄像头云台；
12.所述透明尾部盖板设置于圆柱舱体的尾端，单关节仿生鱼鳍安装在透明尾部盖板的外侧；竖直隔板设置于圆柱舱体的前端，透明半球前罩位于竖直隔板的外侧；
13.所述水平隔板的两端分别连接透明尾部盖板和竖直隔板，摄像头云台固定在竖直隔板朝向透明半球前罩的侧面上，摄像头固定于摄像头云台的前端。
14.优选地，所述舵机组件包括舵机、舵机盘、竖直斜齿轮和水平斜齿轮，所述舵机通过舵机盘与竖直斜齿轮进行连接，透明尾部盖板的内侧设有安装竖直斜齿轮的突起轴、连接水平斜齿轮的中轴，竖直斜齿轮与水平斜齿轮啮合；透明尾部盖板的外侧设有连接单关节仿生鱼鳍的连接轴，中轴与连接轴连接并进行防水密封；
15.所述水泵的驱动与控制信号线通过设置于透明尾部盖板的预留通孔接入控制器，并通过防水接头进行密封。
16.优选地，所述透明半球前罩和透明圆柱舱体的前端之间设有防水橡胶圈，压载舱设置于透明圆柱舱体的底部之间设置连接件；
17.所述连接件为一体成型结构，包括连接透明圆柱舱体的底部的第一弧部，连接压载舱的顶部的第二弧部。
18.优选地，所述可见光组件包括分布安装于透明圆柱舱体内的前可见光通信组件、右可见光通信组件、左可见光通信组件和后可见光通信组件，各个可见光通信组件设有可见光发出单元、可见光接收单元和ofdm信号调制调解单元。
19.一种潜航器控制系统，其特征在于：包括地面站、水下可见光网络通讯舱和一个以上的所述潜航器，所述地面站设有地面站处理器、摇杆、以及连接地面站处理器的地面站通信组件，地面站处理器用于采集包括摇杆的摆幅在内的信息并将采集到的信息通过通信组件发送给透明圆柱舱体的处理器，所述水下可见光网络通讯舱设有可见光发出装置、可见光接收装置和信号调制解调装置。
20.一种潜航器的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
21.潜航器中各个可见光通信组件保持打开状态，每个可见光通信组件用于负责接收预设种类的潜艇器的动作指令，所述潜航器的动作指令来源于地面站或水下可见光通信；
22.潜航器接收水下可见光网络通讯舱发出的光信号，与水下可见光网络通讯舱进行预设次数的tcp握手；
23.潜航器接收到水下可见光网络通讯舱发出的可释放潜航器的信号后，开始潜航工作；所述可释放潜航器的信号后由水下可见光网络通讯舱在与潜航器完成预设次数的tcp握手后发出；
24.潜航器通过自带的摄像头采集数字图像信号，并将图像传回水下可见光网络通讯舱，并通过水下可见光网络通讯舱向地面站传送潜艇器已释放的返回信号；
25.潜航器通过水下可见光网络通讯舱接收地面站发出的控制潜航器的运动指令，潜航器执行运动指令时与水下可见光网络通讯舱进行tcp握手。
26.优选地，完成一次tcp握手的流程如下：
27.潜航器接收由网络设备发射出经过调制过的第一光信号；
28.潜航器中的预设的可见光通信组件接收到所述第一光信号后，对第一光信号进行解调处理，并将解调后的数字信号作为tcp握手信号，发送给潜航器内的处理器；
29.潜航器内的处理器接收到来自可见光通信组件发送的tcp握手信号后，从该方向返回tcp握手信号；
30.对应的可见光通信组件对处理器返回的tcp握手信号进行处理，发出第二可见光信号并通过控制第二可见光信号的亮灭，向水下可见光网络通讯舱传回tcp握手信息。
31.优选地，所述地面站设有摇杆并采集摇杆的摆幅信息，摆幅信息用于确定潜航器的左右转动角度，所述摆幅信息或转动角度通过通信模块发送给潜航器的处理器；
32.所述潜航器左右转动角度区间ω与摇杆左右摆幅x之间存在如下关系：当转动角度ω的取值大于180
