一種水下機器人水面操控裝置的制作方法

本發明涉及水下機器人控制技術領域，尤其涉及一種水下機器人水面操控裝置。

背景技術：

隨著世界經濟的發展和科技的進步，人民生活水平不斷提高，對資源的需求也與日俱增。占地球表面積71％的海洋中蘊含著豐富的生物資源、礦產資源、化學資源、水資源等，開發利用海洋、發展海洋事業已受到世界各國的極大重視。作為研究探索海洋的重要工具，水下機器人已在科學考察、沉船打撈、深海探測等領域有廣泛的應用。與陸地環境相比，水下環境更為復雜多變，能見度低，水流變化不定，因此增加了水下機器人控制的難度。同時，由于水下機器人自身的強耦合、非線性、欠驅動以及模型不確定性等特征，使得水下機器人的有效控制成為一個十分具有挑戰性的技術難點。

水下機器人按控制方式劃分一般可以分為：纜控水下機器人rov(remotelyoperatedvehicle)和自治水下機器人auv(autonomousunderwatervehicle)。rov的特色是能量和控制信號通過纜線傳輸至水下機器人，憑借成本低、控制簡便性和信息交互實時性好的特點，從而在決策和作業水平上，rov仍是現在使用最為廣且最為重要的水下探測設備，但是臍帶纜較粗，復雜水下環境中不宜拖動、水下擾動較大，作業困難。auv的特點是無人無纜，自主完成任務，但其水聲通信設備昂貴、傳輸時延較長，無法實現auv和水面控制端的實時數據交換，在復雜水下環境中無法從水面控制端根據實際水下情況對auv進行實時監控，影響了auv的水下安全性與作業能力，目前auv的智能仍不能在水下作業中實現完全自治。

技術實現要素：

本發明提供一種水下機器人水面操控裝置，采用光纖作為信號傳輸載體，實時接收水下圖像信號，傳輸信息量增大，特別有利于進行水下圖像傳輸，提高了水下機動性。

為了達到上述目的，本發明提供一種水下機器人水面操控裝置，包含：

操控臺，用于輸入操控數據；

可編程邏輯處理器，其電性連接操控臺和工控機處理器，用于采集并處理操控臺的操控數據，并將操控數據發送給工控機處理器；

工控機處理器，其電性連接可編程邏輯處理器，并通過光纖連接光端機，用于接收可編程邏輯處理器采集的操縱數據，并按照通信協議，控制光端機通過光纖下傳至水下機器人；

光端機模塊，其包含光纖連接的上位光端機和下位光端機，上位光端機電性連接工控機處理器，下位光端機電性連接水下機器人，用于實現工控機處理器和水下機器人之間的實時通信，將工控機處理器的控制信號下傳給水下機器人，并將水下機器人獲取的水下圖像數據上傳給工控機處理器；

圖像采集卡，其電性連接下位光端機，用于采集水下機器人獲取的水下圖像數據。

所述的操控臺包含邏輯控制開關和操縱桿，該邏輯控制開關和操縱桿分別電性連接可編程邏輯處理器，所述的邏輯控制開關用于設置水下機器人的工作參數，實現自動控制水下機器人在水下的航行，所述的操縱桿用于手動控制水下機器人在水下的航行。

所述的水下機器人水面操控裝置還包含：電源模塊，其電性連接工控機處理器，用于為工控機處理器、可編程邏輯處理器和光端機模塊提供工作電源，同時實時監測整個水面操控裝置和水下機器人的電壓。

所述的水下機器人水面操控裝置還包含：顯示模塊，其電性連接工控機處理器，用于實時顯示操控數據和水下圖像數據。

所述的可編程邏輯處理器的型號采用750-841可編程邏輯處理器。

所述的工控機處理器的型號采用gene-9455。

所述的光端機采用yks1v1rd1t1e系列以太網數字復用光端機。

所述的圖像采集卡采用dh-vt123圖像采集卡。

本發明采用光纖作為信號傳輸載體，傳輸信息量增大，特別有利于進行水下圖像傳輸，克服了rov臍帶纜較粗，復雜水下環境中不宜拖動，水下擾動大的缺點，提高了水下機動性，能夠更好的控制水下機器人的作業，提高作業效率，同時采用實時接收水下圖像信號的方式，也克服了auv不能實時傳輸信息的缺點。而且本發明智能性較高，可以通過設置自動控制模式，自動控制水下機器人的航行姿態、水下位置等，也可以根據水下機器人上傳的圖像信息，對其進行手動控制，更有利于局部、精準的作業。

