CN114248896A - 一种auv多级防渔网系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于AUV技术领域，具体涉及一种AUV多级防渔网系统及方法。本发明针对AUV提供一种多级防渔网系统，包括控制与检测单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元和保护鳍单元。针对现有的防渔网方法可能出现水下激光扫描单元检测渔网失败、螺旋桨切割刀切割渔网失败等情况，建立对应的流程处理方法。一旦AUV在航行过程中遇到渔网缠绕，可根据AUV控制与检测单元接收到的报警信息判断采取相应的行动进行处理，从很大程度上保证了AUV的航行安全，极大地提高了AUV的机动性能和自主能力。

Description

一种AUV多级防渔网系统及方法
技术领域
本发明属于AUV技术领域，具体涉及一种AUV多级防渔网系统及方法。
背景技术
自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle，AUV)是人类探索海洋的重要工具。它可以广泛应用于海洋调查、资源勘探和军事领域。AUV浅水区近海行驶过程中容易卡住渔网等物体，造成AUV无法再继续前进行驶，需要人潜到水中对缠绕物进行切割，不但存在极高的危险性，同时呼叫救援使用其他船只将卡死船只拖走，费时费力。
目前，AUV的防渔网方法大多数是通过机器视觉检测渔网自主避障，例如文献《Automatic fishing net detection and recognition based on optical gatedviewing for underwater obstacle avoidance》、《Deep Generative Network andRegression Network for Fishing Nets Detection in Real-time》和专利号CN108444447，都采用基于深度学习的目标检测算法对水下图像进行前期处理，使水下检测效果接近于陆地监测效果。然而目前仍存在以下一些问题，使的渔网检测还未取得很好的效果：1，由于水下的光学照明光会发生严重的后向散射现象，使较远距离渔网探测时有失败。2，深度学习目标检测需要大量的数据，而现实世界中没有完整的渔网数据库，渔网的实验数据单一，会导致有监督训练过拟合，鲁棒性较差。另外，例如专利号CN212890865公开的水下常见的螺旋桨防护装置，采用了全闭防护罩，全闭防护罩会导致AUV损失工作效率，而半开防护罩防护效果不如全闭防护罩。本发明在采用半开防护罩的同时采用切割效率高于单切割刀的双切割刀剪切设计，可在尽可能不损失工作效率的同时有效保护螺旋桨安全。
发明内容
本发明的目的在于解决AUV容易被渔网缠绕问题，提供一种AUV多级防渔网系统及方法，保护AUV的航行安全。
一种AUV多级防渔网系统，其特征在于：包括控制与检测单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元、保护鳍单元；
所述控制与检测单元用于AUV的故障检测、逻辑判断和功能控制，在AUV水下运行时，持续检测故障报警系统信号；
所述水下激光扫描单元用于AUV在水下通过目标识别检测渔网，在检测到渔网时，向控制与检测单元单元发出检测渔网报警信息；
所述螺旋桨保护单元用于水下激光扫描单元识别失败的情况下保护螺旋桨安全；螺旋桨保护单元接受启动指令后对螺旋桨周围的渔网、水草杂物进行切割；
