一种无缆水下机器人的信号传输装置

1.本发明属于现代海洋装备技术领域，尤其涉及一种无缆水下机器人的信号传输装置。


背景技术：

2.目前，小型潜水机器人均为有缆连接机器人，通过线缆实现供电和信号传输。有缆水下机器人具有信号稳定、电能持久和下潜深度大等优点。然而受到缆绳长度、信号传输质量以及缆绳重量等因素的制约，观测距离一般在200米以内，机器人活动区域需要保证开阔无障碍物，缆绳大而笨重，不便于携带。水下无缆机器人是行业内的难题，目前通过水声通讯技术可以实现水下信号传输，但是由于水声通讯模块功率达，模块尺寸大，只能在大型水下浅器上配备，且成本高昂，在微小型浅器和民用低成本设备上无法使用。
3.在海水养殖区水下生物监测领域，大部分生产作业水深不足3米，养殖池内人工鱼礁等构筑物多，有缆机器人作业难度大，机动灵活性差，针对这一特定作业场景，产业上亟需一款满足水下3米以内无缆控制的小型水下监测机器人。现有技术基于超短波通讯的声学信号传输装置体积大、功率达和成本高，无法适应于微小型水下监测机器人领域，且现有水面水下有缆连接的通讯浮标体积大、缆绳粗，无法适应于微小型水下监测机器人领域。
4.因此，针对以上现状，迫切需要开发一种无缆水下机器人的信号传输装置，以克服当前实际应用中的不足。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种无缆水下机器人的信号传输装置，以解决上述背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种无缆水下机器人的信号传输装置，包括线缆和自动伸缩盘线器，所述线缆盘卷在自动伸缩盘线器内，所述线缆的两端延伸至自动伸缩盘线器外，且分别通过水密接头与通讯浮球和水下机器人相连，还包括：
8.通讯浮球，所述通讯浮球包括上半球和下半球，所述上半球上固定有工字形结构的连接座，所述上半球内设置有配重室和通讯电线；
9.所述下半球的侧壁上开设有与连接座配合的连接槽，所述下半球内分布有固定卡槽，所述固定卡槽内分别安装有4g/5g通讯模块、电池及电源管理模块、北斗定位模块、信号转换模块、九轴传感器和单片机；
10.连接组件，所述连接组件设置在下半球内，所述连接组件的一端与连接座相连，所述连接组件通过与连接座配合的方式将上半球和下半球连接为整体；
11.密封组件，所述密封组件的一端安装在上半球内，所述密封组件的另一端设置在连接座的两侧，所述密封组件通过与连接座和连接槽配合的方式对上半球和下半球的连接处进行密封。
12.作为本发明进一步的技术方案，所述连接组件包括驱动件、安装座、转轴、齿轮、齿条和连接件，所述驱动件设置在安装座上，所述驱动件的输出端通过转轴与齿轮相连，且所述驱动件还分别与电池及电源管理模块和单片机电性连接，所述齿条沿齿轮中心分布在安装座上，且所述齿条与齿轮啮合连接，所述齿条的一端安装有连接件，所述连接件的一端延伸至安装槽内并且与连接座上开设的连接孔配合。
13.作为本发明进一步的技术方案，所述密封组件包括气泵、通气管、连通管和密封气垫，所述气泵固定在上半球内，所述气泵的输出端通过通气管与连通管连通，所述连通管的两端与密封气垫连通，所述密封气垫安装在连接座的两侧。
14.作为本发明进一步的技术方案，所述通讯浮球的净浮力为3-5n，所述通讯浮球是一种直径小于11cm的球体结构，且所述通讯浮球上还配有led警示灯，当通讯信号低于一定强度或设备失联时，led警示灯自动亮起并作为打捞标识。
15.作为本发明进一步的技术方案，所述九轴传感器包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，所述九轴传感器根据通讯浮球的倾角、北斗定位模块的数据以及水下机器人搭载的水深传感器数据，来精确推算机器人的水下位置。
16.作为本发明进一步的技术方案，所述线缆与自动伸缩盘线器的整体比重大于海水的浮力，所述线缆是一种4芯抗拉线缆，所述线缆的直径小于1.5mm；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器对线缆进行释放；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器对线缆进行收卷。
17.作为本发明进一步的技术方案，所述上半球是一种由塑料材质制成的半球形结构，所述下半球是一种由不锈钢材质制成的半球形结构。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1.本发明通过自动伸缩盘线器与线缆配合的方式，将信号传输装置与主机分体设计，实现了远程无线控制，绕开了水中信号衰减快的瓶颈，增加了水下机器人的活动距离，控制距离可以实现2km以上；
20.2.本发明省去了笨重的机器人通讯线缆，极大地提升了水下机器人的便携性、机动性和可玩性，同时解决了水下机器人缆绳缠绕问题；
21.3.本发明将定位模块置于水面，采用自动伸缩盘线器，共同配合解决了水下机器人的精准定位难题，定位精度根据线缆的长度可控制在1-2米以内；
22.4.本发明通过浮球内置的电池及电源模块，可以实现通讯线缆少芯化、细化，便于轻量化设计自动伸缩盘线器，降低微小型水下机器人航行时水阻；
