一种恶劣海况条件下的AUV自主布放回收充电装置的制作方法

一种恶劣海况条件下的auv自主布放回收充电装置
技术领域
1.本发明涉及自主式水下潜器回收控制领域，尤其是涉及一种恶劣海况条件下的auv自主布放回收充电装置。


背景技术：

2.随着我国海洋探索的逐步进行以及海洋技术的不断发展，auv(自主式水下潜器)在探索海洋、保障国家安全等方面扮演着越来越重要的角色。二十一世纪以来，海洋科研、开发探索工程，军事应用领域不断对自主式无人水下航行器提出更高的要求。
3.尽管auv在水下的工作时间、续航里程不断地被提高，但是受限于auv的自身体积、电池规划布局以及电池产业自身的发展。不依靠外界能源补充，仅靠加大auv自身电池容量，优化auv能耗以实现更长的水下工作时间是必然存在限度的，因此当auv完成目标任务后，通常情况下需要人工回收至相关水面平台补充能源，该过程不仅要花费相当大的人力物力，而且要耗费较长时间，如果海况较为恶劣，回收过程将会伴随一定的风险。
4.近年来，无人系统的协同合作同样成为了研究热点，其中auv与水面无人航行器的协同为实现auv无人自主布放回收、水下充电提供了新的可能性，即usv搭载auv并自动行驶到遥远的任务地点，自主布放或回收auv，随后为auv进行充电，两者之间可以通过水下声学、无线电、卫星通讯等多种通讯手段进行信息交互。
5.恶劣海况条件下布放回收auv主要面临两个方面的挑战。首先，海浪和海流随机动态变化会对auv的水平和垂直位置以及艏向产生复杂的影响，风浪流又会对无人艇的水平和垂直位置以及艏向产生复杂的影响，这些影响综合作用的结果使得无人艇和auv之间难以进行高精度的对接，回收方法需要为定位偏离留有尽可能大的容忍裕量。其次，auv的回收受到多个因素的限制，由于auv的超短基线系统安装在艏部，受到撞击容易损坏；典型的auv尾部除了尾翼还有推进器。因此，回收方法还需要特别考虑对艏部和尾翼的保护。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种恶劣海况条件下的auv自主布放回收充电装置。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种恶劣海况条件下的auv自主布放回收充电装置，该装置包括：
9.椭圆柱体捕获笼：尾部开口且内部设有用以收纳auv的内腔；
10.捕获笼移动组件：包括架设在无人艇控制平台底部的水平横向导轨以及在水平横向导轨上滑动调节横向位置的钢缆收放控制机构，所述的钢缆收放控制机构用以实现椭圆柱体捕获笼的竖直收放；
11.捕获笼固定组件：包括下端与椭圆柱体捕获笼固定连接的垂直杆、套设在垂直杆上进行竖直滑动的稳定套筒以及用以对稳定套筒进行限位的垂直杆锁定夹，所述的稳定套筒与钢缆收放控制机构固定连接；
12.auv识别组件：包括水下照明单元和水下视觉传感器单元，分别用以提供照明和识别auv的位置。
13.auv锁定组件：包括设置在椭圆柱体捕获笼尾部内腔的螺杆以及固定在螺杆上的锁定卡扣，用以锁定auv。
14.所述的椭圆柱体捕获笼的头部内腔前端设有缓冲垫，用以在防止auv与椭圆柱体捕获笼发生撞击损坏。
15.所述的椭圆柱体捕获笼的尾部开口面为椭圆状的倾斜面，所述的头部内腔截面面积大于尾部内腔截面面积，用以放置无线充电组件，所述的无线充电组件包括设置在头部内腔的导轨、设于导轨上的无线充电环和无线充电位置识别器，用以对auv进行充电，所述的椭圆柱体捕获笼尾部开口处设有auv驶入检测器，用以探测auv的进出。
16.所述的钢缆收放控制机构包括用以控制横向驱动电机的横向移动控制器和钢缆收放设备，所述的钢缆收放设备包括深度控制器、钢缆驱动电机、钢缆收放卷轴和钢缆，所述的钢缆与椭圆柱体捕获笼上的挂钩连接，所述的深度控制器通过发布指令控制钢缆驱动电机实现钢缆的释放和回收，进而实现椭圆柱体捕获笼的上升与下降。
17.所述的垂直杆设有两根，均由高强度且轻质耐腐蚀材料制成，其下端通过焊接固定在椭圆柱体捕获笼上部，两根垂直杆的固定位置的间距不小于椭圆柱体捕获笼总长度的二分之一。
18.所述的水下照明单元包括分别安装在椭圆柱体捕获笼尾部两侧的主灯组以及安装在无人艇艇身上的副灯组，所述的主灯组和副灯组均由两只高亮度灯组成。
