CN112896472A - 一种基于视觉的auv回收装置与方法 - Google Patents

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孙功武
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Abstract

本发明涉及一种基于视觉的AUV回收装置与方法，包括AUV系统、用于回收AUV系统的框架系统，所述AUV系统包括AUV本体、设置于AUV本体上的二维码和一号充电通信设备，所述框架系统包括回收口、回收筒，回收筒与回收口小端相连，所述回收筒母线位置安装有导轨，导轨上滑移连接有夹持机构，夹持机构用于锁紧与夹持AUV本体；回收筒背离回收口一端设有丝杆步进电机，丝杆步进电机用于带动夹持机构沿导轨运动，回收筒靠近回收口一端设有相机与微型计算机，回收筒中间位置安装有二号充电通信设备，二号充电通信设备与一号充电通信设备对应连接进行AUV本体的能源补给与信息交互。AUV在回收筒中稳定平移，拖动定位相较于常用的自主航行定位更精准，定位效率和安全性显著提高。

Description

一种基于视觉的AUV回收装置与方法
技术领域
本发明涉及水下航行器回收释放设备技术领域，尤其是一种基于视觉的AUV回收装置与方法。
背景技术
随着人类对海洋探索和开发越来越深入，自主式无人水下航行器(AUV)越来越得到重视。对于AUV而言，工作时间与续航能力是其重要的考核要素。然而在AUV有限的承载能力下，为自身提供可进行长时间与远距离的能源是较为困难的。因此，自主回收结构与方法成为AUV发展中的一个关键环节。
现有的方法主要通过较大于AUV艇体的回收管进行回收，并且两者必须相互匹配，缺乏通用性。此外，当AUV逼近回收管时，其运动姿态受到浪流环境或回收管附近流场变化的扰动，要使AUV通过自主航行避碰安全地进入回收管，并在指定位置准确对接充电通信设备，较为困难。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种结构合理的基于视觉的AUV回收装置与方法，提高回收装置的通用性，以及减少艇体碰撞对AUV带来的损坏。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于视觉的AUV回收装置，包括AUV系统、用于回收AUV系统的框架系统，
所述AUV系统包括AUV本体、设置于AUV本体上的二维码和一号充电通信设备，
所述框架系统包括回收口、回收筒，回收筒与回收口小端相连，
所述回收筒母线位置安装有导轨，导轨上滑移连接有夹持机构，夹持机构用于夹持与锁紧AUV本体；回收筒背离回收口一端设有丝杆步进电机，丝杆步进电机用于带动夹持机构沿导轨运动，回收筒靠近回收口一端设有相机与微型计算机，回收筒中间位置安装有二号充电通信设备，二号充电通信设备与一号充电通信设备对应连接进行AUV本体的能源补给与信息交互。
所述夹持机构包括贯穿在导轨上的滑块、铰接在滑块上的两片抱箍，抱箍与滑块之间安装有舵机，舵机用于控制两片抱箍的开闭。
抱箍铰接于滑块面向AUV本体一侧，抱箍所围成的圆形与回收筒同轴设置。
抱箍面向AUV本体一侧设有垫条。
所述回收筒包括两端的环体、连接两端环体的若干母线杆，导轨安装于其中一根母线杆背离内腔一侧。
一种利用基于视觉的AUV回收装置的回收方法，包括如下步骤：
一、识别阶段：夹持机构初始时刻位于回收筒靠近回收口一端，舵机带动抱箍处于最大张开状态；当AUV本体接近夹持机构时，相机与微型计算机检测到AUV本体上的二维码进行识别，获取AUV本体的半径r、一号充电通信设备与二维码之间的距离L1及AUV本体的位置信息X；
二、夹持阶段：相机与微型计算机获取AUV本体的二维码信息后，根据AUV本体的半径r，根据公式1计算舵机应转动角度，并驱动舵机，使夹持机构的抱箍张开角度能够夹持与锁紧AUV本体；
