一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备

1.本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备。


背景技术：

2.在全球互通和万物互联的新一代智慧通信网络的发展下，海空天一体化通信网络的灵活构建将为全球智慧通信的发展提供思路。如何实现水下传感器、水声探测雷达和水下潜艇等一系列需要通信的水下设备与陆基无线电基站、天基卫星网络更有效率的建立通信链路，如何灵活组网以及如何实时有效传输数据，是我们在整个通信网络框架下需要考虑的重要问题。
3.目前，在无线通信领域已经出现了各式各样的通信基站来解决无线通信网络中的通信中继问题，将这些基站进行归纳，可分为固定式通信基站和移动式通信基站两种。固定式通信基站包括陆地安装的信号基站、锚固钉的水声通信基站和基于水声换能器的水面基站等；移动式通信基站包括热气球搭载的无线电通信基站、无人机搭载的射频通信中继以及基于水下潜航器的水声通信中继等。由于各类复杂场景大多需要通信设备的支持，因此特殊的通信场景需要特定的通信设备来保证实时通信。上述不同的通信基站已几乎涵盖了所有的类型，包括基于水声换能器的跨介质通信系统，可在水面附近实现无线电磁波设备与水下声波设备的连接。但是仍缺少一种可跨介质移动的通信设备，来解决海空天一体化通信网络中通信节点快速组网、快速调度的问题。
4.此外，在机械上参考的原有技术包括两栖无人机、跨介质无人机和空潜无人机等，但这种单一机械结构的发明或发现(空潜无人机)仅仅是实现跨区域的运动，并没有解决通信领域中的跨域通信问题，同时，也没有考虑水下的控制方法，无法实现通过陆地无线电对位于深水的无人机进行有效控制或有效通信。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备，可实现通信基站跨水、空两介质的多次移动，并且通过无线电设备与水声换能器，来实现无论是无线电还是水声的实时通信连接，从而实现一种基于声电协同技术的跨介质通信网络，突破原有移动式通信基站的局限性，为未来全球通信网络互融、智慧网络的构建，提供有利的保障。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备，包括：天线、水声换能器、水仓机构、中央控制器、密封舱和动力机构；
8.所述天线、所述水仓机构和所述中央控制器均位于所述密封舱内；
9.所述动力机构位于所述密封舱的一端；所述水声换能器位于所述密封舱的另一端；
10.所述天线用于进行射频通信；所述水声换能器用于进行水声通信；
11.所述动力机构用于为所述密封舱提供空中升力和水中推力；
12.所述中央控制器用于控制所述水仓机构、所述天线、所述水声换能器和所述动力机构。
13.优选地，所述动力机构包括：第一旋翼、第二旋翼、第一电机、第二电机、第一套管、第二套管、第一翻转架、第二翻转架、支撑架、第一舵机、第二舵机、第一连杆机构和第二连杆机构；
14.所述第一套管和所述第二套管通过若干个轴承套筒连接；
15.所述第一旋翼与所述第一套管的一端连接，所述第一电机通过第一变速齿轮箱与所述第一套管的另一端连接；
16.所述第二旋翼与所述第二套管的一端连接，所述第二电机通过第二变速齿轮箱与所述第二套管的另一端连接；
17.所述第一旋翼位于所述第二旋翼的上方，所述第一旋翼的转动方向与所述第二旋翼的转动方向相反；
18.所述第一电机和所述第二电机均固定在所述第一翻转架上，所述第二翻转架套设在所述第一翻转架的外侧，所述第一翻转架与所述第二翻转架转动连接；所述第二翻转架设置在所述支撑架上，所述第二翻转架与所述支撑架转动连接；
19.所述第一翻转架的转轴垂直于所述第二翻转架的转轴；所述第一舵机固定在所述第二翻转架上，所述第一舵机的输出轴通过所述第一连杆机构与所述第一翻转架连接；所述第二舵机固定在所述支撑架上，所述第二舵机的输出轴通过所述第二连杆机构与所述第二翻转架连接；
20.所述支撑架固定设置在所述密封舱的一端。
21.优选地，所述水仓机构包括：第一水泵、第二水泵、第一水仓和第二水仓；
22.所述第一水仓和所述第二水仓分别位于所述密封舱内部的两端；
