CN107589755A - 一种用于水下可移动接驳的平台及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下可移动接驳的平台，包括接驳平台部分、水下自主航行器部分及控制系统，接驳平台部分包括可升降的基座、保护舱、导向筒、可伸缩接驳杆、夹紧盖等，水下自主航行器部分包括机械手夹紧装置、两根导向杆等；本发明的装置将接驳平台设置于水下可移动载体上，克服了传统的接驳平台接驳地点固定导致检测范围有限的缺点，其次，本发明的水下可移动接驳平台不限制水下自主航行器的朝向，不论从哪一个方向回坞的水下自主航行器均可成功回坞；此外，该平台结构简单，在布放与回收时都相对要简单很多，也极大的降低了危险性。

Description

一种用于水下可移动接驳的平台及其控制方法

技术领域

本发明涉及海洋技术工程领域，涉及一中用于水下自主航行器的接驳装置，尤其是一种用于水下可移动接驳的平台及其控制方法。

背景技术

近年来，随着海洋环境、资源、地质引起了人们越来越多的关注，海底的观测在国防系统中也越发重要，海洋的检测与发展成为了许多国家的重大战略之一；在此背景下，能够搭载多种探测器的水下自主航行器就越来越重要；但由于水下自主航行器腔体内电池所提供电能的限制，严重束缚了水下自主航行器的观测范围，因此设计一种合理可靠的用于接驳自主航行器的接驳平台也是研究重点之一。针对此类问题，国内水下接驳技术近年来逐步发展了起来；专利CN201110178669.6提出了一套自主水下航行器与海底观测网对接装置，自主水下航行器通过喇叭口的导引可靠地停靠在接驳站中，实现与观测网的电能与信号传输。专利CN201310668750公开了一套可自动调节朝向的对接平台系统，在水下自主航行器回坞过程中可根据水下自主航行器的朝向改变自身喇叭口的朝向，因此可以极大的提高回坞成功率。纵观国内接驳系统的设计，绝大部分都是将接驳平台固定于某一定点，这样大大限制了水下自主航行器的观测范围，在此背景下，专利CN201610260569.0公开了一种水下自主航行器与水面移动平台的水下非接触移动接驳装置，该装置将喇叭口状的接驳平台固定于水面移动平台，实现水下自主移动平台在水面的接驳，因此大大提高了水下自主航行器的观测范围，然而该装置实现水面接驳的过程中及其依赖于海况，一旦海况稍微恶劣，水下自主航行器与水面接驳平台的对接就会十分困难；再有由于水下自主航行器执行检测任务时，通常远离水面，这样水下自主航行器从水面航行至水下就要消耗一大部分的电能。此外，传统的定点接驳站通常重量大，在布放与海底固定时由于无法实时掌握水下情况，遇到突发情况由于其自身重量大也难以进行操作，故危险性极高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种用于水下可移动接驳的平台及其控制方法，该平台可实现水下自主航行器在任意海域的检测任务，扩大了其检测范围，并提高了接驳时的对接成功率，以及降低了布放、回收、维修的成本。

本发明的用于水下可移动接驳的平台包括接驳平台部分、水下自主航行器部分及控制系统；

接驳平台部分包括安装于水下可移动载体顶部的基座和保护舱，基座相对于水下可移动载体可进行升降，且基座设置于保护舱一端，在基座上固定有导向筒和可上下伸缩的接驳杆，接驳杆同轴设置于导向筒内，其上端固定有夹紧盖，导向筒为圆筒状，上表面为朝保护舱方向倾斜的斜面，在斜面最低点开有U型槽；导向筒内还安装有信号传输天线和深度计，在夹紧盖上设置有声通和导航灯，在保护舱底部设置有初级充电线圈；

水下自主航行器部分包括设置于水下自主航行器前端的机械手夹紧装置及两根导向杆，两根导向杆由控制系统控制可转动至水下自主航行器前端形成“V”字型，且当机械手夹紧装置呈张开手势时，该“V”字的张角恰将机械手包含在V字范围内，在机械手夹紧装置上还设置有力传感器，在水下自主航行器上还设置有超短基线定位系统、摄像头、充电电池和位姿传感器，在水下自主航行器底部设置有次级充电线圈；

上述技术方案中，由超短基线定位系统、声通、及位姿传感器构成声学导引单元，将接驳平台侧的位置信息与水下自主航行器侧的位置信息交互，主要用于水下自主航行器回坞任务时远距离的导引。