Figure BDA0002938197660000021
式中：抱箍内表面半径R、AUV本体半径r、舵机转轴距离回收机构竖直对称面的距离d、抱箍所在圆弧的圆心到舵机转轴的连线与竖直面的夹角θ；
三、回收阶段：相机与微型计算机驱动丝杆步进电机转动，拖动夹持机构将AUV本体向回收筒内拖曳，同时监测二维码的位置，当二维码的中心点经过相机与微型计算机正下方时，根据一号充电通信设备与二维码之间的距离L1及二号充电通信设备与相机与微型计算机之间的已知距离L2，得知丝杆步进电机还需要拖动AUV本体的行程为L1+L2，即能够使一号充电通信设备与二号充电通信设备对准连接，实现AUV本体的回收、能源补给与信息交互。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过识别二维码的信息，对应解算出AUV的型号尺寸等信息，再根据AUV系统的尺寸，对应控制舵机的运转及抱箍打开的角度，以上为夹持机构的匹配过程，当夹持机构将AUV系统抓取后，再通过识别计算L1+L2的距离，精准定位一号充电通信设备、二号充电通信设备的相对位置。
本发明中利用夹持及拖动的方式完成AUV系统的回收及锁紧，在回收过程中，AUV在回收筒中稳定平移，拖动定位相较于常用的自主航行定位更精准及安全，相当于先完成了在轨道上的初步定位，然后再完成充电通信设备的精准定位，定位效率显著提高。
本发明回收结构紧凑、安装与拆卸便捷，回收方法简单，易实施。
附图说明
图1为本发明AUV系统被框架系统回收完成的配合结构示意图。
图2为本发明的AUV系统结构示意图。
图3为本发明的框架系统结构示意图。
图4为本发明的框架系统侧视图用于体现L2的长度。
图5为本发明的AUV系统被框架系统回收完成后，L1和L2的长度关系示意图。
图6为本发明的夹持机构示意图。
图7为本发明用于体现抱箍内表面半径R、AUV本体半径r、舵机转轴距离回收机构竖直对称面的距离d、抱箍所在圆弧的圆心到舵机转轴的连线与竖直面的夹角θ之间的数量关系示意图。
其中：1、AUV系统；2、框架系统；3、夹持机构；4、丝杆步进电机；5、相机与微型计算机；6、二号充电通信设备；
101、AUV本体；102、二维码；103、一号充电通信设备；
201、回收口；202、回收筒；203、导轨；204、环体；205、母线杆；
301、滑块；302、抱箍；303、舵机；304、垫条。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图7所示，本实施例的基于视觉的AUV回收装置，包括AUV系统1、用于回收AUV系统1的框架系统2，
AUV系统1包括AUV本体101、设置于AUV本体101上的二维码102和一号充电通信设备103，
框架系统2包括回收口201、回收筒202，回收筒202与回收口201小端相连，
回收筒202母线位置安装有导轨203，导轨203上滑移连接有夹持机构3，夹持机构3用于夹持与锁紧AUV本体101；回收筒202背离回收口201一端设有丝杆步进电机4，丝杆步进电机4用于带动夹持机构3沿导轨203运动，回收筒202靠近回收口201一端设有相机与微型计算机5，回收筒202中间位置安装有二号充电通信设备6，二号充电通信设备6与一号充电通信设备103对应连接进行AUV本体101的能源补给与信息交互。
夹持机构3包括贯穿在导轨203上的滑块301、铰接在滑块301上的两片抱箍302，抱箍302与滑块301之间安装有舵机303，舵机303用于控制两片抱箍302的开闭。
抱箍302铰接于滑块301面向AUV本体101一侧，抱箍302所围成的圆形与回收筒202同轴设置。
抱箍302面向AUV本体101一侧设有垫条304。
回收筒202包括两端的环体204、连接两端环体204的若干母线杆205，导轨203安装于其中一根母线杆205背离内腔一侧。
回收口201为喇叭状，回收口201的小端与回收筒202之间通过环体204相连。