所述保护鳍单元包括保护鳍和电磁铁；在AUV的船体两侧开设保护鳍安装槽，一对保护鳍分别安装在AUV船体两侧的保护鳍安装槽中，保护鳍一端通过转轴安装在保护鳍安装槽中，保护鳍主体通过弹簧与保护鳍安装槽壁面连接，保护鳍单元未启用时，保护鳍的另一端被电磁铁吸附；所述保护鳍单元用于AUV被渔网拦截或螺旋桨保护单元失效的情况下保护AUV安全，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁断电，保护鳍一端在弹簧的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
进一步地，所述螺旋桨保护单元包括外仓室、切割电机、定切割刀、动切割刀、保护罩、副转轴；所述外仓室安装在主转轴远离AUV主体的末端，AUV通过主转轴与其尾部的螺旋桨连接；所述切割电机安装于外仓室内；所述副转轴一端与切割电机连接，另一端延伸入主转轴内；所述定切割刀安装在主转轴靠近螺旋桨的内侧；所述动切割刀安装在副转轴延伸入主转轴内的一端外缘面上，且动切割刀安装在定切割刀内侧；所述保护罩为半开式，保护罩固定在AUV主体尾部，包覆在螺旋桨的外围，用于对水中的鱼类杂物进行阻隔，防止其碰撞螺旋桨；
所述螺旋桨保护单元接受启动指令后，启动切割电机，副转轴转动，进而带动动切割刀旋转，通过动切割刀和定切割刀的相对运动对螺旋桨周围的渔网、水草杂物进行切割。
进一步地，所述主转轴内开设有供副转轴安装的槽，且副转轴与主转轴的连接处设置有滚子轴承。
一种AUV多级防渔网方法，包括以下步骤：
步骤1：在AUV在水下运行时，启动水下激光扫描单元，控制与检测单元持续检测故障报警系统信号；
步骤2：控制与检测单元接收水下激光扫描单元的渔网报警信号后，AUV执行自主避障操作；
步骤3：控制与检测单元未接收到水下激光扫描单元的渔网报警信号时，判断是否被渔网拦截；若控制与检测单元判断AUV被渔网拦截，则执行步骤6；否则，执行步骤4；
步骤4：控制与检测单元判断螺旋桨是否被缠绕；若判断螺旋桨被缠绕，则执行步骤5；否则，返回步骤1；
步骤5：控制与检测单元对螺旋桨保护单元发出启动指令，螺旋桨保护单元接受启动指令后对螺旋桨周围的渔网、水草杂物进行切割；控制与检测单元同时检测螺旋桨保护单元是否正常工作，若螺旋桨保护单元未能正常工作，则执行步骤6；否则，在螺旋桨解除缠绕后，返回步骤1；
步骤6：控制与检测单元对保护鳍单元发出启动指令，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁断电，保护鳍一端在弹簧的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
本发明的有益效果在于：
本发明公开了一种AUV多级防渔网系统及方法，针对AUV提供一种多级防渔网系统，包括控制与检测单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元和保护鳍单元；以及配套提供一种对AUV多级防渔网方法。针对现有的防渔网方法可能出现水下激光扫描单元检测渔网失败、螺旋桨切割刀切割渔网失败等情况，建立对应的流程处理方法。一旦AUV在航行过程中遇到渔网缠绕，可根据AUV控制与检测单元接收到的报警信息判断采取相应的行动进行处理，从很大程度上保证了AUV的航行安全，极大地提高了AUV的机动性能和自主能力。
附图说明
图1为本发明中一种AUV多级防渔网系统实际用于AUV时的整体示意图。
图2为本发明中螺旋桨保护单元的示意图。
图3为本发明中保护鳍单元的示意图。
图4为本发明中一种AUV多级防渔网方法的流程图。
图5为判断AUV是否被渔网拦截的流程图。
图6为判断螺旋桨是否被缠绕的流程图。
图7为判断螺旋桨切割刀是否失效的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的在于解决AUV容易被渔网缠绕问题，本发明提出一种AUV多级防渔网结构和方法，在多级的渔网防护措施下，保护AUV的航行安全。
一种AUV多级防渔网系统，包括控制与检测单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元、保护鳍单元；
