CN104114445A - 用于潜水器和其它物资的发射和回收技术 - Google Patents

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Abstract

锁定单元(38)通过水将诸如AUV或AUV库之类的海底物资从水下位置运载至物资(22)。锁定单元(38)将升力线(20)载向物资(22)。锁定单元(38)随后被附接至物资(22)，而且利用经由锁定单元(38)通过升力线(20)施加的拉力提升物资(22)。锁定单元(38)还可用在升力线上以降低物资，并随后在水下位置释放物资。升力线(20)被实现锁定单元(38)的z轴运动的水面舰艇上的波动补偿摇柄(12)支撑。摇柄(12)保持升力线(20)上的拉力以防止升力线(20)落到物资上。锁定单元(38)在x和y轴上的运动由板上推进器(48)实现。

Description

用于潜水器和其它物资的发射和回收技术
技术领域
本发明涉及物资至海底位置的运送以及从海底位置(包括海床和中水位置)的回收。本发明涉及在深水引擎操作时的用于潜水器的发射和回收系统(LARS)中的具体应用，例如建立自主水下航行器(AUV)。
背景技术
在申请人之前申请的公开为GB2453645的专利申请中描述了LARS或AUV的示例。在此，AUV被部署在潜水站上，潜水站也可被描述为用于AUV的码头或车库。向其发射AUV的站台从线升降机上的支援船向船外摆动并快速下降至水中。对此，有利的是最小化通过近水表面的湍流飞溅区时花费的时间。否则，当AUV/站台组合在猛浪状态下通过飞溅区时升力线的松弛可能会导致抓载荷。
在清楚飞溅区之后，AUV/站台组合下降至海床上的固定位置，随后AUV将在固定位置上从站台解锁以执行其发射。站台在海床上的着陆可被定时成最小化支援船的法向移动的影响，但是着陆对升力线和AUV/站台组合的冲击荷重仍然是很大的。因此，站台的下侧可能需要减震器。
一旦着陆，升力线松弛以将站台从支援船的移动分离，但是这要求漂浮装置将升力线保持在站台上方以最小化升力线和站台之间的干扰。
在发射的结束或者在其发射期间的时间段内，AUV一般会返回站台以便回收、存储或重新充电。直到这时，站台可被回收至支援船以便后续在别处或相同位置进行部署，或者其可与支援船断开并离开海床上的初始着陆地点以便后续回收。
使得站台断开连接(通常采用ROV或声学释放)使得支援船在AUV执行其发射的同时可以进行其它任务。但是，重新连接要求ROV，并且对在海上的频繁不利条件进行定位站台以及实现重新连接提出了挑战。当站台最终从海床(这一般是站台将嵌入的软泥)回收时，可能必须克服站台与海床之间的粘附力和吸收力。这会在站台脱离海床时加剧升力线中抓载荷的严重性。
更早的现有技术文件GB2004818示出了支援船上的月池可封闭并装配浮舟以减小发射潜水器时波浪的影响。但是，该方案要求以巨大代价来特殊地调整舰艇。在舰艇缺乏月池的情况下，GB2004818不能解决波动的问题。
WO01/21476公开了用于回收中水AUV的设备和方法，其中配备推进器的飞锁航行器用绳系至海底系绳管理系统，其继而从水面舰艇悬浮。舰艇的波动被锁车和掩膜的系绳管理系统之间的系绳中的松弛补偿。但是，波动的影响未被去除：通过在适当时候使得系绳松弛或缠绕，仅仅使得系绳管理系统与物资之间的相对移动最小化。这可在锁车连接至中水AUV补偿波动，但是这在连接的锁和AUV被回收至系绳管理系统时不会去除波动的影响。由此，WO01/21476中的整个系统不会补偿水面舰艇的波动。US7854569公开了配备了推进器的飞锁航行器，用于捕获并回收UAV。该专利主要涉及飞行航行器与UAV之间的数据传输并且无关对升力线中的拉力的管理。
US3779195描述了用于回收诸如遇难潜艇之类的潜水对象的设备和方法。该专利没有公开配备了推进器的航行器，而是使用通过拾取并跟随从对象开始部署的消息线而被引导至对象的装置。公开了恒定拉力摇柄，但是其不能补偿水面舰艇的波动。