本实施例的利用基于视觉的AUV回收装置的回收方法，包括如下步骤：
一、识别阶段：夹持机构3初始时刻位于回收筒202靠近回收口201一端，舵机303带动抱箍302处于最大张开状态；当AUV本体101接近夹持机构3时，相机与微型计算机5检测到AUV本体101上的二维码102进行识别，获取AUV本体101的半径r、充电位置信息L1及AUV本体101的位置信息X；
二、夹持阶段：相机与微型计算机5获取AUV本体101的二维码102信息后，根据AUV本体101的半径r，根据公式1计算舵机303应转动角度，并驱动舵机303，使夹持机构3的抱箍302张开角度能够夹住AUV本体101；
Figure BDA0002938197660000041
式中：抱箍302内表面半径R、AUV本体101半径r、舵机303转轴距离回收机构竖直对称面的距离d、抱箍302所在圆弧的圆心到舵机303转轴的连线与竖直面的夹角θ；
三、回收阶段：相机与微型计算机5驱动丝杆步进电机4转动，拖动夹持机构3将AUV本体101向回收筒202内拖曳，同时监测二维码102的位置，当二维码102的中心点经过相机与微型计算机5正下方时，根据充电位置与二维码102之间的距离L1及二号充电通信设备6与相机与微型计算机5之间的已知距离L2，得知丝杆步进电机4还需要拖动AUV本体101的行程为L1+L2，即能够使一号充电通信设备103与二号充电通信设备6对准连接，实现AUV本体1的回收、能源补给与信息交互。
本发明的具体结构和工作原理如下：
本发明包括AUV系统1、框架系统2。AUV系统1包含AUV本体101、二维码102和一号充电通信设备103。其中二维码102粘贴于AUV本体101的艇体表面，用于携带AUV自身的信息；一号充电通信设备103用于完成AUV本体101与回收筒202之间的信息交互与能源补给。
如图1中的方位，框架系统2的相机与微型计算机5安装于回收框架首部，用于识别AUV本体101上的二维码102并获取AUV自身信息；夹持机构3位于回收框架前部，在利用视觉获取的信息指导下完成AUV本体101的夹持锁紧；丝杆步进电机4位于回收框架后部，用于将AUV本体101在回收框架中移动指定的距离；二号充电通信设备6位于回收框架上部，用于给AUV本体101补充能源及两者之间信息交互。
当AUV本体101进入回收框架口时，AUV本体101的推进器停止运行，首先利用相机对AUV本体101上所携带的二维码102进行识别，并解算出AUV本体101尺寸、充电位置及AUV本体101位置信息，然后根据AUV本体101的尺寸解算夹持角度，利用夹持机构3完成对AUV本体101的夹持锁紧，夹持机构3中的舵机303根据AUV本体101半径信息自适应调节抱箍302夹持角度。最后根据充电位置信息，解算AUV本体101应该移动的距离，并利用丝杆步进电机4拉动滑块301，完成拖动，使一号充电通信设备103与二号充电通信设备6完成对接，最终进行AUV本体101的能源补给及信息交互。
AUV本体101的二维码102，主要携带AUV本体101的直径以及二维码102中心点到一号充电通信设备103中心点的距离信息，同时在二维码102移动时，可通过上方的相机与微型计算机5实时监测其位置。
本实施例中的相机与微型计算机5具备视觉识别定位功能。
在AUV系统1回收过程中，利用视觉定位系统解算AUV的相关尺寸，使框架系统2主动获取AUV本体101的尺寸信息，进而将夹持结构调整合适的角度对AUV本体101进行夹持，增加了框架系统2的通用性，可对一定尺寸范围的AUV本体101进行回收。利用视觉定位系统解算AUV的位置信息，能够准确将AUV本体101拖动至准确的位置，将充电通信设备的两部分进行准确对接，大大提高了能源补给与信息交互的效率。此外，本发明主要利用夹持及拖动机构完成AUV的回收及锁紧，在回收过程中AUV本体101在回收筒202中稳定平移，避免了AUV本体101的碰撞损坏，同时拖动定位相比AUV系统1自主航行定位更加精准及安全。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种基于视觉的AUV回收装置，其特征在于：包括AUV系统(1)、用于回收AUV系统(1)的框架系统(2)，
