CN114194365A - 一种可沉底作业的海缆巡检auv及其沉底作业方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可沉底作业的海缆巡检AUV及其沉底作业方法，其中一种可沉底作业的海缆巡检AUV包括扁平状的外壳，所述外壳内设有前舱、中舱、后舱；所述前舱、中舱、后舱内均设置有框架式的支撑骨架；所述支撑骨架固定在外壳底部上，所述前舱的支撑骨架通过中舱的支撑骨架与后舱的支撑骨架连接或直接与后舱的支撑骨架连接：所述中舱的支撑骨架上固定有六轴机器手和浮力调节机构；所述外壳的底部安装有用于起落的起落架结构。本发明采用在不同舱体内设置框架式支撑骨架，可以将调试过程中不经常使用的零部件放置中舱的支撑骨架中，在调试过程中，单单使用后舱及前舱就可以组装起来下水进行调试，方便调试。

Description

一种可沉底作业的海缆巡检AUV及其沉底作业方法

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种可沉底作业的海缆巡检AUV及其沉底作业方法。

背景技术

常规的海缆巡检AUV的主要功能是进行航行和巡检，作业能力弱。AUV如果要开展作业则需要先进行AUV本体的动力悬停，然后控制机械手工作。这样的悬停作业方式对动力悬停控制的要求非常高，而且很难进行精细作业。

现有AUV技术存在以下不足之处：

1)仅仅通过更换模组来实现不同功能，受限于最初模组的形状，后面所需模组的形状也都已经固定。

2)通常巡检AUV只能单一功能的进行巡检，且非拼接式结构，不能够随意的更换零部件以满足不同的功能需要。

3)受AUV自身驱动自由度和水下洋流等复杂环境的影响，AUV很难实现精确稳定悬停，更难控制机械手进行精细的作业。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种可沉底作业的海缆巡检AUV及其沉底作业方法，零部件更换灵活，提高了海缆的定位精度，能够灵活有效实现海缆巡检，并能够沉底进行精细作业。

本发明采用的技术方案是：

一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：包括扁平状的外壳，所述外壳内设有前舱、中舱、后舱；所述前舱、中舱、后舱内均设置有框架式的支撑骨架；所述支撑骨架固定在外壳底部上，所述前舱的支撑骨架通过中舱的支撑骨架与后舱的支撑骨架连接或直接与后舱的支撑骨架连接；

所述前舱内的支撑骨架上安装有密封设置的组合磁力仪系统、多普勒测速仪和离底高度计，所述前舱内的支撑骨架上对称设置有用于AUV的上浮下沉的前垂直推进器，所述前垂直推进器与外部水流连通；

所述中舱内的支撑骨架上固定有摄像模组、水下灯以及声通信机；所述中舱的两侧均安装有角度可调整的侧扫声纳换能器；所述中舱的支撑骨架上固定有能伸出AUV底部进行作业的机械手；所述中舱的支撑骨架上安装有控制AUV浮力的浮力调节装置；

所述后舱内的支撑骨架上安装有密封设置的电子舱，所述电子舱内置有控制推进器和舵机动作的电子控制系统，所述电子控制系统与组合磁力仪系统、多普勒测速仪、离底高度计、摄像模组、水下灯、声通信机、侧扫声纳换能器通讯连接，所述电子控制系统通过密封好的天线与外部通讯连接，所述天线穿出外壳设置并在外部罩设有导流罩；所述电子舱的两侧安装有密封的电池舱，所述电池舱内安装有供电的电池模组；所述后舱的尾部设置有两块分开设置的舵板，所述舵板与控制其上下摆动的舵机连接，所述后舱的尾部在两舵板的外侧均安装有水平设置用于AUV前后推进的直流推进器，所述后舱后安装的支撑骨架上固定有用于辅助AUV的上浮和下潜以及悬停的后垂直推进器，所述后垂直推进器与外部水流连通；所述后舱的尾部与其内支撑骨架之间通过尾部拉伸件连接；

所述外壳的底部安装有用于起落的起落架结构。本发明采用在不同舱段内设置框架式支撑骨架，可以将AUV航行过程中非必需的设备，例如摄像头，水下照明灯，侧扫声纳等放置在中舱的支撑骨架中，在调试过程中，单单使用后舱及前舱就可以组装起来下水进行调试，方便调试，同时对于可能出现的后期修改问题，也提供了一个较为方便有效的方案，并不用对于整体AUV的构造进行修改，大大减少了设计生产中产生的成本。由于是框架式的骨架结构，对于出现的安装问题，也可以通过修改单独的骨架来进行修改设计产生的误差，大大减少了试错的成本。并且通过设置浮力调节装置、机械手、起落架来实现AUV的沉底检修，实现精细作业。

进一步，所述后舱和中舱的支撑骨架均包括若干块支撑板和若干根连接梁，所述后舱和中舱的支撑板均通过相应的连接梁固定在一起，所述后舱的支撑骨架和中舱的支撑骨架之间通过相邻支撑板固定连接，所述前舱的支撑骨架与中舱的支撑板或后舱的支撑板固定连接。

