CN100572192C - 救援用潜水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及造船领域，具体是指可以对潜水艇(11)进行救援操作的救援用潜水装置(1)，其具有外壳(2；3)、运动控制系统(6)、安置在潜水救援装置(1)外壳(2)上之带支承环(9)的吸入室(7)、辅助系统(5)、照明系统(13)、光学—电视系统(12)，其连接一个显示电视信息的装置(15)；所述吸入室(7)的室体配置了一条可动的球带(8)；所述的光学—电视系统(12)用来保证对受伤对象(11)的长范围探测，并布置在潜水救援装置(1)外壳上吸入室(7)的周围，可以观察到支承环(9)形成多方位角度立体像对；所述照明系统(13)配备有布置在吸入室(7)支承环(9)上的标志灯(14)；所述显示电视信息的装置(15)通过运动控制系统(6)连接到辅助系统(5)。本发明提升了潜水救援装置(1)的操控特性。

Description

救援用潜水装置

技术领域

本发明属于水下船舶建造领域，即一种配备有定位手段和电子观察设备的救援用潜水装置，电子观察设备带有水下照明设施。本发明可以用于执行使用修配和吸入室的水下打捞操作。

背景技术

应用水下外部照明设施于潜水装置，以求保证通过装置的窗口目视观察水下的介质，以及配备其它光学视觉系统用于电视观察，照相，拍影片，发信号，这些都已为人们所熟知。水下电视观察是计划使用足够强的光源，以产生摄像管阴极所要求的照度。在执行水下救援工作时，它们的电视监视功能似乎是最有效，因为电视影像是实时产生(或者储存)的，并且有很高的分辨率，由而可以观察贴近潜水装置的区域，而在这区域中声纳无能为力，并且在视线距离内，在各种原因导致介质结构不均匀而产生之照明强度剧烈散射和起伏的条件下。实际海洋介质中的物理状况，如水温、装置振动、外侧压力，都可能会显著地限制以小信噪比进行之任何光学或光电观察的能力。实验表明，在水下使用电视装置时，可视范围的距离取决于被观察物体的反射系数和尺寸。在大西洋(热带)条件下，该距离为18~24米(N.A.斯托普佐夫[Stoptsov]、M.A.格鲁捷夫[Gruzdev]：水下照明方法。L.，Sudostroenie，pp.18-26)。但是，增大水下电视观察的信噪比，不但可以通过改善水下光源的照明工程学特性，如光源类型，最大轴向照度、光散射和光束指向性，反射类型来达到，并且也可以对相关的信号接收和噪声计算采用特殊结构的观察方案来达到。

电视观察系统在研究潜艇PX-15上的使用，已经为人所知(雅克皮卡特[Jacques Picard]，法国)。为了保证所要求的操作，安装了一个外部照明系统，由25盏探照灯组成，每盏提供500~1000瓦功率，位于坚固的装置外壳外侧一定的位置上。在具有足够照度的情况下，这已知的光学--电视系统保证对装置外介质的视觉监视，以便操作员同时就校正控制潜水装置之系统给出的信号采取有关的行动。该已知的光学--电视系统也使得有可能利用如操纵器这样的设施执行某些水下工作。该已知之水下照明系统的缺点，就该装置整体而言，在于对其功能性的限制，即在潜水装置控制系统中没有对水下照明系统的自动控制，这样就妨碍了编程行动的执行，例如使潜水装置具有预先确定之定位行动。

已经知道有一种使用在有人和远程控制之潜水装置上的光学--电视观察系统，例如用于潜水装置SHINKAI-2000，“JTV-1”，“Dolphin-3K”(JAMSTEC)上的系统(M.萨耶基[Saeki]，登载于“海洋-84”，第2卷，pp.917-920，IEEE，1984)。上面所述的潜水装置装备有一个光学--电视系统，以监视装置外的介质。所述系统由黑白和彩色电视摄像机、宽带立体电视系统、固定式摄影机和其照明光源、以及工作头和一个自动系统组成。固定式摄影机和其照明光源是用以目视检查介质并记录要研究的特性。工作头和自动系统用以保持深度和运动方向。但是，在配置有声学导航系统时，声学系统保证了潜水装置在空间中的运动，光学--电视系统仅仅是用来目视研究该介质、储存数据、选择运动方向、控制操纵器或其它装置等，因而限制了潜水装置的动态定位精度。

