一种具备通用可拓展接口的水下信号传输系统及方法

本发明属于机器人控制，尤其涉及一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统、方法及设备。

背景技术：

1、目前，水下机器人在进行作业时，往往需要通过脐带缆与甲板上位机连接，以此实现甲板端操作人员远程遥控、数据传输、监测控制，尤其是机器人挂载的摄像头、灯、云台、机械手、海洋仪器等，均须通过此通道实时交互信息至上位机。有线信号传输属于物理连接，需机械－电气－通信适配，才能完成高精度、低时延和大带宽的数据传输，从而确保数据传输的可靠性和稳定性。

2、在水下机器人信号传输装置设计中，接口专用性较高，通常不支持仪器混用。由于水下仪器信号输入源的形式多样，不同的信号输入源需要采用不同的通信协议和硬件接口，因此系统的定制化程度较高，通用性较差，甚至是同品牌不同型号的网络摄像头，也会因供电电压不同、是否需要poe接口及传输带宽的不同而有不同的接口需求。如果需要对现有舱体进行信号源的类型和数量改造，就需要进行拆舱，并对内部功能模块进行调整，甚至是端盖接插件类型也需要调整，重新开舱和重新安装舱体会引入新的密封问题，例如连接点和接口处的漏水问题，需要进行专门的检查和处理，成本较高。

3、通用可扩展接口是一种创新的有线连接接口设计，它允许以原先舱体级联下一级通信舱体的方式扩展原有接口，使得水下机器人可以支持不同类型的电子设备和系统，支持分布式模块化设计，而不需要对原舱体进行大规模的改动。这种装置可以使得不同功能的水下机器人在电子舱体方面具有更高的通用性和灵活性，同时也可以节省设计和制造成本，提高生产效率。

4、未来，随着水下机器人应用领域的不断扩展和技术的不断发展，水下通信装置将需要具备更高的性能和可靠性，兼容适配各类仪器的接口需求。因此，针对不同的应用需求，研发更加智能化、高效率、低成本的信号传输系统将成为研究的热点之一。例如申请号：201680072818.1 水下通信方法；申请号：202120539757.3 基于光纤放大器的深海远距离无中继光纤通信装置；申请号：201220460618.2 一种通用通信接口互联系统；申请号：201620382949.7 串口通信扩展板。

5、部分水下信号传输系统要求对外接仪器设备的信号源类型和电气规格具有明确的限制，难以满足系统通用性的要求。系统所支持的外设仪器单一，不支持局部直接调试检修功能。虽然陆地设备通用信号传输系统的研究取得了一定成果，但技术方案只适用于易于拆卸扩展的舱体，在水下机器人通信装置方面难以实现迁移。因此，有必要深入探索水下机器人信号传输领域，研发新型水下信号传输系统，以满足水下机器人复杂多变的使用需求，支持各种外设仪器，增强系统可扩展性以及局部调试检修功能。

6、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有技术的水下信号传输系统要求对外接仪器设备的信号源类型和电气规格具有明确的限制，难以满足系统通用性的基本要求；信号传输系统所支持的外设仪器单一，不支持局部直接调试检修功能；只适用于易于拆卸扩展的舱体，在水下机器人上难以实现迁移。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统、方法及设备。

2、本发明是这样实现的，一种具备通用可拓展接口水下信号传输系统，包括：硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口；

3、硬件匹配接口采用十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；

4、通信适配接口采用以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；

5、电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接。

6、进一步，十三芯通用拓展接口的硬件形式采用通用品牌的水密连接器，水密接插件实现水下环境中挂载传感器与水下机器人电控系统间电力传输与通信交互；

7、建立以太网多节点通信架构，包括信息交互模块和协议转换模块。以tcp/ip协议进行多节点间数据传输；以千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成mac地址的映射，实现水下机器人与挂载的外设仪器的通信；并配置物联网网关，支持典型的rs232-以太网、rs485-以太网、rs422-以太网、can-以太网等通信协议转换，实现多种通信接口的大带宽兼容通信；同时也支持构建透明串口通道，在甲板远端用串口收发数据；

8、配置开关电源适配隔离模块及继电器，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管，传输24vdc，最大300w功率电力；同时高效转换成海洋仪器设备常见电压48v、12v、5v。