进一步，所述前舱包括主舱体和对称设置在主舱体两侧的侧舱体，所述组合磁力仪系统包括一个前置磁力仪和一对分别布置在两侧的侧翼磁力仪，所述前置磁力仪通过固定卡箍固定在主舱体内的支撑骨架和主舱体的底部上并与AUV的轴线平行设置，两个侧翼磁力仪通过固定卡箍分别固定安装在相应的侧舱体内并均与AUV的轴线垂直设置；所述前置磁力仪和侧翼磁力仪外均设置有密封舱。为减少AUV自身对磁力仪带来的磁干扰，前置磁力仪和一对侧翼磁力仪布置在尽量远离电子舱和其他干扰源的位置。本发明通过一个前置磁力仪和两个侧翼磁力仪形成组合磁力仪系统，可以确定AUV相对于海缆的位置，为AUV沿着海缆巡检提供导引信号。其中，前置磁力仪优选三轴感应线圈式的传感器或高灵敏度磁通门传感器。海缆可视为无限长直导线模型，根据电磁场理论和电磁波传播规律，长直导线中通过交流电流时，在其周围会产生交变电磁场并向外传播。海缆周围某点的磁感应强度与海缆的垂直距离成反比，方向与导线横截面相垂直。磁力线为以该长直导线为圆心的同心圆，方向由安培右手定则确定。前置磁力仪通过检测海缆周围交变磁场的三轴分量，可以推算出AUV相对于海缆轴心的方位，同时结合AUV导航系统得到的航行距离，可以推算出AUV相对于海缆的距离。这些信号为AUV沿着海缆巡检提供导引。前置磁力仪若选用三轴感应线圈式的传感器，因为感应线圈可以感应海缆通交流电后的交变磁场，而地磁场和其他静态干扰磁场则不被感应，这样可以大大提高前置磁力仪检测到信号的信噪比。前置磁力仪若选用高灵敏度磁通门传感器，则需要针对海缆交流电的频率设计高通滤波器，将输入信号中的静态磁场滤除，保留海缆产生的交变磁场信号。与前置磁力仪主要检测海缆产生的交变磁场不同，一对侧翼磁力仪检测的信号则包含了海缆产生的交变磁场和静态地磁场。通过对一对侧翼磁力仪检测的信号作差分处理，相同的静态地磁场分量被自动减掉，保留下表征AUV相对于海缆位置的差分分量。该信号同样可以为AUV沿着海缆巡检提供导引。为了提高海缆的定位精度，两个侧翼磁力仪之间的距离应尽量大。本发明组合了前置磁力仪检测交变磁场和一对侧翼磁力仪检测差分信号两种不同的方式，通过信息融合并结合AUV自身的导航系统，得到AUV相对于海缆的位置和方位，为AUV沿着海缆巡检提供导引。

进一步，所述舵机的输出轴依次通过传动短轴、挠性联轴器、传动长轴、小锥齿轮、大锥齿轮与舵板连接，所述舵板通过陶瓷轴承可转动的嵌装在后舱尾部，所述传动短轴和传动长轴上均通过陶瓷轴承可旋转地安装于法兰盘式的轴承座内，所述轴承座固定在后舱内的凸台上。本发明所述舵板的上下摆动通过舵机的旋转经过传动短轴-挠性联轴器-传动长轴-小锥齿轮-安装在舵板上大锥齿轮进行传动。

进一步，所述电池舱安装于滑轨上，所述滑轨架设在后舱的支撑骨架的下部贴近舱底设置。本发明电池舱的放置采用滑轨式布置，滑轨放置于整体中心之下，贴近舱底，可以降低AUV的重心，提高稳心高，从而提高静态稳定性。同时滑轨式设计还有一个优点，电池舱可以沿着轴向在一定范围内移动，便于后期的配重。

进一步，所述电子舱侧面在天线后侧位置开有若干个螺纹孔，分别用于安装水密连接器、气密测试嘴和水下防水开关。所述水密连接器用于给AUV的电池充电；所述气密测试嘴在AUV下水前连接真空泵用于测试AUV电子舱的密封性，测试完毕后用专用堵头堵上密封；所述水下防水开关用于电子舱内电路的通断。由于水下防水开关过流能力有限，本发明通过防水开关先控制继电器的输入端，再由继电器来控制电子舱内的其他负载。作为候选方案，本发明中水下防水开关也可以用非接触式的双稳磁开关来代替，这样只需要在腔体外部靠近双稳磁开关的位置用磁铁来控制通断，而不需要在电子舱侧面开安装水下防水开关的孔。所述天线外部设有流线型的导流罩，导流罩还将天线后侧的水密连接器、气密测试嘴和水下防水开关都罩在内，尽量减少这些突出附件对AUV水动力的影响。天线的导流罩采用螺钉固定，方便拆装。所述电子舱的前后端盖设有不同规格的水密接插件，用于与外部设备的水密连接。

进一步，所述尾部拉伸件包括一伸直杆和斜拉杆，所述伸直杆的一端通过L型转接件与后舱内支撑骨架的支撑板固定连接，其另一端与后舱尾部的凸台固定连接，所述斜拉杆的一端铰接在伸直杆的中部，其另一端通过T型转接件与后舱内支撑骨架的支撑板连接。本发明由于推进器等的质量较大，单单靠外壳承重受力容易造成应力集中，导致外壳破损，由此设置尾部拉伸件。伸直杆、斜拉杆与支撑骨架的支撑板形成一个三角形，能够稳定的支撑住后舱嵌入的推进器，支撑住大部分重量，可以进一步减少后舱壳体的厚度，减少重量和材料成本。

进一步，所述浮力调节装置包括浮力调节舱和直线驱动模组，所述浮力调节舱内设置有可以往复运动的活塞，所述活塞的一侧跟直线驱动模组组成不透水的耐压密封空间，活塞的另一侧是透水的；所述直线驱动模组内设有一个与活塞连接的推杆，所述直线驱动模组通过推杆的直线往复运动带动活塞跟随往复运动，从而改变浮力调节舱内的进水体积，进而实现AUV浮力的调节；所述直线驱动模组与电子控制系统通信连接。本发明为了更好的控制自身的浮力在中舱引入了浮力调节装置，通过浮力调节装置，可以精确的控制AUV在水中的浮力，这样AUV在下水前只需要进行粗略的配重，下水后可以根据水的密度变化自动调整自身浮力，进而保持适合AUV航行的最佳净重。此外，通过浮力调节装置可以增加净重，进而实现AUV的沉底。为了尽量避免浮力调节引起AUV的重心发生变化，浮力调节舱靠近AUV的浮心位置布置。

