CN111377041A - 一种基于海洋环境能源的auv长期驻留系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，包括：水面能源获取与通信单元，接收远程监控中心的能源获取指令；通过光电复合缆连接水下能量存储与适配单元，将获取到的能源传输给水下能量存储与适配单元，且与水下能量存储与适配单元进行通信；水下能量存储与适配单元，为水下对接平台供电，并且与水下对接平台通信；水下对接平台，用于当与AUV呈对接状态时，通过近距离无线电通信与AUV进行通信连接，并通过无线充电装置对AUV进行能源补充；当与AUV呈脱离状态时，通过水声通信与AUV进行通信连接。本发明可长期无人值守的工作，系统运营独立、自主、高效；同时源源不断地获取海洋环境中的清洁能源，更加环保。
Description
技术领域
本发明涉及一种自主水下机器人(AUV，Autonomous Underwater Vehicle)辅助支撑技术领域，具体地说是一种基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统。
背景技术
自主水下机器人是一种与母船没有脐带缆连接、完全依赖自身能源和智能控制器在水下自主工作的无人无缆航行器。与载人潜水器和遥控潜水器(ROV，Remotely OperatedVehicle)相比，AUV具有自主执行使命、作业范围不受缆的约束，功能多样(能浅能深、可远可近、亦单亦群、可主可辅等)、隐蔽性好、可由多平台支持等优点。近年来，AUV作为一种智能海洋工程装备发展迅速，其单体技术日趋成熟，在海洋工程、军事和科学考察领域的应用也逐渐增加。
AUV和我们常用的手机、电动汽车等一样，其续航能力受自身携带电池容量的限制。每次完成使命任务后，都需要把AUV回收到甲板上进行数据上载、电池充电和设备检查等准备工作。众所周知，海上作业风险受天气海况等因素影响较大，尤其对于上千公斤的重型AUV，每次要回收到船舷几米高的大船上都是一次严峻的考验。因而，像手机、电动汽车一样在水下建立AUV的充电补给站，从而将其后勤保障移到水底成为一种研究的热点。
现有的AUV充电补给站(或成为水下对接平台)需要与海底观测网中的接驳盒连接，与海底观测网建立通信连接并获取能源。显然，这使得充电补给站的应用非常受限。而本发明要解决的技术问题是为水下对接平台集成一套能获得海洋环境能源、建立与外部通信连接的装置，形成可以长期独立自主地工作的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统。
为此，我们提出为AUV设计一款基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，它不仅能像智能“车库”一样为AUV提供自主对接和长期驻留的平台，而且能通过水面能源获取与通信单元源源不断地获取海洋环境能源，从而使AUV可以以长期驻留系统为“根据地”在水下长期“live”和“work”。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，为水下对接平台集成一套能获得海洋环境能源、建立与外部通信连接的装置，形成可以长期独立自主地工作的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，包括：
水面能源获取与通信单元，通过无线电通信或卫星通信与远程监控中心进行通信连接，接收远程监控中心的能源获取指令；通过光电复合缆连接水下能量存储与适配单元，将获取到的能源传输给水下能量存储与适配单元，且与水下能量存储与适配单元进行通信；
水下能量存储与适配单元，水密连接水下对接平台，为水下对接平台供电，并且与水下对接平台通信；
水下对接平台，用于当与AUV呈对接状态时，通过近距离无线电通信与AUV进行通信连接，并通过无线充电装置对AUV进行能源补充；当与AUV呈脱离状态时，通过水声通信与AUV进行通信连接。
所述水面能源获取与通信单元包括：