23.5.本发明通过对信号传输浮球小型化设计，降低微小型水下机器人航行时水阻。
24.为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明
25.图1为本发明实施例提供的无缆水下机器人的信号传输装置的外观示意图。
26.图2为图1中通讯浮球的结构剖视图。
27.图3为图2中通讯浮球下半球的结构示意图。
28.图4为图2中通讯浮球上半球的结构示意图。
29.附图标记：1－通讯浮球，2－线缆，3－自动伸缩盘线器，4－上半球，41－连接座，5-下半球，51－连接槽，6－连接组件，61－驱动件，62－安装座，63－转轴，64－齿轮，65－齿条，66－连接件，67－连接孔，7－配重室，8－通讯天线，9－固定卡槽，10－密封组件，101－气泵，102－通气管，103－连通管，104－密封气垫。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
32.如图1至4所示，作为本发明一个实施例提供的一种无缆水下机器人的信号传输装置，包括线缆2和自动伸缩盘线器3，所述线缆2盘卷在自动伸缩盘线器3内，所述线缆2的两端延伸至自动伸缩盘线器3外，且分别通过水密接头与通讯浮球1和水下机器人相连，还包括：
33.通讯浮球1，所述通讯浮球1包括上半球4和下半球5，所述上半球4上固定有工字形结构的连接座41，所述上半球4内设置有配重室7和通讯电线8；
34.所述下半球5的侧壁上开设有与连接座41配合的连接槽51，所述下半球5内分布有固定卡槽9，所述固定卡槽9内分别安装有4g/5g通讯模块、电池及电源管理模块、北斗定位模块、信号转换模块、九轴传感器和单片机；
35.连接组件6，所述连接组件6设置在下半球5内，所述连接组件6的一端与连接座41相连，所述连接组件6通过与连接座41配合的方式将上半球4和下半球5连接为整体；
36.密封组件10，所述密封组件10的一端安装在上半球4内，所述密封组件10的另一端设置在连接座41的两侧，所述密封组件10通过与连接座41和连接槽51配合的方式对上半球4和下半球5的连接处进行密封。
37.在本实施例中，通过通讯浮球1、线缆2、伸缩盘线器3、4g/5g通讯模块、电池及电源管理模块、北斗定位模块、信号转换模块、九轴传感器和单片机，可以实现0-5米浅水区水下机器人无缆化监测作业，具有机动灵活和防缠绕等特点，极大提高了水下机器人的水下探测灵活性和携带便捷性。
38.如图2和3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述连接组件6包括驱动件61、安装座62、转轴63、齿轮64、齿条65和连接件66，所述驱动件61设置在安装座62上，所述驱动件61的输出端通过转轴63与齿轮64相连，且所述驱动件61还分别与电池及电源管理模块和单片机电性连接，所述齿条65沿齿轮64中心分布在安装座62上，且所述齿条65与齿轮64啮合连接，所述齿条65的一端安装有连接件66，所述连接件66的一端延伸至安装槽51内并且与连接座41上开设的连接孔67配合。
39.如图2和4所示，作为本发明的一种优选实施例，所述密封组件10包括气泵101、通气管102、连通管103和密封气垫104，所述气泵101固定在上半球4内，所述气泵101的输出端通过通气管102与连通管103连通，所述连通管103的两端与密封气垫104连通，所述密封气垫104安装在连接座41的两侧。
40.在本实施例中，当需要连接上半球4和下半球5时，将连接座41与连接槽51配合，驱
动件61带动转轴63转动，转轴63带动齿轮64转动，齿轮64带动齿条65和连接件66移动，使得连接件66与连接座41上的连接孔67配合，从而实现将上半球4和下半球5连接为整体，此时气泵101通过通气管102和连通管103，对密封气垫104进行充气处理，使得密封气垫104进行膨胀，密封气垫104通过膨胀的方式，从而对连接座41与连接槽51之间的空隙进行封堵，进而实现通讯浮球1的密封功能，提高装置的密封性，进而提高装置的工作效率和实用性。
41.在一个优选的实施例中，所述驱动件61优先采用的是一种微型电机；
42.所述连接件66优先采用的是一种杆状结构。
43.如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述通讯浮球1的净浮力为3-5n，所述通讯浮球1是一种直径小于11cm的球体结构，且所述通讯浮球1上还配有led警示灯，当通讯信号低于一定强度或设备失联时，led警示灯自动亮起并作为打捞标识。
44.在一个优选的实施例中，所述通讯浮球1的外形也可设置为椭圆形。
45.如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述九轴传感器包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，所述九轴传感器根据通讯浮球1的倾角、北斗定位模块的数据以及水下机器人搭载的水深传感器数据，来精确推算机器人的水下位置，使水下机器人的定位精度始终达到0.5米以内，水下定位精度不受伸缩线缆长度的影响；水下机器人是一种微小型、轻便型无法搭载大型无线信号传输模块的水下监测机器人，机器人含电池的自重小于5kg。
