CN114228961B - 一种水下主动对接机器人及对接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下主动对接机器人及对接方法，水下主动对接机器人包括对接机器人本体、观察模块、脐带电缆以及对接接口模块；对接机器人本体通过脐带电缆与母船连接，观察模块可分离连接在对接机器人本体上；对接接口模块分别设置在对接机器人本体底部和AUV背部，用于实现对接机器人本体底部和AUV的对接及通信；对接机器人本体根据观察模块观测到的对接接口模块的位姿，调整自身姿态，与AUV侧的对接接口模块进行对接。本发明能够与AUV进行对接，实现无线充电、数据通信功能，并在AUV发生故障时对其进行有效救援或回收。

Description

一种水下主动对接机器人及对接方法

技术领域

本发明涉及船舶海洋工程深远海技术领域，具体涉及一种水下主动对接机器人及对接方法。

背景技术

随着社会不断发展进步，“人口、环境与资源”的矛盾日益激烈，人类把生存和发展的目光投向占地球3/4面积的海洋。近年来世界各国对海洋的研究不断深入，研究的热点也从浅海转向深海。无人自主水下潜器(AUV)，因其具有大潜深、大范围机动、电源独立、不受脐带缆约束的优点，广泛应用于海洋石油开采、海洋救助打捞、水下资源勘探、水下工程建设和军事等领域。但是其携带能源有限，无法和母船进行即时通信等因素的制约又限制了这类装备的进一步应用。

因此解决如何对工作中的AUV进行能源补充、原位更新AUV工作任务序列、及时获取AUV的数据和工作状态、在AUV发生故障时进行有效救援等问题，是进一步拓展AUV应用范围的重要课题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种水下主动对接机器人及对接方法，能够与AUV进行对接，实现无线充电、数据通信功能，并在AUV发生故障时对其进行有效救援或回收。

本发明采用的技术方案如下：

一种水下主动对接机器人，包括对接机器人本体、观察模块、脐带电缆以及对接接口模块；

所述对接机器人本体通过脐带电缆与母船连接，所述观察模块可分离连接在对接机器人本体上；所述对接接口模块分别设置在对接机器人本体底部和AUV背部，用于实现对接机器人本体底部和AUV的对接及通信；

所述对接机器人本体根据观察模块观测到的对接接口模块的位姿，调整自身姿态，与AUV侧的对接接口模块进行对接。

进一步地，所述对接机器人本体包括主体框架、声学定位模块、对接卡爪、卡爪开合控制模块、无线充电模块、光信号收发模块以及推进器；

所述声学定位模块、对接卡爪、卡爪开合控制模块、无线充电模块、光信号收发模块以及推进器均安装在主体框架上；

所述声学定位模块用于对AUV定位；所述对接卡爪用于与AUV侧的对接接口模块卡合；所述卡爪开合控制模块用于控制卡爪开合；所述无线充电模块用于完成对接后对AUV进行充电；所述光信号收发模块用于通过光脉冲信号的收发，实现跨越海水介质的数据传输；所述推进器用于提供对接机器人的机动能力。

进一步地，所述对接机器人本体还包括姿态微调模块。

进一步地，所述姿态微调模块采用内带重物的柱状罐体。

进一步地，所述对接卡爪采用四个卡爪，两两对称分布在主体框架两侧。

进一步地，所述推进器采用两个垂向推进器、两个水平推进器，两个水平推进器关于主体框架的水平轴线对称设置，两个垂向推进器设置在主体框架上部且关于主体框架的垂直轴线对称。

进一步地，所述观察模块通过通讯电缆卷绕在机器人本体中，在对接过程中，以受控的方式释放通讯电缆。

进一步地，所述脐带电缆包括电源线、数据光纤及控制光纤；

母船通过所述电源线给机器人本体内各模块供电，通过控制光纤实现对各模块的控制，完成对接时通过数据光纤与AUV进行通讯。

一种水下主动对接方法，采用上述的对接机器人，该对接方法步骤如下：

步骤一，母船确定AUV的位置和航向，并运动到其路线的下游处；

步骤二，完成所述对接机器人的布放工作，让其在声学定位模块导引的控制下靠近AUV，实现同向而行；

步骤三，释放观察模块，观察对接机器人对接接口模块与AUV侧对接接口模块的位姿，调整对接机器人姿态，此时对接卡爪处于打开状态；通过推进器调整姿态，使对接机器人底部与AUV的对接接口模块相对，所述爪开合控制模块控制卡爪闭合完成锁定，实现与AUV的物理对接；