23.所述第一水泵用于对所述第一水仓进行充水和放水；
24.所述第二水泵用于对所述第二水仓进行充水和放水。
25.优选地，所述可移动跨域通信设备还包括电池和电压转换器；
26.所述电压转换器对所述电池提供的电能进行转换后为所述天线、所述水声换能器、所述水仓机构和所述动力机构提供能量。
27.优选地，所述第一连杆机构包括第一摆臂和第一摇杆；
28.所述第一摆臂的一端固定在所述第一舵机的输出轴上，所述第一摆臂的另一端与所述第一摇杆的一端铰接，所述第一摇杆的另一端与所述第一翻转架铰接。
29.优选地，所述第二连杆机构包括第二摆臂和第二摇杆；
30.所述第二摆臂的一端固定在所述第二舵机的输出轴上，所述第二摆臂的另一端与所述第二摇杆的一端铰接，所述第二摇杆的另一端与所述第二翻转架铰接。
31.优选地，所述第二翻转架上分别开设有两个第一转孔和两个第二转孔，两个所述第一转孔同轴设置，两个所述第二转孔同轴设置，两个所述第一转孔的同轴线垂直于两个所述第二转孔的同轴线，所述第一翻转架通过两个所述第一转孔与所述第二翻转架转动连接，所述第二翻转架通过两个所述第二转孔与所述支撑架转动连接。
32.优选地，所述可移动跨域通信设备包括水声通信、射频通信和混合通信三种通信
模式；
33.当所述可移动跨域通信设备位于空中时；所述中央控制器控制所述天线进行射频通信；
34.当所述可移动跨域通信设备位于水下时；所述中央控制器控制所述水声换能器进行水声通信；
35.当所述可移动跨域通信设备位于水面时；所述中央控制器控制天线进行空中射频通信；所述中央控制器控制所述水声换能器进行水下水声通信。
36.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
37.本发明涉及一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备，包括：天线、水声换能器、水仓机构、中央控制器、密封舱和动力机构；所述天线、所述水仓机构和所述中央控制器均位于所述密封舱内；所述动力机构位于所述密封舱的一端；所述水声换能器位于所述密封舱的另一端；所述天线用于进行射频通信；所述水声换能器用于进行水声通信；所述动力机构用于为所述密封舱提供空中升力和水中推力；所述中央控制器用于控制所述水仓机构、所述天线、所述水声换能器和所述动力机构。本发明可跨域进行通信和移动，并且可进行空中、水面和水下的实时通信。
附图说明
38.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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明基于矢量共轴的可移动跨域通信设备结构图。
40.符号说明：1-天线，2-水声换能器，3-水仓机构，4-中央控制器，5-密封舱，6-动力机构，7-电池。
具体实施方式
41.下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
42.本发明的目的是提供一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备，可实现通信基站跨水、空两介质的多次移动，并且通过无线电设备与水声换能器，来实现无论是无线电还是水声的实时通信连接，从而实现一种基于声电协同技术的跨介质通信网络，突破原有移动式通信基站的局限性，为未来全球通信网络互融、智慧网络的构建，提供有利的保障。
43.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
44.图1为本发明基于矢量共轴的可移动跨域通信设备结构图。如图1所示，本发明提供了一种基于矢量共轴的可移动跨域通信设备，其特征在于，包括：天线1、水声换能器2、水仓机构3、中央控制器4、密封舱5、动力机构6和电池7。
45.所述天线1、所述水仓机构3和所述中央控制器4均位于所述密封舱5内。
46.所述动力机构6位于所述密封舱5的一端；所述水声换能器2位于所述密封舱5的另一端。
47.所述天线1用于进行射频通信；所述水声换能器2用于进行水声通信。
48.所述动力机构6用于为所述密封舱5提供空中升力和水中推力。