所述控制与检测单元用于AUV的故障检测、逻辑判断和功能控制，在AUV水下运行时，持续检测故障报警系统信号；
所述水下激光扫描单元用于AUV在水下通过目标识别检测渔网，在检测到渔网时，向控制与检测单元单元发出检测渔网报警信息；
所述螺旋桨保护单元包括外仓室1、切割电机2、定切割刀4、动切割刀5、保护罩6、副转轴7；所述外仓室1安装在主转轴8远离AUV主体的末端，AUV通过主转轴8与其尾部的螺旋桨3连接；所述切割电机2安装于外仓室1内；所述副转轴7一端与切割电机2连接，另一端延伸入主转轴8内；所述定切割刀4安装在主转轴8靠近螺旋桨3的内侧；所述动切割刀5安装在副转轴7延伸入主转轴8内的一端外缘面上，且动切割刀5安装在定切割刀4内侧；所述保护罩6为半开式，保护罩6固定在AUV主体尾部，包覆在螺旋桨3的外围，用于对水中的鱼类杂物进行阻隔，防止其碰撞螺旋桨3；
所述螺旋桨保护单元用于水下激光扫描单元识别失败的情况下保护螺旋桨3安全，螺旋桨保护单元接受启动指令后，启动切割电机2，副转轴7转动，进而带动动切割刀5旋转，通过动切割刀5和定切割刀4的相对运动对螺旋桨3周围的渔网、水草杂物进行切割；
所述保护鳍单元包括保护鳍9和电磁铁11；在AUV的船体两侧开设保护鳍安装槽，一对保护鳍9分别安装在AUV船体两侧的保护鳍安装槽中，保护鳍9一端通过转轴安装在保护鳍安装槽中，保护鳍9主体通过弹簧10与保护鳍安装槽壁面连接，保护鳍单元未启用时，保护鳍9的另一端被电磁铁11吸附；所述保护鳍单元用于AUV被渔网拦截或螺旋桨保护单元失效的情况下保护AUV安全，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁11断电，保护鳍9一端在弹簧10的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
一种AUV多级防渔网方法，包括以下步骤：
步骤1：在AUV在水下运行时，启动水下激光扫描单元，控制与检测单元持续检测故障报警系统信号；
步骤2：控制与检测单元接收水下激光扫描单元的渔网报警信号后，AUV执行自主避障操作；
步骤3：控制与检测单元未接收到水下激光扫描单元的渔网报警信号时，判断是否被渔网拦截；若控制与检测单元判断AUV被渔网拦截，则执行步骤6；否则，执行步骤4；
步骤4：控制与检测单元判断螺旋桨3是否被缠绕；若判断螺旋桨3被缠绕，则执行步骤5；否则，返回步骤1；
步骤5：控制与检测单元对螺旋桨保护单元发出启动指令，螺旋桨保护单元接受启动指令后对螺旋桨3周围的渔网、水草杂物进行切割；控制与检测单元同时检测螺旋桨保护单元是否正常工作，若螺旋桨保护单元未能正常工作，则执行步骤6；否则，在螺旋桨3解除缠绕后，返回步骤1；
步骤6：控制与检测单元对保护鳍单元发出启动指令，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁11断电，保护鳍9一端在弹簧10的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
实施例1：
一种AUV多级防渔网系统，其主要结构由四部分组成：控制与检测单元单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元和保护鳍单元。
所述控制与检测单元用于AUV的故障检测、逻辑判断和功能控制。
结合图1，所述水下激光扫描单元,由水下激光器和摄像头构建，激光器的激光光束扫描渔网的同时通过水下摄像头采集清晰、高亮度的水下渔网图像数据。将检测到的数据通过深度学习建立模型，训练好的模型可用于水下渔网实时检测。
