一种水下无人船控制系统的制作方法

本实用新型属于水下无人船领域，具体地说，涉及一种水下无人船控制系统。

背景技术：

水下无人船和水下机器人有着广阔的应用前景。在水下勘探，捕鱼，和水下打捞等领域均具有突出的优势。

目前，水下无人船大多采用自治或者有缆控制模式。自治模式，多用在无缆无人船上，无人船按照事先设定或者根据不定时接收到的上位机指令进行水下作业，这种自治模式下的无人船不能实时地获取水下信息和控制无人船，不适用对于无人船实时性要求高的应用情境；而有缆模式，是水下无人船或者水下机器人通过与水面母船相连的脐带缆获得动力，并与母船上的上位机进行数据传输和人机交互，它可以实现对机器人的实时控制，但其活动受到脐带缆的制约，特别是复杂水下环境下容易造成缠绕事故，灵活性不够。

随着科学技术的不断发展，包括智能手机，平板电脑在内的无线智能终端的综合运算能力也得到了长足的进步。目前的智能手机搭载着越来越多的智能应用，成为了人们访问移动互联网的方便接口，随之而来的是很多以前需要进行本地运行的复杂应用程序，现在也可以通过无线智能终端方便地实现。如何充分无线智能终端的高速运算能力，以及无线互联网的接入能力，成为了越来越多新技术的创新点。使用无线智能终端对无人船的运行进行控制并提供智能化管理的支持，即将成为技术应用的主流。

无人船的作业环境是潜入到水下，由于无线信号在水下的衰减非常大，因此使用无线终端直接通过无线信号控制水下无人船是很难实现的技术。我们采用有线和无线通信技术的巧妙结合，利用无线智能终端的强大数据处理能力，进一步实现无人船控制系统的升级。

有鉴于此特提出本实用新型。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种水下无人船控制系统，采用有线和无线通信技术的巧妙结合，利用无线智能终端的强大数据处理能力，实现无人船控制系统的升级，使无人船的控制系统实现了无线化和智能化的目标。

为了实现该目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种水下无人船控制系统，用于无人船，其特征在于，包括：无线人机交互装置，和水上基站；所述无线人机交互装置和水上基站通过无线连接进行信号交换，所述水上基站与水下无人船本体通过有线连接进行信号交换。

进一步地，所述水上基站包括基站无线通信模块和基站有线通信模块，所述基站无线通信模块和基站有线通信模块电性连接进行信号转发。

进一步地，所述基站有线通信模块与水下无人船本体之间通过电缆送电和传输通信信号,所述电缆为双绞线零浮力电缆。

进一步地，所述无线人机交互装置设置有交互装置通信模块与水上基站进行信号交换。

进一步地，所述无线人机交互装置还设置有应用处理器；所述应用处理器与所述交互装置通信模块相连，运算处理由水下无人船本体采集的信号，形成水下无人船本体的运行信息。

进一步地，所述运行信息至少包括，所述水下无人船本体采集到的声呐信息，水下无人船本体拍摄的图像信息或录制的影像信息。

进一步地，所述应用处理器向水下无人船本体发送控制指令，所述控制指令通过水上基站发送给水下无人船本体。

进一步地，所述无线人机交互装置为移动智能终端；所述移动智能终端包括以下至少之一或其组合，智能手机、平板、台式电脑、笔记本电脑。

进一步地，所述无线人机交互装置还设置有移动通信模块与应用处理器电连接，移动通信模块将所述无线人机交互装置接入到移动互联网中。

进一步地，所述无线人机交互装置为遥控器，所述遥控器包含操纵摇杆和按钮；所述遥控器通过水上基站向水下无人船本体发送控制信号，实现对水下无人船的运行线路、运行姿态和执行的动作进行操作控制。

采用上述技术方案后，本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果。

本实用新型所揭示的一种水下无人船控制系统，利用水上基站和无线人机交互装置实现了多种接入设备对无人船本体的控制要求。所述无线人机交互装置包括能够提供对水下无人船本体进行控制和/或管理功能的移动智能终端，无线智能终端通过水上基站实现与水下无人船本体的通信连接，采用无线通信技术，无线智能终端可以和水上基站实现高带宽的数据交互，同时水上基站与水下无人船本体采用有线线缆进行高速通信连接，为实现无线智能终端的智能化实时管理提供了通信保障。