进一步，所述机械手包括铰接在一起的第一支架和第二支架，所述第一支架的近端与转盘铰接，所述转盘铰接在中舱的支撑骨架上，所述第二支架的外端铰接有机器抓手，所述转盘上安装有带动其旋转的旋转电机和调整第一支架与转盘铰接角度的第一角度电机，所述第一支架上安装有调整第一支架与第二支架铰接角度的第二角度电机，所述机器抓手上安装带其动作的控制电机，所述旋转电机、第一角度电机、第二角度电机、控制电机均与电子控制系统通讯连接。本发明在中舱加装的机械手可以通过控制这四个电机控制机械手动作，从而进行海缆的破损标记、简单的维护和故障修复等作业。

进一步，所述外壳底部的前后左右设置有4个起落架结构，所述起落架结构包括与外壳底部固定的固定件，所述固定件的一端安装有通过直线驱动组件带动打开或收起的起落架，所述起落架的端部安装有可滚动的轮子，所述起落架的端部通过可展开提供支撑力的支撑架与固定件的另一端连接，所述固定件的下部为容纳起落架的容纳槽。本发明为了避免AUV沉底对于外壳的损坏，也为机械手作业留出施展空间，设计了专门用于沉底的起落架结构。在需要沉底作业时，打开起落架，并结合浮力调节装置和自身的航行系统的作用，实现AUV在需要作业的位置附近沉底，如果必要的话，可以在沉底的基础上结合AUV推进系统进行位置的精细调节。在正常巡航时，将起落架收入容纳舱内，避免影响AUV的水动力性能。此外，在陆地上需要对AUV进行搬运转移时，起落架也是非常好的辅助装置，不需要专门的起吊装置就可以进行AUV的转移。

进一步，所述外壳的上下面在垂直推进器的投影位置均开设通孔，形成推进槽道，使得垂直推进器能更好与外部水流连通，提高推进效率。

上述可沉底作业的海缆巡检AUV沉底作业方法，具体步骤如下：

步骤1，AUV在海缆巡检过程中发现需要疑似故障点或者需要维护的点，AUV减速，并通过在该点附近盘旋或者Z字形扫描的方式，确认该点是否需要沉底作业。如果不是，AUV继续向前巡检；如果确认该点是沉底作业点，则进入步骤2。

步骤2，调节AUV沿着海缆并朝沉底作业点方向航行，并随着离沉底作业点的距离越来越近，AUV的速度也越来越低，当AUV到达沉底作业点上方时，AUV的浮力调节装置开始工作，使系统净重增加，AUV开始降落。必要的时候垂直推进器也可以用来调节降落的进程快慢。

步骤3，在AUV距离海底距离为起落架高度的2倍到4倍范围时，展开起落架，使AUV平稳在海底降落。

步骤4，AUV在后舱布置的两个推进器的作用下沿着海底进行小范围移动，精确调整AUV与沉底作业点的位置。如果海底淤泥或者泥沙影响AUV的平移，这时候可以调节浮力，使AUV略微浮起，并结合AUV尾部推进器和垂直推进器的作用，进行AUV的小范围移动，直到AUV到达沉底作业点。

步骤5，AUV伸出机械手开始作业，必要的时候按照步骤4的方法继续调节AUV的位置，直到作业顺利完成。

步骤6，收回机械手，调节系统浮力和垂直推进器使AUV上浮。在上浮的过程中，通过控制尾部推进器使AUV沿着海缆巡检的方向继续航行。在探测到AUV距离海底距离超过起落架高度的3倍时，快速收回并展开起落架3次，以将起落架上可能带有的泥沙去除。最后收回起落架，AUV继续海缆巡检的任务。

本发明的有益效果：

(1)本发明组合声、光、磁多种探测手段进行海缆的探测和巡检，可以结合各种手段的优点进行互补。比如声学探测的优点是探测距离远，可以在远距离时进行大范围的巡缆；磁学探测的优点是不受海水浊度影响，在近距离时探测精度高，并可以根据电磁场的异常来判断海缆的故障点，可以作为主要的海缆探测手段；光学探测的优点是在海水清澈情况下可以进行细致的探测，采集到的视频图像也有利于后期的故障分析，可以作为磁学探测的重要补充。

(2)本发明组合了前置磁力仪检测交变磁场和一对侧翼磁力仪检测差分信号两种不同的方式，通过信息融合并结合AUV自身的导航系统，得到AUV相对于海缆的位置和方位，为AUV沿着海缆巡检提供导引。采用的前置磁力仪主要测量交变磁场，用于在海缆通电时更好的进行海缆检测。两翼布置的侧翼磁力仪则通过对一对侧翼磁力仪检测的信号作差分处理，保留下表征AUV相对于海缆位置的差分分量。

(3)基于框架式的支撑骨架结构，整体便于安装和拆卸。同时主要的零部件全部由骨架承重，在骨架的基础上采用的蒙皮壳体的设计，可以将外壳做的尽可能的薄。

(4)电池舱采用滑轨布置，可以更加方便的调整重心，同时在配平等方面，也会更加方便。

(5)采用拼接式设计，中舱是一个载荷舱的设计，可以根据任务需要灵活的更换和增加不同的载荷。

(6)天线的导流罩采用的直接拆卸式结构，安装方便，预留的充电孔也集成在导流罩下侧，在需要充电的时候只需要将固定导流罩的螺钉拆卸下来，即可进行充电，不需要整体的拆卸。

(7)后舱布置的双推进器，使得AUV操纵灵活；本发明采用了扁平式纺锤状的外壳设计，扁纺锤形状的横向水阻力小，使得AUV可以灵活转向，该外壳形状还有利于有效利用AUV内部的空间；同时后置的舵板使得姿态和深度调节更加灵活。所有这些特征使得本发明的AUV更适合应用于海缆巡检。

(8)基于壳体内部的槽口构造，浮力材料放置于内部，固定于内部，方便配重，在不影响AUV整体美观和流线型的基础上，可以采用经济性更好的标准浮力块以降低成本，同时内部浮力块的数量可以灵活增减。