9、进一步，接插件安装于水下机器人电控舱体端盖上，以十三芯接插件实现与挂载仪器的有缆连接；内部芯线中四组双绞信号线经水晶头与网络交换机相连，实现以太网信号交互；接插件其余芯线通过继电器后与电源转换模块相连，实现舱外仪器的电气连接。

10、进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统采用568b的网络线序，并以直连线方式制成rj45水晶头后接入交换机。

11、进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统的通信配置，采用tcp/ip协议进行水下机器人信号传输系统与挂载仪器的通信交互；设置水下机器人信号传输系统为tcp server，仪器端为tcp client；tcp client 为tcp网络提供客户端连接，主动向服务器发起连接请求并建立连接，实现仪器数据与水下机器人信号传输系统数据的交互。

12、进一步，所述具备通用可拓展接口水下信号传输系统的配置tcp/ip参数的操作包括为：指定本机的ip地址、子网掩码及指定网关；接口采用固定ip制，主机和从机在同一网段，用子网掩码区分网络地址和主机地址并进行适配，配置网关在网络层以上实现网络互连。

13、十三芯接口两路电源线进入电控系统后会接入电源隔离模块再到电力转换单元，各个电路的输入输出引脚都加装熔断保险丝和二极管。

14、本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统通用接口扩展形式，所述具备通用接口系统设计包括以下步骤：

15、通过采用分布式通信架构、局域网数据交换机制和通用拓展接口兼容支持多种接口形式和通信协议，实现了多节点的互联互通；

16、内部模块接入多种开关电源转换和通信协议转换芯片，满足不同仪器的电气需求和传输要求；

17、十三芯通用拓展接口的设计，为水下机器人的多种仪器设备的接入提供了通用接口。

18、本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行所述具备通用可拓展接口水下信号传输方法。

19、本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述具备通用可拓展接口水下信号传输方法。

20、本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统的通用接口配置方法，用于配置具备通用可扩展接口的水下信号传输系统，包括以下步骤：首先，安装十三芯通用扩展接口的硬件匹配接口于水下机器人舱体端盖上，用于实现与挂载仪器的有缆连接；其次，配置以太网多节点通信架构，包括设置物联网网关和透明传输通道，以支持挂载仪器的信息交互；最后，连接电气适配接口到电源转换模块和隔离保护电路，以实现舱外仪器的电气连接。

21、本发明的另一目的在于提供一种水下信号传输系统的多节点通信架构建立方法，用于建立具备通用可拓展接口水下信号传输系统的多节点通信架构，包括以下步骤：首先，选择subconn品牌的水密连接器作为十三芯通用拓展接口的硬件形式，以实现水下环境中的电力传输与通信交互；然后，通过信息交互模块和协议转换模块建立以太网多节点通信架构，使用tcp/ip协议进行多节点间数据传输；接着，配置千兆交换机作为数据交换中心，在数据链路层完成mac地址的映射，以实现水下机器人与挂载外设仪器间的通信；最后，支持包括rs232-以太网、rs485-以太网、rs422-以太网、can-以太网等通信协议转换，实现多种通信接口的兼容通信，并构建透明串口通道。

22、本发明的另一目的在于提供一种水下机器人舱体的电气连接配置方法，用于配置具备通用可拓展接口水下信号传输系统的电气连接，包括以下步骤：首先，安装十三芯接插件于水下机器人电控舱体端盖上，通过内部芯线的四组双绞信号线与网络交换机相连，实现以太网信号交互；然后，将接插件的其余芯线通过继电器连接到电源转换模块，实现舱外仪器的电气连接；最后，采用开关电源适配隔离模块及继电器，配置各个电路的输入输出引脚，并加装熔断保险丝和二极管，用于传输24vdc，最大300w功率电力，并高效转换成海洋仪器设备常用工作电压。

23、本发明的另一目的在于提供一种水下机器人通信的网络配置方法，用于配置具备通用可拓展接口水下信号传输系统的网络，包括以下步骤：首先，采用568b的网络线序，并以直连线方式制成rj45水晶头后接入交换机；其次，采用tcp/ip协议进行水下机器人信号传输系统与挂载仪器间的通信交互，设置水下机器人信号传输系统为tcp server，仪器端为tcp client，以实现仪器数据与水下机器人信号传输系统数据的交互；最后，为接口指定本机的ip地址、子网掩码及指定网关，并采用固定ip制，同时通过十三芯接口的两路电源线进入内部系统，并接入电源隔离模块到电力转换单元，确保各个电路的安全性。