第一单元控制器作为水面能源获取与通信单元的核心，与波浪能获取装置、太阳能获取装置和水面通信模块通信并控制着它们的正常运行。
波浪能获取装置，连接所述单元控制器，接收单元控制器的控制指令，开启装置收集海洋环境中的波浪能，并转化为电能；受单元控制器的电能输出开关指令控制，当开关打开时向水下能量存储与适配单元输出电能。
太阳能获取装置，连接第一单元控制器，接收单元控制器的控制指令，开启装置收集太阳能，并转化为电能；受单元控制器的电能输出开关指令控制，当开关打开时向水下能量存储与适配单元输出电能。
水面通信模块，连接单元控制器，通过无线电或卫星通信与远程监控中心进行通信连接，并通过光电复合缆连接水下能量存储与适配单元，根据单元控制器的通信指令与它们进行数据交互。
所述水下能量存储与适配单元包括：
第二单元控制器，连接水面能源获取与通信单元的水面通信模块，与其进行通信，且连接水下对接平台，与其进行通信；同时控制着本单元内的蓄电模块和适配模块。
蓄电模块，连接第二单元控制器，连接水面能源获取与通信单元的太阳能获取装置和波浪能获取装置，接收其发送的电能，所述蓄电模块的核心是蓄电池，将电能稳压后进行存储，根据单元控制器的输出指令发送给适配模块；
适配模块，连接蓄电模块，将蓄电模块发送的电能进行电源变换，转化为AUV所需的电压等级输出。
所述水下对接平台包括：
中心控制器，连接水下能源存储与适配单元的单元控制器，并通过其与水面能源获取与通信单元建立直接通信连接，进而通过无线电通信或卫星通信与远程监控中心进行数据交互；同时控制着平台上的监测传感器、对接机构、对接传感器、无线充电设备和无线通信设备，并采集它们的所有输出数据、监控它们的运行状态。
监测传感器，包括漏水状态检测传感器、姿态传感器、深度计、高度计、摄像机等，主要检测中心控制器密封舱内的漏水状态，采集水下对接平台的三自由度姿态角、深度、距底高度等信息，同时通过摄像机监控水下对接状态。监测传感器与中心控制器连接并受其控制。
对接机构，是整个水下对接平台的机械结构，承载着平台上所有设备、传感器和装置。根据AUV直径进行匹配设计，可为AUV对接提供导向装置和对接后的驻留空间。
对接传感器，包括声学定位信标、视觉导引灯和对接到位开关，声学定位信标为AUV对接提供声学相对定位信号，视觉导引灯为AUV上的摄像机提供显著的对接标识，对接到位开关用于检测AUV是否已对接到位。对接传感器与中心控制器连接并受其控制。
无线充电设备，与AUV上的无线充电设备匹配使用，可通过无线电能传输技术在近距离时给AUV上的电池充电。无线充电设备与中心控制器连接并受其控制。
无线通信设备，与AUV上的无线通信设备匹配使用，在近距离时可进行高速无线数据传输。无线通信设备与中心控制器连接并受其控制。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明无需与海底观测网连接，即在布放和回收时无需ROV或潜水员辅助水下电缆插拔作业，因而使用操作上更加简便和节省经费；
2.本发明可长期无人值守的工作，并通过无线电或卫星通信连接实时上传数据和接收指令，系统运营独立、自主、高效；
3.本发明可源源不断地获取海洋环境中的清洁能源，更加环保。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图；
图2是本发明的水面能源获取与通信单元框图；
图3是本发明的水下能源存储与适配单元框图；
图4是本发明的水下对接平台框图；
图5是水下对接平台结构实施例示意图；
图6是本发明的基于海洋环境能源的AUV长期驻留方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示是本发明的系统结构框图。
基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统由三部分组成：水面能源获取与通信单元、水下能量存储与适配单元、水下对接平台。水面能源获取与通信单元采用浮标形式，总体组成如图2所示，由水面通信模块、太阳能获取装置、波浪能获取装置和单元控制器组成。水面通信模块负责整个系统与远程监控中心的通信。太阳能和波浪能获取装置负责收集海洋环境中的能源并将其转化为可存储的电能。