49.所述中央控制器4用于控制所述水仓机构3、所述天线1、所述水声换能器2和所述动力机构6。
50.具体地，所述动力机构6包括：第一旋翼、第二旋翼、第一电机、第二电机、第一套管、第二套管、第一翻转架、第二翻转架、支撑架、第一舵机、第二舵机、第一连杆机构和第二连杆机构。
51.所述第一套管和所述第二套管通过若干个轴承套筒连接。
52.所述第一旋翼与所述第一套管的一端连接，所述第一电机通过第一变速齿轮箱与所述第一套管的另一端连接。
53.所述第二旋翼与所述第二套管的一端连接，所述第二电机通过第二变速齿轮箱与所述第二套管的另一端连接。
54.基于所述第一变速齿轮箱的不同的齿轮比可在相同的动力下调节所述第一电机的转速，从而解决所述第一电机不同转速对不同频率声波带来的干扰问题。基于所述第二变速齿轮箱的不同的齿轮比可在相同的动力下调节所述第二电机的转速，从而解决所述第二电机不同转速对不同频率声波带来的干扰问题。
55.所述第一旋翼位于所述第二旋翼的上方，所述第一旋翼的转动方向与所述第二旋翼的转动方向相反。
56.所述第一电机和所述第二电机均固定在所述第一翻转架上，所述第二翻转架套设在所述第一翻转架的外侧，所述第一翻转架与所述第二翻转架转动连接；所述第二翻转架设置在所述支撑架上，所述第二翻转架与所述支撑架转动连接。
57.所述第一翻转架的转轴垂直于所述第二翻转架的转轴；所述第一舵机固定在所述第二翻转架上，所述第一舵机的输出轴通过所述第一连杆机构与所述第一翻转架连接；所述第二舵机固定在所述支撑架上，所述第二舵机的输出轴通过所述第二连杆机构与所述第二翻转架连接。
58.所述支撑架固定设置在所述密封舱5的一端。
59.进一步地，所述水仓机构3包括：第一水泵、第二水泵、第一水仓和第二水仓。
60.所述第一水仓和所述第二水仓分别位于所述密封舱5内部的两端。
61.所述第一水泵用于对所述第一水仓进行充水和放水。
62.所述第二水泵用于对所述第二水仓进行充水和放水。
63.通过陀螺仪获取所述可移动跨域通信设备的姿态角并发送至所述中央控制器4，所述中央控制器4根据所述姿态角调整所述第一水仓和所述第二水仓中的水量来调整所述可移动跨域通信设在水中的姿态，实现所述水声换能器2在水下以不同角度的安置，解决水声通信范围受所述水声换能器2产生声波角度的影响。
64.所述电池7提供的电能通过电压转换器转换后为所述第一电机、所述第二电机、所述天线1、所述水声换能器2、所述第一水泵、所述第二水泵、所述第一舵机和所述第二舵机
供电。
65.优选地，所述第一连杆机构包括第一摆臂和第一摇杆。
66.所述第一摆臂的一端固定在所述第一舵机的输出轴上，所述第一摆臂的另一端与所述第一摇杆的一端铰接，所述第一摇杆的另一端与所述第一翻转架铰接。
67.优选地，所述第二连杆机构包括第二摆臂和第二摇杆。
68.所述第二摆臂的一端固定在所述第二舵机的输出轴上，所述第二摆臂的另一端与所述第二摇杆的一端铰接，所述第二摇杆的另一端与所述第二翻转架铰接。
69.进一步地，所述第二翻转架上分别开设有两个第一转孔和两个第二转孔，两个所述第一转孔同轴设置，两个所述第二转孔同轴设置，两个所述第一转孔的同轴线垂直于两个所述第二转孔的同轴线，所述第一翻转架通过两个所述第一转孔与所述第二翻转架转动连接，所述第二翻转架通过两个所述第二转孔与所述支撑架转动连接。
70.本发明提供的所述可移动跨域通信设备包括水声通信、射频通信和混合通信三种通信模式。
71.当所述可移动跨域通信设备位于空中时；所述中央控制器4控制所述天线1进行射频通信。
72.当所述可移动跨域通信设备位于水下时；所述中央控制器4控制所述水声换能器2进行水声通信。
73.当所述可移动跨域通信设备位于水面时；所述中央控制器4控制天线1进行空中射频通信；所述中央控制器4控制所述水声换能器2进行水下水声通信。所述中央控制器4对所述射频通信和所述水声通进行融合处理。由于所述水声通信和所述射频通信的信息传输速率相差很大，因此需要独立的声电协同通信协议作为支撑。
74.所述中央控制器4与所述天线1和所述水声换能器2连接的接口类型不做限制。
75.所述可移动跨域通信设备跨域过程如下：