EP1125838描述了用于回收水下航行器的配备了推进器的表面航行器，但是其仅仅在水下航行器在表面时才工作。这有悖于本发明所设想的背景技术。
发明内容
在一个方面，本发明可表示为一种从水下位置提升诸如AUV或AUV库之类的物资的方法，包括：通过水将锁定单元运载至物资，锁定单元被附接至由水面舰艇上的波动补偿摇柄支撑的升力线以将升力线载向物资；将锁定单元附接至物资；以及利用经由锁定单元通过升力线施加的拉力提升物资；其中升力线由水面舰艇上的波动补偿摇柄支撑。通过经由升力线逐渐增大拉力，可以最小化将物资从海床位置卸出的抓载荷。
在将被描述的优选实施例中，运载锁定单元包括在附接之前在x和/或y轴上水平地移动锁定单元以便将锁定单元对齐在物资上方。通过在锁定单元在x和/或y轴的移动期间从摇柄将升力线放线，可在z轴上朝着物资降低锁定单元。对此，锁定单元可方便地在升力线上从水面舰艇下降而且利用负浮力从升力线水下悬浮。
波动补偿摇柄的使用使得锁定单元能够以受控的精确方式被引导至并对接至物资，而不会在锁定单元的z轴位置中产生不期望的变化。在摇柄确定z轴定位以使得锁定单元处于拉紧的升力线上的情况下，这可能与在z轴上运载的现有技术的松弛的脐带式布置相反。
锁定单元和物资的水下位置可通过已知技术确定，随后，可在监控锁定单元的变化位置的同时运载锁定单元从而与物资的位置聚集。
当锁定单元处于靠近物资但是与物资垂直隔开的中水位置时，可适当地激活摇柄的波动补偿。
在检测锁定单元至物资的附接时，摇柄优选地将拉力施加至升力线以防止升力线落到物资上。为此，可感测升力线的紧邻物资的部分的局部拉力以控制摇柄。例如，升力线拉力传感器可邻接或集成至锁定单元。
锁定单元还可用来将物资下降至水下位置，随后从水下位置提升或回收物资。因此，本发明的提升方法可之前进行使得物资下降至附接至锁定单元的水下位置，锁定单元又附接至升力线；将锁定单元从物资卸下；以及利用升力线使得锁定单元上升以脱离物资。当使得物资下降通过飞溅区近表面时，该方法优选地包括升力线的阻尼运动，例如采用水面舰艇支撑的弹簧补偿滑轮。
本发明的构思包括一种配置有推进器的锁定单元，其可被操纵通过水到达水下位置处的物资，锁定单元具有用于将升力线载向物资的附件以及用于将锁定单元附接至物资的锁定结构，而且锁定单元被布置成将提升拉力经由附件和锁定结构从升力线传递至物资以回收物资。附件被布置在锁定单元的一侧，而且锁定结构被布置在锁定单元的相对侧，由此将拉力从升力线通过锁定单元传递至物资。
本发明的构思还发现一种用于从水下位置回收物资的系统的表现形式，系统包括：本发明的锁定单元，锁定单元附接至升力线；用于将升力线收线以使得锁定单元向物资下降的波动补偿摇柄；用于检测锁定单元和物资的水下位置的位置检测设备；以及用于作用于摇柄和锁定单元上以将锁定单元引导至物资的控制设备。控制设备被适当地布置成控制锁定单元的一个或多个推进器以使得锁定单元在x和/或y轴上移动并控制摇柄以通过从摇柄将升力线收线来使得锁定单元在z轴上下降。
本发明的构思还延伸至一种表面支援船，其操作或被配置成操作本发明的方法或具有本发明的系统。
利用本发明，海底物资可在各种海洋状态下被降低，容易地定位以及上升，同最小化物资和支撑物资的索具受到的瞬态力。支援船要求最小修改以受益于本发明。相对于诸如GB2004818提出的封闭月池之类的支援船的架构的变化，本发明的设备是不贵的。
本发明提供的一些方案可与运载锁定单元单独使用，虽然他们在一起使用时给出了协同效益：
升力线的阻尼运动降低了当将物资降低通过飞溅区时松弛的线导致的发射负载；
摇柄的波动补偿以受控方式将物资放在海床上或放在其它海底表面上，而且允许物资以轻柔精确的移动进行对接和提升；
利用摇柄保持拉力，使得能够在物资处于海床上或其他海底表面上的同时保持升力线脱离物资；以及