如图3所示，水下能源存储与适配单元由蓄电模块、适配模块和单元控制器组成。蓄电模块将水面获得的不稳定电能进行稳压等处理，并存入蓄电池。适配模块将根据水下对接平台的需求提供不同等级电压的稳定电力。
如图4所示，水下对接平台主要由监测传感器、对接机构、对接传感器、无线充电设备、无线通信设备等组成。监测传感器包括姿态传感器、深度计、高度计、摄像机等，主要用于观测系统状态、测量对接平台姿态和海洋环境参数等。对接机构包括整个平台的机械框架和组成，其中有对AUV对接过程进行导向的导向机构、对接成功后的加紧机构和对接到位检测装置等。对接传感器是引导AUV进行自主对接的设备，包括水下导引灯、声学定位信标、对接到位开关等，其中声学定位信标提供整个对接过程中的声学相对定位导引信号，以及作业过程中水下对接平台和AUV之间水声通信连接。无线充电设备是通过电磁感应原理对AUV进行近距离无线充电的装置。无线通信设备主要采用无线网桥天线，在AUV与对接平台对接成功后进行近距离高速率的无线数据传输。
如图5所示，为一种基于导向罩式的水下对接平台的结构形式实施例。从总体上分为上下两个部分，上半部分为对接机构主体，包括：可供AUV进行导向对接的锥形导向罩，用于容留AUV载体的对接框架，以及辅助对接框架动作的作动机构(包括俯仰机构、锁紧机构等)。其中水下导引灯均匀布置在导向罩的边缘，声学定位信标布置在导向罩边缘的正上方，对接到位检测开关位于对接框架的顶端。监测传感器、无线充电设备和无线通信设备都位于对接框架上。下部是对接机构的基座，为整个水下对接平台提供稳定的支撑，中心控制器所在的密封舱和其他配重均位于基座内。
具体工作原理：
如图6所示为本发明的基于海洋环境能源的AUV长期驻留方法流程图。
流程分为布放、作业和回收三个阶段。其中布放和回收阶段都属于单次的流程性操作，根据系统使用年限要求，通常布放之后到达使用年限或出现不可修复的严重故障时才会回收，否则将一直驻留在水中待机或工作。
驻留作业阶段是与AUV配合作业的阶段，通常从AUV入水开始，远程监控中心根据AUV使命参数下达开启水声通信导引设备的指令。驻留系统根据水声通信定位信息确定AUV实时位置，并适时开启视觉导引设备。这期间，如果AUV尝试对接失败，则AUV将进行多次尝试；如果始终无法对接成功，则远程监控中心可下达AUV回收的指令。直至对接成功后，驻留系统将依次开启抱紧装置、关闭视觉导引和水声通信导引设备，之后进入与远程监控中心实时交互的模式。在该模式下，远程监控中心可上载AUV的探测数据和使命数据，对AUV进行无线充电，对AUV和驻留系统进行远程在线的状态检测和硬件检查，并预置新的使命任务，设定或唤醒全系统待机状态等。直到需要AUV下一次进行出航作业时，远程监控中心下达AUV退出指令，驻留系统收到指令后首先关闭AUV抱紧装置，并检测AUV退出状态。若退出成功，则转入开启水声通信导引设备，进行水声通信监控。若退出失败，则启动应急策略，由远程监控中心通过遥控操作分析故障原因和采取必要的措施。当AUV完成使命任务需要再次驻留时，则重复上述驻留作业流程，当AUV需要返航回收时，则驻留系统接受远程监控中心指令进入系统待机状态。
从总体使用流程上看，基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统的基本原理是将原来需要人参与的布放回收过程变成了AUV与驻留系统自主对接的过程，并且将驻留系统与海底观测网或岸基相连变成了通过水面能源获取与通信单元独立运行，从而实现了驻留系统与AUV相互配合的独立自主作业。
Claims (5)
1.一种基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，其特征在于，包括：
水面能源获取与通信单元，通过无线电通信或卫星通信与远程监控中心进行通信连接，接收远程监控中心的能源获取指令；通过光电复合缆连接水下能量存储与适配单元，将获取到的能源传输给水下能量存储与适配单元，且与水下能量存储与适配单元进行通信；
