CN109911124A - 基于柔性臂的usv水面回收uuv的回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：包括回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带和悬挂摆臂装置，所述回收控制模块设置在USV的船仓内，所述悬挂摆臂装置一端设置在USV上甲板上，另一端与液压充油装置连接，所述液压充油装置中心位置设置有一辊轮，所述柔性捕获带卷曲在辊轮上，所述油路控制单元设置在液压充油装置上；所述回收控制模块与油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带依次连接，同时，所述回收控制模块还与悬挂摆臂装置连接。本发明的有益效果是：本发明提出的回收方法采用柔性臂技术，适用于回转体型UUV的回收，对UUV无任何接口要求，不影响UUV总体性能，回收步骤简洁。

Description

基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置及方法

技术领域

本发明涉及一种无人水下航行器的回收装置及方法，具体为一种基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置及方法。

背景技术

水面无人艇（Unmanned Surface Vehicle，简称USV）具备自主航行和超视距操作的功能，军事上是水面防卫、反恐、扫雷、搜救和救援的重要平台，也可服务于海洋环境监测、航道测量、水文调查、水面监视、污染源追踪等诸多民用领域。无人水下航行器(Underwater Unmanned Vehicle，简称UUV)作为一种无人无缆的水下系统平台，在军事上可用于支持两栖作战、反潜作战、探测水雷和其它海中危险品、承担快速战场评估以及水文测量等任务，民用上可开展海洋环境监测、科学研究、地形测绘以及水下搜索和救援等多种任务，具有其它系统无法替代的作用。

随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，USV和UUV都将扮演越来越重要的角色，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发利用等产生深远影响。通过USV和UUV这两种平台进行组合运用，来执行一系列不能由其中单个系统独立实现的任务，提高水上/水下空间的立体高效利用能力、环境信息融合能力，优化综合作业效率将是未来发展的重要方向。其中，USV对UUV的回收无疑是两者协同中亟需突破的关键技术问题之一，由于海洋环境复杂，USV和UUV在近距离接近时存在水动力耦合与相互干扰，因此UUV的自主回收一直是研究人员的热点方向和重要难题。

目前，UUV一般从有人母船布放和回收。2013年，美国在海军资助下使用Hydroid公司的Remus-100型UUV开展了从USV自主回收的研究工作，在UUV舯部两舷增加一种水平锁定装置，与USV上的垂直吊杆对接。采用该方案影响了UUV的自身构型，阻力显著增加，航速和操控稳定性明显降低。由于USV垂直吊杆与UUV锁定装置的接触面小，目前只完成了静态对接，海洋环境适应性较差，成功率很低。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明的目的在于提出一种基于柔性臂的USV水面回收UUV的装置及方法，提出的USV水面自主回收方法采用柔性臂技术，适用于回转体型UUV的回收，对UUV无任何接口要求，不影响UUV总体性能，回收步骤简洁，而且对环境无任何污染，回收成功率高。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：包括回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带和悬挂摆臂装置，所述回收控制模块设置在USV的船仓内，所述悬挂摆臂装置一端设置在USV上甲板上，另一端与液压充油装置连接，所述液压充油装置中心位置设置有一辊轮，所述柔性捕获带卷曲在辊轮上，所述油路控制单元设置在液压充油装置上；所述回收控制模块与油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带依次连接，同时，所述回收控制模块还与悬挂摆臂装置连接。

前述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：所述柔性捕获带的两侧和中间等分设置了四条油管，所述液压充油装置向柔性捕获带的四条油管内给油和将油抽回。

前述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：所述USV的航速高于UUV的航速，且USV具有原地回转功能。

前述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：能够被回收的所述UUV为回转体型UUV。

基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收方法，其特征在于：利用权利要求1所述的回收装置对UUV进行回收，包括以下步骤：

