CN103963947B - 水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法；包括固定光源和设置有四象限光电探测器的航行器；步骤如下：通过光源发出光线；光源发出光线照射到航行器的四象限光电探测器上，形成光斑；根据光斑在四象限光电探测器上所在的位置进行航行器的航向姿态调整。

Description

水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置

技术领域

本发明涉及涉及海洋工程领域，尤其是一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置。

背景技术

近年来，人类对海洋的探索不断深入，逐步发展了一批用于海洋湖泊探测研究用的设备。水下航行器就是其中最具代表性的一种海洋探测装置，广泛应用于国防、海岸警卫、海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助、管线探测和海洋科学研究等领域。自主水下航行器作为一种低成本、又便捷的自主探测装置，在工作时与母舰没有任何线缆连接。同时，导致自主水下航行器需要与基站对接进行能源补给，与基站对接进行信息批量数据的传输，开发自主水下航行器与基站的对接技术，是延长自主水下航行器在海底连续工作时间的有效手段，也是扩充自主水下航行器信息采集能力的有效手段，可以大大减少自主水下航行器的布放和回收次数，节约人力物力。

我国在海洋工程领域的研究开发起步较晚，水下对接技术的相关研究做得还比较少。专利CN103057679A公布了双智能水下机器人相互对接装置及对接方法，包括定位系统和对接系统两大系统，借用了多普勒测速声呐、水声换能器、摄像头等一系列器件，算法和机械结构都相对复杂，同时是用于两个智能水下机器人的对接，不能很好地为自主水下机器人补给能源；专利CN102320362A公布了一套自主水下航行器与海底观测网对接装置，用一个大喇叭口做机械式的引导，将自主水下航行器与海底观测网进行对接，进行无线传能和信息交换。

在光伏太阳能发电领域，研究发现：当太阳能发电板正对太阳光时，发电效率最高。工程师采用了光电四象限探测器感知太阳光的角度，调节太阳能电池板，使之随太阳的移动而移动。正是从这得到启发，本发明将太阳光跟踪技术用到水下光引导的对接技术上。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法；包括固定光源和设置有四象限光电探测器的航行器；步骤如下：通过光源发出光线；光源发出光线照射到航行器的四象限光电探测器上，形成光斑；根据光斑在四象限光电探测器上所在的位置进行航行器的航向姿态调整。

作为对本发明所述的的水下航行器与基站的光引导自动对接方法的改进：所述光线通过凸透镜形成光斑。

作为对本发明所述的的水下航行器与基站的光引导自动对接方法的进一步改进：根据四象限光电探测器上光斑所在的位置判断光源与航行器之间的角度偏差，再根据角度偏差调整航行器的航向姿态。

作为对本发明所述的的水下航行器与基站的光引导自动对接方法的进一步改进：所述光斑在四象限光电探测器中时，航行器的航向姿态调整如下：当光斑在第一象限的时候，航行器左偏下潜；当光斑在第二象限的时候，航行器右偏下潜；当光斑在第三象限的时候，航行器右偏抬艏；当光斑在第四象限的时候，航行器左偏抬艏；当光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中间的时候，航行器保持向前。

作为对本发明所述的的水下航行器与基站的光引导自动对接方法的进一步改进：所述光斑在四象限光电探测器中的象限判断方法如下：为光斑在四象限光电探测器的X轴的移动；为光斑在四象限光电探测器的Y轴的移动；A为光斑在第一象限内的感光面积；B为光斑在第二象限内的感光面积；C为光斑在第三象限内的感光面积；D为光斑在第四象限内的感光面积，通过以下公式进行光斑的位置判断；ΔX＝(A+D)-(B+C)；ΔY＝(A+B)-(C+D)；ΔX＝0；ΔY＝0时，光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中间，航行器向前运动；ΔX＞0；ΔY＞0时，光斑在第一象限，航行器左偏下潜；ΔX＜0；ΔY＞0时，光斑在第二象限，航行器右偏下潜；ΔX＜0；ΔY＜0时，光斑在第三象限，航行器右偏抬艏；ΔX＞0；ΔY＜0时，光斑在第四象限，航行器左偏抬艏。