步骤四，更新AUV任务，利用无线充电模块、光信号收发模块进入充电和通信状态；

步骤五，充电和通信完毕，对接机器人松开卡爪，与AUV分离并回收。

有益效果：

1、本发明能够与AUV进行对接，实现无线充电、数据通信功能，并在AUV发生故障时对其进行有效救援或回收。

其次，本发明的观察模块采用可分离的模块，正常情况下，安装在在机器人本体中，在对接过程中，可以飞离本体提供各个合适的观察角度，更好地引导完成对接动作。

2、本发明的机器人本体还包括姿态微调模块，使得机器人本体侧对接接口模块的姿态更贴近AUV侧对接接口模块的姿态。

3、本发明的机器人本体配置有4个推进器，在海底实现全向运动，能够以可控的方式运动到AUV附近。尤其当AUV故障时，可以完成救援工作。

附图说明

图1为本发明的应用场景图。

图2为本发明的组成框图。

图3(a)、图3(b)、图3(c)分别为本发明的俯视图、右视图、正视图。

图4为本发明的AUV侧对接接口模块示意图。

图5为本发明对接机器人本体和AUV上的对接接口模块示意图。

其中，1-对接机器人，2-AUV侧的对接接口模块，3-观察模块，4-AUV本体，5-脐带电缆，6-母船，7-对接卡爪，8-推进器，9-对接机器人本体侧的对接接口模块，10-电子舱，11-姿态微调模块，12-无线充电模块Ⅰ，13-光信号收发模块Ⅰ。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种水下主动对接机器人，该对接机器人1包括对接机器人本体、观察模块3、脐带电缆5以及对接接口模块。

如图1所示，对接机器人本体通过脐带电缆5与母船6连接，观察模块3可分离连接在对接机器人本体上，观察模块3为具备水下机动能力的摄像系统，通过通讯电缆卷绕在机器人本体中，在对接过程中，以受控的方式释放通讯电缆，用于提供AUV对接接口和对接机器人相对位置的实时图像，指导通过手动或自动进行对接操作。对接接口模块分别设置在对接机器人本体底部和AUV本体4背部，用于实现对接机器人本体底部和AUV的对接及通信。

对接机器人本体根据观察模块3观测到的对接接口模块的位姿，调整自身姿态，与AUV侧的对接接口模块进行对接。

如图2所示，A部分为对接机器人本体，B部分为AUV侧对接接口模块。对接机器人本体包括主体框架、声学定位模块、姿态微调模块11、对接卡爪7、电子舱10、无线充电模块Ⅰ12、光信号收发模块Ⅰ13以及推进器8。无线充电模块Ⅰ12、光信号收发模块Ⅰ13为对接机器人本体侧的对接接口模块9。

声学定位模块、姿态微调模块11、对接卡爪7、电子舱10、无线充电模块Ⅰ12、光信号收发模块Ⅰ13以及推进器8均安装在主体框架上。

声学定位模块用于对AUV定位；姿态微调模块11采用内带重物的柱状罐体，柱状罐体内的丝杠上套装重物，通过移动柱状罐体内的重物，改变对接机器人本体的重心，在对接时对对接机器人1姿态进行微调；对接卡爪7用于与AUV侧的对接接口模块2卡合，对接卡爪7采用四个卡爪，两两对称分布在主体框架两侧；电子舱10内部布置了控制器，用于控制对接卡爪7开合、控制姿态微调模块11作动；无线充电模块Ⅰ12、光信号收发模块Ⅰ13设置在对接机器人1的底部。无线充电模块Ⅰ12用于完成对接后对AUV进行充电；光信号收发模块Ⅰ13将新的任务和指令转换为光脉冲信号，通过对接机器人与AUV侧的对接接口之间的狭窄海水缝隙，由AUV侧光信号收发模块Ⅱ接收，实现任务指令下载，同时AUV可将存储的视频和收集的数据通过这条信道传输到母船；推进器8用于提供对接机器人1的机动能力，推进器8采用两个垂向推进器、两个水平推进器，如图3(a)、图3(b)、图3(c)所示，本实施例中，对接机器人1的主体框架为长方体框架，两个水平推进器关于主体框架的长度方向轴线对称设置以实现水平方向的前后运动，两个垂向推进器设置在主体框架上部且关于主体框架的高度方向轴线对称以实现机器人的上下运动。

脐带电缆5是连接对接机器人1的承力电缆，包括电源线、数据光纤及控制光纤；用于对接机器人1完成与AUV对接后，对其进行充电和通信，并在需要的时候将AUV提起回收。母船6通过电源线给机器人本体内各模块供电，通过控制光纤实现对各模块的控制，完成对接时通过数据光纤与AUV进行通讯。