19.所述的水下视觉传感器单元包括安装在椭圆柱体捕获笼尾部上方的固定式主摄像头以及安装在无人艇艇身上的布放式侧视监控机构，所述的布放式侧视监控机构包括带有防水罩、水下摄像机以及超短基线系统的水下滑行翼、缆绳收放驱动电机和布放缆绳，所述的水下滑行翼通过布放缆绳与无人艇艇身连接，并通过缆绳收放驱动电机进行收放。
20.所述的锁定卡扣设有两个，其间距为auv一半长度，其中一个锁定卡扣位于尾部开口处。
21.应用该auv自主布放回收充电装置的auv布放过程包括以下步骤：
22.步骤a：无人艇出发前，椭圆柱体捕获笼收起，位于海面之上，auv置于椭圆柱体捕获笼内，auv锁定组件与垂直杆锁定夹处于锁定状态，以保证auv在无人艇在航行过程中不会滑落；
23.步骤b：无人艇航行至布放海域，垂直杆锁定夹接收到布放指令后释放垂直杆，深度控制器发出信号，通过钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴释放钢缆，将椭圆柱体捕获笼沉入水中；
24.步骤c：auv锁定组件释放auv，auv自主驶离椭圆柱体捕获笼；
25.步骤d：auv驶入检测器探测到auv驶离后，深度控制器发出信号控制钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴回收钢缆，进而回收椭圆柱体捕获笼，垂直杆锁定夹锁定垂直杆，保证椭圆柱体捕获笼位于水面上，完成布放任务。
26.应用该auv自主布放回收充电装置的auv回收充电过程包括以下步骤：
27.步骤1：无人艇航行至回收海域，auv与无人艇进行通讯，auv与无人艇进行方向及位置校正，将艇上回收区域定向至auv方向；
28.步骤2：深度控制器发出信号，通过钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴释放钢缆，将椭圆柱体捕获笼沉入水中，auv锁定组件呈释放状态，auv驶入检测器开始启动；
29.步骤3：椭圆柱体捕获笼上的固定式主摄像头以及无人艇艇身上的布放式侧视监控机构的水下摄像头拍摄图片，超短基线系统对auv进行定位；
30.步骤4：auv根据超短基线系统提供的相对位置信息驶入回收区域，深度控制器与横向移动控制器根据拍摄的图片信息以及相对位置信息分别发出信号，控制钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴，进而控制椭圆柱体捕获笼移动至最佳捕获位置，直至auv驶入椭圆柱体捕获笼后垂直杆锁定夹进行锁定；
31.步骤5：auv驶入检测器探测到auv驶入后，auv锁定组件的控制器发出信号，驱动电机接收到信号后旋转带动位于尾部开口处的锁定卡扣沿螺杆收缩，另外一个进行相同操作，进而锁定auv，完成回收任务；
32.步骤6：auv锁定后，无线充电组件的控制器发出信号控制无线充电环沿导轨移动，配合无线充电位置识别器识别到auv充电线圈位置后移动至auv充电线圈，对auv进行无线充电直至充满，完成充电任务。
33.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
34.本发明通过采用椭圆柱体捕获笼与两自由度捕获笼移动组件扩大了可回收区域；同时采用可移动式的无线充电组件，无需准确得知auv在捕获笼内的具体位置，即可进行无线充电，降低了高精度对接的要求，可实现恶劣海况条件下自主布放回收auv；并且在椭圆柱体捕获笼头部添加了缓冲垫，降低了恶劣海况条件下回收auv时艏部的撞击风险。
附图说明
35.图1为捕获笼和移动组件的结构示意图。
36.图2为识别组件的部分结构示意图。
37.图3为本发明的装置结构示意图。
38.图4为捕获笼内部的结构示意图。
39.图5为锁定组件的结构示意图。
40.图中标记说明：
41.1、椭圆柱体捕获笼，2、auv锁定组件，3、无线充电组件，4、无线充电位置识别器，5、水平横向导轨，6、垂直杆，7、稳定套筒，8、深度控制器，9、主灯组，10、水下滑行翼，11、缓冲垫，12、横向移动控制器，13、垂直杆锁定夹，14、副灯组，15、布放式侧视监控机构，16、auv驶入检测器，17、固定式主摄像头，18、锁定卡扣，19、螺杆，20、无线充电环。
具体实施方式
42.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
43.实施例
44.如图1、图2和图3所示，本发明提供了一种无人艇恶劣海况自主快速布放回收auv的装置，该装置主要用于双体无人艇，尤其是稳定性较好的wam
‑