无线智能终端可以充分利用水下无人船从水下采集来的个各种数据资源，比如水下无人船采集到的声呐信息，水下无人船拍摄的图像，水下无人船的位置参数，水下无人船的运行状态等多种信息，通过智能终端的高速运算能力和完善的图形显示配置，可以实现对水下无人船的智能化管理，例如通过水下无人船拍摄的图像绘制水下地貌图像，通过水下无人船的位置参数及声纳信息得到鱼群分布规律模型等。

同时通过无线智能终端还可以进一步实现无人船的无线互联网化，进一步拓宽无人船的管理半径和应用手段。实现无人船的集群化和多任务管理。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本实用新型的一部分，用来提供对本实用新型的进一步的理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，但不构成对本实用新型的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。在附图中：

图1是使用本实用新型的无人船控制系统与水下无人船本体连接示意图；

图2是使用本实用新型的无人船控制系统通信示意图；

图中：1、水上基站；2、水下无人船本体；3、无线人机交互装置；4、有线人机交互装置；5、云服务器；10、第一电力调制解调器；11、第一图数传输单元；12、基站；20、第二电力调制解调器；21、第二图数传输单元；22、控制模块；23、视频采集单元；24、编码器；31、无线智能终端；32、遥控器；41、控制器；42、图像显示器。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本实用新型的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本实用新型的概念。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1至图2所示，本实用新型公开了一种水下无人船控制系统。包括：无线人机交互装置3，和水上基站1；所述无线人机交互装置3和水上基站1通过无线连接进行信号交换，所述水上基站1与水下无人船本体2通过有线连接进行信号交换，使得无线人机交互装置3实现对水下无人船本体2的控制和管理。本控制系统采用有线和无线通信技术的巧妙结合，利用无线智能终端的强大数据处理能力，实现无人船控制系统的升级，使无人船的控制系统实现了无线化和智能化的目标。

实施例

如图1至图2所示，本实施例中的水下无人船控制系统，包括：无线人机交互装置3，和水上基站1；所述无线人机交互装置3和水上基站1通过无线连接进行信号交换，所述水上基站1与水下无人船本体2通过有线连接进行信号交换。

通常情况下，无线人机交互装置3不能直接对水下无人船本体2进行控制。这是因为无线波段在水介质中的衰减非常快，不利于远距离的数据传输。因此在本实用新型的实施例中，无人船本体2与水上基站1通过有线的通信线缆连接，数据通过所述水上基站1进行传输。由于无人船本体2与水上基站1之间采用的是有线传输方式，因此可以使用多种有线传输方式实现高速的数据通信，包括但不限于使用电话线的xDSL技术，使用电力线的电力载波(PLC)技术，使用网线，同轴电缆，光纤等多种传输技术。

与此同时，水上基站1还拥有基站12，基站12内设置有无线通信模块，比较典型的有WIFI，蓝牙，或者是3G/4G/5G等移动通信模块，通过这些通信模块可以方便地实现无线人机交互装置3与水下无人船本体2的高速数据通信。为无线人机交互装置3实现实时智能化通信提供了通信环境的基础。

无线人机交互装置3包括无线智能终端31。无线智能终端31包括以下至少之一或其组合，智能手机、平板、台式电脑、笔记本电脑。在本实施例中，所述无线智能终端31为智能手机。

无线智能终端具有无线通信模块，本实施中的智能手机具有WiFi通信模块，同时水上基站1也具有基站12，基站12中设置有用于与所述智能手机进行通信的WiFi模块，两者通过无线局域网的通信协议实现通信信号的交互。

本实施例中，水上基站1和水下无人船本体2的通信为有线通信，采用的是电力载波通讯技术。电力载波通讯即PLC，是英文Power Line Communication的简称。电力载波通讯是指利用电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大特点是只要有电线，就能进行数据传递。

