CN112669589A - 一种水下机器人组合供电数据传输*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人组合供电数据传输***，属于供电数据传输技术领域。该***包括零浮力电缆、滑环和数据传输***；其中数据传输***包括控制器电路、宽带载波电路、串口电路、CAN电路、交换机电路、耦合电路等，该***采用两芯电缆对水下机器人供电的同时，也能通过该电缆完成机器人与岸上设备之间数据传输，本发明克服了多芯零浮力缆过粗不利于水下机器人控制以及成本高、维修难度大的问题，降低了水下机器人供电、信息传输***的成本，并且增加了水下机器人作业过程中收放缆的便利性，易于推广应用。

Description

一种水下机器人组合供电数据传输***

技术领域

本发明属于供电数据传输技术领域，具体涉及一种水下机器人组合供电数据传输***。

背景技术

目前大部分水下机器人都采用零浮力电缆作为水下机器人的动力、信号传输线或控制线，但由于零浮力电缆结构复杂，同样的芯线数与普通电缆相比直径有所增加，而电缆直径的增加直接影响了水下机器人姿态的稳定性，增加了控制难度，另一方面，零浮力缆的芯线增加也极大的增加了零浮力缆的成本以及维修难度，尤其是光电混合的零浮力缆。因此如何克服现有技术的不足是目前水下供电数据传输领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服多芯零浮力缆过粗不利于水下机器人控制以及成本高，维修难度大的问题，提供一种水下机器人组合供电数据传输***，该***使用两芯线即可完成水下机器人的动力与信号传输，降低了水下机器人供电、信息传输***的成本，并且采用了滑环设计,在使用上也增加了便利性，易于推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种水下机器人组合供电数据传输***，包括：零浮力电缆、滑环和数据传输***；

零浮力电缆的两端各连接一个滑环；两个滑环分别设在水下和岸上；

零浮力电缆的一端通过一滑环分别与设与水下的水下机器人的数据传输***、动力***相连；

零浮力电缆的另一端通过另一滑环分别与设与岸上的数据传输***、水下机器人的供电***相连；设与岸上的数据传输***还与水下机器人控制***相连；

供电***与动力***相连，用于供电。

进一步，优选的是，所述零浮力电缆为两芯零浮力电缆。

进一步，优选的是，水下的数据传输***和岸上的数据传输***均为电结构完全相同的两个数据传输***，两个数据传输***均包括供电电路、主控芯片电路、百兆PHY芯片电路、485串口电路、232串口电路、CAN电路、宽带载波芯片电路、存储电路、千兆PHY芯片电路、载波接收电路、载波发送电路、耦合电路、交换机芯片电路和网络变压器电路；

供电电路分别与主控芯片电路、交换机芯片电路、宽带载波芯片电路相连；

主控芯片电路还分别与百兆PHY芯片电路、485串口电路、232串口电路、CAN电路相连；

百兆PHY芯片电路还与网络变压器电路相连；

网络变压器电路还与分别千兆PHY芯片电路、交换机芯片电路相连；

宽带载波芯片电路还分别与存储电路、千兆PHY芯片电路、载波接收电路、载波发送电路相连；

载波接收电路、载波发送电路均与耦合电路相连；

供电电路、耦合电路1均与电力线相连。

进一步，优选的是，网络变压器电路连接有6个网口；485串口电路连接有1个485串口；232串口电路连接有4个232串口；CAN电路连接有1个CAN口。

进一步，优选的是，水下机器人的数据传输***安装于机器人电子舱内，与其连接的滑环穿墙安装于电子舱上。

本发明中所述零浮力电缆为为水下零浮力电缆，其芯线为双绞多芯镀锡铜丝，采用凯夫拉填充，浮力材料采用共聚物发泡材料，密度范围为0.1g/cm³～0.4g/cm³，可根据机器人需要进行更换。所述的滑环为现有的水密电滑环，可穿墙安装，实现电缆无限制连续旋转。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明提供一种水下机器人组合供电数据传输***，克服了多芯零浮力缆过粗不利于水下机器人控制以及成本高，维修难度大的问题。本发明***使用两芯线即可完成水下机器人的动力与信号传输，降低了水下机器人供电、信息传输***的成本，并且采用了了滑环设计，增加水下机器人作业过程中收放缆的便利性，易于推广应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一种水下机器人组合供电数据传输***的***组成图；