导航灯和摄像头构成光学导引单元，主要用于近距离25米以内时对水下自主航行器的水下对接进行导引。

可升降的基座、可上下伸缩的接驳杆、夹紧盖、深度计、保护舱、机械手夹紧装置、两根导向杆构成水下接驳控制单元，主要实现对水下自主航行器的接驳控制，以及接驳后的一系列动作处理。

位于接驳平台上的初级充电线圈、水下自主航行器侧的次级充电线圈、水下自主航行器电池腔的充电电池构成非接触电能单元，主要用于水下自主航行器成功接驳停留在保护舱内时，通过初次级线圈的耦合进行非接触充电。

信号传输天线作为信号传输单元，用于水下自主航行器成功接驳停留在保护舱内时，通过水下无线信号进行接驳平台与水下自主航行器两端的信息传送。

所述的水下可移动载体可以为潜艇或其他水下潜航器。

深海水下可移动接驳平台装置在实现水下自主航行器入坞锁紧与出坞释放的控制方法如下：

入坞锁紧：

S1：控制水下自主航行器呈入坞状态：控制系统控制基座升起，同时控制两根导向杆旋转至水下自主航行器前端形成“V”字型，同时控制机械手夹紧装置呈现张开手势，水下自主航行器通过声学导引单元的远端声学导航与光学导引单元的近端光学导航，使得接驳杆进入导向杆“V”型开口范围内，当接驳杆碰撞到机械手，力传感器产生瞬时脉冲传输至控制系统，控制系统控制机械手夹紧装置闭合，从而将水下自主航行器束缚于接驳杆上，限制其仅可沿接驳杆上下移动或绕接驳杆转动，同时控制系统控制两根导向杆往后旋转收起；

S2：水下自主航行器关闭尾部螺旋桨，控制系统控制开启保护舱舱门，同时接驳杆向下收缩，在该过程中夹紧盖底部触碰到水下自主航行器后将压着水下自主航行器一起向下移动，当水下自主航行器底部触碰到导向筒后，水下自主航行器将绕接驳杆转动并沿着导向筒上表面的倾斜边线继续向下滑动直至进入U型槽中；

S3：控制系统控制基座向下沉，直至水下自主航行器沉入保护舱中，此时次级充电线圈与初级充电线圈耦合，关闭保护舱舱门；

出坞释放：

S1：接收到出坞指令后，控制开启保护舱舱门，完全打开后，控制基座升起，从而带着水下自主航行器上升离开保护舱；

S2：控制接驳杆向上伸出，从而带着夹紧盖往上移动，解除水下自主航行器沿接驳杆方向运动的束缚；

S3：控制系统控制机械手夹紧装置呈张开手势，同时水下自主航行器开启尾部螺旋桨反转，水下自主航行器正式离开接驳平台。

本发明首先由于其接驳平台本体的可移动性，提高了水下自主航行器的检测范围；其次，在水下自主航行器执行回坞的过程中，相比于水面回坞，海底的环境对水下自主航行器的接驳更为为理想，因此一定程度上提高了对接的成功率；再有，布放与回收过程简单了许多，设备进行维护也很方便，因此大大减小了设备意外损坏的危险性，以及节约了成本。此外，该水下可移动接驳平台不限制水下自主航行器的朝向，不论从哪一个方向回坞的水下自主航行器均可成功回坞，对接灵活简单。由于接驳杆与基座的可伸缩性，使得整个接驳平台在执行完对水下自主航行器的接驳任务后，整个接驳平台所占据的体积相对较小，使其对水下移动载体移动时的水动力影响不会很大；由于回坞后水下自主航行器固定在保护舱内，因此接驳平台对其保护更为可靠。

附图说明

图1为接驳平台主视图；

图2为接驳平台斜视图；

图3为水下自主航行器俯视图；

图4为水下自主航行器斜视图；

图5为水下自主航行器内部模块示意图；

图6为“入坞状态”的水下自主航行器示意图；

图7为水下自主航行器成功对接接驳杆状态示意图；

图8为水下自主航行器上两根导向杆往后收起状态示意图；

图9为夹紧盖带着水下自主航行器往下移动示意图；

图10为水下自主航行器沿着导向筒往下滑动(1)示意图；

图11为水下自主航行器沿着导向筒继续往下滑动(2)示意图；

图12为水下自主航行器滑至导向筒的U型槽中的状态示意图；

图13为基座下沉；

图14为水下自主航行器停留在保护舱中；

图中：1.水下可移动载体，2.基座，3.导向筒，4.接驳杆，5.声通，6.夹紧盖，7.导航灯，8.深度计，9.信号传输天线，10.初级充电线圈，11.舱门，12.保护舱，13.机械手夹紧装置，14.导向杆，15.水下自主航行器，16.超短基线定位系统，17.摄像头，18.充电电池，19.位姿传感器，20.次级充电线圈，21.力传感器。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照附图1-14，本发明的一种用于水下可移动接驳的平台主要包括接驳平台部分、水下自主航行器部分及控制系统；