步骤一：当USV发现UUV后，USV进行UUV运动状态估计，规划USV运动指令，以高于UUV航速1-2节的期望速度和与UUV同艏向的期望航向进入UUV回收作业圆区域，所述回收作业圆区域的半径为柔性捕获带的最大长度；根据水面流速流向确定切入UUV的左侧半圆或右侧半圆，流速低于0.5kn可忽略；当流速由UUV左侧流向右侧时，USV切入UUV的左侧半圆；当流速由UUV右侧流向左侧时，USV切入UUV的右侧半圆；

步骤二：USV进入回收作业圆区域后逐渐减速至与UUV速度同步，速度同步连续保持1分钟后启动回收程序，同时保持柔性捕获带与UUV主体段的连线与UUV艏向垂直；

步骤三：将悬挂摆臂装置旋转至靠近UUV一侧，USV保持航向、航速与UUV基本一致；

步骤四：当柔性捕获带伸至UUV下方并将要伸出UUV下方时，回收控制模块指令液压充油装置将柔性捕获带内的油抽回，柔性捕获带由硬性切换到柔性，自然卷曲并包裹住UUV；

步骤五：柔性捕获带将UUV回卷至USV舷侧。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提出的USV水面自主回收方法采用柔性臂技术，适用于回转体型UUV的回收，对UUV无任何接口要求，不影响UUV总体性能，回收步骤简洁，而且对环境无任何污染。只要UUV位于捕获带内，都可以使用，回收成功率高，有效解决目前UUV回收中捕获困难、回收装置复杂的技术难题，为USV和UUV的编队体系化奠定技术基础；

（2）将水面无人船（USV）和水下航行器（UUV）编组的海上无人体系可大幅提高水上/水下立体空间的感知能力与信息收集能力，解决UUV的通讯、导航和续航能力受限技术瓶颈，显著提升综合作业效能，已成为未来海上无人系统的一个重要发展方向。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明：

图1为携带UUV回收装置的USV的结构示意图；

图2为图1中USV将悬挂摆臂装置移至舷侧的结构示意图；

图3 为图1中USV抵近UUV，准备自主回收的结构示意图；

图4为图1中柔性捕获带充油，伸向UUV的结构示意图；

图5为图1中柔性捕获带伸至UUV下方的结构示意图；

图6为图1中柔性捕获带回油后自然卷住UUV的结构示意图；

图7为图1中柔性捕获带回卷至USV舷侧的结构示意图；

图8为图1中UUV回收装置的控制关系框图。

图中附图标记含义：1、USV，2、液压充油装置，3、悬挂摆臂装置，4、柔性捕获带，5、UUV。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1至图8所示，本发明的回收装置，包括回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置2、柔性捕获带4和悬挂摆臂装置3，回收控制模块设置在USV 1的船仓内，悬挂摆臂装置3一端设置在USV 1上甲板上，另一端与液压充油装置2连接，液压充油装置2中心位置设置有一辊轮，柔性捕获带4卷曲在辊轮上，油路控制单元设置在液压充油装置2上；回收控制模块与油路控制单元、液压充油装置2、柔性捕获带4依次连接，同时，回收控制模块还与悬挂摆臂装置3连接。

至于回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置2、悬挂摆臂装置3都为现有技术模块或装置。

进一步地，柔性捕获带4的两侧和中间等分设置了四条油管，液压充油装置2向柔性捕获带4的四条油管内给油和将油抽回；柔性捕获带4自然状态下，即不充油的状态下，具有卷曲特性，当液压充油装置2向柔性捕获带4给油后，柔性捕获带4的油管被充油后变硬，柔性捕获带4可以被直线放出去。