附圖說明

圖1是本發明提供的一種水下機器人水面操控裝置的結構框圖。

具體實施方式

以下根據圖1具體說明本發明的較佳實施例。

如圖1所示，本發明提供一種水下機器人水面操控裝置，包含：

操控臺3，用于輸入操控數據；

可編程邏輯處理器2，其電性連接操控臺3和工控機處理器1，用于采集并處理操控臺3的操控數據，并將操控數據發送給工控機處理器1；

工控機處理器1，其電性連接可編程邏輯處理器2，并通過光纖連接光端機4，用于接收可編程邏輯處理器2采集的操縱數據，并按照通信協議，控制光端機4通過光纖下傳至水下機器人；

光端機模塊，其包含光纖連接的上位光端機401和下位光端機402，上位光端機401電性連接工控機處理器1，下位光端機402電性連接水下機器人，用于實現工控機處理器1和水下機器人之間的實時通信，將工控機處理器1的控制信號下傳給水下機器人，并將水下機器人獲取的水下圖像數據上傳給工控機處理器1；

圖像采集卡5，其電性連接下位光端機402，用于采集水下機器人獲取的水下圖像數據；

電源模塊6，其電性連接工控機處理器1，用于為工控機處理器1、可編程邏輯處理器2和光端機模塊提供工作電源，同時實時監測整個水面操控裝置和水下機器人的電壓；

顯示模塊7，其電性連接工控機處理器1，用于實時顯示操控數據和水下圖像數據。

所述的操控臺3包含邏輯控制開關和操縱桿，該邏輯控制開關和操縱桿分別電性連接可編程邏輯處理器2，所述的邏輯控制開關用于設置水下機器人的工作參數，實現自動控制水下機器人在水下的航行，所述的操縱桿用于手動控制水下機器人在水下的航行。

本實施例中，所述的可編程邏輯處理器2的型號采用750-841plc。wago750系列可編程邏輯控制器是模塊化的現場總線i/o系統，它由現場總線適配器/控制器、用于連接各種類型信號的現場總線模塊、以及終端模塊三部分一起共同構成一個完整的現場總線節點。由于操控臺發送的操控數據主要為模擬信號和數字信號，因此在現場總線模塊中采用了8通道的750-430數字信號總線模塊與4通道的750-457模擬信號總線模塊，整個現場總線節點通過led來指示控制器與節點的工作狀態。在通訊協議方面，750-841系列可編程邏輯器件除了支持modbus/udp、ethernet/ip～b外，還支持ftp(文件傳輸協議：filetransferprotocol)、snmp(簡單網絡管理協議：simplenetworkmanagementprotocol)、sntp(簡單網絡時間協議：simplenetworktimeprotocol)等協議，這使得它在控制中的應用非常靈活。本實施例中，可編程邏輯處理器的通訊協議采用modbus/udp，同時采用wago標準modbus/udp的動態鏈接庫的設計進行了可編程邏輯控制器的采集，能夠使水面工控機處理器通過vb6.0的設計與wago750系列以太網模塊進行數據交換，從而達到工控機對控制對象進行信息采集和控制輸出的目的。

