(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210639022.7 (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 大连理工大 学 地址 116024 辽宁省大连市甘井 子区凌工 路２ 号 (72)发明人 田宇　王雷　林驰　苏宇　卢炳先　 覃振权　王治国　罗钟铉　 (74)专利代理 机构 辽宁鸿文知识产权代理有限 公司 21102 专利代理师 许明章　王海波 (51)Int.Cl. H04B 10/80(2013.01) H04B 10/40(2013.01) G01D 21/02(2006.01) B63B 22/20(2006.01) (54)发明名称 一种模块化水下无线光通信装置及通信方 法 (57)摘要 本发明属于水下无线光通信领域， 提出一种 模块化水下无线光通信装置及通信方法， 该装置 包括顶部光接收模块、 浮力控制模块、 定向光发 射模块、 中部光接收模块、 电源及控制模块和底 部光接收模块及装置固定模块。 该方法通过浮力 控制模块和装置固定模块调整装置水下位置高 度， 通过多个接收模块实现全向光信号接收， 通 过定向光发射模块和控制模块实现光信号的定 向发射。 本发明可实现广范围、 高连通性的水下 无线光通信， 通过交互地磁传感器信息发现邻居 节点并建立通信链路， 不依靠外部定位， 可恢复 由于水下无线光通信装置旋转、 摇摆、 沉浮和漂 移而导致的链路中断； 同时， 本发明采用模块化 设计可实现水下光通信装置的灵活扩展、 按需部 署并方便维修保养 。 权利要求书3页 说明书8页 附图7页 CN 115051757 A 2022.09.13 CN 115051757 A 1.一种模块化水下无线光通信装置， 其特征在于， 该模块化水下无线光通信装置主体 由顶部光接收模块(1)、 浮力控制模块(2)、 定向光发射模块(3)、 中部光接收模块(4)、 电源 及控制模块(5)和底部光接收模块及 装置固定模块(6)自上而 下依次连接组成； 浮力控制模 块(2)、 定向光发射模块(3)、 中部光接收模块(4)、 电源及 控制模块(5)和底部光接收模块及 装置固定模块(6)内均设有连接固定平台和中空的中央支撑连接柱， 连接固定平台顶面连 接中央支撑连接柱， 底 面中心设有定位连接插槽； 顶部光接收模块(1)仅设有底面中心带有 定位连接插槽的连接固定平台； 一模块的定位连接插槽与另一模块的中央支撑连接柱插 接； 顶部光接收模块(1)的外壳a(1 ‑1)为半球状， 其内设置有顶部全向光接收器(1 ‑2)； 顶 部全向光接收器(1 ‑2)均匀分散固定 于连接固定平台 a(1‑3)上； 浮力控制模块(2)的法兰连接容积调节装置(2 ‑1)和外壳b(2 ‑2)上下连接， 二者均 为圆 柱状； 外壳b(2 ‑2)外侧设置有压力传感器(2 ‑11)、 泵进出口(2 ‑6)以及液体注射口(2 ‑3)； 泵 (2‑5)通过浮力控制系统支 架(2‑7)固定在连接固定平台上； 定向光发射模块(3)的外壳c(3 ‑7)呈球台状； 定向光发射模块(3)的中央支撑连接柱两 端分别连接过孔导电滑环(3 ‑1)的定子和转子， 两水平 转盘(3‑2)分别套于中央支撑连接柱 外且分别连接过孔导电滑环(3 ‑1)的定子和转子； 水平 转盘驱动装置(3 ‑6)位于连接固定平 台顶面， 其与水平转盘(3 ‑2)外缘接触， 驱动 水平转盘(3 ‑2)沿水平面转动； 两水平转盘(3 ‑ 2)间、 中央支撑连接柱b(3 ‑3)上设有滑轨(3 ‑10)， 垂直圆弧滑动盘(3 ‑4)通过两端设有的滑 槽(3‑11)连接在滑轨(3 ‑10)上； 垂直圆弧滑动盘驱动装置(3 ‑13)位于垂直圆弧滑动盘(3 ‑ 4)上， 驱动垂直圆弧滑动盘(3 ‑4)沿滑轨(3 ‑10)移动； 垂直圆弧滑动盘(3 ‑4)上设置有定向 光发射器支架(3 ‑5)， 定向光发射器支架(3 ‑5)上设置有定向光发射器(3 ‑14)； 支架驱动装 置(3‑12)驱动定向光发射器支 架(3‑5)沿垂直圆弧滑动盘(3 ‑4)做圆弧运动； 中部光接收模块(4)呈球台状， 中部全向光接收器(4 ‑2)均匀分布固定在中央支撑连接 柱上； 电源及控制模块(5)的外壳e(5 ‑5)为圆柱状， 外壳e(5 ‑5)内侧设置有无线充电模块(5 ‑ 4)； 电源模块(5 ‑3)固定在连接固定平台上， 水下光通信控制模块(5 ‑1)通过支撑连接柱(5 ‑ 2)固定在电源 模块(5‑3)上， 其内设有地磁传感器和陀螺 仪； 底部光接收模块及装置固定模块(6)的外壳f(6 ‑6)为倒圆锥台； 外壳f(6 ‑6)外部设置 