CN111284661B - 一种usv水面回收auv的回收对接系统及其回收对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种USV水面回收AUV的回收对接系统及其回收对接方法，AUV端相机和差分GPS固定与调整单元及AUV端导引与锁紧单元分别安装于AUV上，AUV端相机和差分GPS固定与调整单元具有AUV端差分GPS，导引爪的一侧安装于AUV上，上锁紧爪及下锁紧爪的一端分别与导引爪的另一侧铰接，另一端分别通过上、下扭簧顶在导引爪上设置的定位销上；USV端灯光导引单元的一侧通过缆绳与USV连接，另一侧设有与AUV端导引与锁紧单元对接的对接杆，该USV端灯光导引单元具有用于灯光导引的照明灯；USV端差分GPS安装在USV上。本发明简洁可靠，通用性高，大大降低了技术成本，提高了对接的成功率，创新性地解决了两个水上无人平台的动态对接问题。

Description

一种USV水面回收AUV的回收对接系统及其回收对接方法

技术领域

本发明属于无人船与无人水下机器人自主回收对接领域，具体地说是一种USV(无人水面艇)水面回收AUV(自主水下航行器)的回收对接系统及其回收对接方法。

背景技术

随着AUV和USV的技术不断成熟，应用范围越来越广，两种机器人的协作能力也越来越重要。由于彼此的局限性，例如，AUV所携带能源有限，执行任务的时间具有限制；而USV难以监测海底的环境，需要在一定情况下建立两者的对接，以实现信息传输和能源补充。而对于水质监测、应急救援和海岸测绘等这些海况等级较低的场合，水面波浪较小，水面对接的难度较低。

传统的回收对接AUV的方法主要有水下入坞对接回收，于2016年4月20日公开的、公开号为CN105501415A的发明专利公开了“一种用于深海AUV入坞的末端自动对接装置及方法”，这种回收方法成本较大，耗时较长，属于静态对接方法，无法适用于USV与AUV的动态对接回收场景。

因此，设计一种应用于低海况、装置简单，导航精确的动态回收对接系统和方法变得迫切而又关键。

发明内容

为了解决传统回收对接AUV存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种USV水面回收AUV的回收对接系统及其回收对接方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的回收对接系统包括AUV、AUV端相机和差分GPS固定与调整单元、AUV端导引与锁紧单元、USV端灯光导引单元、USV端差分GPS、USV及岸基差分GPS，其中AUV端相机和差分GPS固定与调整单元及AUV端导引与锁紧单元分别安装于AUV上，该AUV端相机和差分GPS固定与调整单元具有AUV端差分GPS，所述AUV端导引与锁紧单元包括导引爪、上扭簧、上锁紧爪、下扭簧、下锁紧爪及定位销，该导引爪的一侧安装于AUV上，所述上锁紧爪及下锁紧爪的一端分别与导引爪的另一侧铰接，上锁紧爪及下锁紧爪的另一端分别通过上扭簧及下扭簧顶在所述导引爪上设置的定位销上；所述USV端灯光导引单元的一侧通过缆绳与USV连接，另一侧设有与AUV端导引与锁紧单元对接的对接杆，该USV端灯光导引单元具有用于灯光导引的照明灯；所述USV端差分GPS安装在USV上，所述岸基差分GPS分别向USV端差分GPS及AUV端差分GPS传达指令；

其中：所述AUV端相机和差分GPS固定与调整单元包括AUV端差分GPS、导杆、滑块、调节盘、底托、摄像头固定底板、单目摄像头、支座、固定瓦片及猴箍，该固定瓦片通过猴箍安装在AUV上，所述固定瓦片上设有支座；所述导杆安装在支座上，该导杆上套设有既可相对上下移动又可相对转动的滑块，所述滑块上分别连接有AUV端差分GPS及调节盘，该调节盘上开设有弧形孔，所述底托插设于弧形孔内，在弧形孔内移动，所述单目摄像头通过摄像头固定底板与底托相连，该底托在单目摄像头的竖直角度调节好后与所述调节盘固定；所述滑块在AUV端差分GPS及单目摄像头的水平高度和水平角度调节好后与导杆固定；