(9)中舱布置的浮力调节装置，通过控制浮力调节舱排出和吸入水的体积来控制整体AUV浮力的大小，从而进行沉底的控制。通过浮力调节装置，可以精确的控制整体在水中的浮力，可以更加灵活的控制AUV，并且可以通过浮力调节增加净重实现AUV的沉底。

(10)起落架的设计为AUV实现沉底作业提供了有益帮助。AUV正常巡缆工作时，将起落架收入舱内，减少起落架对整体水动力性能的不良影响。在需要沉底作业时，展开起落架，并结合浮力调节装置和自身的航行系统的作用，实现AUV在需要作业的位置附近沉底，如果必要的话，可以在沉底的基础上结合AUV推进系统进行位置的精细调节。此外，在陆地上需要对AUV进行搬运转移时，起落架也是非常好的辅助装置，不需要专门的起吊装置就可以进行AUV的转移。

(11)中舱设计的机械手结构，在通过浮力调节装置调节浮力使AUV沉底且放下起落架完成坐底任务后，可以通过控制机械手的动作，完成海缆的破损标记、简单的维护和故障修复等一系列作业，实现巡检和作业一体化。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

图3是本发明的侧视的结构示意图。

图4是本发明的后视结构示意图。

图5是本发明的前舱和中舱内部结构示意图。

图6是本发明的后舱内部结构示意图。

图7是本发明的浮力调节装置的结构示意图。

图8是本发明的机械手的结构示意图。

图9是本发明的起落架结构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

相关术语

AUV：自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)

ROV：Remotely Operated Vehicle

UUV：无人水下航行器Unmanned Underwater Vehicle

POM：聚甲醛树脂

参见图1-9，本实施例提供了一种适用于海缆巡检的AUV，包括扁平状的外壳1，所述外壳1内设有前舱8、中舱7、后舱6；所述前舱8、中舱7、后舱6内均设置有框架式的支撑骨架；所述支撑骨架固定在外壳1底部上，所述前舱8的支撑骨架通过中舱7的支撑骨架与后舱6的支撑骨架连接或直接与后舱6的支撑骨架连接。本发明采用在不同舱体内设置框架式支撑骨架，可以将调试过程中不经常使用的零部件，例如摄像头，水下照明灯，侧扫声纳等放置中舱的支撑骨架中，在调试过程中，单单使用后舱及前舱就可以组装起来下水进行调试，方便调试，同时对于可能出现的后期修改问题，也提供了一个较为方便有效的方案，并不用对于整体AUV的构造进行修改，大大减少了设计生产中产生的成本，由于是框架式的骨架结构，对于出现的安装问题，也可以通过修改单独的骨架来进行修改设计产生的误差，大大减少了试错的成本。

本实施例所述前舱8内的支撑骨架上安装有密封设置的组合磁力仪系统、多普勒测速仪和离底高度计，所述前舱8内的支撑骨架上对称设置有用于AUV的上浮下沉的前垂直推进器5，所述前垂直推进器5与外部水流连通。

所述前舱8包括主舱体和对称设置在主舱体两侧的侧舱体，所述组合磁力仪系统包括一个前置磁力仪11和一对分别布置在两侧的侧翼磁力仪15，所述前置磁力仪11通过固定卡箍12固定在主舱体内的支撑骨架14和主舱体的底部上并与AUV的轴线平行设置，两个侧翼磁力仪15通过固定卡箍分别固定安装在相应的侧舱体内并均与AUV的轴线垂直设置；所述前置磁力仪11和侧翼磁力仪15外均设置有密封舱。为减少AUV自身对磁力仪带来的磁干扰，前置磁力仪11和一对侧翼磁力仪15布置在尽量远离电子舱和其他干扰源的位置。本发明通过一个前置磁力仪11和两个侧翼磁力仪15形成的组合磁力仪系统，可以确定AUV相对于海缆的位置，为AUV沿着海缆巡检提供导引信号。其中，前置磁力仪11优选三轴感应线圈式的传感器或高灵敏度磁通门传感器。海缆可视为无限长直导线模型，根据电磁场理论和电磁波传播规律，长直导线中通过交流电流时，在其周围会产生交变电磁场并向外传播。海缆周围某点的磁感应强度与海缆的垂直距离成反比，方向与导线横截面相垂直。磁力线为以该长直导线为圆心的同心圆，方向由安培右手定则确定。前置磁力仪11通过检测海缆周围交变磁场的三轴分量，可以推算出AUV相对于海缆轴心的方位，同时结合AUV导航系统得到的航行距离，可以推算出AUV相对于海缆的距离。这些信号为AUV沿着海缆巡检提供导引。前置磁力仪11若选用三轴感应线圈式的传感器，因为感应线圈可以感应海缆通交流电后的交变磁场，而地磁场和其他静态干扰磁场则不被感应，这样可以大大提高前置磁力仪检测到信号的信噪比。前置磁力仪11若选用高灵敏度磁通门传感器，则需要针对海缆交流电的频率设计高通滤波器，将输入信号中的静态磁场滤除，保留海缆产生的交变磁场信号。与前置磁力仪11主要检测海缆产生的交变磁场不同，一对侧翼磁力仪15检测的信号则包含了海缆产生的交变磁场和静态地磁场。通过对一对侧翼磁力仪15检测的信号作差分处理，相同的静态地磁场分量被自动减掉，保留下表征AUV相对于海缆位置的差分分量。该信号同样可以为AUV沿着海缆巡检提供导引。为了提高海缆的定位精度，两个侧翼磁力仪15之间的距离应尽量大。本发明组合了前置磁力仪11检测交变磁场和一对侧翼磁力仪15检测差分信号两种不同的方式，通过信息融合并结合AUV自身的导航系统，得到AUV相对于海缆的位置和方位，为AUV沿着海缆巡检提供导引。本实施例前置磁力仪11以及数据采集模块被一起封装到一个密封舱中，密封舱的后端通过插盘固定到支撑骨架14上面，密封舱的前端通过固定卡箍12固定在前舱下方的壳体上面。而位于两侧壳体上面直接通过固定卡箍固定了两个封装好侧翼磁力仪15的密封舱。所述前舱8和前舱8内的支撑骨架14均采用POM材料制成。POM材料强度高、加工性好、吸湿性小，而且属于非金属无磁材料对磁力仪干扰小，能够避免AUV本体对于磁力仪的干扰。