一种水下航行器与基站的光引导自动对接装置，包括信号源与信号接收调整装置；所述信号源为固定的光源；所述信号接收调整装置为固定在航行器上的四象限光电探测器；所述光源包括灯壳，所述灯壳上从内到外依次设置有反光镜、高亮光源以及滤光片；所述四象限光电探测器包括凸透镜和控制器，所述控制器上依次连接有A/D采样电路、前置放大电路以及四象限信号线；所述凸透镜设置在四象限信号线的一侧。

作为对本发明所述的水下航行器与基站的光引导自动对接装置的改进：所述光源发出锥形发散的单色光，所述单色光为波长在850纳米的近红外光，锥角范围在15°～30°。

本发明的水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置采用的是一种光照的方式进行引导，通过这种方式进行的引导过程中，受到外界的影响十分的小，引导的准确率十分的高。而适用于本发明的方法的引导装置结构也可以十分的简单，所以通过本发明，可以达到无需复杂的结构就能达到高精度的引导结果的目的。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1基站光源示意图；

图2四象限光电探测器光路图；

图3四象限光电探测器信号采集图；

图4光斑在四象限光电探测器中的位置一；

图5光斑在四象限光电探测器中的位置二；

图6光斑在四象限光电探测器中的位置三；

图7光斑在四象限光电探测器中的位置四；

图8光斑在四象限光电探测器中的位置五。

具体实施方式

图1到图3给出了一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置。

实施例1、一种水下航行器与基站的光引导自动对接装置，包括信号源与信号接收调整装置；信号源为固定的光源，在对接目标上固定光源，再通过光源引导需要对接的航行器与对接目标进行对接，再进行无线充电、数据传输、指令传输或者收回等作业任务。信号接收调整装置为固定在航行器上的四象限光电探测器，通过固定的光源的光线在四象限光电探测器上的位置，对航行器进行相应的航线调整，使得航行器一直是对着对接目标航线，直到最终对接目标与航行器进行对接。

光源包括灯壳11，灯壳11上从内到外依次设置有反光镜12、高亮光源13以及滤光片14；反光镜12为锥形的反光镜，通过反光镜12形成锥角范围在15°～30°锥形发散的单色光。

四象限光电探测器包括凸透镜20和控制器24；控制器24上依次连接有A/D采样电路23、前置放大电路22以及四象限信号线21；凸透镜20设置在四象限信号线21的一侧，通过凸透镜20对光源发散的单色光进行聚光，通过聚光后的光线形成光斑，而通过光斑在四象限信号线21上的照射面积，四象限信号线21可以获得相应的电流，再根据此时产生的电流就可以判断此时光斑的位置；如，在四个象限内，光斑偏向第一象限，则设置在第一象限的四象限信号线21产生的电流量偏大，就可以判定此时光斑的位置在第一象限。控制器24上还连接有俯仰角和航向角调节25(模块)，俯仰角和航向角调节25(模块)与水下航行器的动力系统相互信号连接；控制器24通过凸透镜20、四象限信号线21、前置放大电路22以及A/D采样电路23获得光斑的数据，再通过控制器24发出航向姿态调整指令，航向姿态调整指令发送到俯仰角和航向角调节25(模块)后，由俯仰角和航向角调节25(模块)控制水下航行器执行指令。

水下航行器与基站的光引导自动对接方法，包括如下的步骤：

第一步：通过光源发出锥角范围在15°～30°锥形发散的单色光(单色光为波长在850纳米的近红外光)；

第二步：单色光照射到航行器的四象限光电探测器上，通过凸透镜20聚光后，形成光斑；

第三步：根据光斑在四象限光电探测器上所在的位置进行航行器的航线调整，此处的航线调整根据四象限光电探测器上光斑所在的位置判断光源与航行器之间的角度偏差，再根据角度偏差调整航行器的航线。

