CN111874194B - Auv水下停靠坞和基于浮标与auv的海洋环境观测平台 - Google Patents

Auv水下停靠坞和基于浮标与auv的海洋环境观测平台 Download PDF

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Abstract

AUV水下停靠坞和基于浮标与AUV的海洋环境观测平台，所述停靠坞包括一个柱形框架，框架一端封堵，框架上设有止动装置和一对夹紧装置，中部上方设有坞站基座，封堵端中心设有行程开关；止动装置包括止动电机、凸轮，内含弹簧和止动柱的套筒。与停靠坞配套的AUV，侧面设有一段弧形凹槽，其中有径向凹槽。带有AUV水下停靠坞的浮标是在浮标体底部安装停靠坞。基于大型锚定浮标与AUV的海洋环境观测平台则包括浮标体、停靠坞和AUV。利用本发明不仅极大拓展了深远海浮标观测能力，克服了AUV能源补给、数据通信等难题，而且依靠安全可靠的大型浮标使得AUV可以躲避恶劣海洋天气可能造成的损害，可实现长期动静结合的海洋环境观测。

Description

AUV水下停靠坞和基于浮标与AUV的海洋环境观测平台
技术领域
本发明涉及海洋环境监测领域，尤其涉及一种AUV水下停靠坞和基于浮标与AUV的海洋环境观测平台。
背景技术
海洋环境观测对于海洋环境预报、防灾减灾、海洋开发、海防安全、海洋科学研究等具有重要意义，对于深远海的大面积长期实时观测、敏感区域机动灵活隐蔽观测等提出了更高的要求。
目前，深远海海洋环境观测主要可分为固定平台观测和移动平台观测两种，固定平台主要包括卫星观测和锚定浮标观测，卫星观测面积比较广，但是精度低，而且基本都是海水表层的遥感观测。锚定浮标观测，是锚定在海上，可以对锚定点海域进行定点长期连续观测，但不能对布放海域进行大面积机动观测。移动平台观测主要包括空基飞机观测、船基观测和水下移动平台观测等，空基飞机观测和船基观测都需要飞机和船舶航行到预定海域进行观测，成本高，而且受海洋天气条件影响大，恶劣天气不能进行。水下移动平台，自带驱动速度比较快的，如AUV，由于自带能源有限，只能随母船航运到预定海域，将AUV布放，AUV开展自主运动观测，完成后，由母船回收，再航运回路地；另一种利用波浪能、油囊驱动的低速移动平台，如水下滑翔机、波浪滑翔机等，虽然可以进行大区域的移动观测，但其移动速度很慢，移动路径受风浪流运动影响很大，而且观测参数很少，在台风等恶劣海况时，极易受损。
发明内容
本发明提供一种AUV水下停靠坞和基于浮标与AUV的海洋环境观测平台，能够实现深远海锚定浮标布放海域大范围精细化长期安全可靠隐蔽观测，克服传统锚定浮标只能观测本站位数据的局限性，以及深远海AUV观测能源供给、通信、安全等难题。
一种AUV水下停靠坞，其特征是包括一个水平设置的用于容纳AUV的柱形框架，该框架的一端为封堵端，另一端为出入端，框架上设有止动装置和一对夹紧装置，框架中部上方还设有坞站基座，框架封堵端的中心位置设有行程开关；
所述止动装置包括止动电机、由止动电机驱动的凸轮，内含弹簧和止动柱的套筒，所述止动柱还连接有顶板，所述凸轮通过转动以实现对所述顶板的顶起，从而使顶板带动止动柱在套筒中上下运动，所述止动柱沿所述柱形框架的径向运动，所述弹簧对所述止动柱提供轴向的弹力；所述止动柱下端还设有接近开关；
所述一对夹紧装置在框架两侧相对设置，夹紧装置包括紧固电机、由紧固电机驱动的双向丝杠，以及安装在双向丝杠上的上下两个夹块。
所述框架的出入端还设有喇叭状护圈。
所述喇叭状护圈上安装有引导探头，用以引导AUV入坞。
一种配置有AUV的停靠坞，其特征在于包括前述的停靠坞，还包括一个AUV，且该AUV的侧面对应于止动装置的位置沿周向设有一段弧形凹槽，且在周向凹槽中部设有一径向凹槽，且所述弧形凹槽至AUV前端的距离等于所述止动柱至行程开关的距离。
一种对进入水下停靠坞的AUV进行固定的方法，其特征是该方法采用权利要求中所述的停靠坞及其AUV，包括以下步骤：当AUV入坞触碰行程开关后，利用止动电机带动凸轮复位，止动杆在弹簧作用下落入AUV上的周向凹槽内，此时AUV无法前后移动，只可能沿自身轴向转动；当止动杆落入径向凹槽内时，AUV相对坞站的运动被完全限制，完成入坞定位；
当止动杆下端的接近开关感应出与径向凹槽的距离小于预设值后触发紧固电机转动，紧固电机驱动双向丝杠转动进而驱动丝杠的两个夹块上下移动以完成对AUV的紧固。
一种带有AUV水下停靠坞的浮标，包括浮标体，其特征在于还包括以上所述的任意一种停靠坞，所述的停靠坞通过所述的基座而固定在浮标体底部。
基于大型锚定浮标与AUV的海洋环境观测平台，包括浮标体，其特征是还包括以上所述的配置有AUV的停靠坞，且该AUV的停靠坞通过所述的基座而固定在浮标体底部。
所述框架的出入端还设有喇叭状护圈，所述喇叭状护圈上安装有引导探头，用以引导AUV入坞，该AUV前端设有能发出声波的搜索探头。