本实施例所述后舱6和中舱7的支撑骨架均包括若干块支撑板和若干根连接梁，所述后舱6和中舱7的支撑板均通过相应的连接梁固定在一起，所述后舱6的支撑骨架和中舱7的支撑骨架之间通过相邻支撑板固定连接，所述前舱8的支撑骨架与中舱7的支撑板或后舱6的支撑板固定连接。具体的在每一块支撑板上的两侧都留下四个M4的螺纹孔，用于支撑板16与连接板之间的连接。且在支撑板16的下侧也都留下四个M4的螺纹孔，用于连接支撑板和连接板，通过连接板和壳体的连接将壳体真正和骨架连接起来。放置于后舱6的三块支撑板通过螺钉来对连接板和十二根竖梁进行连接，进而使后舱6上面的三块支撑板连接成一个整体的支撑骨架。放置于中舱7的两块支撑板在两侧和底部留的孔位均保持一致，中舱7的两块支撑板同样也是先和连接板连接到一起，再用八根竖梁连接连接板，使得中舱两块支撑板固定一起形成一个支撑骨架。中舱7和后舱6的支撑骨架的连接是两块支撑板直接贴合起来，通过贯穿在相同位置的五个孔位，通过螺钉连接通孔和螺纹孔，同时在侧面和底部用整块的连接板将这两块支撑板连接成一体。其中三块支撑板的顶部两侧设有吊环螺母29，所述吊环螺母29凸出外壳1设置。

本实施例所述中舱7内的支撑骨架上固定有摄像模组、水下灯以及声通信机19；所述中舱7的两侧均安装有角度可调整的侧扫声纳换能器。具体的，中舱7的支撑骨架的下方竖梁之间放置几根横梁，用来放置侧扫声纳的电子单元密封圈，以及摄像模组和水下灯。中舱的两侧侧扫声呐换能器通过转接件固定在中舱的支撑板上，且针对换能器的布置角度，转接件设计的可调节角度，方便后面安装的角度调整。所述中舱7的支撑骨架上固定有能伸出AUV底部进行作业的机械手30；所述中舱7的支撑骨架上安装有控制AUV浮力的浮力调节装置31。

本实施例所述浮力调节装置31包括浮力调节舱311和直线驱动模组312，所述浮力调节舱311内设置有可以往复运动的活塞，活塞的一侧跟直线驱动模组312组成不透水的耐压密封空间，活塞的另一侧是透水的。所述直线驱动模组312内设有一个推杆与活塞连接，直线驱动模组312通过推杆的直线往复运动带动活塞跟随往复运动，从而改变浮力调节舱311内的进水体积，进而实现AUV浮力的调节。所述直线驱动模组312与电子控制系统通信连接。通过浮力调节装置31，可以精确的控制AUV在水中的浮力，这样AUV在下水前只需要进行粗略的配重，下水后可以根据水的密度变化自动调整自身浮力，进而保持适合AUV航行的最佳净重。此外，通过浮力调节装置31可以增加净重，进而实现AUV的沉底。为了尽量避免浮力调节引起AUV的重心发生变化，浮力调节舱311靠近AUV的浮心位置布置。根据需要，也可以在AUV的艏部和艉部分别布置一个浮力调节装置31，这样还可以通过浮力调节进行AUV的姿态调节。

本实施例所述机械手30包括铰接在一起的第一支架301和第二支架302，所述第一支架301的近端与转盘304铰接，所述转盘304铰接在中舱7的支撑骨架上，所述第二支架302的外端铰接有机器抓手308，所述转盘304上安装有带动其旋转的旋转电机303和调整第一支架301与转盘304铰接角度的第一角度电机305，所述第一支架301上安装有调整第一支架301与第二支架302铰接角度的第二角度电机306，所述机器抓手308上安装带其动作的控制电机307，所述旋转电机303、第一角度电机305、第二角度电机306、控制电机307均与电子控制系统通讯连接。本发明在中舱加装的机械手可以通过控制这四个电机控制机械手动作，从而进行海缆的破损标记、简单的维护和故障修复等作业。

本实施例所述后舱6内的支撑骨架上安装有密封设置的电子舱9，所述电子舱9内置有控制推进器和舵机动作的电子控制系统，所述电子控制系统与组合磁力仪系统、多普勒测速仪、离底高度计、摄像模组、水下灯、声通信机、侧扫声纳换能器通讯连接，所述电子控制系统通过密封好的天线10与外部通讯连接，所述天线10穿出外壳1设置并在外部罩设有导流罩2；所述电子舱9的两侧安装有密封的电池舱21，所述电池舱21内安装有供电的电池模组；所述后舱6的尾部设置有两块分开设置的舵板24，所述舵板24与控制其上下摆动的舵机22连接，所述后舱6的尾部在两舵板24的外侧均安装有水平设置用于AUV前后推进的直流推进器3，所述后舱6后的支撑骨架上固定有用于辅助AUV的上浮和下潜以及悬停的后垂直推进器4，所述后垂直推进器4与外部水流连通；所述后舱6的尾部与其内支撑骨架之间通过尾部拉伸件连接。本实施例的前后五个推进器包括舵机的控制指令都由放置在后舱骨架上的电子舱发出。电子舱为耐压密封舱，内置电子控制系统。所述电子舱侧面在天线后侧位置开有若干个螺纹孔，分别用于安装水密连接器、气密测试嘴和水下防水开关。所述水密连接器用于给AUV的电池充电；所述气密测试嘴在AUV下水前连接真空泵用于测试AUV电子舱的密封性，测试完毕后用专用堵头堵上密封；所述水下防水开关用于电子舱内电路的通断。由于水下防水开关过流能力有限，本发明通过防水开关先控制继电器的输入端，再由继电器来控制电子舱内的其他负载。作为候选方案，本发明中水下防水开关也可以用非接触式的双稳磁开关来代替，这样只需要在腔体外部靠近双稳磁开关的位置用磁铁来控制通断，而不需要在电子舱侧面开安装水下防水开关的孔。所述天线外部设有流线型的导流罩，导流罩还将天线后侧的水密连接器、气密测试嘴和水下防水开关都罩在内，尽量减少这些突出附件对AUV水动力的影响。天线的导流罩采用螺钉固定，方便拆装。所述电子舱的前后端盖设有不同规格的水密接插件，用于与外部设备的水密连接。