再进一步地，USV 1的航速高于UUV 5的航速，且USV 5具有原地回转功能，USV 1能够自动探测到UUV 5并按瞄准线引导法航行到UUV周边。

再进一步地，能够被回收的所述UUV 1为回转体型UUV，这样的设计使得UUV 1不需要额外增加回收装置接口。

至于利用回收装置回收UUV 1的回收方法，具体包括以下步骤：

步骤一：当USV 1发现UUV 5后，USV 1进行UUV 5运动状态估计，规划USV 1运动指令，以高于UUV 5航速1-2节的期望速度和与UUV 5同艏向的期望航向进入UUV 5回收作业圆区域，回收作业圆区域的半径为柔性捕获带4的最大长度；根据水面流速流向确定切入UUV 5的左侧半圆或右侧半圆，流速低于0.5kn可忽略；当流速由UUV 5左侧流向右侧时，USV 1切入UUV5的左侧半圆；当流速由UUV 5右侧流向左侧时，USV 1切入UUV 5的右侧半圆；

步骤二：USV 1进入回收作业圆区域后逐渐减速至与UUV 5速度同步，速度同步连续保持1分钟后启动回收程序，同时保持柔性捕获带4与UUV 5主体段的连线与UUV 5艏向垂直；

步骤三：将悬挂摆臂装置3旋转至靠近UUV 5一侧，USV 1保持航向、航速与UUV 5基本一致；

步骤四：当柔性捕获带4伸至UUV 5下方并将要伸出UUV 5下方时，回收控制模块指令液压充油装置2将柔性捕获带4内的油抽回，柔性捕获带4由硬性切换到柔性，自然卷曲并包裹住UUV 5；

步骤五：柔性捕获带4将UUV 5回卷至USV 1舷侧。

需要说明的是，步骤一中记载的当USV 1发现UUV 5后，USV 1如何进行UUV 5运动状态估计，如何规划USV 1运动指令，为现有技术，具体在专利文献【申请号：201710347631.4，专利名称：一种USV水面动态自主回收UUV的方法 201710347631.4 ，申请人：哈尔滨工程大学】中有记载。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：包括回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带和悬挂摆臂装置，所述回收控制模块设置在USV的船仓内，所述悬挂摆臂装置一端设置在USV上甲板上，另一端与液压充油装置连接，所述液压充油装置中心位置设置有一辊轮，所述柔性捕获带卷曲在辊轮上，所述油路控制单元设置在液压充油装置上；所述回收控制模块与油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带依次连接，同时，所述回收控制模块还与悬挂摆臂装置连接。

2.根据权利要求1所述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：所述柔性捕获带的两侧和中间等分设置了四条油管。

3.根据权利要求2所述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：所述液压充油装置向柔性捕获带的四条油管内给油和将油抽回。

4.根据权利要求1所述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：所述USV的航速高于UUV的航速，且USV具有原地回转功能。

5.根据权利要求1所述的基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收装置，其特征在于：能够被回收的所述UUV为回转体型UUV。

6.基于柔性臂的USV水面回收UUV的回收方法，其特征在于：利用权利要求1所述的回收装置对UUV进行回收，包括以下步骤：

步骤一：当USV发现UUV后，USV进行UUV运动状态估计，规划USV运动指令，以高于UUV航速1-2节的期望速度和与UUV同艏向的期望航向进入UUV回收作业圆区域，所述回收作业圆区域的半径为柔性捕获带的最大长度；根据水面流速流向确定切入UUV的左侧半圆或右侧半圆，流速低于0.5kn可忽略；当流速由UUV左侧流向右侧时，USV切入UUV的左侧半圆；当流速由UUV右侧流向左侧时，USV切入UUV的右侧半圆；

步骤二：USV进入回收作业圆区域后逐渐减速至与UUV速度同步，速度同步连续保持1分钟后启动回收程序，同时保持柔性捕获带与UUV主体段的连线与UUV艏向垂直，偏差角度为±20度；

步骤三：将悬挂摆臂装置旋转至靠近UUV一侧，USV保持航向、航速与UUV基本一致；

步骤四：当柔性捕获带伸至UUV下方并将要伸出UUV下方时，回收控制模块指令液压充油装置将柔性捕获带内的油抽回，柔性捕获带由硬性切换到柔性，自然卷曲并包裹住UUV；

步骤五：柔性捕获带将UUV回卷至USV舷侧。