所述摄像头固定底板的一端与滑块铰接，另一端固接有摄像头固定底座，所述单目摄像头安装在该摄像头固定底座上；

所述摄像头固定底板的两侧对称设有调节盘，该调节盘的一端与所述滑块固接，另一端开设有所述弧形孔，所述底托的两端分别插设于两侧的弧形孔内；

所述导引爪的一侧安装于AUV上，另一侧呈“V”字形，该“V”字形的每条边上均设有销轴及定位销，所述上扭簧及下扭簧对称设置在“V”字形的两条边上，该上扭簧及下扭簧的一端分别连接于“V”字形的两条边上，所述上锁紧爪及下锁紧爪的一端分别与“V”字形两条边上的销轴铰接，该上锁紧爪及下锁紧爪的另一端分别通过上扭簧及下扭簧的另一端顶在“V”字形两条边上的定位销上；

所述上锁紧爪及下锁紧爪之间为对接口，该上锁紧爪及下锁紧爪在与所述对接杆对接时，分别顺时针、逆时针绕各自的销轴转动，所述对接口打开，所述上锁紧爪及下锁紧爪在对接杆进入后，分别通过上扭簧及下扭簧的弹力作用复位、顶住定位销，锁紧所述对接杆；

所述USV端灯光导引单元包括灯环、灯架、电源模块、浮筒及对接杆，该灯架上安装有提供浮力的浮筒，所述灯环设置在灯架上，该灯环上均布有照明灯，并通过安装于灯架上的电源模块为照明灯独立供电；所述对接杆固接于灯架的另一侧；

所述灯架上分别安装有固定轴及用于系缆绳的挂钩，该固定轴上安装有增加整体稳定性的稳定翼；

所述挂钩及固定轴均可相对移动地安装在灯架上，所述灯环可上下移动地安装在灯架上；

本发明USV水面回收AUV的回收对接系统的回收对接方法包括以下步骤：

A.所述AUV执行回收任务时，上浮到水面，通过无线电向所述USV传达回收信号；

B.利用所述岸基差分GPS为基准，修正所述安装在AUV上的AUV端差分GPS和安装在USV上的USV端差分GPS的位置；

C.所述USV把自身位置通过无线电告知AUV，AUV根据自身以及USV的位置得出追逐路径，然后通过无线电向USV传达运动指令，AUV按照路径加速航行，USV按照路径减速航行；

D.所述AUV不断根据AUV端差分GPS和USV端差分GPS的位置修正路径，当AUV航行至USV后方时，使AUV相向追逐USV；

E.当所述AUV进入USV端灯光导引单元的导引范围后，AUV通过灯光导引来追逐USV；

F.当所述AUV进入灯光导引盲区后，继续追逐USV；

G.当所述导引爪接触到对接杆后，该对接杆沿导引爪内壁面滑向所述上锁紧爪与下锁紧爪之间的对接口，该上锁紧爪和下锁紧爪分别顺时针和逆时针转动，对接口打开；所述对接杆进入对接口后，上锁紧爪和下锁紧爪分别在上扭簧和下扭簧的作用下复位、恢复锁紧状态，完成对接。