水下能量存储与适配单元，水密连接水下对接平台，为水下对接平台供电，并且与水下对接平台通信；
水下对接平台，用于当与AUV呈对接状态时，通过近距离无线电通信与AUV进行通信连接，并通过无线充电装置对AUV进行能源补充；当与AUV呈脱离状态时，通过水声通信与AUV进行通信连接。
2.根据权利要求1所述的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，其特征在于：所述水面能源获取与通信单元包括：
第一单元控制器，与波浪能获取装置、太阳能获取装置和水面通信模块通信,对其进行控制；
波浪能获取装置，连接所述第一单元控制器，接收第一单元控制器的控制指令，收集海洋环境中的波浪能，并转化为电能；受第一单元控制器的电能输出开关指令控制，当开关打开时，向水下能量存储与适配单元输出电能；
太阳能获取装置，连接所述第一单元控制器，接收第一单元控制器的控制指令，收集太阳能，并转化为电能；受第一单元控制器的电能输出开关指令控制，当开关打开时，向水下能量存储与适配单元输出电能；
水面通信模块，连接所述第一单元控制器，通过无线电或卫星通信与远程监控中心进行通信连接，并通过光电复合缆连接水下能量存储与适配单元，根据第一单元控制器的通信指令与其进行数据交互。
3.根据权利要求1和2所述的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，其特征在于：所述水下能量存储与适配单元包括：
第二单元控制器，连接水面能源获取与通信单元的水面通信模块，与其进行通信，且连接水下对接平台，与其进行通信并对蓄电模块和适配模块进行控制；
蓄电模块，连接第二单元控制器，连接水面能源获取与通信单元的太阳能获取装置和波浪能获取装置，接收其发送的电能，所述蓄电模块包括蓄电池，将电能稳压后进行存储，根据第二单元控制器的输出指令发送给适配模块；
适配模块，连接蓄电模块，将蓄电模块发送的电能进行电源变换，转化为AUV所需的电压等级输出。
4.根据权利要求1所述的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，其特征在于：所述水下对接平台包括：
中心控制器，连接水下能源存储与适配单元的单元控制器，通过其与水面能源获取与通信单元建立直接通信连接，通过无线电通信或卫星通信与远程监控中心进行数据交互；中心控制器控制监测传感器、对接机构、对接传感器、无线充电设备和无线通信设备，采集其所有输出数据，监控其运行状态；
监测传感器，连接所述中心控制器，接收中心控制器的控制信号，采集中心控制器密封舱内的漏水状态，水下对接平台的三自由度姿态角、深度、距底高度，并通过摄像机监控水下对接状态；
对接机构，连接所述中心控制器，接收中心控制器的控制信号，用于与水下机器人进行对接；
对接传感器，连接所述中心控制器，接收中心控制器的控制信号，所述对接传感器包括声学定位信标、视觉导引灯和对接到位开关，所述声学定位信标用于为AUV对接提供声学相对定位信号，所述视觉导引灯用于为AUV上的摄像机提供对接标识，所述对接到位开关用于检测AUV的对接到位状态。
无线充电设备，连接所述中心控制器，接收中心控制器的控制信号，与AUV上的无线充电设备匹配，通过无线电能传输技术在近距离时给AUV上的电池充电；
无线通信设备，连接所述中心控制器，接收中心控制器的控制信号，与AUV上的无线通信设备匹配，在近距离时进行无线数据传输。
5.根据权利要求4所述的基于海洋环境能源的AUV长期驻留系统，其特征在于：所述监测传感器包括漏水状态检测传感器、姿态传感器、深度计、高度计和摄像机。
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| PB01 | Publication | ||
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