一种水下机器人水面操控装置的制作方法

文档序号:11209169
一种水下机器人水面操控装置的制造方法

本发明涉及水下机器人控制技术领域,尤其涉及一种水下机器人水面操控装置。



背景技术:

随着世界经济的发展和科技的进步,人民生活水平不断提高,对资源的需求也与日俱增。占地球表面积71%的海洋中蕴含着丰富的生物资源、矿产资源、化学资源、水资源等,开发利用海洋、发展海洋事业已受到世界各国的极大重视。作为研究探索海洋的重要工具,水下机器人已在科学考察、沉船打捞、深海探测等领域有广泛的应用。与陆地环境相比,水下环境更为复杂多变,能见度低,水流变化不定,因此增加了水下机器人控制的难度。同时,由于水下机器人自身的强耦合、非线性、欠驱动以及模型不确定性等特征,使得水下机器人的有效控制成为一个十分具有挑战性的技术难点。

水下机器人按控制方式划分一般可以分为:缆控水下机器人ROV(Remotely Operated Vehicle)和自治水下机器人AUV(Autonomous Underwater Vehicle)。ROV的特色是能量和控制信号通过缆线传输至水下机器人,凭借成本低、控制简便性和信息交互实时性好的特点,从而在决策和作业水平上,ROV仍是现在使用最为广且最为重要的水下探测设备,但是脐带缆较粗,复杂水下环境中不宜拖动、水下扰动较大,作业困难。AUV的特点是无人无缆,自主完成任务,但其水声通信设备昂贵、传输时延较长,无法实现AUV和水面控制端的实时数据交换,在复杂水下环境中无法从水面控制端根据实际水下情况对AUV进行实时监控,影响了AUV的水下安全性与作业能力,目前AUV的智能仍不能在水下作业中实现完全自治。



技术实现要素:

本发明提供一种水下机器人水面操控装置,采用光纤作为信号传输载体,实时接收水下图像信号,传输信息量增大,特别有利于进行水下图像传输,提高了水下机动性。

为了达到上述目的,本发明提供一种水下机器人水面操控装置,包含:

操控台,用于输入操控数据;

可编程逻辑处理器,其电性连接操控台和工控机处理器,用于采集并处理操控台的操控数据,并将操控数据发送给工控机处理器;

工控机处理器,其电性连接可编程逻辑处理器,并通过光纤连接光端机,用于接收可编程逻辑处理器采集的操纵数据,并按照通信协议,控制光端机通过光纤下传至水下机器人;

光端机模块,其包含光纤连接的上位光端机和下位光端机,上位光端机电性连接工控机处理器,下位光端机电性连接水下机器人,用于实现工控机处理器和水下机器人之间的实时通信,将工控机处理器的控制信号下传给水下机器人,并将水下机器人获取的水下图像数据上传给工控机处理器;

图像采集卡,其电性连接下位光端机,用于采集水下机器人获取的水下图像数据。

所述的操控台包含逻辑控制开关和操纵杆,该逻辑控制开关和操纵杆分别电性连接可编程逻辑处理器,所述的逻辑控制开关用于设置水下机器人的工作参数,实现自动控制水下机器人在水下的航行,所述的操纵杆用于手动控制水下机器人在水下的航行。

所述的水下机器人水面操控装置还包含:电源模块,其电性连接工控机处理器,用于为工控机处理器、可编程逻辑处理器和光端机模块提供工作电源,同时实时监测整个水面操控装置和水下机器人的电压。