24、第一，本发明提供的可拓展接口水下信号传输系统包括三个主要部分，分别是硬件适配接口、通信适配接口及电气适配接口。其中，硬件匹配接口设计了十三芯通用拓展接口，安装于水下机器人电控舱体端盖上，实现与挂载仪器的有缆连接；通信适配接口设计了以太网多节点通信架构，配置物联网网关及透明传输通道，可支持挂载仪器的信息交互；电气适配接口连接电源转换模块及隔离保护电路，实现舱外仪器的电气连接。

25、本发明实现模块化设计：该接口的设计采用模块化原则，以便于系统的功能扩展和接口增容，从而支持不断丰富的海洋科研任务需求。本发明提高了系统的可扩展性：本发明的十三芯通用拓展接口采用插拔式连接，支持多种设备的连接。本发明提高了系统的可靠性和稳定性：本通信架构具有高度的可靠性和稳定性，以确保数据的高质量传输，同时支持多级节点连接，以便于不同舱体或设备之间的互联互通。开关电源适配隔离模块支持高效电力转换，且具有强大的隔离保护功能，以确保电气安全性，并能够降低电磁干扰的影响。

26、第二，本发明的水下机器人可在高风险、多污染以及可见度低的复杂环境下工作，目前，水下机器人已经在海洋探索、渔业养殖、水下检测维修、搜救、消费娱乐、军事、教育等领域广泛应用。2020年全球水下机器人行业市场规模大约36.34亿美元，到21年达到42.05亿美元，预测2025年有望达到91.20亿美元。由于应用用途不同，水下机器人搭载的作动机构及探测仪器也不同，导致水下机器人型号众多。因此，设计可以搭载兼容多种作业模式的可拓展接口装置，不仅可以拓展水下机器人的作业能力，还有助于推动水下机器人的统型设计，以较低的成本实现“一机多用”，具有重要的商业价值和实践意义。

27、第三，本发明所解决的技术问题在于，设计电气－通信－机械通用接口，解决了水下机器人产品在进行功能扩展和接口升级改造中需要对原舱体进行拆舱加工，而增加漏水耐压密封问题风险技术问题。

28、在本领域中，针对水下机器人的功能实现和接口支持，技术人员往往主张在产品总体设计阶段就做好接口设计和资源规划，针对机器人所挂载的不同的仪器设备设计特性接口，电气和通信功能完全实现后，再考虑水密舱体的机械设计和密封，做到专口专用，富裕的通信资源往往局限于舱体内部。而机械技术人员在考虑富裕资源时往往只考虑将备用水密接插件安装于舱体，内部的电气线路则根据后续新的挂载仪器需求再开舱进行升级改造。本领域技术人员没有动机设计仪器通用接口。因此，不考虑水下机器人电控舱体电气－通信－机械通用接口属于本领域的技术偏见。

29、本技术克服了技术偏见，通过将设计电气－通信－机械通用接口，一方面可以作为仪器的备用接口，另一方面也支持外挂新舱体做系统扩展升级，而无需对原舱体进行拆舱及机械加工，从而不影响系统的可靠性，还可并行工序提高研发效率。

30、第四，本发明具备可拓展接口的水下有线通信系统取得的显著技术进步包括：

31、1）通用可拓展接口设计：采用十三芯通用拓展接口，提高了系统的兼容性和扩展性，使得系统能够方便地连接多种不同的挂载仪器。

32、2）高效的通信架构：采用以太网多节点通信架构和物联网网关，实现了高效稳定的信息交互，提高了通信效率。

33、3）电气安全保障：通过电源转换模块和隔离保护电路，保证了电气连接的安全，减少了设备损坏和故障的风险。

34、4）灵活的通信配置：通过tcp/ip协议、568b网络线序和直连线方式制成的rj45水晶头，实现了灵活可靠的通信连接，提高了数据传输的效率和准确性。