°
或小于0
°
时，摆幅x被限制在170
°
～180
°
或0
°
～10
°
。
33.有益效果：由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
34.(1)本发明使用了单关节仿生推进器与压载舱的组合，单关节仿生推进器可以通过摆动，使得无人潜航器可以在同一水平面实现前进、左右转以及掉头等操作，在释放无人潜航器前，潜航器在浸没时浮力应当大于重力，处于漂浮状态，而后压载舱进行预注水，约注水至压载舱一半时达到悬浮状态，此时无人潜航器便可通过泵入或排出液体实现上浮与下潜操作。
35.(2)本发明的潜航器在运动过程中，由于舵机处于潜航器舱体内部，因此潜航器始终处于低噪声状态，同时由于所述单关节仿生鱼鳍位于潜航器后部，且运动时不需要产生向下的作用力，因此相较于rov或auv，本发明不会扬起泥沙干扰视线。
36.(3)本发明的潜航器及其控制方法，使用了可见光无线通信技术，可以在不使用脐带缆的同时，实现对无人潜航器的遥控，并且可以实现图像的实时反馈；同时，无人潜航器之间也可以通过可见光无线通信组成物联网，进一步提高了无人潜航器与地面站之间的联系，在一定程度上起到了预防无人潜航器丢失的作用。
附图说明
37.图1为本发明的单关节仿生水下可见光通信无人潜航器的实施例三的立体图；
38.图2为图1中透明圆柱舱体内的结构示意图；
39.图3为图1中透明圆柱舱体内的组件和单关节仿生鱼鳍之间连接的结构示意图；
40.图4为图1中潜航器内的处理器和控制器之间的电路结构框图。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明的实施例作详细的说明。
42.实施例一
43.本实施例提供了一种潜航器控制系统，包括地面站、水下可见光网络通讯舱和一个以上的所述潜航器，其中，地面站设有地面站处理器、摇杆、以及连接地面站处理器的地面站通信组件，地面站处理器用于采集包括摇杆的摆幅在内的信息并将采集到的信息通过通信组件发送给透明圆柱舱体的处理器，所述水下可见光网络通讯舱设有可见光发出装置、可见光接收装置和信号调制解调装置。
44.实施例二
45.本实施例提供了一种潜航器的控制方法，包括如下步骤：
46.潜航器中各个可见光通信组件保持打开状态，每个可见光通信组件用于负责接收预设种类的潜艇器的动作指令，所述潜航器的动作指令来源于水下可见光通信；
47.潜航器接收水下可见光网络通讯舱发出的光信号，与水下可见光网络通讯舱进行预设次数的tcp握手；
48.潜航器接收到水下可见光网络通讯舱发出的可释放潜航器的信号后，开始潜航工作；所述可释放潜航器的信号后由水下可见光网络通讯舱在与潜航器完成预设次数的tcp握手后发出；
49.潜航器通过自带的摄像头采集数字图像信号，并将图像传回水下可见光网络通讯舱，并通过水下可见光网络通讯舱向地面站传送潜艇器已释放的返回信号；
50.潜航器通过水下可见光网络通讯舱接收地面站发出的控制潜航器的运动指令，潜航器执行运动指令时与水下可见光网络通讯舱进行tcp握手。
51.具体地，地面站设有摇杆并采集摇杆的摆幅信息，摆幅信息用于确定潜航器的左右转动角度，摆幅信息或转动角度通过通信模块发送给潜航器的处理器，优选潜航器左右转动角度区间ω与摇杆左右摆幅x之间存在如下关系：当转动角度ω的取值大于180
°
或小于0
°
时，摆幅x被限制在170
°
～180
°
或0
°
～10
°
。
52.具体地，完成一次tcp握手的流程如下：