在着陆之后，逐渐增大升力线中的拉力，使得能够以受控方式从海床或其他海底表面提升物资，而且能够控制陷入泥泞的海床中的物资产生的任意附加负载。
在上述WO01/21476和US7854569中，将被回收的包裹处于中水中。相反，本发明的优选应用涉及包裹在海床的运送和回收。在该情况下，波动补偿摇柄的使用，负载的阻尼和/或恒定拉力系统确保了通过飞溅区的安全部署和回收，以受控方式将包裹防止在海床上并释放它，随后进行重新连接并以受控方式使得包裹从海床上升同时释放所有粘附和吸附。
附图说明
为了使得可以更容易地理解本发明，将仅仅通过示例的方式参考附图，其中：
图1是在使得AUV篮从支援船下降至海床的时候使用的本发明的第一实施例的示意侧视图；
图2是在使得运载锁定单元从支援船下降以对接事先布置在海床上的AUV篮的时候使用的本发明的第二实施例的示意侧视图；
图3是刚好在AUV篮着陆至海床之前的图2的锁定单元和AUV篮在彼此啮合时的放大的示意侧视图；
图4对应于图3，但是示出了已经着陆至海床之后的开啮合并返回支援船的锁定单元；
图5对应于图4，但是示出了返回并靠近AUV篮以便回收的锁定单元；
图6对应于图5，但是示出了由于在降低时x轴、y轴上的运动而变得更靠近AUV篮的锁定单元；
图7对应于图6，但是示出了在x轴、y轴上的最终移动之后的由此准备好来对接的与AUV篮对齐的锁定单元，-位置仍由图2示出；
图8对应于图7，但是示出了与AUV篮对接的锁定单元，因此其现在准备好被回收至支援船；以及
图9是控制单元的意正视图，示出了可呈现给对使用中的锁定单元的移动进行控制的引航员的控制和显示。
具体实施方式
下面将详细描述根据本发明的两种方法。两种方法都采用传递至海床的AUV库或篮作为物资的示例，尽管本发明可用于要求向海床或其他海底位置(包括中水位置)进行运送或从其回收的其它物资。在每种情况下，海底位置都完全处于水下或表面下方以使得物资在该位置处连接至升力线的同时完全浸没。
第一方法留下附接至升力线的物资，将参考图1描述第一方法。在该示例中物资是AUV篮，篮可在简短地呆在海床上期间(其中篮保持通过升力线连接至支援船)简单地发射和/或回收AUV(未示出)。
参考图2至图9描述的第二方法是第一方法的扩展。其允许物资被留在海床上或在另一海底位置(包括中水位置)释放以便后续进行收集或回收。其在这样的情况下是有利的：物资是AUV篮，库或码头有助于被留在海床上，AUV可周期性的返回库或码头以便进行保护、重新装满或重新充电以及最终回收。
首先参考图1，支援船10具有安装在其甲板14上的有效波动补偿摇柄12。摇柄12被摇柄控制器18控制的电源组16驱动。摇柄12作用在升力线20(通常是钢丝，但是也可以是其它材料)上。升力线20中具有作为脐带电缆的电源及通信核。
升力线20支撑物资，在当前情况下为用于AUV的篮22。升力线20载有靠近篮22的负载插头24，其感测升力线20中的局部拉力以用于控制摇柄12，这将在下文予以描述。但是，大体上，篮22直接连接至升力线20以将拉力从升力线20传递至篮22而无需中间的脐带电缆或其他松弛线。
舰艇10具有支持槽轮28的发射回收吊车26，升力线20在槽轮28上运行，在此从摇柄12延伸至篮22。槽轮28具有内置的减振弹簧补偿器以保持抓载荷处于升力线20安全工作限制内。与槽轮28相关的锁具30在篮22上升至表面32上方时拿走了篮22的重量。
在发射操作中，吊车26在篮22保持被锁具30附接至槽轮28的同时使得篮22上升至舰艇10的一侧上方。篮22的负载随后通过升力线20传递至摇柄12，一旦锁具30打开，随着摇柄12将升力线20收线，篮22下降通过飞溅区34。篮22在猛浪状态下穿过飞溅区34时升力线20的松弛导致的抓载荷被减槽中的振弹簧缓和。轮篮22被降低，直到其靠近海床36，通常处于二十米的海拔范围内。在这个阶段，有效波动补偿(AHC)模式在摇柄控制器18中被打开。在AHC模式中，舰艇运动被摇柄控制器18中的运动传感器测量，而且摇柄12被电源组16驱动以抵制该运动，从而在舰艇10波动时将篮22保持在海床36上方的基本固定的海拔。