接驳平台部分包括安装于水下可移动载体顶部的基座2和保护舱12，基座2相对于水下可移动载体可进行升降，且基座2设置于保护舱12一端，在基座2上固定有导向筒3和可上下伸缩的接驳杆4，接驳杆4同轴设置于导向筒3内，其上端固定有夹紧盖6，导向筒3为圆筒状，上表面为朝保护舱方向倾斜的斜面，在斜面最低点开有U型槽；导向筒3内还安装有信号传输天线9和深度计8，在夹紧盖6上设置有声通5和导航灯7，在保护舱12底部设置有初级充电线圈10；

水下自主航行器部分包括设置于水下自主航行器15前端的机械手夹紧装置13及两根导向杆14，两根导向杆14由控制系统控制可转动至水下自主航行器前端形成“V”字型，且当机械手夹紧装置呈张开手势时，该“V”字的张角恰将机械手包含在V字范围内，在机械手夹紧装置13上还设置有力传感器21，在水下自主航行器15上还设置有超短基线定位系统16、摄像头17、充电电池18和位姿传感器19，在水下自主航行器底部设置有次级充电线圈20；

该平台整体可分为非接触电能单元、水下接驳控制单元、声学导引单元、光学导引单元与信号传输单元五大功能模块；分别如下：

水下接驳控制单元包括：位于水下可移动载体(如潜艇)1上方可升降的基座2、可上下伸缩的接驳杆4、夹紧盖6、深度计8、保护舱12及其舱门11、机械手夹紧装置13、以及两根导向杆14；

声学导引单元包括：超短基线定位系统16、声通5、位姿传感器19。

非接触电能单元包括：初级充电线圈10、次级充电线圈20、水下自主航行器电池腔的充电电池18。

光学导引单元包括：导航灯7、摄像头17。

信号传输模块包括：信号传输天线9。

深海水下可移动接驳平台装置在实现水下自主航行器入坞锁紧与出坞释放的工作如下：

入坞锁紧：

S1：控制水下自主航行器15呈入坞状态(如附图6所示)，水下自主航行器头部装的两根可绕固定轴转动的导向杆14由控制系统控制向前旋转形成“V”字型，同时控制机械手夹紧装置13使接驳机械手呈现张开手势，水下自主航行器通过声学模块单元远端声学导航与光学导航模块近端光学导航，水下自主航行器准确找到接驳平台的接驳杆4后，只要接驳杆4在V型开口范围内，当接驳杆撞击到机械手13后，安装于机械手夹紧装置上的力传感器产生瞬时电流，传输至控制系统，控制接驳机械手闭合，从而将水下自主航行器锁于接驳杆上，无法离开，但仍可以沿接驳杆4上下移动或绕接驳杆转动(如附图7所示)；水下自主航行器头部的导向杆14往后收起(如附图8所示)。

S2：水下自主航行器关闭尾部螺旋桨后失去动力，控制接驳杆4向下收缩，在这一过程中夹紧盖6底端触碰到水下自主航行器15后，顺势带着水下自主航行器一起往下移动，当水下自主航行器运动至底部碰触导向筒，由于导向筒倾斜的上表面及夹紧盖向水下自主航行器施加的向下压力，水下自主航行器将沿着导向筒3的边线往下滑动(如附图10、11所示)，并最终将水下自主航行器导向至导向筒底部的U型槽内(如附图12所示)，水下自主航行器底端触碰到U型槽底端后，接驳杆停止运动，此时水下自主航行器15就被限制在接驳平台内。

S3：水下自主航行器限制在导向筒6的U型槽后，控制整个基座2往下沉，并将水下自主航行器沉到潜艇背部打开的舱门中(如附图13所示)。此时位于水下自主航行器底部的次级线圈与保护舱中的初级线圈耦合起来；关闭舱门，整个水下自主航行器被保护于保护舱中(如附图14所示)；