所述的水下机器人水面操控装置还包含:显示模块,其电性连接工控机处理器,用于实时显示操控数据和水下图像数据。

所述的可编程逻辑处理器的型号采用750-841可编程逻辑处理器。

所述的工控机处理器的型号采用GENE-9455。

所述的光端机采用YKS1V1RD1T1E系列以太网数字复用光端机。

所述的图像采集卡采用DH-VT123图像采集卡。

本发明采用光纤作为信号传输载体,传输信息量增大,特别有利于进行水下图像传输,克服了ROV脐带缆较粗,复杂水下环境中不宜拖动,水下扰动大的缺点,提高了水下机动性,能够更好的控制水下机器人的作业,提高作业效率,同时采用实时接收水下图像信号的方式,也克服了AUV不能实时传输信息的缺点。而且本发明智能性较高,可以通过设置自动控制模式,自动控制水下机器人的航行姿态、水下位置等,也可以根据水下机器人上传的图像信息,对其进行手动控制,更有利于局部、精准的作业。

附图说明

图1是本发明提供的一种水下机器人水面操控装置的结构框图。

具体实施方式

以下根据图1具体说明本发明的较佳实施例。

如图1所示,本发明提供一种水下机器人水面操控装置,包含:

操控台3,用于输入操控数据;

可编程逻辑处理器2,其电性连接操控台3和工控机处理器1,用于采集并处理操控台3的操控数据,并将操控数据发送给工控机处理器1;

工控机处理器1,其电性连接可编程逻辑处理器2,并通过光纤连接光端机4,用于接收可编程逻辑处理器2采集的操纵数据,并按照通信协议,控制光端机4通过光纤下传至水下机器人;

光端机模块,其包含光纤连接的上位光端机401和下位光端机402,上位光端机401电性连接工控机处理器1,下位光端机402电性连接水下机器人,用于实现工控机处理器1和水下机器人之间的实时通信,将工控机处理器1的控制信号下传给水下机器人,并将水下机器人获取的水下图像数据上传给工控机处理器1;

图像采集卡5,其电性连接下位光端机402,用于采集水下机器人获取的水下图像数据;

电源模块6,其电性连接工控机处理器1,用于为工控机处理器1、可编程逻辑处理器2和光端机模块提供工作电源,同时实时监测整个水面操控装置和水下机器人的电压;

显示模块7,其电性连接工控机处理器1,用于实时显示操控数据和水下图像数据。

所述的操控台3包含逻辑控制开关和操纵杆,该逻辑控制开关和操纵杆分别电性连接可编程逻辑处理器2,所述的逻辑控制开关用于设置水下机器人的工作参数,实现自动控制水下机器人在水下的航行,所述的操纵杆用于手动控制水下机器人在水下的航行。

本实施例中,所述的可编程逻辑处理器2的型号采用750-841PLC。WAGO750系列可编程逻辑控制器是模块化的现场总线I/O系统,它由现场总线适配器/控制器、用于连接各种类型信号的现场总线模块、以及终端模块三部分一起共同构成一个完整的现场总线节点。由于操控台发送的操控数据主要为模拟信号和数字信号,因此在现场总线模块中采用了8通道的750-430数字信号总线模块与4通道的750-457模拟信号总线模块,整个现场总线节点通过LED来指示控制器与节点的工作状态。在通讯协议方面,750-841系列可编程逻辑器件除了支持Modbus/UDP、Ethernet/IP~b外,还支持FTP(文件传输协议:File Transfer Protocol)、SNMP(简单网络管理协议:Simple Network Management Protocol)、SNTP(简单网络时间协议:Simple Network Time Protocol)等协议,这使得它在控制中的应用非常灵活。本实施例中,可编程逻辑处理器的通讯协议采用Modbus/UDP,同时采用WAGO标准Modbus/UDP的动态链接库的设计进行了可编程逻辑控制器的采集,能够使水面工控机处理器通过VB6.0的设计与WAGO 750系列以太网模块进行数据交换,从而达到工控机对控制对象进行信息采集和控制输出的目的。