本发明的优点与积极效果为：

本发明简洁可靠，通用性高，大大降低了技术成本，提高了对接的成功率，创新性地解决了两个水上无人平台的动态对接问题。

附图说明

图1为本发明回收对接系统的整体结构示意图；

图2为本发明回收对接系统中AUV端相机和差分GPS固定与调整单元的立体结构示意图；

图3为本发明AUV端导引与锁紧单元的结构俯视图；

图4为本发明AUV端导引与锁紧单元的结构仰视图；

图5为本发明回收对接系统中USV端灯光导引单元的立体结构示意图；

其中：1为AUV，2为AUV端相机和差分GPS固定与调整单元，3为AUV端导引与锁紧单元，4为USV端灯光导引单元，5为缆绳，6为USV端固定环，7为USV端差分GPS，8为USV，9为AUV端差分GPS，10为GPS固定底板，11为导杆，12为滑块，13为调节盘，14为底托，15为摄像头固定底板，16为摄像头固定底座，17为单目摄像头，18为支座，19为固定瓦片，20为猴箍，21为导引爪，22为上扭簧，23为上锁紧爪，24为灯环，25为蓝光防水灯，26为灯架，27为挂钩，28为电源模块，29为固定轴，30为浮筒，31为稳定翼，32为对接杆，33为岸基差分GPS，34为下锁紧爪，35为下扭簧，36为定位销，37为弧形孔，38为销轴。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明的回收对接系统包括AUV1、AUV端相机和差分GPS固定与调整单元2、AUV端导引与锁紧单元3、USV端灯光导引单元4、缆绳5、USV端固定环6、USV端差分GPS7、USV8及岸基差分GPS33，其中AUV端相机和差分GPS固定与调整单元2与USV端灯光导引单元4用于AUV1和USV8的远距离和近距离导航定位，AUV端导引与锁紧单元3用于USV8与AUV1的动态对接。AUV端相机和差分GPS固定与调整单元2安装于AUV1上，AUV端导引与锁紧单元3安装于AUV1一端的端部；USV8上分别安装有USV端固定环6和USV端差分GPS7，USV端灯光导引单元4的一侧通过缆绳5与USV端固定环6连接，另一侧与AUV端导引与锁紧单元3对接。岸基差分GPS33分别向USV端差分GPS7及AUV端差分GPS9传达指令。

如图2所示，AUV端相机和差分GPS固定与调整单元2包括AUV端差分GPS9、GPS固定底板10、导杆11、滑块12、调节盘13、底托14、摄像头固定底板15、摄像头固定底座16、单目摄像头17、支座18、固定瓦片19及猴箍20，该固定瓦片19通过猴箍20绑定在AUV1的壳体上方，固定瓦片19与AUV1的壳体之间放置胶皮，以增大摩擦力，起到固定的效果。固定瓦片19上固接有支座18，导杆11的下端安装在支座18上，该导杆11上套设有既可相对上下移动又可相对转动的滑块12。AUV端差分GPS9位于滑块12的一侧，通过GPS固定底板10与滑块12连接；摄像头固定底板15一端与滑块12的另一侧铰接，该摄像头固定底板15的另一端固接有摄像头固定底座16，单目摄像头17安装在摄像头固定底座16上。滑块12的另一侧还连接有调节盘13，该调节盘13上开设有弧形孔37，摄像头固定底板15另一端的下方固接有底托14，底托14插设于弧形孔37内，在弧形孔37内移动，在单目摄像头17的竖直角度调节好后，底托14与调节盘13固定。本实施例在摄像头固定底板15的两侧对称设有调节盘13，调节盘13呈扇形、为中空结构，以减轻自重；每个调节盘13的一端均与滑块12固接，另一端开设有弧形孔37，底托14的两端分别插设于两侧的弧形孔37内。滑块12在AUV端差分GPS9及单目摄像头17的水平高度和水平角度调节好后与导杆11固定。

如图3、图4所示，AUV端导引与锁紧单元3包括导引爪21、上扭簧22、上锁紧爪23、下扭簧35、下锁紧爪34、定位销36及销轴38，该导引爪21的一侧安装于AUV1一端的端部(即艏部)，另一侧呈“V”字形，该“V”字形的每条边上均设有销轴38及定位销36。上扭簧22及下扭簧35对称设置在“V”字形的两条边上，该上扭簧22及下扭簧35的一端分别连接于“V”字形的两条边上，上锁紧爪23及下锁紧爪34的一端分别与“V”字形两条边上的销轴38铰接，该上锁紧爪23及下锁紧爪34的另一端分别通过上扭簧22及下扭簧35的另一端顶在“V”字形两条边上的定位销36上。本实施例的上锁紧爪23及下锁紧爪34均呈直角三角形、为中空结构，以减轻自重；直角三角形的长直角边的一端铰接于销轴38上，另一端顶住定位销36。上锁紧爪23及下锁紧爪34之间为对接口，该上锁紧爪23及下锁紧爪34在与对接杆32对接时，当对接杆32沿导引爪21进入对接口时，上锁紧爪23及下锁紧爪34分别绕各自的销轴38的轴线顺时针、逆时针转动，对接口打开；上锁紧爪23及下锁紧爪34在对接杆32进入对接口后，分别通过上扭簧22及下扭簧35的弹力作用下重新顶住定位销36，恢复锁紧状态，进而锁紧对接杆32。