图2是图1中的数据传输***的电路连接图；图中附图标记为：1、数据传输***；2、滑环；3、零浮力电缆；4网络变压器电路；5、供电电路；6、主控芯片电路；7、百兆PHY芯片电路；8、485串口电路；9、232串口电路；10、CAN电路； 11、宽带载波芯片电路；12、存储电路；13、千兆PHY芯片电路；14、载波接收电路；15、载波发送电路； 16、耦合电路；17交换机芯片电路。

图3为图2中供电电路图，其中，（a）为DC5V供电电路示意图，（b）~（d）为DC3.3V供电电路示意图，（e）为DC1.5V供电电路示意图、（f）为DC1.0V的供电电路示意图；

图4为图2中主控芯片电路示意图；

图5为图2中百兆PHY芯片电路示意图；

图6为图2中485串口电路示意图；

图7为图2中232串口电路示意图；

图8为图2中CAN电路示意图；

图9为图2中宽带载波芯片电路示意图；

图10为图2中存储电路示意图；

图11为图2中千兆PHY芯片电路示意图；

图12为图2中载波接收电路示意图；

图13为图2中载波发送电路示意图；

图14为图2中耦合电路示意图；

图15为图2中交换机芯片电路示意图；

图16为图2中网络变压器电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1示出了本发明一种水下机器人组合供电数据传输***的***的组成，包括：零浮力电缆3、滑环和数据传输***；

零浮力电缆3的两端分别与第一滑环2、第二滑环21连接；第一滑环2设在水下、第二滑环21设在岸上；

零浮力电缆3的一端通过水下的第一滑环2分别与设于水下的数据传输***1、动力***相连；零浮力电缆3的另一端通过岸上的第二滑环21分别与设于岸上的数据传输***22、供电***相连；岸上的数据传输***22还与水下机器人控制***相连；

水下的第一滑环2安装于电子舱上，第一滑环2舱外一端与零浮力电缆3相连，舱内一端分别与水下机器人动力***及水下数据传输***1连接，水下数据传输***1安装于水下机器人电子舱内，水下机器人各信号接口连接至水下数据传输***1各接口；

如图2所示，水下的数据传输***1和岸上的数据传输***22均为电结构完全相同的两个数据传输***，两个数据传输***均包括供电电路5、主控芯片电路6、百兆PHY芯片电路7、485串口电路8、232串口电路9、CAN电路10、宽带载波芯片电路11、存储电路12、千兆PHY芯片电路13、载波接收电路14、载波发送电路15、耦合电路16、交换机芯片电路17和网络变压器电路4，其中：

供电电路5分别与主控芯片电路6、交换机芯片电路17、宽带载波芯片电路11相连，用于供电；主控芯片电路6分别与百兆PHY芯片电路7、485串口电路8、232串口电路9、CAN电路10相连；百兆PHY芯片电路7还与网络变压器电路4相连；网络变压器电路4还分别与千兆PHY芯片电路13、交换机芯片电路17相连；千兆PHY芯片电路13与宽带载波芯片电路11相连，宽带载波芯片电路11还分别与存储电路12、、载波接收电路14、载波发送电路15相连；载波接收电路14、载波发送电路15均与耦合电路16相连；供电电路5、耦合电路16均与电力线相连。

所述供电电路5包括由型号为LD20-26B05的电源模块组成的ACDC变换电路、型号为SPX1117的LDO芯片组成的电压变换电路、型号为APW7165KE的开关电源芯片组成的电压变换电路；