76.空水跨域过程中，所述可移动跨域通信设备基于所述动力机构6首先降落至水面，此时所述动力机构6保持自身在水中的竖直稳定，所述第二水仓开始充水，直至所述第二水仓吸满时，所述动力机构6停止转动。当所述可移动跨域通信设备完全淹没至水面下方时，所述第一水仓开始充水，并通过陀螺仪给出的姿态数据调整自身姿态，使所述可移动跨域通信设备在水中保持水平。当所述可移动跨域通信设备需要快速下潜时，保持所述第一水仓满水，所述第二水仓半水状态，即所述可移动跨域通信设备头部朝下，此时启动所述动力机构6，向深水处快速潜航。所述第二水仓的储水量大于所述第一水仓时，所述可移动跨域通信设备头部朝上，所述动力机构6带动所述可移动跨域通信设备向深水面快速移动。当所述第一水仓和所述第二水仓均空舱时，所述可移动跨域通信设备实现快速上浮。所述可移动跨域通信设备在水下且所述第一水仓和所述第二水仓的储水量在一定状态时，所述可移动跨域通信设备在水下的漂浮状态。当所述可移动跨域通信设备浮至水面，且所述第二水仓具有一定水量时，所述可移动跨域通信设备可实现竖直于水面的漂浮状态，此时，该通信设备的重心靠近底部。当所述可移动跨域通信设备在水面且所述动力机构6启动时，可使该通信设备变换至飞行状态，所述动力机构6带动所述可移动跨域通信设备实现不同方向的飞行。
77.所述可移动跨域通信设备的中继过程如下：
78.在飞行过程中，所述可移动跨域通信设备仅采用射频通信作为中继来传输信息，此时，所述可移动跨域通信设备根据实际信息数据收发量调整自身位置及高度，继而控制所述可移动跨域通信设备调整通信范围或躲避和穿透云层。在水面漂浮状态时，所述可移动跨域通信设备采用声电协同的方式融合射频信号与水声信号，使水下设备可以实时和陆基、空间、天基设备保持通信连接。在潜航状态下，所述可移动跨域通信设备仅采用水声通信作为中继负责水声信号来传输信息，同时所述可移动跨域通信设备通过调整第一水仓和所述第二水仓的储水量使其悬浮于水下，以最大限度降低能耗，最大化该通信设备的使用寿命。
79.所述可移动跨域通信设备可快速在不同介质、不同区域下调度，采集水下不同位置的传感器数据或者到达更需要通信资源的位置进行中继，相比于传统可移动通信中继设备，极大限度地节省了时间开销和能量开销。
80.所述可移动跨域通信设备的点对点通信以及自组网络如下：
81.所述可移动跨域通信设备可于空中直接连接其他射频通信中继并扩展成无线电通信网络，通过射频信号的方式传输信息，同时使用多个所述可移动跨域通信设备于空中，可形成自组射频通信网络，扩大通信范围。类似的，所述可移动跨域通信设备于水下直接连接其他水声通信中继并扩展成水声通信网络，通过水声信号的方式传输信息，同时使用多个所述可移动跨域通信设备于水下，可形成自组水声通信网络，扩大通信范围。所述可移动跨域通信设备最大的特点在于，通过所述可移动跨域通信设备漂浮于水面，可实现跨介质通信，即同时连接陆基、空基、天基射频通信设备和水下声波通信设备，实现不同信号方式的信息融合。多个所述可移动跨域通信设备分别位于水上、水面和水下，可形成跨介质通信网络，实现声电协同的通信系统，打破原有单介质通信的局限性，并且位于水下、水面的所述可移动跨域通信设备和位于空中的所述可移动跨域通信设备可进行位置交换，促进海空天一体化通信网络的实现。
82.对所述可移动跨域通信设备的控制：
83.由于不同介质的通信方式不同，没有一种可以同时用于空中和水下的控制系统。而本发明提出的所述可移动跨域通信设备可通过射频和水声两种通信方式对所述可移动跨域通信设备在不同介质下进行控制。所述可移动跨域通信设备在空中时，通过射频通信可直接对所述可移动跨域通信设备进行控制；当所述可移动跨域通信设备在水下时，则参考上述所述可移动跨域通信设备在点对点通信以及自组网络上的介绍，采用多个所述可移动跨域通信设备，实现在水面漂浮过程中的跨介质通信中继，融合射频信号和水声信号，达到对所述可移动跨域通信设备在水下的控制。
84.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
85.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的设备及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。