已知有一种搜索潜水装置，由一个具有回转椭球形状的外壳构成，带有垂直运动和水平运动的推进器，一台电视摄像机，其光轴位于装置的中心线平面上，与回转椭球的主轴的角度，为电视摄像机视角的一半，并且装置定倾中心高度线与回转椭球的主轴所成角度等于电视摄像机视角(俄罗斯联邦专利No.2,029,678，IPC B63B 21/66，1995年7月2日公布)。一台固定安装的电视摄像机，使其可以在一个宽阔的立体角内执行水下观察。但这一潜水装置的功能受到限制，电视摄像机提供的信息不能直接用于该潜水装置的自动控制，以改善其动态定位的精度。

已知有一种救援潜水装置(以下称为“RSA”)LR5，由Slingsby公司研制(英国，1978)，在直到460米的深度下执行搜索及救援工作。该救援潜水装置目前由英国海军使用，以“干法”为躺在海底之受伤潜艇的成员提供帮助和救援。这是借助一个可分离的吸入室，设计是用来对接该RSA坚固的外壳和一艘受伤的潜艇(E.R.阿吉谢夫、M.A.叶尔普列夫、A.A.叶尔普列夫：救援潜水装置LR5的结构特点，造船学，1998，No.3，pp.20-22)。该RSA由一个坚固的圆柱形外壳构成，其内部模块化的舱室配备有一个自动舵装置组成的推进器控制系统、液压系统和能量分配系统，以及一个辅助系统，以在移动靠近一艘受伤的潜艇时操纵装置的运动，在受伤潜艇上动态定位。这一辅助系统由四根在RSA外面的转动柱子组成，在其延伸部分有螺旋推进器，并且也有带有支承环的可分离吸入室。潜水装置动态定位以及准备装载一艘受伤的潜艇时，该潜艇躺在海底上，带横倾(list)和吃水差(trim)，吸入室对潜艇的舱口栏板平台定向，使吸入室的一个支承环倾斜成高达30度的角度(并且带有特殊的固桩块，成60度)，以保RSA的吃水差(trim)在装载受伤的潜艇过程中RSA的吃水差(trim)在正负6.5度的范围内。为了观察水下的介质，潜水装置外壳的上部配备有丙烯酸玻璃制成的透明甲板室，而外壳的下部，在机械手附近，装有一台UMEL型彩色电视摄像机(1,334行；焦距70毫米)，安置在一个转动-倾斜装置上。对于水下照明，使用了五台照明装置，每台功率1,000瓦。在这一RSA上，有一个光学电视系统，包含有一台电视摄像机和照明装置(照明部件)，仅仅用于目视观察潜水装置外的情况并借助显示电视信息的装置来评估RSA操纵(动态定位)的效率。但是，这一装置未能影响到操纵和动态定位，这就妨碍了RSA以自动模式进行定位和装载潜艇，并且在改善RSA工作特性的努力中，不能获得高的动态定位精度。

一种RSA，其外壳包括了一个运动控制系统，一个用于操纵和动态定位的辅助系统，一个吸入室，带有安排在RSA外壳上支承环，一个带有照明部件的外部照明系统，一个观察外部的光学-电视系统，这一系统在光学上与后一系统相连接，以及一台用以显示电视信息的装置，这已经被选择为在所声明之本发明方面，最为接近的原有技术。

发明内容

本发明的目的是改善RSA的工作特性，方法是利用一个光学--电视系统观察外部，以提供高精度的动态定位和自动模式操纵。

上述之RSA，即由外壳构成，包括有运动控制系统，用于操纵和动态定位的辅助系统，带有安排在RSA外壳上之支承环的吸入室，带有照明部件的外部照明系统，观察外部的光学-电视系统，在光学上与后一系统相连接，以及一台用以显示电视信息的装置的RSA，已经达到了这一目的。根据本发明，所选用的吸入室，是室体装备了一条可动的球带，所述用于观察外部的光学-电视系统是以一套安装好之电视摄像机的形式实现，以保证对受伤对象的长范围探测，并且是布置在RSA外壳上吸入室周围，这样可以观察到支承环，构成多方面的立体像对。所述外部照明系统配备有布置在吸入室支承环上的一些标志灯，所述用以显示电视信息的装置是计算机化装置，通过所述运动控制系统与所述操纵和动态定位的辅助系统相连接。