本实施例所述舵机22的输出轴依次通过传动短轴、挠性联轴器、传动长轴、小锥齿轮、大锥齿轮与舵板24连接，所述舵板24通过陶瓷轴承可转动的嵌装在后舱尾部，所述传动短轴和传动长轴上均通过陶瓷轴承可旋转地安装于法兰盘式的轴承座内，所述轴承座固定在后舱内的凸台上。本发明所述舵板24的上下摆动通过舵机22的旋转经过传动短轴、挠性联轴器、传动长轴、小锥齿轮、安装在舵板24上大锥齿轮23进行传动。尾部的直流推进器3直接嵌入后舱6的外壳上，并且通过螺栓螺母连接起来。舵板24先套上两块陶瓷轴承嵌入后舱6留好的空处，再通过紧固件将轴承连接起来。

本实施例整体电源的提供由放置在电子舱9两侧的电池舱21提供，选择能够满足电压电流和续航要求的电池模组，封装至密封舱中成为电池舱。所述电池舱21安装于滑轨上，所述滑轨架设在后舱的支撑骨架的下部贴近舱底设置。本发明电池舱的放置采用滑轨式布置，滑轨放置于整体中心之下，贴近舱底，降低AUV整体的重心，增大稳心高，提高AUV的稳定性，同时滑轨式设计，还有一个优点是便于后期的配重和重心的轴向调节。电池舱21的两侧端盖分别开了八个螺纹孔，用来连接与滑轨之间的转接件。同时滑轨上预留多个螺纹孔，方便电池舱的轴向位置调节以及固定。

本实施例所述尾部拉伸件包括一伸直杆25和斜拉杆26，所述伸直杆25的一端通过L型转接件27与后舱6内支撑骨架的支撑板固定连接，其另一端与后舱尾部的凸台固定连接，所述斜拉杆26的一端铰接在伸直杆25的中部，其另一端通过T型转接件28与后舱6内支撑骨架的支撑板连接。本发明由于推进器等的质量过重，单单靠外壳承重受力容易造成应力集中，对整体造成破损，由此设置尾部拉伸件。伸直杆、斜拉杆与支撑骨架的支撑板形成一个三角形，能够稳定的支撑住后舱嵌入的推进器，支撑住大部分重量，可以进一步减少后舱壳体的厚度，减少成本。

本实施例所述外壳1底部的前后左右设置有4个起落架结构32，所述起落架结构32包括与外壳1底部固定的固定件321，所述固定件321的一端安装有通过直线驱动组件带动打开或收起的起落架322，所述起落架322的端部安装有可滚动的轮子323，所述起落架322的端部通过可展开提供支撑力的支撑架324与固定件321的另一端连接，所述固定件321的下部为容纳起落架322的容纳槽。本发明为了避免AUV沉底对于外壳1的损坏，也为机械手作业留出施展空间，设计了专门用于沉底的起落架结构。在需要沉底作业时，打开起落架，并结合浮力调节装置和自身的航行系统的作用，实现AUV在需要作业的位置附近沉底，如果必要的话，可以在沉底的基础上结合AUV推进系统进行位置的精细调节。在正常巡航时，将起落架322收入容纳舱内，避免影响AUV的水动力性能。此外，在陆地上需要对AUV进行搬运转移时，起落架也是非常好的辅助装置，不需要专门的起吊装置就可以进行AUV的转移。

本实施例所述外壳1的上下面在垂直推进器的投影位置均开设通孔，形成推进槽道，使得垂直推进器能更好与外部水流连通，提高推进效率。

在便于安装以及调整的方面，AUV内部的零部件的安装固定可以在下半部分安装完成并固定，最后盖上上部外壳，方便拆装和固定，也方便内部的布置和安装。

为增高AUV的稳定性，浮力材料在AUV的上半部分布置以增加稳心高。常规的AUV设计中，外壳采用浮力材料定制加工而成。这种方法虽然可以保证壳体的美观和水动力性能，但是浮力材料定制加工良品率低，导致加工成本较高。在本发明中，外壳的上表面内侧设有加强筋用于增加强度，且在加强筋上设有许多孔位，用于内部标准浮力块的固定。这样在不影响AUV整体美观和流线型的基础上，可以采用经济性更好的标准浮力块以降低成本，同时内部浮力块的数量可以灵活增减。本实施例外壳采用的3D打印，所以外壳的设计并不需要采用传统的圆柱形。本实施例外壳采用扁平形状，扁平的布置能够更好的利用舱内的空间，使得AUV内部空间较为有效的利用。本发明通过在不同支撑骨架上面的孔位和留的螺纹孔，可以更方便的布置零部件。

本发明采用了扁平式纺锤状的外壳设计，扁纺锤形状的横向水阻力小，使得AUV可以灵活转向，是比较适合海缆巡检的AUV形状。此外，该外壳形状有利于有效利用AUV内部的空间，同时采用了框架式结构，主要的零部件全部由骨架承重，在骨架的基础上采用的蒙皮壳体的设计，可以将外壳做的尽可能的薄。进一步，浮力材料也放置于内部，固定于内部，方便配重，在不影响AUV整体美观和流线型的基础上，可以采用经济性更好的标准浮力块以降低成本，同时内部浮力块的数量可以灵活增减。