水上基站1上设置有第一电力调制解调器10，水下无人船本体2设置有第二电力调制解调器20，两者之间通过电缆进行连接。使用上述的电力载波技术实现数据和电力的传送。

在水上基站中所述的基站12和第一电力调制解调器10之间使用通信线缆连接，进行通信数据的交互。通过这种方法，所述无线人机交互装置3就通过水上基站1中的基站12，然后经过第一电力调制解调器，再通过电源电缆与水下无人船本体2上的第二电力调制解调器20相连，实现了无线人机交互装置3与水下无人船本体2之间的通信连接。其中图1中所示的第一图数传输单元11和第二图数传输单元21在此过程中实现的是图像信息和数据信息的单一链路转化技术，在这里不再展开叙述。

如上文所述，本实施例中无线智能终端31优选的是智能手机。智能手机的硬件平台可分为核心芯片和外围元器件两大部分。核心芯片主要包括应用处理器(Application Processor，简称AP)和基带处理器(Baseband Processor，简称BP)，外围器件则包括射频芯片、连接芯片、传感器等各种围绕核心芯片提供辅助功能的元器件。

核心芯片在移动智能终端中扮演着重要的“保障性”角色。应用处理器AP通常包括重要的中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)，负责用户界面和应用服务的实现；基带处理器(BP)是支持各种数据通信制式的通信模块，负责移动互联网数据的传输和交换。“AP+BP”的结构体系是当前移动智能终端核心芯片的主要体系，融合化解决方案是目前的发展趋势，例如单一芯片系统(SoC)的“AP+BP解决方案”。

本实施所使用的智能手机同样具有应用处理器，拥有强大的运算处理能力，通过预装的无人船管理软件就可以方便地实现对水下无人船本体的管理和控制。

使用智能手机进行无人船的控制时，使用智能手机的显示功能，结合所设置的方向和功能控制按键实现对水下无人船本体的前进，后退，转向，摄像，抓取或者是其他的动作进行控制，更重要的是可以使用智能手机来实现对无人船的管理功能。

在本实用新型的一个实施例当中，水下无人船本体2，通过声呐采集系统，使用断层扫描技术采集作业水域附近的水底环境的声呐信息。水下无人船本体2将这些信息通过水下线缆传递给水上基站1，水上基站1通过WiFi模块将这些数据转发给无线智能终端31。无线智能终端31安装有基于声呐的图像复原软件，通过所收到的声呐信息复原出无人船所在水底环境的图像信息，显示给使用者。

在另一个实施例中，无线智能终端31将水下无人船本体2通过视频采集单元23拍摄水下场景，该图像信息经过编码器24编码后，通过水下无人船的第二电力调制解调器20和电源线，以及水上基站1上的第一电力调制解调器10传送给基站12，基站12通过WiFi模块将这些数据转发给无线智能终端31。无线智能终端31将所收到的图像信息复原出来显示给使用者。

在另一个实施例中，使用者还可以进一步通过智能手机中的图像处理软件，还原出完整的水下地貌图像，供使用者使用。

在另一个实施例中，无线智能终端31通过水下无人船每次捕鱼的品种，数量，以及无人船的时间和位置信息，通过无线智能终端31的应用处理器进行规律统计，进而总结出鱼群的分布规律模型，成为今后的捕鱼作业的参考资料。

本实用新型所述应用处理器向无人船本体2发送控制指令。所述控制指令由智能手机发出，水上基站1上的基站12接收该控制指令，并将该指令传递给第一电力调制解调器10，第一电力调制解调器10调制该控制信号，并通过连接水上基站1和水下无人船本体2的电源线，将该信号传递给第二电力调制解调器20，第二电力调制解调器20解调出该控制信号后，传递给控制模块22。控制模块22可以控制无人船本体2的运行线路、运行姿态和动作进行直接控制，从而实现了使用无线智能终端31来控制水下无人船本体2的目的。