此外，所述可动之球带分成若干段，以保证各段的相对位移。

而且，所述照明部件选用卤素灯或者发光二极管。

另外，所述标志灯选用带有自用电源的发光二极管。

除此而外，所述标志灯是从被动光反射器或光致发光装置中选取。

更主要的是，至少有一部分标志灯是沿着吸入室支承环周边等距离布置。

本发明的技术效果在于形成受伤对象的影像，主要是受伤潜艇及其舱口栏板平台的影像，以由电视摄像机形成之立体像对从不同的接近角来形成，从而保证了长范围的探测，它以预先确定的方式安装，恰当地考虑了该RSA吸入室加入了可移动部件的设计，这一可移动部件就是分段来保证各段相对位移的球带，这些段几何上也是球带。在这一结构里，对所产生之电视影像的比较，使得在RSA吸入室支承环对接受伤对象(受伤潜艇)舱口栏板平台的过程中，可以对之实行控制。在定位和对接过程中，吸入室体之可移动球带的各段转动，支承环在空间以所要求的位置布置(见俄罗斯联邦专利No.2,157,776)，同时利用计算机化的装置根据显示的电视信息计算RSA与对象的偏移，并按照计算出的数据在运动控制系统中发出控制指令。这些指令从运动控制系统传递到操纵和动态定位的辅助系统，可以实现RSA动态定位的自动控制。

附图说明

本发明的基本点，可以由以下附图说明，其中：

图1是双外壳RSA对接一个受伤对象(受伤潜艇)的示意图，将带有外壳可动部件(球带)之RSA吸入室支承环连接到受伤潜艇的舱口栏板平台上。

图2是一个横向示意图，表示将一个光学-电视系统固定到带有吸入室之RSA上的过程，所述系统有电视摄像机对受伤对象进行长范围探测，这一摄像机形成立体像对，光学上与标志灯相互作用(电视摄像机的视场由一些点突出表示)。

图3是图2的底面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，一艘救援潜水装置(RSA)1有一个坚固的外壳2，一个轻型外壳3，转动导管螺旋桨装置4，布置于轻型外壳3中的操纵和动态定位的辅助系统5，这里它以垂直和水平方向舵系统之形式实施。在坚固外壳2中，布置有运动控制系统6，连接在坚固外壳2上的吸入室7，这一吸入室配备有可动外壳部件，即分段的球带8，以及支承环9，实现与受伤对象(潜艇)11之舱口栏板平台10的接触和附着；

一个用于外部观察的光学-电视系统，在图1中按常规以两台电视摄像机表示，以一套电视摄像机12的形式作为一个整体体现出来(图2；图3)，光学上与照明部件13和外部照明系统的标志灯14连接。电视摄像机12(图2；图3)的设计，是要保证能长范围的探测受伤对象(潜艇)11并将吸入室7对接在该受伤对象上。电视摄像机12按预先确定的方式安装，即要保证它们的光轴交叉，这样就可以以不同的接近角观察该受伤对象，亦即形成立体像对。该立体像对使得可以将该受伤对象之由两台电视摄像机从两个不同观察点(不同接近角)产生的两幅二维局部影像组合起来，产生该对象的一幅三维影像。从一对不同接近角观察对象时产生之立体像对的一个突出特点，是无论观察者的位置如何，对象在空间中的位置不变。所以，要产生该对象一幅可靠的三维影像，其必要而充分的条件，就是至少从三个接近角拍摄该对象的影像，它们可以两两组合起来。利用对收到之信号的相关处理，可以辨别该对象或其分开的各部分之空间位置的信息或者位置的变化。

恰当地考虑了该RSA 1之吸入室7的设计，选择了一项电视摄像机12的定位方案。在使用带有可动球带8之吸入室7时，在这样的室体上布置电视摄像机12，技术上是很困难的，因为柔性的电视电缆有可能被损坏。因此，用以保证长范围探测一个受伤对象的电视摄像机12，是布置在RSA1的外壳上，即在轻型外壳3上吸入室7的周围，对其轴对称(图2；图3)。这样布置时，要选择电视摄像机12的视场和布置，使得吸入室7的表面和支承环9与受伤对象(潜艇)11之舱口栏板平台10同时出现在每一电视摄像机12的视野中。

RSA 1之轻型外壳3上布置了一套三台保证长范围探测的电视摄像机12，这样就可以通过立体像对产生受伤对象(潜艇)11之舱口栏板平台10的影像。通过适当地转换电视摄像机12，可以选择它们的连接图，以完成计算机处理有关RSA 1定位的电视信息的任务，以动态模式校正RSA 1的位置，并且也复制使用的立体像对，增加对接的可靠性。