结合图2，本发明螺旋桨保护单元包括外仓室1，所述外仓室1安装在主转轴8远离AUV主体的末端，外仓室1内设置有一组切割电机2，所述切割电机2通过切割电机轴连接有副转轴7，所述副转轴7的一端延伸入主转轴8内，(具体实施时，主转轴8内开设有供副转轴7安装的槽，且副转轴7与主转轴8的连接处设置有滚子轴承)所述主转轴8靠近螺旋桨的内侧设有定切割刀4，所述副转轴7延伸入主转轴8的一端外缘面安装有动切割刀5，动切割刀5安装在定切割刀内侧，启动切割电机2，使得副转轴7转动，进而带动动切割刀5旋转，动切割刀5和定切割刀4的相对运动可对螺旋桨3周围的渔网、水草等杂物进行高效率切割，防止螺旋桨3和主转轴8与水草、渔网缠绕，影响螺旋桨3的正常工作，所述主转轴8的外缘面安装有一组半开的保护罩6，(具体实施时，保护罩6有连接装置，将保护罩固定在AUV主体)得益于保护罩6的设置，在螺旋桨3工作时，保护罩6包覆在螺旋桨3的外围，便于对水中的鱼类杂物等进行阻隔，防止其碰撞螺旋桨。
结合图3，所述保护鳍单元包括一对保护鳍9，一对保护鳍9安装在AUV的船体两侧，在未启用时，保护鳍9的一端被电磁铁11吸附，待接收启动指令时，电磁铁断电，保护鳍的一端在弹簧10的作用下弹出。
结合图4，本发明的多级防渔网方法的整体流程如下：
步骤1：在AUV在水下运行时，启动水下激光扫描单元，并且控制与检测单元持续检测故障报警系统信号，开始执行下一步骤。
步骤2：AUV控制与检测单元接收水下激光扫描单元的渔网报警信号，接收渔网检测信号，则判断检测到渔网，AUV执行自主避障操作；若未接收渔网报警信号，开始执行下一步骤。
步骤3：AUV控制与检测单元进行AUV渔网拦截判断，若是，则开始执行步骤6：若否，则开始执行下一步骤。
步骤4：AUV控制与检测单元进行螺旋桨缠绕判断，若是，则开始执行步骤2；若否，则开始执行下一步骤。
步骤5：AUV控制与检测单元进行螺旋桨切割刀失效判断，若是，则开始执行下一步骤；若否，则开始执行步骤2.
步骤6；弹起保护鳍，上浮并等待救援。
上述步骤3中的AUV渔网拦截判断，可参照图5所示的流程实现：
S301：AUV控制与检测单元检测AUV速度是否比预期低，若是，则开始执行S302；若否，则开始执行S305。
S302：AUV控制与检测单元检测主推电机速度是否比预期低，若是，则开始执行S303；若否，则开始执行S305。
S303：AUV控制与检测单元检测是否有其他相关故障，若是，则开始执行S305；若否，则开始执行S304。
S304：判定AUV被渔网拦截。
S305：判定AUV未被渔网拦截。
上述步骤4中的螺旋桨缠绕判断，可参照图6所示的流程实现：
S401：AUV控制与检测单元检测主推电机速度是否比预期低，若是，则开始执行S402；若否，则开始执行S404。
S402：AUV控制与检测单元检测AUV是否有其他相关故障，若是，则开始执行S404；若否，则开始执行S403。
S403：判定螺旋桨被缠绕。
S404：判定螺旋桨没有被缠绕。
上述步骤5中的螺旋桨切割刀失效判断，可参照图7所示的流程实现：
S501：AUV控制与检测单元检测切割电机2是否启动，若是，则开始执行S502；若否，则开始执行S503。
S502：启动切割电机2，同时开始执行S505。
S503：AUV控制与检测单元检测切割电机2是否在时间t内保持期望的恒速，若是，则开始执行S504；若否，则开始执行S505。
S504：判定螺旋桨切割刀失效。
S505：判定螺旋桨切割刀没有失效。
本发明通过螺旋桨保护单元的半开防护罩6和切割刀的设计，使AUV尽可能不损失工作效率的同时有效保护螺旋桨安全。本发明通过保护鳍单元的设计，在水下激光扫描单元检测渔网失败、在螺旋桨保护单元失效，AUV在被渔网拦截的同时仍可保护AUV的安全。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (4)