有至少四个底部全向光接收器(6 ‑2)， 底部全向光接收器(6 ‑2)绕中央支撑连接柱e(6 ‑7)等 角度圆周阵列； 配重块(6 ‑1)通过中央支撑连接柱上设置的配重块定位支撑平台(6 ‑8)固定 连接； 底部光接收模块及装置固定模块(6)内的底部设置有缆绳收放器(6 ‑3)， 与水下光通 信装置固定环(6 ‑5)相连； 缆绳收放器(6 ‑3)内设置有拉力传感器； 各模块的中央支撑连接柱内均布置有多组控制线束， 用于电能输送以及模块间数据信 号传输， 且控制线束两端设有线束接口， 用于不同模块间的控制线束连接； 中央支撑连接柱 的圆柱面上设置有线束接口， 用于连接本模块内的控制线束； 各模块间的外壳通过连接固 定平台进行法兰连接 。 2.根据权利要求1所述模块化水下无线光通信装置， 其特征在于， 所述浮力控制模块 (2)的压力传感器(2 ‑11)和泵(2 ‑5)通过控制线束连接于本模块的中央支撑连接柱圆柱面 上的线束接口； 各个全向光接收器通过控制线束连接于其所在 模块中央支撑连接柱圆柱面权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115051757 A 2上的线束接口； 过孔导电滑环(3 ‑1)定子和水平 转盘驱动装置(3 ‑6)的控制线束分别与其所 在模块中央支撑连接柱圆柱面上设置的线束接口相连； 过孔导电滑环(3 ‑1)转子上的控制 线束分别与定向光发射器(3 ‑14)、 支架驱动装置(3 ‑12)和垂直圆弧滑动盘驱动装置(3 ‑13) 的控制线束相连； 无线充电模块线束(5 ‑8)、 电源模块线束(5 ‑9)和水下光通信控制模块线 束(5‑10)分别与其所在模块中央支撑连接柱圆柱面上设置的线束接口相连； 缆绳收放器 (6‑3)的控制 线束和底部全向光接收器控制 线束(6‑4)分别与其所在控制 模块中央支撑连 接柱圆柱面上设置的线 束接口相连。 3.根据权利要求1或2所述的模块化水下无线光通信装置， 其特征在于， 所述中部光接 收模块(4)和电源及控制模块(5)间增设模块连接转换装置(7)， 用于中部光接收模块(4)和 电源及控制模块(5)外壳直径变化的转接； 模块连接转换装置(7)内设有 连接固定平台和中 空的中央支撑连接柱。 4.一种水 下无线光通信方法， 其特 征在于， 包 含以下步骤： S1:根据通信需求选择并组装不同功能的模块， 根据通信需求的作业高度与所需浮力 大小设定浮力控制模块容积调节装置(2 ‑1)与配重块(6 ‑1)， 通过液体注射口(2 ‑3)使浮力 控制模块(2)内部空间充满液体并满足重力大于水中液体浮力； S2:根据水下通信区域设置的水底固定锚点， 将水下无线光通信装置放入水中并下沉 到对应的水下无线光通信装置固定锚点； 将水下光通信装置固定环(6 ‑5)与水下无线光通 信装置固定锚点相固定； S3:依据水下无线光通信装置的作业高度设定， 根据压力传感器(2 ‑11)和陀螺仪信息 通过浮力控制 模块(2)调整水下无线光通信装置的浮力 大小并通过缆绳收放器(6 ‑3)设定 缆绳长度， 使水 下无线光通信装置在指定高度的水中保持竖直状态； S4： 根据地磁传感器信息， 调整定向光发射模块(3)的光信号发射方向， 建立通信链路， 具体步骤如下： S41： 采用扫描的方式确定通信范围内邻居节点的方位， 通过水平转盘驱动装置(3 ‑6)、 支架驱动装置(3 ‑12)和垂直圆弧滑动盘驱动装置(3 ‑13)调整定向光发射模块(3)的光信号 发射方向， 使其在垂直180 °和水平360 °的方向上广播自身ID和地磁传感器信息， 发起建立 链路请求； S42： 当相邻节点接收到来自同一发起节点发出的ID和地磁传感器信息后， 记录该信息 并以该ID为目的节点， 调整定向光发射模块(3)的光信号发射方向为收到的地磁传感器信 息中航向角方位的反方向， 发送包 含自身ID和地磁传感器信息的应答信息； S43： 发起节点接收到该应答信息后， 通过收到的地磁传感器信息确定出接收节点的航 向角方位并记录信息， 至此， 两个节 点之间发现过程结束， 在建立起来的无线光链路上进 行 通信； S5： 当受到水流影响水下无线光通信装置摇摆、 旋转或漂移导致通信链路随机中断时， 采用如下步骤 恢复通信链路； S51： 根据压力传感器(2 ‑11)和陀螺仪信息， 通过浮力控制模块(2)保持水下无线光通 信装置的作业高度和竖直状态； S52： 调整定向光发射模块(3)的光信号发射方向为记录的目的节点的航向角方位， 发 送包含自身ID、 目的节点 ID和地磁传感器信息的建立链路请求；权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115051757 A 3