所述AUV系统(1)包括AUV本体(101)、设置于AUV本体(101)上的二维码(102)和一号充电通信设备(103)，
所述框架系统(2)包括回收口(201)、回收筒(202)，回收筒(202)与回收口(201)小端相连，
所述回收筒(202)母线位置安装有导轨(203)，导轨(203)上滑移连接有夹持机构(3)，夹持机构(3)用于夹持与锁紧AUV本体(101)；回收筒(202)背离回收口(201)一端设有丝杆步进电机(4)，丝杆步进电机(4)用于带动夹持机构(3)沿导轨(203)运动，回收筒(202)靠近回收口(201)一端设有相机与微型计算机(5)，回收筒(202)中间位置安装有二号充电通信设备(6)，二号充电通信设备(6)与一号充电通信设备(103)对应连接进行AUV本体(101)的能源补给与信息交互。
2.如权利要求1所述的一种基于视觉的AUV回收装置，其特征在于：所述夹持机构(3)包括贯穿在导轨(203)上的滑块(301)、铰接在滑块(301)上的两片抱箍(302)，抱箍(302)与滑块(301)之间安装有舵机(303)，舵机(303)用于控制两片抱箍(302)的开闭。
3.如权利要求2所述的一种基于视觉的AUV回收装置，其特征在于：抱箍(302)铰接于滑块(301)面向AUV本体(101)一侧，抱箍(302)所围成的圆形与回收筒(202)同轴设置。
4.如权利要求2所述的一种基于视觉的AUV回收装置，其特征在于：抱箍(302)面向AUV本体(101)一侧设有垫条(304)。
5.如权利要求1所述的一种基于视觉的AUV回收装置，其特征在于：所述回收筒(202)包括两端的环体(204)、连接两端环体(204)的若干母线杆(205)，导轨(203)安装于其中一根母线杆(205)背离内腔一侧。
6.一种利用权利要求1所述的基于视觉的AUV回收装置的回收方法，其特征在于，包括如下步骤：
一、识别阶段：夹持机构(3)初始时刻位于回收筒(202)靠近回收口(201)一端，舵机(303)带动抱箍(302)处于最大张开状态；当AUV本体(101)接近夹持机构(3)时，相机与微型计算机(5)检测到AUV本体(101)上的二维码(102)进行识别，获取AUV本体(101)的半径r、一号充电通信设备(103)与二维码(102)之间的距离L1及AUV本体(101)的位置信息X；
二、夹持阶段：相机与微型计算机(5)获取AUV本体(101)的二维码(102)信息后，根据AUV本体(101)的半径r，根据如下公式计算舵机(303)应转动角度，并驱动舵机(303)，使夹持机构(3)的抱箍(302)张开角度能够夹持与锁紧AUV本体(101)；
Figure FDA0002938197650000021
式中：抱箍(302)内表面半径R、AUV本体(101)半径r、舵机(303)转轴距离回收机构竖直对称面的距离d、抱箍(302)所在圆弧的圆心到舵机(303)转轴的连线与竖直面的夹角θ；
三、回收阶段：相机与微型计算机(5)驱动丝杆步进电机(4)转动，拖动夹持机构(3)将AUV本体(101)向回收筒(202)内拖曳，同时监测二维码(102)的位置，当二维码(102)的中心点经过相机与微型计算机(5)正下方时，根据一号充电通信设备(103)与二维码(102)之间的距离L1及二号充电通信设备(6)与相机与微型计算机(5)之间的已知距离L2，得知丝杆步进电机(4)还需要拖动AUV本体(101)的行程为L1+L2，即能够使一号充电通信设备(103)与二号充电通信设备(6)对准连接，实现AUV本体(101)的回收、能源补给与信息交互。
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