本發(fā)明涉及水下機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水下機(jī)器人水面操控裝置。

背景技術(shù)：

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人民生活水平不斷提高，對(duì)資源的需求也與日俱增。占地球表面積71％的海洋中蘊(yùn)含著豐富的生物資源、礦產(chǎn)資源、化學(xué)資源、水資源等，開發(fā)利用海洋、發(fā)展海洋事業(yè)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(jī)器人已在科學(xué)考察、沉船打撈、深海探測等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。與陸地環(huán)境相比，水下環(huán)境更為復(fù)雜多變，能見度低，水流變化不定，因此增加了水下機(jī)器人控制的難度。同時(shí)，由于水下機(jī)器人自身的強(qiáng)耦合、非線性、欠驅(qū)動(dòng)以及模型不確定性等特征，使得水下機(jī)器人的有效控制成為一個(gè)十分具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)難點(diǎn)。

水下機(jī)器人按控制方式劃分一般可以分為：纜控水下機(jī)器人rov(remotelyoperatedvehicle)和自治水下機(jī)器人auv(autonomousunderwatervehicle)。rov的特色是能量和控制信號(hào)通過纜線傳輸至水下機(jī)器人，憑借成本低、控制簡便性和信息交互實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)，從而在決策和作業(yè)水平上，rov仍是現(xiàn)在使用最為廣且最為重要的水下探測設(shè)備，但是臍帶纜較粗，復(fù)雜水下環(huán)境中不宜拖動(dòng)、水下擾動(dòng)較大，作業(yè)困難。auv的特點(diǎn)是無人無纜，自主完成任務(wù)，但其水聲通信設(shè)備昂貴、傳輸時(shí)延較長，無法實(shí)現(xiàn)auv和水面控制端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，在復(fù)雜水下環(huán)境中無法從水面控制端根據(jù)實(shí)際水下情況對(duì)auv進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，影響了auv的水下安全性與作業(yè)能力，目前auv的智能仍不能在水下作業(yè)中實(shí)現(xiàn)完全自治。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種水下機(jī)器人水面操控裝置，采用光纖作為信號(hào)傳輸載體，實(shí)時(shí)接收水下圖像信號(hào)，傳輸信息量增大，特別有利于進(jìn)行水下圖像傳輸，提高了水下機(jī)動(dòng)性。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種水下機(jī)器人水面操控裝置，包含：

操控臺(tái)，用于輸入操控?cái)?shù)據(jù)；

可編程邏輯處理器，其電性連接操控臺(tái)和工控機(jī)處理器，用于采集并處理操控臺(tái)的操控?cái)?shù)據(jù)，并將操控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)處理器；

工控機(jī)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(jī)，用于接收可編程邏輯處理器采集的操縱數(shù)據(jù)，并按照通信協(xié)議，控制光端機(jī)通過光纖下傳至水下機(jī)器人；

光端機(jī)模塊，其包含光纖連接的上位光端機(jī)和下位光端機(jī)，上位光端機(jī)電性連接工控機(jī)處理器，下位光端機(jī)電性連接水下機(jī)器人，用于實(shí)現(xiàn)工控機(jī)處理器和水下機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)通信，將工控機(jī)處理器的控制信號(hào)下傳給水下機(jī)器人，并將水下機(jī)器人獲取的水下圖像數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)處理器；

圖像采集卡，其電性連接下位光端機(jī)，用于采集水下機(jī)器人獲取的水下圖像數(shù)據(jù)。

所述的操控臺(tái)包含邏輯控制開關(guān)和操縱桿，該邏輯控制開關(guān)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(guān)用于設(shè)置水下機(jī)器人的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制水下機(jī)器人在水下的航行，所述的操縱桿用于手動(dòng)控制水下機(jī)器人在水下的航行。

所述的水下機(jī)器人水面操控裝置還包含：電源模塊，其電性連接工控機(jī)處理器，用于為工控機(jī)處理器、可編程邏輯處理器和光端機(jī)模塊提供工作電源，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)水面操控裝置和水下機(jī)器人的電壓。

所述的水下機(jī)器人水面操控裝置還包含：顯示模塊，其電性連接工控機(jī)處理器，用于實(shí)時(shí)顯示操控?cái)?shù)據(jù)和水下圖像數(shù)據(jù)。