在本实用新型的另一个实施例中，上述的无线人机交互装置3通过移动通信传送方式，实现将无人船的数据信息传送到移动互联网中。通过无线智能终端31进一步实现无人船的无线互联网化，进一步拓宽无人船的管理半径和应用手段。本实施例中，各个无线智能终端通过高速的移动通信连接进行移动互联，即可实现多个无人船的协同管理，可以实现多人对多船执行多任务，或者多人多船执行同任务等多种应用场景，实现了无人船的协同合作，极大地增强了无人船的应用范围和功能。实现无人船的集群化和多任务管理。

在本实用新型的另一个实施例中，一个所述无线人机交互装置3，管理多个水下无人船本体2。这种方式可以通过在无线人机交互装置3内，对所绑定的多个水下无人船进行ID标识，通过不同的ID对不同的无人船发布控制指令。特别地，结合移动智能终端的显示以及上述的水下地貌图像等技术，实现对多个无人船的可视化管理，形成协同完成任务的能力。这种应用可以广泛被应用于鱼群的围捕，和对大片水域进行搜索等实际需求中。

在本实用新型的另一个实施例中，所述水下无人船控制系统还包括云服务器，所述云服务器5，与水上基站1或者人机交互装置通信连接，并负责所述水下无人船控制系统的数据管理。所述的云服务器5通过水上基站1或者是通过移动互联网，实现与无人船本体或者是无线智能终端31的通信连接。所述云服务器5具有数据分析能力，利用所采集到的所述水下无人船的运行数据建立水下无人船作业规律模型，实现对水下无人船的智能化应用，所述智能化应用至少包括：水下无人船所处环境内鱼群分布规律模型，多水下无人船单任务集中控制和管理，多水下无人船多任务集中控制和管理。当然上述的无线智能终端31的管理分析功能，在所述的云服务器5中都可以快速的执行，所不同的是云服务器的处理速度更快，并且结合采集到的海量无人船相关信息，利用云服务器的强大的运算能力和人工智能机器学习的算法，以及数学建模方法，为无人船提供更加丰富有效的智能化管理策略和手段。进而实现无人船控制系统的升级，使无人船的控制系统实现了无线化和智能化的目标。本实用新型的无人船管理系统还具有拓展性，可以通过不同水上基站的集连实现大规模的无人船管理。

在本实用新型的另一个实施例中，无线人机交互装置采用了传统的遥控器32，遥控器32包含操纵摇杆和按钮；实现对水下无人船的运行线路、运行姿态和执行的动作进行操作控制。这种遥控器32的控制功能比较简单，主要是为了控制水下无人船的运行。当然在进一步的设计中，此遥控器可以设置显示屏和存储硬盘，同样可以将水下无人船所采集到的各种信息进行显示和存储。所述的遥控器32与无人船本体2之间的控制信号传输可以通过上述的通信传输方式来实现

人机交互装置所包含的范围很广。除了上述的无线人机交互装置之外，还可以设置有线人机交互装置4与水上基站1相连，进行无人船本体的控制和管理。有线人机交互装置的控制器41，图像显示器42，通过控制线、视频线、或者网线，实现与水上基站1的通信连接，实现管理和控制的功能。显而易见地，该无线人机交互装置所提供的无人船智能化控制和管理方式，同样适用于有线人机交互装置，这里不再赘述。

在本实用新型的另一个实施例中，水下无人船本体与水上基站的有线通信模块之间的同时传送电源和通信信号的电缆，其平均密度接近或等于水的密度，至少包括缆芯层和包覆缆芯层的浮力层，所述的缆芯层至少包括一根信号线或导线。

因为本实用新型的水下无人船通信用线缆用于水介质中进行信号的传输，为了减少其对水下无人船运动时的影响，将其设置为零浮力结构更加适合在水中作业水下无人船使用；因为水下无人船可应用于淡水中作业也可以应用于海水中作业，则本实用新型中，所述水下无人船通信用线缆的平均密度可接近或等于淡水的密度，当然水下无人船通信用线缆的平均密度可接近或等于海水的密度，或者该线缆也可设置为淡水和海水两用线缆，即该线缆的平均密度介于淡水密度和海水密度之间。