v，安装在波浪适应性模块化无人艇wam
‑
v上可获得更为理想的效果，回收的auv不允许带有背鳍，允许带有尾翼。
45.该装置包括椭圆柱体捕获笼1、auv锁定组件2、无线充电组件3、无线充电位置识别
器4、水平横向导轨5、垂直杆6、稳定套筒7、深度控制器8、主灯组9、水下滑行翼10、缓冲垫11、横向移动控制器12、垂直杆锁定夹13、副灯组14、布放式侧视监控机构15、auv驶入检测器16、固定式主摄像头17、锁定卡扣18、螺杆19以及无线充电环20。
46.垂直杆6由高强度且轻质耐腐蚀材料制成，并焊接或紧密固定在在椭圆柱体捕获笼1上部，安装具体位置可以进行调节，建议两连接点的间距大于等于椭圆柱体捕获笼1总长度的二分之一。
47.auv锁定组件2由较耐海水腐蚀材料制成，其内侧衬设有缓冲层，用以避免撞伤auv。
48.椭圆柱体捕获笼1上装有两只高亮度灯组成的主灯组9，无人艇艇身上装有两只高亮度灯组成的副灯组14，用以提供照明。
49.椭圆柱体捕获笼1紧密连接一根钢缆，用于收放椭圆柱体捕获笼1，使用时通过释放钢缆将椭圆柱体捕获笼1放置到水面下一定深度；回收时通过收回钢缆将椭圆柱体捕获笼1回收到放置到水面下一定深度，钢缆收放卷轴根据深度控制器8的指令，通过钢缆驱动电机释放和收纳钢缆。
50.auv锁定组件2用于锁定进入椭圆柱体捕获笼1内的auv，以免auv在无人艇行进过程中滑动，锁定auv后不会完全闭合，以此特性可以监视锁定装置是否已经固定住auv，如图5所示，锁定卡扣18的左侧部和右侧部的上下两端分别与对应的螺杆19连接，当需要锁紧时，驱动螺杆19转动带动其上的螺母进行直线运动，使得左侧部和右侧部的上下两端向内运动从而夹紧auv，释放auv时操作亦然。
51.auv驶入检测器16用于探测auv是否已进入椭圆柱体捕获笼1内，一个简单的实现方案是通过添加一种可恢复位置的长条形金属片状装置，若auv进入，会推动该装置，产生一定的角度位移信号，以此来采集信息，若需要提高可靠性，还可辅以其他类型传感器，如霍尔传感器等。
52.应用该装置实现布放过程的具体实施步骤如下：
53.无人艇出发前，椭圆柱体捕获笼1收起，位于海面之上，auv放置在椭圆柱体捕获笼1上，auv锁定组件2与垂直杆锁定夹13处于锁定状态，以确保在无人艇的航行过程中auv不会滑落；当到达布放海域后，深度控制器8发出信号，使得钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴，释放钢缆，椭圆柱体捕获笼1沉入水中；之后，auv锁定组件2释放，auv自主驶离椭圆柱体捕获笼1；auv驶入检测器16探测到auv驶离后，通知深度控制器8发出信号，使得钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴，回收钢缆，回收椭圆柱体捕获笼1，垂直杆锁定夹13锁定，保证椭圆柱体捕获笼1位于水面上。
54.本装置采用auv和无人艇均在运动和在相对静止时回收的回收方式，回收过程的具体实施步骤如下：
55.无人艇航行至回收海域，auv与无人艇进行通讯，auv与无人艇进行方向及位姿校正，将艇上回收区域定向至auv方向；
56.深度控制器8发出信号，使得钢缆驱动电机带动钢缆收放卷轴，释放钢缆，椭圆柱体捕获笼1沉入水中；
57.释放auv锁定组件2并打开auv驶入检测器16；
58.auv根据超短基线系统提供的相对位置信息驶入回收区域；根据捕获笼上的固定
式主摄像头17以及安装在无人艇艇身上的布放式侧视监控机构15捕获得到的图片信息与超短基线系统提供的相对位置信息，深度控制器8与横向移动控制器12分别发出信号，使得各自驱动电机带动钢缆收放卷轴，控制椭圆柱体捕获笼1竖直和横向移动调节位置，直到auv驶入椭圆柱体捕获笼1后垂直杆锁定夹13进行锁定；
59.auv驶入检测器16探测到auv驶入后，通知auv锁定组件2的控制器发出信号，使得驱动电机旋转带动位于开口的锁定卡扣18沿螺杆19收缩，另外一个进行相同操作，auv锁定后，完成回收任务；
60.auv锁定后，通知无线充电组件3的控制器发出信号，使得无线充电环20沿预置的导轨移动，无线充电位置识别器4寻找auv充电线圈位置；
61.寻找到auv充电线圈位置后，auv将进行无线充电，直到充满电，完成充电任务。
62.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。