如图5所示，USV端灯光导引单元4包括灯环24、照明灯、灯架26、挂钩27、电源模块28、固定轴29、浮筒30、稳定翼31及对接杆32，该灯架26的底部安装有提供浮力的浮筒30，灯环24设置在灯架26上，可以在灯架21上调节竖直高度，以消除水面灯光反射对灯光导引的影响；灯环24上沿圆周方向均布有多个照明灯，并通过安装于灯架26上的电源模块28为照明灯独立供电；本实施例的照明灯为八个蓝光防水灯25，各蓝光防水灯25的亮度可调。对接杆32固接于灯架26的另一侧。灯架26上分别安装有固定轴29及挂钩27，该挂钩27用于系缆绳5，可以调节拖拽点；固定轴29上安装有增加整体稳定性的稳定翼31。挂钩27及固定轴29均可调整在灯架26上的位置，以寻求最佳稳定状态。

本发明USV与AUV水面回收对接系统的回收对接方法，包括以下步骤：

A.AUV1执行回收任务时，上浮到水面，通过无线电向USV8传达回收信号；

B.利用岸基差分GPS33为基准，修正安装在AUV1上的AUV端差分GPS9和安装在USV8上的USV端差分GPS7的位置；

C.USV8把自身位置通过无线电告知AUV1，AUV1根据自身以及USV8的位置得出追逐路径，然后通过无线电向USV8传达运动指令，AUV1按照路径加速航行，USV8按照路径减速航行；

D.AUV1不断根据AUV端差分GPS9和USV端差分GPS7的位置修正路径，当AUV1航行至USV8后方时，使AUV1相向追逐USV8；

E.当AUV1进入USV端灯光导引单元4的导引范围后，AUV1切换至灯光导引模式，通过灯光导引来追逐USV8；

F.当AUV1进入灯光导引盲区后，利用惯性导航系统继续追逐USV8；

G.当导引爪21接触到对接杆32后，该对接杆32沿导引爪21内壁面滑向上锁紧爪23与下锁紧爪34之间的对接口，该上锁紧爪23和下锁紧爪34分别顺时针和逆时针转动，对接口打开；所述对接杆32进入对接口后，上锁紧爪23和下锁紧爪34分别在上扭簧22和下扭簧35的作用下重新顶住导引爪21上的定位销36、恢复锁紧状态，完成对接。

Claims (9)

1.一种USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：包括AUV(1)、AUV端相机和差分GPS固定与调整单元(2)、AUV端导引与锁紧单元(3)、USV端灯光导引单元(4)、USV端差分GPS(7)、USV(8)及岸基差分GPS(33)，其中AUV端相机和差分GPS固定与调整单元(2)及AUV端导引与锁紧单元(3)分别安装于AUV(1)上，该AUV端相机和差分GPS固定与调整单元(2)具有AUV端差分GPS(9)，所述AUV端导引与锁紧单元(3)包括导引爪(21)、上扭簧(22)、上锁紧爪(23)、下扭簧(35)、下锁紧爪(34)及定位销(36)，该导引爪(21)的一侧安装于AUV(1)上，所述上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)的一端分别与导引爪(21)的另一侧铰接，上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)的另一端分别通过上扭簧(22)及下扭簧(35)顶在所述导引爪(21)上设置的定位销(36)上；所述USV端灯光导引单元(4)的一侧通过缆绳(5)与USV(8)连接，另一侧设有与AUV端导引与锁紧单元(3)对接的对接杆(32)，该USV端灯光导引单元(4)具有用于灯光导引的照明灯；所述USV端差分GPS(7)安装在USV(8)上，所述岸基差分GPS(33)分别向USV端差分GPS(7)及AUV端差分GPS(9)传达指令；

所述导引爪(21)的一侧安装于AUV(1)上，另一侧呈“V”字形，该“V”字形的每条边上均设有销轴(38)及定位销(36)，所述上扭簧(22)及下扭簧(35)对称设置在“V”字形的两条边上，该上扭簧(22)及下扭簧(35)的一端分别连接于“V”字形的两条边上，所述上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)的一端分别与“V”字形两条边上的销轴(38)铰接，该上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)的另一端分别通过上扭簧(22)及下扭簧(35)的另一端顶在“V”字形两条边上的定位销(36)上。