本实施例中,所述的工控机处理器1的型号采用GENE-9455。GENE-9455是一款高性能主处理器,在工业领域应用广泛,相较于嵌入式系统,性能更加稳定,抗干扰能力更强。其板载Intel Atom N270处理器1.6GHz,FSB 533MHz,系统内存达到200pin DDR2 SODIMMx1,最大支持2GB(DDR2 400/533),以太网为Intel 82574L,10/100/1000Base-TX,RJ-45x2。在系统应用方面,此处理器支持电源电压和温度监测、网络唤醒、可编程超时中断或系统复位,并且总共提供了4个可供选择切换的RS-232与RS-485串口,其供电方式为+12VAT/ATX,功耗仅为1.55A@+12V。由于本发明会对水下摄像头进行图像采集并且实时显示,因此对处理器的LCD显示及分辨率也有较高要求,GENE-9455的显存最高可达224MB/DVMT 3.0,分辨率最大支持1920×1440,LCD最大支持1920×1200,并且其LCD接口为双LVDS LCDs,即18位双通道LVDS LCD与24位双通道LVDS LCD,这些性能对水下图像的显示起到了很大的支持。

本实施例中,所述的光端机采用YKS1V1RD1T1E系列以太网数字复用光端机,其搭配全球领先的光纤传输技术,可以实现以太网信号及串口信号在单芯光纤上无失真、高质量地传输。YKS1V1RD1T1E系列以太网光端机配置全数字无压缩传输技术,以达到优品质的传输效果,采用即插即用的设计方法使得装配简便,便于携带,而且在应用中无需每次都进行现场调节,所有的光、电接口均统一于国际标准,可以使水下机器人在各种不同的复杂环境下工作。并且该光端机采用结构模块化设计,可基于现场不同情况灵活选择独立式或机架式的安装方式。在本发明中,该光端机的主要特性是支持高分辩率的视频信号传输,可进行千兆大容量的光纤传输。在数据特性方面,其串口接口具备一路反向数据接口,接口信号支持RS-232、RS-422(全双工)、RS-485(2/4线制)的通信协议,传输码速率达到了256Kbps,并且误码率低到只有10-9;以太网接口为ANSIX3T12TP-PMD标准,支持TCP/IP与UDP协议,这些性能使得整个系统在应用中高度稳定。

本实施例中,所述的图像采集卡5采用DH-VT123图像采集卡。由于水下机器人在水下实验的环境多数较为恶劣,在选择图像采集卡时,必须考虑到采集卡的稳定性、功耗、集成度以及传输速率等性能。DH-VT123图像采集卡在使用单卡的情况下,其8位黑白方式的传输速率为15Mbyte/s,而在32位彩色方式的传输速率达到了60Mbyte/s。在水下机器人水面操控装置的设计中,水下图像的采集处理为一重点内容,对于水下机器人而言没有这一性能等于是人没有了“眼睛”,虽然图像采集模块在整个装置中的作用是采集图像数据,但是水面操控装置需要实现对水下图像进行高速、实时的显示。此处DH-VT123图像采集卡与GENE-9455处理器配合使用,可以直接通过MINI PCI槽进行数据读取,并在终端处理显存数据后,即可于操控台进行显示。

在利用本发明提供的水下机器人水面操控装置进行操控时,操作人员可根据水下环境选择不同的工作模式。当水下环境比较简单,水流较小时,可选择自动控制模式,通过操控台设置水下机器人速度、位姿、深度等参数,向工控机处理器发送操作指令,然后通过光纤下达指令,自动控制水下机器人进行作业。当水下环境比较复杂时,操作人员可选择手动控制水下机器人,根据水下机器人上传的水下环境图像,通过操纵杆向工控机处理器发送指令,远程控制水下机器人进行精细作业。

本发明采用光纤作为信号传输载体,传输信息量增大,特别有利于进行水下图像传输,克服了ROV脐带缆较粗,复杂水下环境中不宜拖动,水下扰动大的缺点,提高了水下机动性,能够更好的控制水下机器人的作业,提高作业效率,同时采用实时接收水下图像信号的方式,也克服了AUV不能实时传输信息的缺点。而且本发明智能性较高,可以通过设置自动控制模式,自动控制水下机器人的航行姿态、水下位置等,也可以根据水下机器人上传的图像信息,对其进行手动控制,更有利于局部、精准的作业。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍,但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后,对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此,本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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