光斑在四象限光电探测器中时，航行器的航向姿态调整如下：

当光斑在第一象限的时候，ΔX＞0,ΔY＞0，判断光源从左下方射入，航行器向左下方运动；

当光斑在第二象限的时候，ΔX＜0,ΔY＞0，判断光源从右下方射入，航行器向右下方运动；

当光斑在第三象限的时候，ΔX＜0,ΔY＜0，判断光源从右上方射入，航行器向右上方运动；

当光斑在第四象限的时候，ΔX＞0，ΔY＜0，判断光源从左上方射入，航行器向左上方运动。

以上所述的步骤中，单色光通过凸透镜20聚光后形成光斑，光斑通过四象限信号线21产生电流，而电流依次通过前置放大电路22和A/D采样电路23的信号方法以及A/D转换后，就以数字信号的模式被控制器24读取，而控制器24则推算光源和航行器之间的角度偏差，并向航行器发出俯仰角和航向角调节信号，使自主水下航行器保持向着对接目标的航向。

光源和航行器之间的角度偏差计算方法如下表(ΔX为光斑在四象限光电探测器的X轴的移动；ΔY为光斑在四象限光电探测器的Y轴的移动；A为光斑在第一象限内的感光面积；B为光斑在第二象限内的感光面积；C为光斑在第三象限内的感光面积；D为光斑在第四象限内的感光面积)：

表1

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法，包括固定光源和设置有四象限光电探测器的航行器；其特征是：步骤如下：

通过光源发出光线；所述光源发出锥形发散的单色光，所述单色光为波长在850纳米的近红外光，锥角范围在15°～30°；

光源发出光线照射到航行器的四象限光电探测器上，形成光斑；

根据光斑在四象限光电探测器上所在的位置进行航行器的航向姿态调整；

还包括所述光线通过凸透镜形成光斑；

根据四象限光电探测器上光斑所在的位置判断光源与航行器之间的角度偏差，再根据角度偏差调整航行器的航向姿态；

所述光斑在四象限光电探测器中时，航行器的航向姿态调整如下：

当光斑在第一象限的时候，航行器左偏下潜；

当光斑在第二象限的时候，航行器右偏下潜；

当光斑在第三象限的时候，航行器右偏抬艏；

当光斑在第四象限的时候，航行器左偏抬艏；

当光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中间的时候，航行器保持向前；

所述光斑在四象限光电探测器中的象限判断方法如下：

△X为光斑在四象限光电探测器的X轴的移动；△Y为光斑在四象限光电探测器的Y轴的移动；A为光斑在第一象限内的感光面积；B为光斑在第二象限内的感光面积；C为光斑在第三象限内的感光面积；D为光斑在第四象限内的感光面积，通过以下公式进行光斑的位置判断；

△X＝(A+D)-(B+C)；

△Y＝(A+B)-(C+D)；

△X＝0；△Y＝0时，光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中间，航行器向前运动；

△X>0；△Y>0时，光斑在第一象限，航行器左偏下潜；

△X<0；△Y>0时，光斑在第二象限，航行器右偏下潜；

△X<0；△Y<0时，光斑在第三象限，航行器右偏抬艏；

△X>0；△Y<0时，光斑在第四象限，航行器左偏抬艏。

2.水下航行器与基站的光引导自动对接装置，包括信号源与信号接收调整装置；其特征是：所述信号源为固定的光源；所述信号接收调整装置为固定在航 行器上的四象限光电探测器；

所述光源包括灯壳(11)，所述灯壳(11)上从内到外依次设置有反光镜(12)、高亮光源(13)以及滤光片(14)；所述光源发出锥形发散的单色光，所述单色光为波长在850纳米的近红外光，锥角范围在15°～30°；

所述四象限光电探测器包括凸透镜(20)和控制器(24)，所述控制器(24)上依次连接有A/D采样电路(23)、前置放大电路(22)以及四象限信号线(21)；

所述凸透镜(20)设置在四象限信号线(21)的一侧；通过凸透镜(20)对所述光源发散的单色光进行聚光，通过聚光后的光线形成光斑，通过光斑在所述四象限信号线(21)上的照射面积，所述四象限信号线(21)获得相应的电流，再根据所述电流判断所述光斑的位置；

控制器(24)还连接有俯仰角和航向角调节(25)，所述俯仰角和航向角调节(25)与水下航行器的动力系统相互连接。