所述主控芯片电路6由型号为STM32H743ZIT6的单片机及***电路组成，单片机中写有程序，功能为网口信号与串口、CAN信号之间的相互转化，以实现数据透传；

所述百兆PHY芯片电路7由型号为LAN8720A的以太网PHY芯片及其***电路组成，功能为实现主控芯片网络物理层的功能；

所述485串口电路8由型号为RSM3485PHT的485隔离收发器及其***电路组成，功能为实现串口TTL电平转换为RS485电平的功能；

所述232串口电路9由型号为RS232D的232隔离收发器及其***电路组成，功能为实现串口TTL电平转换为RS232电平的功能；

所述CAN电路10由型号为CTM1051KT的CAN隔离收发器及其***电路组成，功能为实现CAN信号的隔离收发；

所述宽带载波芯片电路11由型号为QCA7500的宽带载波芯片及其***电路组成，芯片中写有程序，主要实现载波信号至千兆以太网的转换；

所述存储电路12由型号为MT41J64M16JT-125:G的DDR3内存芯片及其***电路组成，其主要功能是为宽带载波芯片的提供内存；

所述千兆PHY芯片电路13由型号为RTL8211E-VB-CG的以太网PHY芯片及其***电路组成，功能为实现宽带载波芯片网络物理层的功能；

所述载波接收电路14由型号为BAT54SFILM的肖特基二极管、相关电感、电容组成，其主要功能是对载波信号进行滤波处理，以获得更好的接收效果；

所述载波发送电路15包括型号由1N5819HW-7-F的肖特基二极管以及相关电容组成，其主要功能是对宽带载波芯片发送端进行保护；

所述耦合电路16由传输线变压器、TVS管、电感、电阻、电容、光耦、二极管组成，其主要功能是工频隔离与阻抗变换，其中所述传输线变压器比例为1:4:3（TX:RX:PL），主要功能是实现DC100V~DC745V或者AC90V~AC528V的电力线上高频信号的耦合；

所述交换机芯片电路17由型号为RTL8376的交换机芯片及其***电路组成，其主要功能是实现主控芯片、宽带载波芯片、网口之间的网络交换；

所述网络变压器4电路由型号为GTA-7201N-R的网络变压器及其***电路组成，其主要功能是实现网口的隔离；

优选，网络变压器电路4连接有6个网口；485串口电路8连接有1个485串口；232串口电路9连接有4个232串口；CAN电路10连接有1个CAN口。

供电电路5将电力线上的电压转化为***内各电路所需电压传输至各***；

在工作时，主控芯片中的程序可将串口或CAN口的数据解析打包后转化为网口数据，反之也可将网口数据转化为串口或CAN口数据；

网络变压器电路4与交换机芯片电路17连接，可对网络信号进行交换；

在工作时，宽带载波芯片中的程序将来自交换机的网络数据转换为载波信号，同过载波发送电路耦合至电力线，反之，宽带载波芯片1中的程序通过载波接受电路接受电力线上的载波信号，将其转化为网络信号后发送至交换机；

如图3（a）所示，供电电路包括型号为LD20-26B05的ACDC模块、压敏电阻、保险、共模滤波器、电容、TVS管，所述供电电路实现将DC100V~DC745V或者AC90V~AC528V电源转化为DC5V的功能；

如图3（b）~3（d）所示，供电电路包括型号为SPX1117M3-L-3-3的电源转换芯片以及电容，所述供电电路实现将DC5V转换为DC3.3V的功能；

如图3（e）所示，供电电路包括型号为SPX1117M3-L-3-3的电源转换芯片以及电容，所述供电电路实现将DC3.3V转换为DC1.5V的功能；

如图3（f）所示，供电电路包括型号为APW7165KE的DC-DC芯片、型号为APM7334K的晶体管、以及相关电容、电阻，所述供电电路实现将DC5V转换为DC1V的功能；

如图4所示，主控芯片电路包括型号为STM32H743ZIT6的单片机，规格为25MHZ的晶振、规格为32.768KHZ的晶振，复位按键以及相关电容、电阻；单片机中写有程序，主要功能为网口信号与串口、CAN信号之间的相互转化，以实现数据透传；

如图5所示，百兆PHY芯片电路包括型号为LAN8720A的以太网PHY芯片、规格为25MHZ的晶振、型号为11FB-05NL的网络变压器以及相关磁珠、电容、电感；所述百兆PHY芯片电路实现主控芯片网络物理层的功能；

如图4、图5所示，单片机U200的PA2、PC1、PG13、PG14、PB11、PC4、PC5、PA7、PA1引脚与MAC芯片U300的12、13、17、18、16、8、7、11、14引脚一一对应连接；