利用AHC模式下的针对舰艇10的法向移动的持续补偿，篮22随后在手动或自动控制向缓慢地朝着海床36下降。当篮22着陆在海床36上时，摇柄控制器18被手动或自动地切换至AHC恒定拉力模式。在该模式下，有效波动补偿继续，但是负载插头24向摇柄控制器18的AHC系统提供驱动信号偏移，以使得预定负载保持在升力线20中。这就确保了升力线20不会落到篮22上。
为了回收篮22，在摇柄控制器18中启用吊出船舱功能。一开始，摇柄控制器18在AHC模式下操作摇柄12。吊出船舱功能缓慢地增大负载插头24测量的升力线20中的拉力，直到篮22拉离海床36。升力线20中的拉力的缓慢增大确保了由篮22和海床36之间的粘附或吸附导致的对篮22的移动的阻力被逐渐克服。这就降低了必须通过升力线20施加以使得篮22从海床脱离的最终拉力，而且确保了刚好足够的拉力被施加来这么做。由此当篮22脱离时，减低了升力线20中的抓载荷。
当篮22达到海床36上方的足够海拔时，可在摇柄控制器18中关闭AHC模式。篮22随后可上升至表面32并返回与槽轮28的锁具30啮合以便回收至舰艇10的甲板14。
现在参考图2至图9，这些附图所示的系统是图1所示系统的演变；类似的标号被分配给类似部分。
图2至8示出了处于可锁定至篮22以及与篮22解锁的升力线20的端部的运载锁定单元38。这允许篮22在舰艇10离开的同时留在海床36上，并随后在必要时被回收以回到舰艇(该舰艇当然无需是同一个舰艇)。
锁定单元38和篮22具有用于该目的的互补的锁部分40，42，即处于锁定单元38下侧的向下打开的阴锁部分40以及处于篮22上侧的向上突出的阳锁部分42。其它锁结构也是可行的，这取决于具体设计要求；例如，阴锁部分可能不是向下打开的而是反过来。
阳锁部分42是一个嵌钉，其具有与阴锁部分40的枢转颚部46啮合的向上变大的锥形头部44。图2至8示出了啮合状态。颚部46枢转以在锁定单元38和篮22啮合时容纳嵌钉的头部44，而且在要求去啮合时再次枢转以释放头部44，如图3所示。
和前面一样，负载插头24被布置在升力线20上以便摇柄控制器18能够经由摇柄12控制升力线20中的局部拉力。在该示例下，负载插头24布置在锁定单元38上方。但是，负载插头24也可代之以并入锁定单元38。同样，以从升力线20至篮22传递拉力的方式将篮22连接至升力线20，而无需中间脐带电缆或其他松弛线，尽管在当前情况下经由锁定单元38。
锁定单元38包括沿与水平轴大致平行作用的成对布置的可逆推进器48，由此可以在水下在x轴和y轴定义的水平平面上移动、操纵、定向和运载锁定单元38。虽然附图中仅仅示出了一对推进器48，但是可以存在多于一对推进器48。例如，布置成两对的四个推进器48在相互正交的轴上作用，将允许在每个方向上推进而无需改变锁定单元38的前进。
虽然锁定单元38还可具有其它能力以垂直地施加推力以使得自己在水体中上下移动，但是理论上或特定地可以设想可通过利用摇柄12移动升力线20锁定单元38的垂直z轴运动。
锁定单元38具有板上控制模块50，其具有前进、深度和海拔传感器。利用来自控制模块50的这些传感器的反馈，操作舰艇10上的控制单元54的操纵杆52的引航员可控制锁定单元38的运动。图9示意性地示出了控制单元54。锁定单元38通过集成在升力线20中的脐带电缆数据连接而连接至控制单元54。
在必要时，控制单元54的操作被链接至摇柄控制器18的操作以使得它们的动作同步，例如当引航员相应地移动控制单元54的操纵杆52时可通过操作摇柄12来实现锁定单元38的z轴运动。