本发明所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV沉底作业方法，具体步骤如下：

步骤1，AUV在海缆巡检过程中发现需要疑似故障点或者需要维护的点，AUV减速，并通过在该点附近盘旋或者Z字形扫描的方式，确认该点是否需要沉底作业。如果不是，AUV继续向前巡检；如果确认该点是沉底作业点，则进入步骤2。

步骤2，调节AUV沿着海缆并朝沉底作业点方向航行，并随着离沉底作业点的距离越来越近，AUV的速度也越来越低，当AUV到达沉底作业点上方时，AUV的浮力调节装置开始工作，使系统净重增加，AUV开始降落。必要的时候垂直推进器也可以用来调节降落的进程快慢。

步骤3，在AUV距离海底距离为起落架高度的2倍到4倍范围时，展开起落架，使AUV平稳在海底降落。

步骤4，AUV在后舱布置的两个推进器的作用下沿着海底进行小范围移动，精确调整AUV与沉底作业点的位置。如果海底淤泥或者泥沙影响AUV的平移，这时候可以调节浮力，使AUV略微浮起，并结合AUV尾部推进器和垂直推进器的作用，进行AUV的小范围移动，直到AUV到达沉底作业点。

步骤5，AUV伸出机械手开始作业，必要的时候按照步骤4的方法继续调节AUV的位置，直到作业顺利完成。

步骤6，收回机械手，调节系统浮力和垂直推进器使AUV上浮。在上浮的过程中，通过控制尾部推进器使AUV沿着海缆巡检的方向继续航行。在探测到AUV距离海底距离超过起落架高度的3倍时，快速收回并展开起落架3次，以将起落架上可能带有的泥沙去除。最后收回起落架，AUV继续海缆巡检的任务。

本发明组合声、光、磁多种探测手段进行海缆的探测和巡检，可以结合各种手段的优点进行互补。比如声学探测的优点是探测距离远，可以在远距离时进行大范围的巡缆；磁学探测的优点是不受海水浊度影响，在近距离时探测精度高，并可以根据电磁场的异常来判断海缆的故障点，可以作为主要的海缆探测手段；光学探测的优点是在海水清澈情况下可以进行细致的探测，采集到的视频图像也有利于后期的故障分析，可以作为磁学探测的重要补充。

本发明组合了前置磁力仪检测交变磁场和一对侧翼磁力仪检测差分信号两种不同的方式，通过信息融合并结合AUV自身的导航系统，得到AUV相对于海缆的位置和方位，为AUV沿着海缆巡检提供导引。采用的前置磁力仪主要测量交变磁场，用于在海缆通电时更好的进行海缆检测。两翼布置的侧翼磁力仪则通过对一对侧翼磁力仪检测的信号作差分处理，保留下表征AUV相对于海缆位置的差分分量。

本发明电池舱采用滑轨布置，可以更加方便的调整重心，同时在配平等方面，也会更加方便。采用拼接式设计，中舱是一个载荷舱的设计，可以根据任务需要灵活的更换和增加不同的载荷。天线的导流罩采用的直接拆卸式结构，安装方便，预留的充电孔也集成在导流罩下侧，在需要充电的时候只需要将固定导流罩的螺钉拆卸下来，即可进行充电，不需要整体的拆卸。后舱布置的双推进器使得AUV操纵灵活；采用了扁平式纺锤状的外壳设计，扁纺锤形状的横向水阻力小，使得AUV可以灵活转向；同时后置的舵板使得姿态和深度调节更加灵活。所有这些特征使得本发明的AUV更适合应用于海缆巡检。基于壳体内部的槽口构造，浮力材料放置于内部，固定于内部，方便配重，在不影响AUV整体美观和流线型的基础上，可以采用经济性更好的标准浮力块以降低成本，同时内部浮力块的数量可以灵活增减。中舱布置的浮力调节装置，通过控制浮力调节舱排出和吸入水的体积来控制整体AUV浮力的大小，从而进行沉底的控制。通过浮力调节装置，可以精确的控制整体在水中的浮力，可以更加灵活的控制AUV，并且可以通过浮力调节增加净重实现AUV的沉底。起落架的设计为AUV实现沉底作业提供了有益帮助。AUV正常巡缆工作时，将起落架收入舱内，减少起落架对整体水动力性能的不良影响。在需要沉底作业时，展开起落架，并结合浮力调节装置和自身的航行系统的作用，实现AUV在需要作业的位置附近沉底，如果必要的话，可以在沉底的基础上结合AUV推进系统进行位置的精细调节。此外，在陆地上需要对AUV进行搬运转移时，起落架也是非常好的辅助装置，不需要专门的起吊装置就可以进行AUV的转移。中舱设计的机械手结构，在通过浮力调节装置调节浮力使AUV沉底且放下起落架完成坐底任务后，可以通过控制机械手的动作，完成海缆的破损标记、简单的维护和故障修复等一系列作业，实现巡检和作业一体化。

Claims (10)

1.一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：包括扁平状的外壳，所述外壳内设有前舱、中舱、后舱；所述前舱、中舱、后舱内均设置有框架式的支撑骨架；所述支撑骨架固定在外壳底部上，所述前舱的支撑骨架通过中舱的支撑骨架与后舱的支撑骨架连接或直接与后舱的支撑骨架连接；

所述前舱内的支撑骨架上安装有密封设置的组合磁力仪系统、多普勒测速仪和离底高度计，所述前舱内的支撑骨架上对称设置有用于AUV的上浮下沉的前垂直推进器，所述前垂直推进器与外部水流连通；

所述中舱内的支撑骨架上固定有摄像模组、水下灯以及声通信机；所述中舱的两侧均安装有角度可调整的侧扫声纳换能器；所述中舱的支撑骨架上固定有能伸出AUV底部进行作业的机械手；所述中舱的支撑骨架上安装有控制AUV浮力的浮力调节装置；