出坞释放的过程与入坞锁紧的过程相反，其过程是：

S1：接驳平台接收到出坞指令时，打开潜艇1背部的舱门11，完全打开后，基座2带着入坞的水下自主航行器15一起往上升一段距离后停止；

S2：接驳杆4带着夹紧盖6往上移动，水下自主航行器沿接驳杆方向的束缚被解除；接驳杆4向上移动一段距离后停止运动。

S3：水下自主航行器此时执行两个操作：1、开启首部的接驳机械手13呈张开手势，摆脱接驳平台的束缚，机械手13保持该手势以供下一次回坞任务使用；2、开启尾部螺旋桨反转，水下自主航行器正式离开接驳平台，启动新的任务出坞释放。

Claims (2)

1.一种用于水下可移动接驳的平台，其特征在于：

包括接驳平台部分、水下自主航行器部分及控制系统；

接驳平台部分包括安装于水下可移动载体顶部的基座(2)和保护舱(12)，基座(2)相对于水下可移动载体可进行升降，且基座(2)设置于保护舱(12)一端，在基座(2)上固定有导向筒(3)和可上下伸缩的接驳杆(4)，接驳杆(4)同轴设置于导向筒(3)内，其上端固定有夹紧盖(6)，导向筒(3)为圆筒状，上表面为朝保护舱方向倾斜的斜面，在斜面最低点开有U型槽；导向筒(3)内还安装有信号传输天线(9)和深度计(8)，在夹紧盖(6)上设置有声通(5)和导航灯(7)，在保护舱(12)底部设置有初级充电线圈(10)；

水下自主航行器部分包括设置于水下自主航行器(15)前端的机械手夹紧装置(13)及两根导向杆(14)，两根导向杆(14)由控制系统控制可转动至水下自主航行器前端形成“V”字型，且当机械手夹紧装置呈张开手势时，该“V”字的张角恰将机械手包含在V字范围内，在机械手夹紧装置(13)上还设置有力传感器(21)，在水下自主航行器(15)上还设置有超短基线定位系统(16)、摄像头(17)、电池(18)和位姿传感器(19)，在水下自主航行器底部设置有次级充电线圈(20)；

超短基线定位系统(16)、声通(5)、及位姿传感器(19)构成声学导引单元；导航灯(7)和摄像头(17)构成光学导引单元。

2.应用如权利要求1所述的平台进行水下自主航行器接驳的控制方法，其特征在于，入坞锁紧的过程包括如下步骤：

S1：控制水下自主航行器呈入坞状态：控制系统控制基座(2)升起，同时控制两根导向杆(14)旋转至水下自主航行器前端形成“V”字型，同时控制机械手夹紧装置(13)呈现张开手势，水下自主航行器通过声学导引单元的远端声学导航与光学导引单元的近端光学导航，使得接驳杆(4)进入导向杆“V”型开口范围内，当接驳杆(4)碰撞到机械手，力传感器(21)产生瞬时脉冲传输至控制系统，控制系统控制机械手夹紧装置(13)闭合，从而将水下自主航行器(15)束缚于接驳杆(4)上，限制其仅可沿接驳杆上下移动或绕接驳杆转动，同时控制系统控制两根导向杆(14)往后旋转收起；

S2：水下自主航行器关闭尾部螺旋桨，控制系统控制开启保护舱(12)舱门，同时接驳杆(4)向下收缩，在该过程中夹紧盖(6)底部触碰到水下自主航行器后将压着水下自主航行器一起向下移动，当水下自主航行器底部触碰到导向筒(3)后，水下自主航行器将绕接驳杆(4)转动并沿着导向筒(3)上表面的倾斜边线继续向下滑动直至进入U型槽中；

S3：控制系统控制基座(2)向下沉，直至水下自主航行器沉入保护舱(12)中，此时次级充电线圈(20)与初级充电线圈(10)耦合，关闭保护舱舱门；

出坞释放的过程包括如下步骤：

S1：接收到出坞指令后，控制开启保护舱(12)舱门，完全打开后，控制基座(2)升起，从而带着水下自主航行器上升离开保护舱；

S2：控制接驳杆(4)向上伸出，从而带着夹紧盖(6)往上移动，解除水下自主航行器沿接驳杆方向运动的束缚；

S3：控制系统控制机械手夹紧装置(13)呈张开手势，同时水下自主航行器开启尾部螺旋桨反转，水下自主航行器正式离开接驳平台。