锁定单元38还包括位于其底侧的摄像机56，其将视频信号馈入控制单元54以在控制单元54上的监控器58上显示给引航员。该视频显示被用来通过使得引航员能够将阴锁部分40与嵌钉的头部44对齐来帮助锁定单元38与篮22的最后进坞。锁定单元38的底侧还具有用于此目的的灯60。
锁定单元38处于水下时的位置被锁定单元38载有的水声应答器/发射应答器62以信号告知。篮22还具有发射应答器64。通过舰艇10载有的诸如USBL(超短基线)系统66之类的声学定位系统来确定发射应答器62，64两者的位置。发射应答器62，64的相对位置在控制单元54的导航系统68方便地显示给引航员。随着通过摇柄12对升力线20收线而在z轴上使得锁定单元38下降，导航系统68使得引航员能够在x轴、y轴上将锁定单元38朝着篮22的固定发射应答器64操纵。深度显示器70也被布置在控制单元54上。
因此，本发明的该第二方法采用了运载篮锁定单元38，其可被用来将篮22留在海床36上。实际上，锁定单元38是装配至升力线20端部的可操纵的锁或钩，其在z轴上移动时可在x轴、y轴上被推动。沿z轴下降期间x轴、y轴上的操纵有效地将锁定单元38引导至向下变尖的圆锥体内的篮22。
第二方法的发射过程镜像了第一方法的发射过程，直到篮22处于海床36上，只是在当前情况下篮22初始地经由锁定单元38直接附接至槽轮28的锁具30。图3示出了靠近海床36的篮22。
在着陆至海床36上时，锁部分40，42去啮合以从篮22释放锁定单元38，而且锁定单元38被提升而脱离篮22，如图4所示。当锁定单元38和篮22之间存在足够的间隙时，AHC模式可关闭，而且锁定单元38随后可通过在升力线20上收卷至摇柄12上而被回收至舰艇10。
当将如图5至8中的次序所示地回收篮22时，利用诸如检测篮22上的发射应答器64的基于舰艇的USBL声学定位系统66之类的已经技术，舰艇10被布置在篮22上方。锁定单元38被降低至与篮22的位置靠近的位置，同样处于垂直隔开的二十米的范围内。对比了锁定单元38和篮22上的发射应答器62，64的位置，而且它们在x轴、y轴上的相对位置在图9所示的控制单元54的导航显示68上被显示给引航员。
这样，利用摇柄12上激活的AHC模式来补偿舰艇10的法向移动，引航员使用操纵杆52和控制单元54的导航显示68来在x轴、y轴上驱动锁定单元38。图9所示的导航显示68上示出的点表示锁定单元38和篮22上的发射应答器62，64，而且引航员的初始目标是将这些点对齐。引航员还查看导航显示68旁边的深度显示70和监控器58以在变得可以在锁定单元38下方看见篮22时引起注意。
锁定单元38被有效驱动以靠近锁定单元38上的发射应答器62，64与篮22之间的x轴、y轴上的任意间隙，同时通过从摇柄12对升力线20收线沿z轴降低锁定单元38。按照这样的方式，锁定单元38随着锁定单元38下降而被引导至篮22。通过利用摄像机56和灯60将锁定单元38的最终进程引导至篮22，升力线20随后可经由锁定单元38锁定至篮22。
一旦锁定单元38被锁定至篮22，摇柄控制器18被切换至AHC恒定拉力模式以保持升力线20上的拉力。这防止了升力线20落到篮22上。随后按照与前面描述的第一方法相同的方式从海床36将篮22回收至舰艇10。
在本发明构思的范围内可做出多种变化。例如，如上所述，本发明可用来将物资传递至海床之外的例如中水位置的海底位置或从其回收物资。如果航行器配置有适当的发射应答器，本发明对于部署或回收诸如AUV之类的海底航行器至水体的别处是很有用的。
同样，理论上，锁定单元38可经由发射应答器64确定篮22的相对位置或者反过来，以及将该相对位置信息传递回控制单元54。
本发明可被用来部署各种常见包裹，以及将其从海床或其他水下位置回收。例如，本发明可被用来部署将被组装的多个包裹至海床上或至水下结构上。可被本发明部署和回收的物资的另一示例是在海床上工作的远程控制的或自发的履带式航行器。

Claims (19)