1.一种AUV多级防渔网系统，其特征在于：包括控制与检测单元、水下激光扫描单元、螺旋桨保护单元、保护鳍单元；
所述控制与检测单元用于AUV的故障检测、逻辑判断和功能控制，在AUV水下运行时，持续检测故障报警系统信号；
所述水下激光扫描单元用于AUV在水下通过目标识别检测渔网，在检测到渔网时，向控制与检测单元单元发出检测渔网报警信息；
所述螺旋桨保护单元用于水下激光扫描单元识别失败的情况下保护螺旋桨(3)安全；螺旋桨保护单元接受启动指令后对螺旋桨(3)周围的渔网、水草杂物进行切割；
所述保护鳍单元包括保护鳍(9)和电磁铁(11)；在AUV的船体两侧开设保护鳍安装槽，一对保护鳍(9)分别安装在AUV船体两侧的保护鳍安装槽中，保护鳍(9)一端通过转轴安装在保护鳍安装槽中，保护鳍(9)主体通过弹簧(10)与保护鳍安装槽壁面连接，保护鳍单元未启用时，保护鳍(9)的另一端被电磁铁(11)吸附；所述保护鳍单元用于AUV被渔网拦截或螺旋桨保护单元失效的情况下保护AUV安全，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁(11)断电，保护鳍(9)一端在弹簧(10)的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
2.根据权利要求1所述的一种AUV多级防渔网系统，其特征在于：所述螺旋桨保护单元包括外仓室(1)、切割电机(2)、定切割刀(4)、动切割刀(5)、保护罩(6)、副转轴(7)；所述外仓室(1)安装在主转轴(8)远离AUV主体的末端，AUV通过主转轴(8)与其尾部的螺旋桨(3)连接；所述切割电机(2)安装于外仓室(1)内；所述副转轴(7)一端与切割电机(2)连接，另一端延伸入主转轴(8)内；所述定切割刀(4)安装在主转轴(8)靠近螺旋桨(3)的内侧；所述动切割刀(5)安装在副转轴(7)延伸入主转轴(8)内的一端外缘面上，且动切割刀(5)安装在定切割刀(4)内侧；所述保护罩(6)为半开式，保护罩(6)固定在AUV主体尾部，包覆在螺旋桨(3)的外围，用于对水中的鱼类杂物进行阻隔，防止其碰撞螺旋桨(3)；
所述螺旋桨保护单元接受启动指令后，启动切割电机(2)，副转轴(7)转动，进而带动动切割刀(5)旋转，通过动切割刀(5)和定切割刀(4)的相对运动对螺旋桨(3)周围的渔网、水草杂物进行切割。
3.根据权利要求2所述的一种AUV多级防渔网系统，其特征在于：所述主转轴(8)内开设有供副转轴(7)安装的槽，且副转轴(7)与主转轴(8)的连接处设置有滚子轴承。
4.基于权利要求1的一种AUV多级防渔网方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：在AUV在水下运行时，启动水下激光扫描单元，控制与检测单元持续检测故障报警系统信号；
步骤2：控制与检测单元接收水下激光扫描单元的渔网报警信号后，AUV执行自主避障操作；
步骤3：控制与检测单元未接收到水下激光扫描单元的渔网报警信号时，判断是否被渔网拦截；若控制与检测单元判断AUV被渔网拦截，则执行步骤6；否则，执行步骤4；
步骤4：控制与检测单元判断螺旋桨(3)是否被缠绕；若判断螺旋桨(3)被缠绕，则执行步骤5；否则，返回步骤1；
步骤5：控制与检测单元对螺旋桨保护单元发出启动指令，螺旋桨保护单元接受启动指令后对螺旋桨(3)周围的渔网、水草杂物进行切割；控制与检测单元同时检测螺旋桨保护单元是否正常工作，若螺旋桨保护单元未能正常工作，则执行步骤6；否则，在螺旋桨(3)解除缠绕后，返回步骤1；
步骤6：控制与检测单元对保护鳍单元发出启动指令，保护鳍单元接受启动指令时，电磁铁(11)断电，保护鳍(9)一端在弹簧(10)的作用力下弹出，使AUV上浮并等待救援。
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