AUV上部设有次级端子，基座中设有初级端子，且AUV入坞固定后，所述初级端子位于所述次级端子的上方。
AUV5与坞站之间进行水下充电和数据交换可采用湿插拔有线插头或者近距离无线耦合传输方式。插头或耦合传输的初级端子位于坞站基座内，次级端子位于AUV中部。AUV入坞完成定位后，初级端子和次级端子的中心线重合，以便AUV同坞站之间进行电能传输和数据交换。
发明优点
针对我国深远海精细化观测、敏感区域隐蔽安全观测的需求，本发明提出一种将锚定浮标固定平台和快速AUV移动平台“动静”结合的观测方法，浮标上增设喇叭形AUV停靠坞，为后续的研发奠定基础。基于本发明的硬件，浮标布放到深远海站位时，AUV藏于浮标内部，根据浮标上和AUV上设定的一定的观测条件、时序控制，或浮标接收到岸基中心站发来的指令时，AUV自动从浮标停靠坞内驶出，按照任务要求，自主航行，在深远海浮标周围海域机动灵活隐蔽开展大面积精细化的海洋环境观测，当AUV自动判断观测任务结束或其他特殊情况，AUV自动返回浮标站位，可根据大喇叭口上的定位引导标识自动对标定位，自动驶入浮标上的停靠坞内，通过自动紧固装置将AUV固定在停靠坞内，然后利用浮标上的能源进行充电补给，利用浮标上的通讯系统实现与浮标以及陆地岸基中心站的数据通信和设备健康状态监测与维护，这样不仅极大拓展了深远海浮标观测能力，克服了AUV能源补给、数据通信等难题，而且依靠安全可靠的大型浮标标体使得AUV可以躲避恶劣海洋天气可能造成的损害，可实现长期的动静结合的海洋环境观测。
本发明提供了一种停靠坞及其相关的AUV和一种基于大型锚定浮标与AUV的海洋环境观测平台，为实现深远海锚定浮标布放海域大范围精细化长期安全可靠隐蔽观测提供了可能，利用该平台可以克服传统锚定浮标只能观测本站位数据的局限性等难题。
附图说明
图1本发明的停靠坞的立体图。
图2本发明的停靠坞驶入AUV后的立体图。
图3 本发明的AUV示意图。
图4 本发明的止动装置示意图。
图5 AUV的周向凹槽及径向凹槽示局部意图。
图6 本发明的初级端子示意图。
图7本发明的海洋环境观测平台示意图。
图中：1、护圈；2、引导探头；3、坞站基座；4、止动杆；5、AUV；6、紧固电机；7、顶板；8、搜索探头；9、行程开关；10、弹簧套筒；11、次级端子；12、止动电机；13、双向丝杠；14、夹块；15、弹簧；16、凸轮；17、周向凹槽；18、径向凹槽；19、初级端子；20、接近开关，21、通信卫星；22、岸基数据接收站；23、停靠坞站；24、锚；25、锚系；26、浮标。
具体实施方式
如图1-6，在浮标下部设计停靠坞站，停靠坞与浮标之间通过基座3连接。坞站结构如图3所示，前部开口端为喇叭状护圈1，后部为柱状坞站基座3。护圈1上安装有引导探头2，引导探头为声学应答器，AUV上的搜索探头8发出声波，喇叭状护圈上设置的引导探头2应答器阵发出应答信号，AUV通过应答信号判断喇叭口的位置，用以引导AUV 5入坞。
本发明中，护圈1可以是刚性材料，如铝合金，也可以是非刚性材料，如碳纤维。也可以是金属材料外覆盖非金属材料如橡胶等，弹簧15为压缩弹簧
如图1、2所示，坞站后端的中心位置安装有磁感应行程开关9，AUV 5入坞触发行程开关9后，止动电机12带动凸轮16复位，止动杆4在弹簧15作用下落入AUV 5上的周向凹槽17内，这时，AUV无法前后移动，只可能沿自身轴向转动。当止动杆4落入径向凹槽18内时，AUV相对坞站的运动被完全限制，完成入坞定位。
如图6所示，AUV与坞站之间进行水下充电和数据交换可采用湿插拔有线插头或者近距离无线耦合传输方式。插头或耦合传输的初级端子19位于坞站基座3内，次级端子11位于AUV中部。AUV入坞完成定位后，初级端子19和次级端子11的中心线重合，以便AUV同坞站之间进行电能传输和数据交换。
AUV入坞后将随浮标体一起运动，仅靠止动杆难以保证AUV相对坞站的静止状态，为提高AUV入坞后充电及数据交换过程中相对坞站位置的稳定性，在坞站中段位置安装有自动紧固装置。如图4和图5所示，自动紧固装置由紧固电机6、双向丝杠13和夹块14组成。当AUV入坞处于止动状态时，止动杆4下端的接近开关20进入AUV径向凹槽18内，接近开关20感应出与径向凹槽18的距离后触发紧固电机6转动，紧固电机6驱动双向丝杠转动进而驱动夹块14上下移动以完成对AUV的自动紧固。
如图7所示，该系统主要由大型锚定浮标和AUV组成，大型浮标上设有停靠坞，坞内设有定位导向标志、水下充电接口、数据通信接口和自动紧固装置，AUV通过定位导向标志自动驶入坞内和驶出坞外，当AUV安全驶入坞内，停靠安全后，自动紧固装置将AUV牢固固定在浮标坞内，浮标上的充电接口、数据通信接口和AUV上相应接口对接，进行能源补给和数据通信。当接收到驶出命令时，断开充电接口和数据通信接口，松开紧固装置，AUV根据导向标志自动安全驶出坞外，开展观测任务。