46.如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述线缆2与自动伸缩盘线器3的整体比重大于海水的浮力，所述线缆2是一种4芯抗拉线缆2，所述线缆2的直径小于1.5mm，可承受50kg以上的拉力，具备视频信号高速传输能力，线缆2长度在5m以内；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器3对线缆2进行释放；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器3对线缆2进行收卷。
47.如图2所示，作为本发明的一种优选实施例，所述上半球4是一种由塑料材质制成的半球形结构，所述下半球5是一种由不锈钢材质制成的半球形结构。
48.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种无缆水下机器人的信号传输装置，包括线缆和自动伸缩盘线器，所述线缆盘卷在自动伸缩盘线器内，所述线缆的两端延伸至自动伸缩盘线器外，且分别通过水密接头与通讯浮球和水下机器人相连，其特征在于，还包括：通讯浮球，所述通讯浮球包括上半球和下半球，所述上半球上固定有工字形结构的连接座，所述上半球内设置有配重室和通讯电线；所述下半球的侧壁上开设有与连接座配合的连接槽，所述下半球内分布有固定卡槽，所述固定卡槽内分别安装有4g/5g通讯模块、电池及电源管理模块、北斗定位模块、信号转换模块、九轴传感器和单片机；连接组件，所述连接组件设置在下半球内，所述连接组件的一端与连接座相连，所述连接组件通过与连接座配合的方式将上半球和下半球连接为整体；密封组件，所述密封组件的一端安装在上半球内，所述密封组件的另一端设置在连接座的两侧，所述密封组件通过与连接座和连接槽配合的方式对上半球和下半球的连接处进行密封。2.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述连接组件包括驱动件、安装座、转轴、齿轮、齿条和连接件，所述驱动件设置在安装座上，所述驱动件的输出端通过转轴与齿轮相连，且所述驱动件还分别与电池及电源管理模块和单片机电性连接，所述齿条沿齿轮中心分布在安装座上，且所述齿条与齿轮啮合连接，所述齿条的一端安装有连接件，所述连接件的一端延伸至安装槽内并且与连接座上开设的连接孔配合。3.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述密封组件包括气泵、通气管、连通管和密封气垫，所述气泵固定在上半球内，所述气泵的输出端通过通气管与连通管连通，所述连通管的两端与密封气垫连通，所述密封气垫安装在连接座的两侧。4.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述通讯浮球的净浮力为3-5n，所述通讯浮球是一种直径小于11cm的球体结构，且所述通讯浮球上还配有led警示灯，当通讯信号低于一定强度或设备失联时，led警示灯自动亮起并作为打捞标识。5.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述九轴传感器包括三轴加速传感器、三轴陀螺仪和三轴电子罗盘，所述九轴传感器根据通讯浮球的倾角、北斗定位模块的数据以及水下机器人搭载的水深传感器数据，来精确推算机器人的水下位置。6.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述线缆与自动伸缩盘线器的整体比重大于海水的浮力，所述线缆是一种4芯抗拉线缆，所述线缆的直径小于1.5mm；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器对线缆进行释放；当线缆受到拉伸力大于1n时，自动伸缩盘线器对线缆进行收卷。7.根据权利要求1所述的无缆水下机器人的信号传输装置，其特征在于，所述上半球是一种由塑料材质制成的半球形结构，所述下半球是一种由不锈钢材质制成的半球形结构。

技术总结
本发明适用于现代海洋装备技术领域，提供了一种无缆水下机器人的信号传输装置，包括线缆和自动伸缩盘线器，所述线缆的两端通过水密接头分别与通讯浮球和水下机器人相连，还包括：通讯浮球，所述通讯浮球包括上半球和下半球，所述上半球内设置有配重室和通讯电线；所述下半球内分布有固定卡槽，所述固定卡槽内分别安装有4G/5G通讯模块、电池及电源管理模块、北斗定位模块、信号转换模块、九轴传感器和单片机；连接组件和密封组件。本发明中的一种无缆水下机器人的信号传输装置，可以实现0-5米浅水区水下机器人无缆化监测作业，具有机动灵活和防缠绕等特点，极大提高了水下机器人的水下探测灵活性和携带便捷性。下探测灵活性和携带便捷性。下探测灵活性和携带便捷性。


技术研发人员：邱天龙 姚永 贾春 刘辉 张家炜 林承刚 李真一 孙景春 邢丽丽
受保护的技术使用者：中国科学院海洋研究所
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/5/5