如图6所示，485串口电路包括型号为RSM3485PHT的485隔离收发器、TVS管以及相关电容、电阻，所述485串口电路实现串口TTL电平转换为RS485电平的功能；

如图4、图6所示，单片机U200的PE0、PE1引脚与串口隔离模块U401的3、4引脚一一对应连接；

如图7所示，232串口电路包括型号为RS232D的232隔离收发器以及相关电容，所述232串口电路实现串口TTL电平转换为RS232电平的功能；

如图4、图7所示，单片机U200的PA9、PA10、PD5、PD6引脚与串口隔离模块U402的3、4、5、6引脚一一对应连接；单片机U200的PD8、PD9、PC11、PC10引脚与串口隔离模块U403的3、4、5、6引脚一一对应连接；

如图8所示，CAN电路包括型号为CTM1051KT的CAN隔离收发器以及相关电容，所述CAN电路实现CAN信号的隔离收发；

如图4、图8所示，单片机U200的PB12、PB13引脚与CAN隔离收发器U400的3、4引脚一一对应连接；

如图9所示，宽带载波芯片电路包括型号为QCA7500的宽带载波芯片、规格为25MHZ的晶振以及相关电容，芯片主要实现载波信号至千兆以太网的转换；

如图10所示，存储电路包括型号为MT41J64M16JT-125:G的DDR3内存芯片以及电容，其主要功能是为宽带载波芯片的提供内存；

如图9、图10所示，宽带载波芯片U500的B69、A80、B66、B67、A77、A76、A79、A78、A73、B63、B58、B59、A72、A69、B62、A71、B64、B70、A81、A75、B72、A55、B65、A51、B45、A52、B39、A56、A50、B41、B48、A48、A57、B42、A58、A49、B51、B43、A59、A61、B52、B53、A63、A62、B56、A60、B54、A53引脚与内存芯片U600的A3、B8、A2、A7、C2、C8、C3、D7、H7、G2、H8、H3、F8、F2、F7、E3、J7、K9、K7、D3、E7、L2、L3、J3、K3、M2、N8、M3、T2、K1、L8、N7、R7、L7、R3、T8、R2、R8、P2、P8、N2、P3、P7、N3、F3、G3、C7、B7引脚一一对应连接；

如图11所示，千兆PHY芯片电路包括信号为RTL8211E-VB-CG的以太网PHY芯片，型号为QT24A01的网络变压器，规格为25MHZ的晶振以及相关电容、电阻、磁珠，所述千兆PHY芯片电路实现宽带载波芯片网络物理层的功能；

如图9、图11所示，宽带载波芯片U500的A38、A36、B32、A37、B33、B34、A39、B38、A42、B37、A40、B35、B10、A11引脚与PHY芯片U700的31、30、27、26、25、24、23、22、19、18、17、16、14、13引脚一一对应连接；

如图12所示，载波接收电路包括型号为BAT54SFILM的肖特基二极管、相关电感、电容，其主要功能是对载波信号进行滤波处理，以获得更好的接收效果；

如图13所示，载波发送电路包括型号为1N5819HW-7-F的肖特基二极管以及相关电容，其主要功能是对宽带载波芯片发送端进行保护；

如图14所示，耦合电路包括传输线变压器、TVS管、电感、电阻、电容、光耦、二极管组成，其主要功能是工频隔离与阻抗变换，其中所述传输线变压器比例为1:4:3（TX:RX:PL），主要功能是实现DC100V~DC745V或者AC90V~AC528V的电力线上高频信号的耦合；

如图如图9、图12所示，宽带载波芯片U500的B23引脚与二极管D805的3脚及电阻R801一端相连；宽带载波芯片U500的A28与二极管D804的3脚机电阻R801一端相连；

如图9、图13所示，宽带载波芯片U500的A29引脚与二极管D800的2脚及二极管D801的1脚一端相连；宽带载波芯片U500的A30引脚与二极管D802的2脚及二极管D803的1脚一端相连；

如图9、图14所示，宽带载波芯片U500的B20引脚与电容C811一端连接；

如图15所示，交换机芯片电路包括型号为RTL8376的交换机芯片、规格为25MHZ的晶振，型号为BL24C16A的内存芯片、以及相关电容、电阻、电感；如图16所示，网络变压器电路包括型号为GTA-7201N-R的网络变压器、6位的RJ45接口，以及相关电容电阻；