如图4所示，位于AUV侧的对接接口模块2是预先安装在AUV背部的与对接机器人1配合的接口模块，包括具备可承载AUV重量的承力构件和位于其上的无线充电模块Ⅱ和光信号收发模块Ⅱ；其中承力构件与对接机器人1的对接卡爪7卡合，实现AUV回收；如图5所示，无线充电模块Ⅱ和光信号收发模块Ⅱ与对接机器人1侧的无线充电模块Ⅰ12、光信号收发模块Ⅰ13对接，当对接卡爪7卡合闭锁时，实现对AUV的无线充电和通信。

为实现与AUV的海底对接，对接机器人1的对接方法步骤如下：

步骤一，母船6通过声学定位，确定AUV的位置和航向，并运动到其路线的下游处；

步骤二，完成对接机器人1的布放工作，让其在声学定位模块导引的控制下靠近AUV，实现同向而行；

步骤三，释放通讯电缆，使观察模块3从对接机器人本体中飞离，将AUV侧的对接接口模块2和对接机器人1相对位置的实时图像传递给母船6，观察与AUV侧的对接接口模块2的位姿，对接机器人自动调整对接机器人1姿态(或通过母船操作员辅助调整其姿态)，此时对接卡爪7处于打开状态；通过姿态微调模块11和推进器8调整姿态，使对接机器人1底部与AUV的对接接口模块相对，爪开合控制模块控制的对接卡爪7闭合完成锁定，实现与AUV的物理对接；

步骤四，更新AUV任务，利用无线充电模块Ⅰ12、无线充电模块Ⅱ、光信号收发模块Ⅰ13、光信号收发模块Ⅱ进入充电和通信状态；

步骤五，充电和通信完毕，对接机器人1松开对接卡爪7，与AUV分离并回收。AUV延时启动新的任务序列。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水下主动对接机器人，其特征在于，包括对接机器人本体、观察模块、脐带电缆以及对接接口模块；

所述对接机器人本体通过脐带电缆与母船连接，所述脐带电缆包括电源线、数据光纤及控制光纤；母船通过所述电源线给机器人本体内各模块供电，通过控制光纤实现对各模块的控制，完成对接时通过数据光纤与AUV进行通讯；对接机器人完成与AUV对接后，在需要的时候通过脐带电缆将AUV提起回收；

所述观察模块可分离连接在对接机器人本体上，观察模块为具备水下机动能力的摄像系统，所述观察模块通过通讯电缆卷绕在机器人本体中，在对接过程中，以受控的方式释放通讯电缆；所述对接接口模块分别设置在对接机器人本体底部和AUV背部，用于实现对接机器人本体底部和AUV的对接及通信；

所述对接机器人本体根据观察模块观测到的对接接口模块的位姿，调整自身姿态，与AUV侧的对接接口模块进行对接；

所述对接机器人本体包括主体框架、声学定位模块、姿态微调模块、对接卡爪、卡爪开合控制模块、无线充电模块、光信号收发模块以及推进器；

所述声学定位模块、姿态微调模块、对接卡爪、卡爪开合控制模块、无线充电模块、光信号收发模块以及推进器均安装在主体框架上；

所述声学定位模块用于对AUV定位；所述对接卡爪用于与AUV侧的对接接口模块中的具备可承载AUV重量的承力构件卡合；所述卡爪开合控制模块用于控制卡爪开合；所述无线充电模块用于完成对接后对AUV进行充电；所述光信号收发模块用于通过光脉冲信号的收发，实现跨越海水介质的数据传输；所述推进器用于提供对接机器人的机动能力。

2.如权利要求1所述的水下主动对接机器人，其特征在于，所述姿态微调模块采用内带重物的柱状罐体。

3.如权利要求1所述的水下主动对接机器人，其特征在于，所述对接卡爪采用四个卡爪，两两对称分布在主体框架两侧。

4.如权利要求1所述的水下主动对接机器人，其特征在于，所述推进器采用两个垂向推进器、两个水平推进器，两个水平推进器关于主体框架的水平轴线对称设置，两个垂向推进器设置在主体框架上部且关于主体框架的垂直轴线对称。

5.一种水下主动对接方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的对接机器人，该对接方法步骤如下：

步骤一，母船确定AUV的位置和航向，并运动到其路线的下游处；

步骤二，完成所述对接机器人的布放工作，让其在声学定位模块导引的控制下靠近AUV，实现同向而行；

步骤三，释放观察模块，观察对接机器人对接接口模块与AUV侧对接接口模块的位姿，调整对接机器人姿态，此时对接卡爪处于打开状态；通过推进器粗调整姿态、姿态微调模块微调姿态，使对接机器人底部与AUV的对接接口模块相对，所述爪开合控制模块控制卡爪闭合完成锁定，实现与AUV的物理对接；

步骤四，更新AUV任务，利用无线充电模块、光信号收发模块进入充电和通信状态；

步骤五，充电和通信完毕，对接机器人松开卡爪，与AUV分离并回收。

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