2.根据权利要求1所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述AUV端相机和差分GPS固定与调整单元(2)包括AUV端差分GPS(9)、导杆(11)、滑块(12)、调节盘(13)、底托(14)、摄像头固定底板(15)、单目摄像头(17)、支座(18)、固定瓦片(19)及猴箍(20)，该固定瓦片(19)通过猴箍(20)安装在AUV(1)上，所述固定瓦片(19)上设有支座(18)；所述导杆(11)安装在支座(18)上，该导杆(11)上套设有既可相对上下移动又可相对转动的滑块(12)，所述滑块(12)上分别连接有AUV端差分GPS(9)及调节盘(13)，该调节盘(13)上开设有弧形孔(37)，所述底托(14)插设于弧形孔(37)内，在弧形孔(37)内移动，所述单目摄像头(17)通过摄像头固定底板(15)与底托(14)相连，该底托(14)在单目摄像头(17)的竖直角度调节好后与所述调节盘(13)固定；所述滑块(12)在AUV端差分GPS(9)及单目摄像头(17)的水平高度和水平角度调节好后与导杆(11)固定。

3.根据权利要求2所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述摄像头固定底板(15)的一端与滑块(12)铰接，另一端固接有摄像头固定底座(16)，所述单目摄像头(17)安装在该摄像头固定底座(16)上。

4.根据权利要求2所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述摄像头固定底板(15)的两侧对称设有调节盘(13)，该调节盘(13)的一端与所述滑块(12)固接，另一端开设有所述弧形孔(37)，所述底托(14)的两端分别插设于两侧的弧形孔(37)内。

5.根据权利要求1所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)之间为对接口，该上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)在与所述对接杆(32)对接时，分别顺时针、逆时针绕各自的销轴(38)转动，所述对接口打开，所述上锁紧爪(23)及下锁紧爪(34)在对接杆(32)进入后，分别通过上扭簧(22)及下扭簧(35)的弹力作用复位、顶住定位销(36)，锁紧所述对接杆(32)。

6.根据权利要求1所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述USV端灯光导引单元(4)包括灯环(24)、灯架(26)、电源模块(28)、浮筒(30)及对接杆(32)，该灯架(26)上安装有提供浮力的浮筒(30)，所述灯环(24)设置在灯架(26)上，该灯环(24)上均布有照明灯，并通过安装于灯架(26)上的电源模块(28)为照明灯独立供电；所述对接杆(32)固接于灯架(26)的另一侧。

7.根据权利要求6所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述灯架(26)上分别安装有固定轴(29)及用于系缆绳(5)的挂钩(27)，该固定轴(29)上安装有增加整体稳定性的稳定翼(31)。

8.根据权利要求7所述的USV水面回收AUV的回收对接系统，其特征在于：所述挂钩(27)及固定轴(29)均可相对移动地安装在灯架(26)上，所述灯环(24)可上下移动地安装在灯架(26)上。

9.一种权利要求1至8任一权利要求所述USV水面回收AUV的回收对接系统的回收对接方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.所述AUV(1)执行回收任务时，上浮到水面，通过无线电向所述USV(8)传达回收信号；

B.利用所述岸基差分GPS(33)为基准，修正所述安装在AUV(1)上的AUV端差分GPS(9)和安装在USV(8)上的USV端差分GPS(7)的位置；

C.所述USV(8)把自身位置通过无线电告知AUV(1)，AUV(1)根据自身以及USV(8)的位置得出追逐路径，然后通过无线电向USV(8)传达运动指令，AUV(1)按照路径加速航行，USV(8)按照路径减速航行；

D.所述AUV(1)不断根据AUV端差分GPS(9)和USV端差分GPS(7)的位置修正路径，当AUV(1)航行至USV(8)后方时，使AUV(1)相向追逐USV(8)；

E.当所述AUV(1)进入USV端灯光导引单元(4)的导引范围后，AUV(1)通过灯光导引来追逐USV(8)；

F.当所述AUV(1)进入灯光导引盲区后，继续追逐USV(8)；

G.当所述导引爪(21)接触到对接杆(32)后，该对接杆(32)沿导引爪(21)内壁面滑向所述上锁紧爪(23)与下锁紧爪(34)之间的对接口，该上锁紧爪(23)和下锁紧爪(34)分别顺时针和逆时针转动，对接口打开；所述对接杆(32)进入对接口后，上锁紧爪(23)和下锁紧爪(34)分别在上扭簧(22)和下扭簧(35)的作用下复位、恢复锁紧状态，完成对接。

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