一个外部照明系统光学上与电视摄像机12相连接，包含有照明部件13，即光源，需要它来保证布置在支承环9下面的电视摄像机12的工作，并且在具体的场合下，在所述支承环周围等距分布，由此达到所有电视摄像机12要求的照明，以及在对接吸入室7区域里局部均匀的照度和可见性。

照明部件13(发光体)可以用任何以知的方法固定，例如固定在杆上。每一对受伤对象11进行长范围探测的电视摄像机12，都可以配备它自己的光源(图2和图3中未表示出)。取决于电视摄像机照明之立体角的大小，这一光源可以是单个装置，特别是如卤素灯或发光二极管，或者是组合光源，例如发光二极管阵列。

在这一布置中，附加的光学装置(部件)，即标志灯14，布置在吸入室7上，沿着支承环9的周边，其方式要使得由它发出的光--这是它们的光辐射，或者被动地被激发的辉光(通过光致发光)或是反射光，落入到相应的电视摄像机12的视场内。这一点决定了标准灯总数的最小值，即三盏。

照明部件(发光体)13可以使用发出5000纳米波长光、光源密封的的光学装置，设计用作潜水装置上的固定装置。特别是产生水中衰减低之光束的卤素灯和LED发光体。

标志灯14可以从两类部件中选择，即发光的光学装置(特别是带有自用电源的发光二极管)和被动光学辐射源，特别是按照光致发光效应(在来自发光体之光线的作用下发光的标志)或反射光部件(反射器)的元件中选取。

至少有部分标志灯14彼此间等距并与支承环9轴线等距布置，这样提供了立体像对中观察受伤对象11的可比较性，这点在执行转动吸入室7之可动球带8时是至关重要的。

电视摄像机12执行配备长范围探测的观察，通过一台显示电视信息的计算机化的装置15连接到运动控制系统6。

装置15的设计对应于处理电视信息适用的方法，具体是包含有一台小型计算机(一台微型计算机或PC)，带有一台视频处理器，它与电视摄像机相连接，一台信号模数转换器，接收电视之外的信号(例如，来自水流速传感器的信号)，也连接到所述小型计算机上，以及储存器、显示器和接口。装置15必须能够执行以下功能：电视信号和物理参数之数据阵列的算术和逻辑运算，累积和储存大量的信息，它们的统计(相关性)分析，影像的几何转换(缩放、转换为地图投影)，发生数据信号传递给运动控制系统。特别是，如果一项动态定位的执行，是使用已知的测量对象影像重心坐标移动的方法进行，这里的对象是受伤对象(潜艇)的舱口栏板平台，则电视信号处理应包括一项电视影像数字化、检查点的选择(这里是标志灯的影像)，以确定对象重心的坐标，还要包括所求对象影像重心坐标的计算、在RSA定位中电视立体像对信号的比较，以专门的算法对信号求和以确定未知量的时间变化，以及发生数据差错信号表示RSA对受伤对象(潜艇)11附近介质参数的线性和角度位移，所述参数是同时测量并传递给运动控制系统6。差错信号用于在系统6中发生控制指令，传递给用于操纵和动态定位的辅助系统5的转向装置和方向舵。要实施上面所述的方法，通过测量受伤对象(潜艇)11舱口栏板平台10影像重心的移动来定位，就可以利用一种已知的装置(见俄罗斯联邦专利No.2,040,120)，它与运动控制系统6的相互联系，以及通过后者与操纵和动态定位的辅助系统5的相互联系，可以对运动进行实时自动控制。在一般情况下，显示电视信息的装置15可以为任何已知的形式，只要能比较处理立体双像的影像即可。

一种救援潜水装置(RSA)1，按以下方式使用。

该RSA 1的运动，是由一台转动导管螺旋桨装置4所保证，在它接近受伤对象(潜艇)11的位置时，采取了一个可以方便上船的位置，例如，停留在对着水流的航向，在外部照明系统的照明部件熄灭的情况下在舱口栏板平台10上方盘旋，之后吸入室7的定位开始，利用可动球带8的各个转动段，使得支承环9与舱口栏板平台10同轴而且平行。在这一过程中，用于外部观察的光学-电视系统的电视摄像机12被置于RSA 1自动导向和上船的工作状态，这一状态是由一个选择的布置电视摄像机12的方案，也由一个电视影像处理方案所确定。