所述后舱内的支撑骨架上安装有密封设置的电子舱，所述电子舱内置有控制推进器和舵机动作的电子控制系统，所述电子控制系统与组合磁力仪系统、多普勒测速仪、离底高度计、摄像模组、水下灯、声通信机、侧扫声纳换能器通讯连接，所述电子控制系统通过密封好的天线与外部通讯连接，所述天线穿出外壳设置并在外部罩设有导流罩；所述电子舱的两侧安装有密封的电池舱，所述电池舱内安装有供电的电池模组；所述后舱的尾部设置有两块分开设置的舵板，所述舵板与控制其上下摆动的舵机连接，所述后舱的尾部在两舵板的外侧均安装有水平设置用于AUV前后推进的直流推进器，所述后舱后安装的支撑骨架上固定有用于辅助AUV的上浮和下潜以及悬停的后垂直推进器，所述后垂直推进器与外部水流连通；所述后舱的尾部与其内支撑骨架之间通过尾部拉伸件连接；

所述外壳的底部安装有用于起落的起落架结构。

2.根据权利要求1所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述后舱和中舱的支撑骨架均包括若干块支撑板和若干根连接梁，所述后舱和中舱的支撑板均通过相应的连接梁固定在一起，所述后舱的支撑骨架和中舱的支撑骨架之间通过相邻支撑板固定连接，所述前舱的支撑骨架与中舱的支撑板或后舱的支撑板固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述前舱包括主舱体和对称设置在主舱体两侧的侧舱体，所述组合磁力仪系统包括一个前置磁力仪和一对分别布置在两侧的侧翼磁力仪，所述前置磁力仪通过固定卡箍固定在主舱体内的支撑骨架和主舱体的底部上并与AUV的轴线平行设置，两个侧翼磁力仪通过固定卡箍分别固定安装在相应的侧舱体内并均与AUV的轴线垂直设置；所述前置磁力仪和侧翼磁力仪外均设置有密封舱。

4.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述舵机的输出轴依次通过传动短轴、挠性联轴器、传动长轴、小锥齿轮、大锥齿轮与舵板连接，所述舵板通过陶瓷轴承可转动的嵌装在后舱尾部，所述传动短轴和传动长轴上均通过陶瓷轴承可旋转地安装于法兰盘式的轴承座内，所述轴承座固定在后舱内的凸台上。

5.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述电池舱安装于滑轨上，所述滑轨架设在后舱的支撑骨架的下部贴近舱底设置。

6.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述尾部拉伸件包括一伸直杆和斜拉杆，所述伸直杆的一端通过L型转接件与后舱内支撑骨架的支撑板固定连接，其另一端与后舱尾部的凸台固定连接，所述斜拉杆的一端铰接在伸直杆的中部，其另一端通过T型转接件与后舱内支撑骨架的支撑板连接。

7.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述浮力调节装置包括浮力调节舱和直线驱动模组，所述浮力调节舱内设置有可以往复运动的活塞，所述活塞的一侧跟直线驱动模组组成不透水的耐压密封空间，活塞的另一侧是透水的；所述直线驱动模组内设有一个与活塞连接的推杆，所述直线驱动模组通过推杆的直线往复运动带动活塞跟随往复运动，从而改变浮力调节舱内的进水体积，进而实现AUV浮力的调节；所述直线驱动模组与电子控制系统通信连接。

8.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述机械手包括铰接在一起的第一支架和第二支架，所述第一支架的近端与转盘铰接，所述转盘铰接在中舱的支撑骨架上，所述第二支架的外端铰接有机器抓手，所述转盘上安装有带动其旋转的旋转电机和调整第一支架与转盘铰接角度的第一角度电机，所述第一支架上安装有调整第一支架与第二支架铰接角度的第二角度电机，所述机器抓手上安装带其动作的控制电机，所述旋转电机、第一角度电机、第二角度电机、控制电机均与电子控制系统通讯连接。

9.根据权利要求1或2所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV，其特征在于：所述外壳底部的前后左右设置有4个起落架结构，所述起落架结构包括与外壳底部固定的固定件，所述固定件的一端安装有通过直线驱动组件带动打开或收起的起落架，所述起落架的端部安装有可滚动的轮子，所述起落架的端部通过可展开提供支撑力的支撑架与固定件的另一端连接，所述固定件的下部为容纳起落架的容纳槽。

10.根据权利要求1所述的一种可沉底作业的海缆巡检AUV的沉底作业方法，其具体步骤如下：

步骤1，AUV在海缆巡检过程中发现需要疑似故障点或者需要维护的点，AUV减速，并通过在该点附近盘旋或者Z字形扫描的方式，确认该点是否需要沉底作业；如果不是，AUV继续向前巡检；如果确认该点是沉底作业点，则进入步骤2；

步骤2，调节AUV沿着海缆并朝沉底作业点方向航行，并随着离沉底作业点的距离越来越近，AUV的速度也越来越低，当AUV到达沉底作业点上方时，AUV的浮力调节装置开始工作，使系统净重增加，AUV开始降落；

步骤3，在AUV距离海底距离为起落架高度的2倍到4倍范围时，展开起落架，使AUV平稳在海底降落；

步骤4，AUV在后舱布置的两个推进器的作用下沿着海底进行小范围移动，精确调整AUV与沉底作业点的位置；如果海底淤泥或者泥沙影响AUV的平移，调节浮力，使AUV略微浮起，并结合AUV尾部推进器和垂直推进器的作用，进行AUV的小范围移动，直到AUV到达沉底作业点；

步骤5，AUV伸出机械手开始作业，可按照步骤4的方法继续调节AUV的位置，直到作业顺利完成；

步骤6，收回机械手，调节系统浮力和垂直推进器使AUV上浮；在上浮的过程中，通过控制尾部推进器使AUV沿着海缆巡检的方向继续航行；在探测到AUV距离海底距离超过起落架高度的3倍时，快速收回并展开起落架3次，以将起落架上可能带有的泥沙去除；最后收回起落架，AUV继续海缆巡检的任务。

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