如图15、图16所示，交换机芯片U902的103、104、105、106、108、109、110、111、113、114、115、116、118、119、120、121、124、125、126、127、1、2、3、4、5、6、7、8、9、11、12、13引脚与网络变压器U901的1~8、10~17、19~26、28~35引脚一一对应连接；交换机芯片U902的14、25、26、27、28、30、31、32、33、35、36、37、38、40、41、42、43、45、46、47、48、50、52、53、55、56、57、58、60、61、62、63引脚与网络变压器U900的1~8/10~17、19~26、28~35引脚一一对应连接；

如图5、图16所示，网络变压器T300的16、4、11、9引脚与网络变压器U900的56、57、58、59引脚一一对应连接；

如图11、图16所示，网络变压器T700的23、22、20、19、17、16、14、13引脚与网络变压器U900的65~72引脚一一对应连接。

工作时，若网口中有数据传输，此时网络信号由网口传输至网络变压器电路4，然后由交换机芯片电路17将数据交换至千兆PHY芯片电路13，然后传输至宽带载波芯片电路11，载波芯片电路11将网络信号转化为载波信号，通过载波发送电路15、耦合电路16耦合至电力线发送；若232串口、485串口、CAN口中有数据传输，此时信号由232串口电路9、485电路8、CAN电路10传输至主控芯片电路6，主控芯片电路6将上述信号转换为网络信号传输至百兆PHY芯片电路7，百兆PHY芯片电路7将数据传输至网络变压器电路4，然后由交换机芯片电路17将数据交换至千兆PHY芯片电路13，再传输至宽带载波芯片电路11，由宽带载波芯片电路11将网络信号转化为载波信号，通过载波发送电路15，经耦合电路16耦合至电力线发送。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种水下机器人组合供电数据传输***，其特征在于，包括：零浮力电缆、滑环和数据传输***；

零浮力电缆的两端各连接一个滑环；两个滑环分别设在水下和岸上；

零浮力电缆的一端通过设在水下的滑环分别与设与水下的水下机器人的数据传输***、动力***相连；

零浮力电缆的另一端通过设在岸上的滑环分别与设与岸上的数据传输***、水下机器人的供电***相连；设与岸上的数据传输***还与水下机器人控制***相连；

供电***与动力***相连，用于供电。

2.根据权利要求1所述的水下机器人组合供电数据传输***，其特征在于，所述零浮力电缆为两芯零浮力电缆。

3.根据权利要求1所述的水下机器人组合供电数据传输***，其特征在于，数据传输***包括供电电路（5）、主控芯片电路（6）、百兆PHY芯片电路（7）、485串口电路（8）、232串口电路（9）、CAN电路（10）、宽带载波芯片电路（11）、存储电路（12）、千兆PHY芯片电路（13）、载波接收电路（14）、载波发送电路（15）、耦合电路（16）、交换机芯片电路（17）和网络变压器电路（4），其中：

供电电路分别（5）与主控芯片电路（6）、交换机芯片电路（17）、宽带载波芯片电路（11）相连；

主控芯片电路（6）还分别与百兆PHY芯片电路（7）、485串口电路（8）、232串口电路（9）、CAN电路（10）相连；

百兆PHY芯片电路（7）还与网络变压器电路（18）相连；

网络变压器电路（4）还与分别千兆PHY芯片电路（13）、交换机芯片电路（17）相连；

宽带载波芯片电路（11）还分别与存储电路（12）、千兆PHY芯片电路（13）、载波接收电路（14）、载波发送电路（15）相连；

载波接收电路（14）、载波发送电路（15）均与耦合电路（16）相连；

供电电路（5）、耦合电路（16）均与电力线相连。

4.根据权利要求1所述的水下机器人组合供电数据传输***，其特征在于，网络变压器电路（18）连接有6个网口；485串口电路（8）连接有1个485串口；232串口电路（9）连接有4个232串口；CAN电路（10）连接有1个CAN口。

5.根据权利要求1所述的水下机器人组合供电数据传输***，其特征在于，水下机器人的数据传输***安装于机器人电子舱内，与其连接的滑环穿墙安装于电子舱上。

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