电视摄像机12于水下的视角在45度范围内，朝向舱口栏板平台10的方向。为了向每一台电视摄像机12提供照明，利用了一个发光体提供所需要的光束强度，以保证对受伤对象(潜艇)11的长范围探测。所述的发光体可以是，例如，两盏卤素灯或四盏LED光源(在一项水下具体实施方案中)组合而成，它们布置在距摄像机不少于2米的距离上。利用从电视摄像机12接收到的影像，确定了受伤对象(潜艇)11之舱口栏板平台10的空间位置，在1~1.5米高度上盘旋的同时，向舱口栏板平台10靠近。

在这样的距离上，电视摄像机12可以在其视场中捕获到舱口栏板平台10的舱口盖，并且保证栏板平台10对安装每一立体像对之平面的倾斜角的测量。支承环9对安装每一立体像对之平面的倾斜角利用标志灯14的电视影像确定。

一台处理电视影像的装置15，用来比较来自立体像对的信号，从而可以编程计算支承环9和舱口栏板平台10相互配置的参数，如平行度和倾斜角。当测量的参数一致时，就可以进行对接操作。在这过程中，控制系统6产生一个恰当的控制信号，传递给辅助系统的垂直和水平方向舵，进行操纵和动态定位的辅助系统5。结果，RSA 1就将吸入室7之支承环9的法兰，对接到受伤对象11的舱口栏板平台10上。

在使用标志灯作为被动反光元件，亦即反射器时，它的亮度要比发光二极管小很多，这些元件的数量，至少要安排为发光二极管的两倍，以保证所要求的测量精度。

当标志灯14用作光致发光装置(标记)时，后者要用涂层予以保护，防止水介质的侵入，而外形尺寸、数量和布置方案的选择，充分地考虑了记录它们发光的可能性。

在模拟RSA 1与受伤对象(潜艇)11对接过程时，对在水下条件下的光学-电视系统的功能检查表明，在电视通道取样率等于5Hz时，测量线性特性的精度，在2米距离处不少于1厘米，而测量角度特性的精度，不少于2度。此外，它可以记录并作为噪声考虑落入电视接受器视野之甚至只有5％对比度的外来物体线速度和角速度。在这一情形里，这些速度的测量精度分别是5mm/s和每秒0.1弧度，由此提高了潜艇操纵自动控制的抗扰度。

电视信号的处理，可以用任何适用于处理目的之已知方法进行。具体选择开关电视摄象机的电路以产生长范围探测立体像对，以及选择使用的发光体，潜水装置动力源以及适用之信号处理的硬件-软件，可以按照具体的工作条件和持续时间确定。

Claims (6)

1.一种救援用潜水装置(1)，具有外壳(2；3)，设置有运动控制系统(6)，安置在救援用潜水装置(1)外壳(2)上之带支承环(9)的吸入室(7)，一个用以操纵和动态定位的辅助系统(5)，一个带有照明部件的外部照明系统(13)，一个用于外部观察的光学-电视系统(12)，以及一个显示电视信息的装置(15)；其特征是选择的所述吸入室(7)的室体配置了一条可动的球带(8)；所述用于外部观察的光学-电视系统具体形式为一组电视摄像机(12)，安装来保证对受伤对象(11)的长范围探测，并布置在救援用潜水装置(1)外壳上吸入室(7)的周围，可以观察到支承环(9)形成多方位角度立体像对；所述外部照明系统(13)配备有布置在吸入室(7)支承环(9)上的标志灯(14)；所述显示电视信息的装置(15)是计算机化装置并且通过所述运动控制系统(6)连接到所述用以操纵和动态定位的辅助系统(5)。

2.根据权利要求1所述的救援用潜水装置，其特征是可动球带(8)分成若干段，以保证各段的相对位移。

3.根据权利要求1所述的救援用潜水装置，其特征是照明部件(13)选用卤素灯或发光二极管。

4.根据权利要求1所述的救援用潜水装置，其特征是标志灯(14)选用被动光反射器或光致发光装置。

5.根据权利要求1所述的救援用潜水装置，其特征是标志灯(14)选用带有自用电源的发光二极管。

6.根据权利要求1所述的救援用潜水装置，其特征是至少有一部分标志灯(14)布置在吸入室(7)之支承环(9)上，等距地沿着该环的周边。

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