所述的可編程邏輯處理器的型號(hào)采用750-841可編程邏輯處理器。

所述的工控機(jī)處理器的型號(hào)采用gene-9455。

所述的光端機(jī)采用yks1v1rd1t1e系列以太網(wǎng)數(shù)字復(fù)用光端機(jī)。

所述的圖像采集卡采用dh-vt123圖像采集卡。

本發(fā)明采用光纖作為信號(hào)傳輸載體，傳輸信息量增大，特別有利于進(jìn)行水下圖像傳輸，克服了rov臍帶纜較粗，復(fù)雜水下環(huán)境中不宜拖動(dòng)，水下擾動(dòng)大的缺點(diǎn)，提高了水下機(jī)動(dòng)性，能夠更好的控制水下機(jī)器人的作業(yè)，提高作業(yè)效率，同時(shí)采用實(shí)時(shí)接收水下圖像信號(hào)的方式，也克服了auv不能實(shí)時(shí)傳輸信息的缺點(diǎn)。而且本發(fā)明智能性較高，可以通過設(shè)置自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制水下機(jī)器人的航行姿態(tài)、水下位置等，也可以根據(jù)水下機(jī)器人上傳的圖像信息，對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)控制，更有利于局部、精準(zhǔn)的作業(yè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的一種水下機(jī)器人水面操控裝置的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

以下根據(jù)圖1具體說明本發(fā)明的較佳實(shí)施例。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種水下機(jī)器人水面操控裝置，包含：

操控臺(tái)3，用于輸入操控?cái)?shù)據(jù)；

可編程邏輯處理器2，其電性連接操控臺(tái)3和工控機(jī)處理器1，用于采集并處理操控臺(tái)3的操控?cái)?shù)據(jù)，并將操控?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給工控機(jī)處理器1；

工控機(jī)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(jī)4，用于接收可編程邏輯處理器2采集的操縱數(shù)據(jù)，并按照通信協(xié)議，控制光端機(jī)4通過光纖下傳至水下機(jī)器人；

光端機(jī)模塊，其包含光纖連接的上位光端機(jī)401和下位光端機(jī)402，上位光端機(jī)401電性連接工控機(jī)處理器1，下位光端機(jī)402電性連接水下機(jī)器人，用于實(shí)現(xiàn)工控機(jī)處理器1和水下機(jī)器人之間的實(shí)時(shí)通信，將工控機(jī)處理器1的控制信號(hào)下傳給水下機(jī)器人，并將水下機(jī)器人獲取的水下圖像數(shù)據(jù)上傳給工控機(jī)處理器1；

圖像采集卡5，其電性連接下位光端機(jī)402，用于采集水下機(jī)器人獲取的水下圖像數(shù)據(jù)；

電源模塊6，其電性連接工控機(jī)處理器1，用于為工控機(jī)處理器1、可編程邏輯處理器2和光端機(jī)模塊提供工作電源，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測整個(gè)水面操控裝置和水下機(jī)器人的電壓；

顯示模塊7，其電性連接工控機(jī)處理器1，用于實(shí)時(shí)顯示操控?cái)?shù)據(jù)和水下圖像數(shù)據(jù)。

所述的操控臺(tái)3包含邏輯控制開關(guān)和操縱桿，該邏輯控制開關(guān)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(guān)用于設(shè)置水下機(jī)器人的工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制水下機(jī)器人在水下的航行，所述的操縱桿用于手動(dòng)控制水下機(jī)器人在水下的航行。

本實(shí)施例中，所述的可編程邏輯處理器2的型號(hào)采用750-841plc。wago750系列可編程邏輯控制器是模塊化的現(xiàn)場總線i/o系統(tǒng)，它由現(xiàn)場總線適配器/控制器、用于連接各種類型信號(hào)的現(xiàn)場總線模塊、以及終端模塊三部分一起共同構(gòu)成一個(gè)完整的現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)。由于操控臺(tái)發(fā)送的操控?cái)?shù)據(jù)主要為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，因此在現(xiàn)場總線模塊中采用了8通道的750-430數(shù)字信號(hào)總線模塊與4通道的750-457模擬信號(hào)總線模塊，整個(gè)現(xiàn)場總線節(jié)點(diǎn)通過led來指示控制器與節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。在通訊協(xié)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(xié)議：filetransferprotocol)、snmp(簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議：simplenetworkmanagementprotocol)、sntp(簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議：simplenetworktimeprotocol)等協(xié)議，這使得它在控制中的應(yīng)用非常靈活。本實(shí)施例中，可編程邏輯處理器的通訊協(xié)議采用modbus/udp，同時(shí)采用wago標(biāo)準(zhǔn)modbus/udp的動(dòng)態(tài)鏈接庫的設(shè)計(jì)進(jìn)行了可編程邏輯控制器的采集，能夠使水面工控機(jī)處理器通過vb6.0的設(shè)計(jì)與wago750系列以太網(wǎng)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而達(dá)到工控機(jī)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行信息采集和控制輸出的目的。