本實施例中，所述的工控機處理器1的型號采用gene-9455。gene-9455是一款高性能主處理器，在工業領域應用廣泛，相較于嵌入式系統，性能更加穩定，抗干擾能力更強。其板載intelatomn270處理器1.6ghz，fsb533mhz，系統內存達到200pinddr2sodimmx1，最大支持2gb(ddr2400/533)，以太網為intel82574l，10/100/1000base-tx，rj-45x2。在系統應用方面，此處理器支持電源電壓和溫度監測、網絡喚醒、可編程超時中斷或系統復位，并且總共提供了4個可供選擇切換的rs-232與rs-485串口，其供電方式為+12vat/atx，功耗僅為1.55a@+12v。由于本發明會對水下攝像頭進行圖像采集并且實時顯示，因此對處理器的lcd顯示及分辨率也有較高要求，gene-9455的顯存最高可達224mb/dvmt3.0，分辨率最大支持1920×1440，lcd最大支持1920×1200，并且其lcd接口為雙lvdslcds，即18位雙通道lvdslcd與24位雙通道lvdslcd，這些性能對水下圖像的顯示起到了很大的支持。

本實施例中，所述的光端機采用yks1v1rd1t1e系列以太網數字復用光端機，其搭配全球領先的光纖傳輸技術，可以實現以太網信號及串口信號在單芯光纖上無失真、高質量地傳輸。yks1v1rd1t1e系列以太網光端機配置全數字無壓縮傳輸技術，以達到優品質的傳輸效果，采用即插即用的設計方法使得裝配簡便，便于攜帶，而且在應用中無需每次都進行現場調節，所有的光、電接口均統一于國際標準，可以使水下機器人在各種不同的復雜環境下工作。并且該光端機采用結構模塊化設計，可基于現場不同情況靈活選擇獨立式或機架式的安裝方式。在本發明中，該光端機的主要特性是支持高分辯率的視頻信號傳輸，可進行千兆大容量的光纖傳輸。在數據特性方面，其串口接口具備一路反向數據接口，接口信號支持rs-232、rs-422(全雙工)、rs-485(2/4線制)的通信協議，傳輸碼速率達到了256kbps，并且誤碼率低到只有10-9；以太網接口為ansix3t12tp-pmd標準，支持tcp/ip與udp協議，這些性能使得整個系統在應用中高度穩定。

本實施例中，所述的圖像采集卡5采用dh-vt123圖像采集卡。由于水下機器人在水下實驗的環境多數較為惡劣，在選擇圖像采集卡時，必須考慮到采集卡的穩定性、功耗、集成度以及傳輸速率等性能。dh-vt123圖像采集卡在使用單卡的情況下，其8位黑白方式的傳輸速率為15mbyte/s，而在32位彩色方式的傳輸速率達到了60mbyte/s。在水下機器人水面操控裝置的設計中，水下圖像的采集處理為一重點內容，對于水下機器人而言沒有這一性能等于是人沒有了“眼睛”，雖然圖像采集模塊在整個裝置中的作用是采集圖像數據，但是水面操控裝置需要實現對水下圖像進行高速、實時的顯示。此處dh-vt123圖像采集卡與gene-9455處理器配合使用，可以直接通過minipci槽進行數據讀取，并在終端處理顯存數據后，即可于操控臺進行顯示。

在利用本發明提供的水下機器人水面操控裝置進行操控時，操作人員可根據水下環境選擇不同的工作模式。當水下環境比較簡單，水流較小時，可選擇自動控制模式，通過操控臺設置水下機器人速度、位姿、深度等參數，向工控機處理器發送操作指令，然后通過光纖下達指令，自動控制水下機器人進行作業。當水下環境比較復雜時，操作人員可選擇手動控制水下機器人，根據水下機器人上傳的水下環境圖像，通過操縱桿向工控機處理器發送指令，遠程控制水下機器人進行精細作業。

本發明采用光纖作為信號傳輸載體，傳輸信息量增大，特別有利于進行水下圖像傳輸，克服了rov臍帶纜較粗，復雜水下環境中不宜拖動，水下擾動大的缺點，提高了水下機動性，能夠更好的控制水下機器人的作業，提高作業效率，同時采用實時接收水下圖像信號的方式，也克服了auv不能實時傳輸信息的缺點。而且本發明智能性較高，可以通過設置自動控制模式，自動控制水下機器人的航行姿態、水下位置等，也可以根據水下機器人上傳的圖像信息，對其進行手動控制，更有利于局部、精準的作業。

盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。