Claims (7)

1.一种配置有AUV的停靠坞，其特征在于包括停靠坞和AUV（5），所述停靠坞包括一个水平设置的用于容纳AUV的柱形框架，该框架的一端为封堵端，另一端为出入端，所述框架的出入端还设有喇叭状护圈（1）；所述框架上设有止动装置和一对夹紧装置，框架中部上方还设有坞站基座（3），框架封堵端的中心位置设有行程开关（9）；
所述止动装置包括止动电机（12）、由止动电机（12）驱动的凸轮（16），内含弹簧（15）和止动柱（4）的套筒（10），所述止动柱（4）还连接有顶板（7），所述凸轮（16）通过转动以实现对所述顶板（7）的顶起，从而使顶板（7）带动止动柱（4）在套筒（10）中上下运动，所述止动柱（4）沿所述柱形框架的径向运动，所述弹簧（15）对所述止动柱（4）提供轴向的弹力；所述止动柱（4）下端还设有接近开关（20）；
所述一对夹紧装置在框架两侧相对设置，夹紧装置包括紧固电机（6）、由紧固电机（6）驱动的双向丝杠（13），以及安装在双向丝杠（13）上的上下两个夹块（14）；
所述AUV（5）的侧面对应于止动装置的位置沿周向设有一段弧形凹槽（17），且在周向凹槽（17）中部设有一径向凹槽（18），且所述弧形凹槽（17）至AUV（5）前端的距离等于所述止动柱（4）至行程开关（9）的距离；当止动柱 （4）在弹簧（15）作用下落入AUV（5）上的周向凹槽（17）时，AUV（5）无法前后移动，当止动柱 （4）落入径向凹槽（18）内时，AUV（5）相对停靠坞的运动被完全限制。
2.如权利要求1所述的配置有AUV的停靠坞，其特征是所述喇叭状护圈（1）上安装有引导探头（2），用以引导AUV（5）入坞。
3.一种对进入水下停靠坞的AUV进行固定的方法，其特征是该方法采用权利要求1中所述的配置有AUV的停靠坞，包括以下步骤：当AUV（5）入坞触碰行程开关（9）后，利用止动电机（12）带动凸轮（16）复位，止动柱（4）在弹簧（15）作用下落入AUV（5）上的周向凹槽（17）内，此时AUV无法前后移动，只可能沿自身轴向转动；当止动柱（4）落入径向凹槽（18）内时，AUV相对坞站的运动被完全限制，完成入坞定位；
当止动柱（4）下端的接近开关（20）感应出与径向凹槽（18）的距离小于预设值后触发紧固电机（6）转动，紧固电机（6）驱动双向丝杠（13）转动进而驱动丝杠的两个夹块（14）上下移动以完成对AUV的紧固。
4.一种带有AUV水下停靠坞的浮标，包括浮标体，其特征在于还包括权利要求1所述的配置有AUV的停靠坞，所述的停靠坞通过所述的基座（3）而固定在浮标体底部。
5.基于大型锚定浮标与AUV的海洋环境观测平台，包括浮标体，其特征是还包括权利要求1所述的配置有AUV的停靠坞，且所述AUV（5）的停靠坞通过所述的基座（3）而固定在浮标体底部。
6.如权利要求5所述的海洋环境观测平台，其特征是所述框架的出入端设有喇叭状护圈（1），所述喇叭状护圈（1）上安装有引导探头（2），用以引导AUV（5）入坞，该AUV（5）前端设有能发出声波的搜索探头（8）。
7.如权利要求6所述的海洋环境观测平台，其特征是所述AUV（5）上部设有次级端子（11），基座（3）中设有初级端子（19），且AUV（5）入坞固定后，所述初级端子（19）位于所述次级端子的上方。
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