水下无人船潜水作业中需要与外界非水介质内的其他终端传输信号，但是因为无线信号在水中衰减的较快，其严重影响了水下无人船在水介质中的通信，针对于此，水下无人船采集到信号后通过线缆在水介质中传输信号，之后将信号传输到漂浮在水面的水上基站，水上基站再将信号无线传送到外部终端，从而完成水下无人船与外部终端的通信。本实用新型中，为了减少水对线缆的阻力，需尽量减小线缆的细度，鉴于上述分析，水下无人船通信系统可使用电力载波技术传输水下无人船的水上基站和水下无人船本体之间的通信信号，其中，所述通信信号是将图像信号和数字信号整编为单一链路的数据信号，即水下无人船通信采用将图传和数传通过单一链路进行传输的技术方案，则此时可将缆芯内的导线减少到两根导线，使用双绞线零浮力电缆，进行图传和数传同时传输，通过此方案，可大幅度减小了线缆的粗度。

具体的，所述的线芯层包括两根相互绝缘的导线，所述的两根相互绝缘的导线为一双绞线对，而所述浮力层采用耐水聚氨酯材质制作，最优选的，所述浮力层为TPU发泡层。本实用新型中，浮力层采用TPU材质是考虑到其诸多的特性，TPU材质硬度范围广、机械强度高、耐寒性凸出，加工性能好，且耐油耐水耐霉菌，更重要的是其密度小接近于水的密度，从而利于对线缆的密度调节。

本实施例中，所述线芯层只设置一双绞线对，则对应的水下无人船通信系统使用电力载波技术传输水下无人船的水上基站和水下无人船本体之间的通信信号，其中，所述通信信号是将图像信号和数字信号整编为单一链路的数据信号，其中所述的单一链路的数据信号则以所述的双绞线为载体进行信号的传输。

在本实用新型的另一个实施例中，水下无人船通信用线缆，包括缆芯层和包覆缆芯层的浮力层，其中所述的缆芯层包括两根相互绝缘的导线，其中，所述导线采用100米长对应阻抗不大于10欧的导线,本实用新型的线缆可用于水下无人船在水下100米左右水域时进行信号传输，因此本实用新型线缆的信号传输性能要好，则经过大量的实验发现，当采用100米长对应阻抗不大于10欧的导线才能保证信号正常的传输。

进一步的，本实用新型的线缆要随着水下无人船运动，因此为了减少水对线缆的影响，要求其细度越细越好，同理，则其缆芯层的导线也相应的需要做细，根据物体电阻计算公式：R＝ρL/S,其中,L为导体长度,S为导体的横截面积,比例系数ρ叫做物体的电阻系数或是电阻率,ρ与物体的材料有关,在数值上等于单位长度、单位面积的物体在20℃时所具有的电阻值。通过公式可知要减小电阻或者阻抗可通过选取不同材质的导体来实现，因此本实用新型中选取了电阻率较低的材质制作线芯层中的导线，具体的，所述的导线可为金或银或镀金铜或铜，优选的，所述导线选用铜材质时，线缆电阻小，信号传输性好，可保证水下无人船和水上能够进行正常信号传输。而当线缆要在水中使用，那么时间一长,再加上外界环境,比如环境温度或者海水的渗入铜就会迅速氧化腐蚀等严重影响了信号的传输，而当用黄金作为线芯时，因为黄金导电性延展性跟韧性良好,故可以拉成很细的金线，所以黄金更适合本法实用新型的线芯。但是考虑到用黄金做线芯层成本过大，本实用新型的线芯层也可以使用镀金铜或铜作为线芯层。

根据物体电阻计算公式：R＝ρL/S，可知要减小电阻R还可以通过增加导线的横截面面积，但是因为本实用新型中为了将线缆做的更细其对导线的横截面面积具有要求，并非是横截面面积越大越好，在经过大量的实验发现导线的横截面直径为0.2～1.5mm时导线的信号传输性能好且能够达到减小本实用新型线缆细度的要求。优选的，所述导线横截面直径为1mm，所述线缆的横截面直径为2～20mm,优选的，所述线缆的横截面直径为10mm，

本实施例中将导线的横截面积和线缆的横截面积在保证传输信号性能良好的前提下尽量的细化，可更加利于无人船在水下的运作。

以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型方案的范围内。