1.一种从水下位置提升物资的方法，包括：
通过水将锁定单元运载至物资，锁定单元被附接至由水面舰艇上的波动补偿摇柄支撑的升力线以将升力线载向物资；
将锁定单元附接至物资；以及
利用经由锁定单元通过升力线施加的拉力提升物资。
2.根据权利要求1所述的方法，其中运载锁定单元包括在附接之前在x和/或y轴上水平地移动锁定单元以便将锁定单元对齐在物资上方。
3.根据权利要求2所述的方法，包括：通过在锁定单元在x和/或y轴的移动期间从摇柄将升力线放线，在z轴上朝着物资降低锁定单元。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，包括：确定锁定单元和物资的水下位置，并且在监控锁定单元的变化位置的同时运载锁定单元以与物资的位置聚集。
5.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中锁定单元利用负浮力从升力线悬浮。
6.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中当锁定单元处于靠近物资但是与物资垂直隔开的中水位置时，激活摇柄的波动补偿。
7.根据权利要求6所述的方法，包括：检测锁定单元至物资的附接，而且响应于附接而利用摇柄将拉力施加至升力线。
8.根据权利要求7所述的方法，包括：感测升力线的紧邻物资的部分的局部拉力以控制摇柄。
9.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，包括：通过升力线逐步地增大拉力以将物资从海床位置卸出。
10.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，在之前进行在升力线上从水面舰艇降低锁定单元。
11.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，在之前进行使得物资下降至附接至锁定单元水下位置，锁定单元又附接至升力线；将锁定单元从物资卸下；以及利用升力线使得锁定单元上升以脱离物资。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：在升力线的阻尼运动的同时使物资从水面舰艇下降通过飞溅区。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的方法，其中物资是AUV或AUV库。
14.一种配置有推进器的锁定单元，其可被操纵通过水到达水下位置处的物资，锁定单元具有用于将升力线载向物资的附件以及用于将锁定单元附接至物资的锁定结构，而且锁定单元被布置成将提升拉力经由附件和锁定结构从升力线传递至物资以回收物资。
15.根据权利要求14所述的锁定单元，其中附件被布置在单元的一侧，而且锁定结构被布置在单元的相对侧，由此将拉力从升力线通过单元传递至物资。
16.一种用于从水下位置回收物资的系统，系统包括：权利要求14或15所述的锁定单元，锁定单元附接至升力线；用于将升力线收线以使得锁定单元向物资下降的波动补偿摇柄；用于检测锁定单元和物资的水下位置的位置检测设备；以及用于作用于摇柄和锁定单元上以将锁定单元引导至物资的控制设备。
17.根据权利要求16所述的系统，其中控制设备被布置成控制锁定单元的一个或多个推进器以使得锁定单元在x和/或y轴上移动并控制摇柄以通过从摇柄将升力线收线来使得锁定单元在z轴上下降。
18.根据权利要求16或17所述的系统，进一步包括与锁定单元邻接或与锁定单元集成的升力线拉力传感器，其信号被控制设备用来控制摇柄。
19.一种表面支援船，其操作或被配置成操作根据权利要求1至13之一所述的方法或者具有根据权利要求16至18之一所述的系统。
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