53.潜航器接收由网络设备发射出经过调制过的第一光信号；
54.潜航器中的预设的可见光通信组件接收到所述第一光信号后，对第一光信号进行解调处理，并将解调后的数字信号作为tcp握手信号，发送给潜航器内的处理器；
55.潜航器内的处理器接收到来自可见光通信组件发送的tcp握手信号后，从该方向返回tcp握手信号；
56.对应的可见光通信组件对处理器返回的tcp握手信号进行处理，发出第二可见光信号并通过控制第二可见光信号的亮灭，向水下可见光网络通讯舱传回tcp握手信息。
57.实施例三
58.本实施例提供了一种单关节仿生水下可见光通信无人潜航器，其可以用于实施例一所述的控制系统，应用实施例二所述的控制方法。
59.如图1至图3所示，单关节仿生水下可见光通信无人潜航器包括：透明半球前罩1，防水橡胶圈2，透明圆柱舱体3，压载舱4，水泵5，舵机6，单关节仿生鱼鳍7，竖直斜齿轮8，水平斜齿轮9，竖直隔板10，水平隔板11，摄像头12，摄像头云台13，处理器14，控制器15，锂聚
合物电池16，前可见光通信组件(包含可见光led与信号调制芯片)17，右可见光通信组件18，左可见光通信组件19，后可见光通信组件20，连接件21，透明尾部盖板22。
60.本发明在透明半球前罩1开口处设有螺纹，防水橡胶圈2套在螺纹处，配合密封脂可以达到对舱体进行密封的效果。透明圆柱舱体3前端同样设有螺纹，用于与透明半球前罩1进行固定，此固定方式可以起到随时打开舱体的效果，可以便于电池的随时更换或进行对内部构件进行更改。压载舱4通过连接件21同透明圆柱舱体3进行连接，连接件21为一体成型连接件，半径较大一端与透明圆柱舱体进行胶连，半径较小一端与压载舱4进行胶连。水泵5通过胶连密封固定于压载舱4开口处，其驱动与控制信号线通过透明尾部盖板22预留通孔接入舱内控制器15，并通过防水接头进行密封。
61.进一步地，舵机6通过舵机盘与竖直斜齿轮8进行连接，竖直斜齿轮8安装至透明尾部盖板22中的突起轴上，并与水平斜齿轮9进行啮合，水平斜齿轮9上的中轴与单关节仿生鱼鳍7进行连接并进行防水密封，另外，舵机6连接至控制器15，以此可以达到通过控制舵机6的顺时针与逆时针转动带动单关节仿生鱼鳍7左右摆动的效果，以此作为该水下潜航器的驱动装置。
62.当处理器14通过can总线向控制器15传输前进信号时，控制器15通过pwm波控制转动范围为0
°
～180
°
的舵机6在85
°
～95
°
之间进行往复转动，以达到匀速前进的效果；由于地面站摇杆精度为0～65535，因此当地面站控制潜航器运动时，潜航器舵机6左右转动角度区间ω与摇杆左右摆幅x之间的关系为：
[0063][0064]
当转动角度区间大于180
°
或小于0
°
时，摆幅将被限制在170
°
～180
°
或0
°
～10
°
，以保证舵机不会损坏。
[0065]
进一步地，水平隔板11一端通过接插方式固定在透明尾部盖板22水平中轴线上的插件上，另一端插入竖直隔板10的插槽中，可以保证承载件不会在透明圆柱舱体3中转动。竖直隔板10上固定有摄像头云台13，摄像头12固定于摄像头云台13前端。在本发明中从竖直隔板10正面到水平隔板11最后的长度等于透明尾部盖板22前端到透明圆柱舱体3开口的长度，保证承载件不会在水平方向活动，以此达到严格限制承载件位置的作用。同时，摄像头12可以通过调整摄像头云台13在透明半球前罩1中的角度，保证可视角度符合观测需求。
[0066]