本實(shí)施例中，所述的工控機(jī)處理器1的型號(hào)采用gene-9455。gene-9455是一款高性能主處理器，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，相較于嵌入式系統(tǒng)，性能更加穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)。其板載intelatomn270處理器1.6ghz，fsb533mhz，系統(tǒng)內(nèi)存達(dá)到200pinddr2sodimmx1，最大支持2gb(ddr2400/533)，以太網(wǎng)為intel82574l，10/100/1000base-tx，rj-45x2。在系統(tǒng)應(yīng)用方面，此處理器支持電源電壓和溫度監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)喚醒、可編程超時(shí)中斷或系統(tǒng)復(fù)位，并且總共提供了4個(gè)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(fā)明會(huì)對(duì)水下攝像頭進(jìn)行圖像采集并且實(shí)時(shí)顯示，因此對(duì)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(dá)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(duì)水下圖像的顯示起到了很大的支持。

本實(shí)施例中，所述的光端機(jī)采用yks1v1rd1t1e系列以太網(wǎng)數(shù)字復(fù)用光端機(jī)，其搭配全球領(lǐng)先的光纖傳輸技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)及串口信號(hào)在單芯光纖上無失真、高質(zhì)量地傳輸。yks1v1rd1t1e系列以太網(wǎng)光端機(jī)配置全數(shù)字無壓縮傳輸技術(shù)，以達(dá)到優(yōu)品質(zhì)的傳輸效果，采用即插即用的設(shè)計(jì)方法使得裝配簡便，便于攜帶，而且在應(yīng)用中無需每次都進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)節(jié)，所有的光、電接口均統(tǒng)一于國際標(biāo)準(zhǔn)，可以使水下機(jī)器人在各種不同的復(fù)雜環(huán)境下工作。并且該光端機(jī)采用結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計(jì)，可基于現(xiàn)場不同情況靈活選擇獨(dú)立式或機(jī)架式的安裝方式。在本發(fā)明中，該光端機(jī)的主要特性是支持高分辯率的視頻信號(hào)傳輸，可進(jìn)行千兆大容量的光纖傳輸。在數(shù)據(jù)特性方面，其串口接口具備一路反向數(shù)據(jù)接口，接口信號(hào)支持rs-232、rs-422(全雙工)、rs-485(2/4線制)的通信協(xié)議，傳輸碼速率達(dá)到了256kbps，并且誤碼率低到只有10-9；以太網(wǎng)接口為ansix3t12tp-pmd標(biāo)準(zhǔn)，支持tcp/ip與udp協(xié)議，這些性能使得整個(gè)系統(tǒng)在應(yīng)用中高度穩(wěn)定。

本實(shí)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(jī)器人在水下實(shí)驗(yàn)的環(huán)境多數(shù)較為惡劣，在選擇圖像采集卡時(shí)，必須考慮到采集卡的穩(wěn)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(dá)到了60mbyte/s。在水下機(jī)器人水面操控裝置的設(shè)計(jì)中，水下圖像的采集處理為一重點(diǎn)內(nèi)容，對(duì)于水下機(jī)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(gè)裝置中的作用是采集圖像數(shù)據(jù)，但是水面操控裝置需要實(shí)現(xiàn)對(duì)水下圖像進(jìn)行高速、實(shí)時(shí)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(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并在終端處理顯存數(shù)據(jù)后，即可于操控臺(tái)進(jìn)行顯示。

在利用本發(fā)明提供的水下機(jī)器人水面操控裝置進(jìn)行操控時(shí)，操作人員可根據(jù)水下環(huán)境選擇不同的工作模式。當(dāng)水下環(huán)境比較簡單，水流較小時(shí)，可選擇自動(dòng)控制模式，通過操控臺(tái)設(shè)置水下機(jī)器人速度、位姿、深度等參數(shù)，向工控機(jī)處理器發(fā)送操作指令，然后通過光纖下達(dá)指令，自動(dòng)控制水下機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)水下環(huán)境比較復(fù)雜時(shí)，操作人員可選擇手動(dòng)控制水下機(jī)器人，根據(jù)水下機(jī)器人上傳的水下環(huán)境圖像，通過操縱桿向工控機(jī)處理器發(fā)送指令，遠(yuǎn)程控制水下機(jī)器人進(jìn)行精細(xì)作業(yè)。

本發(fā)明采用光纖作為信號(hào)傳輸載體，傳輸信息量增大，特別有利于進(jìn)行水下圖像傳輸，克服了rov臍帶纜較粗，復(fù)雜水下環(huán)境中不宜拖動(dòng)，水下擾動(dòng)大的缺點(diǎn)，提高了水下機(jī)動(dòng)性，能夠更好的控制水下機(jī)器人的作業(yè)，提高作業(yè)效率，同時(shí)采用實(shí)時(shí)接收水下圖像信號(hào)的方式，也克服了auv不能實(shí)時(shí)傳輸信息的缺點(diǎn)。而且本發(fā)明智能性較高，可以通過設(shè)置自動(dòng)控制模式，自動(dòng)控制水下機(jī)器人的航行姿態(tài)、水下位置等，也可以根據(jù)水下機(jī)器人上傳的圖像信息，對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)控制，更有利于局部、精準(zhǔn)的作業(yè)。

盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。