同时，处理器14和控制器15固定于水平隔板11的上面，锂聚合物电池16固定于水平隔板11的下面，其中，处理器14与控制器15通过can总线进行连接，锂聚合物电池16连接到控制器15的电源端口，通过集成降压模块后给控制器15与处理器14供能。进一步地，摄像头12通过usb与处理器14进行连接，传输采集到的图像信号；舵机6连接到控制器15，控制器15在接收到处理器14的运动指令之后，通过pwm信号控制舵机6进行转动，实现单关节仿生鱼鳍7的摆动，从而控制潜航器的运动；水泵5连接到控制器15，通过模拟电信号实现液体的泵入排出。前可见光通信组件17固定于竖直隔板10上，发射端与接收端向前，在采集或传输前方信息的同时，也可以实现对前方环境的照明；右可见光通信组件18固定于水平隔板11的右侧；左可见光通信组件19固定于水平隔板11的左侧，与右可见光通信组件18的对称摆放；后可见光通信组件20固定于透明尾部盖板22上；同时所有可见光通信组件均通过rj45网口与处理器进行连接，进行信号的发送或者接收。
[0067]
进一步地，图4给出了本发明的硬件逻辑示意图，接下来结合本示意图对本发明的运行方式进行进一步解释：
[0068]
首先，锂聚合物电池16连接到控制器15外围电路中，通过集成多路降压模块为整个系统供能。水下光通信网络设备与地面站之间可以通过有线或无线通信方式连接。水下光通信网络设备用于固定潜航器并和潜航器通过光通信方式保持连接，其相当于一个小型的移动基站，使用时放置在水下，在收到潜航器释放指令后释放潜航器。水下光通信网络设备可以搭载于科考船上，依托科考船进行释放。当潜航器在水下被释放前，向通过后可见光通信组件20与水下可见光网络通讯舱进行连接，具体方式为：网络设备发射出经过ofdm方式调制过的光信号，尝试与潜航器进行tcp三次握手，其波形大致可表示为：
[0069][0070]
本发明也可以使用其他调制方法，如ook开关调制，但较为低级的调制方式会导致带宽较低等问题，在长距离上可能会导致信号较弱的问题。
[0071]
在被潜航器上的光电接收二极管接收后，ofdm信号调制调解芯片对接收到的模拟信号进行傅里叶变换，其公式如下所示：
[0072][0073]
经过傅里叶变换后，接收到的模拟信号被调解成为数字信号，并作为tcp/ip网络数字信号传送到处理器14的外部rj45网口中，处理器14接收到来自后可见光通信组件20的tcp握手信号后，再次从该方向返回tcp握手信号。tcp/ip网络数字信号传递至后可见光通信组件20后，ofdm信号调制调解芯片即通过反傅里叶变换，其公式如下所示：
[0074][0075]
将数字信号调制成模拟信号后，通过控制可见光led的亮灭，向水下可见光网络通讯舱传回tcp握手信息。在经过三次tcp成功握手之后，水下可见光网络通讯舱即可释放潜航器。
[0076]
接着，潜航器将会启用搭载的摄像头12采集数字图像信号，并通过已握手的后可见光通信组件20将图像传回水下可见光网络通讯舱，接着传回地面站，地面站通过控制器控制潜航器的运动，传回地面站的信息，除摄像头12采集的数字图像信号之外，还包含了潜航器的运动姿态、水深、信号连接强度等信息，这些信息将由地面站进行解析。当地面站向潜航器持续传输右转指令时，水下可见光网络通讯舱将尝试与潜航器右可见光通信组件18进行tcp握手，潜航器也会与水下可见光网络通讯舱进行连接，保证潜航器始终在线。
[0077]
同时，潜航器的各个可见光通信组件均保持打开状态，在提供照明的同时，亦可与周围潜航器组成物联网，提供如信号转发等功能。
[0078]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。