CN114313262B - 基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置及方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置及方法，包括无人机和四边形框架，无人机的底部和四边形框架之间固定，四边形框架的下方设有U型架，U型架的中部垂直安装有支撑板，支撑板的两侧分别设有绕线辊轴，绕线辊轴的两端分别和支撑板、U型架之间通过轴承连接，在绕线辊轴的两端均连接有驱动电机，驱动电机和U型架外侧之间通过电机固定架连接；在四边形框架的四角均连接有向外伸展的第二支撑腿，第二支撑腿底部均连接有垂直向下设置的第一支撑腿，第二锥形罩位于所述第一支撑腿围成的空间内，圆形板的中部开设有放线口。本发明在使用时，不仅可有悬停在空中将潜水器进行收放，还能漂浮在水面上对潜水器进行收放。

Description

基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置及方法及使 用方法

技术领域

本发明属于无人潜水器技术领域，特别是指基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置及方法及使用方法。

背景技术

海洋调查与观测是为了弄清某一特定海区的水文、气象、物理、化学、生物、底质分布情况和变化规律而进行的观察、采样、检测、分析、解析等活动全过程。调查观测方式有大面积调查、断面调查、连续观测和辅助观测。采用方法有航空观测、卫星观测、船舶观测、水下观测、定置浮标自动观测、飘浮站自动观测等。高效的海洋调查与观测，有助于海洋经济的提速。

与其它深海潜水器相比，ROV由于具有水下工作时间长、作业能力强、负载能力大、无作业人员伤亡风险等优势，再加上光纤技术发展，可以通过ROV脐带缆内的光纤实时对海量信息和控制指令的传输，作业人员可以在母船控制室实现轻巧灵活地控制ROV本体在水下地运动，在深海作业中有着不可替代的作用，并且在不同海域深度都有ROV的使用记录。随着技术的高速发展，有缆无人潜水器（ROV）先后被美国、法国、日本等国开发成功，以避免潜水员在深水工作中伤亡风险和载人潜水器高投入、高风险等问题。目前，已有日本的“海沟”号ROV和美国的“海神”号到达过地球上最深的地方-马里亚纳海沟，并获取了珍贵的样品和资料，可见ROV在人类了解和开发海洋过程中发挥出越来越重要的作用。

然而，ROV的使用必须依赖母船，由于船的航速一般都比较慢，限制了ROV进行海洋调查与观测的效率。

发明内容

为解决以上现有技术的不足，本发明提出了基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置及方法及使用方法。

本发明的技术方案是这样实现的：基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置，包括无人机和四边形框架，无人机的底部和四边形框架之间固定，四边形框架的下方设有U型架，U型架的中部垂直安装有支撑板，支撑板的两侧分别设有绕线辊轴，绕线辊轴的两端分别和支撑板、U型架之间通过轴承连接，在绕线辊轴的两端均连接有驱动电机，驱动电机和U型架外侧之间通过电机固定架连接；

其中一个绕线辊轴上连接有拉绳，另一个绕线辊轴上连接脐带缆，脐带缆和拉绳均绕在绕线辊轴上，且拉绳的底部连接圆形板，圆形板的底部连接有第二锥形罩，第二锥形罩内设有潜水器，潜水器的顶部和脐带缆相连；

在四边形框架的四角均连接有向外伸展的第二支撑腿，第二支撑腿底部均连接有垂直向下设置的第一支撑腿，第二锥形罩位于所述第一支撑腿围成的空间内；圆形板的中部开设有放线口，脐带缆置于放线口中；

四边形框架的中部安装有连接板，连接板的中部垂直固定有固定环，固定环内通过轴承安装有安装管，安装管的顶部和第一导电滑环的一端连接，第一导电滑环的顶部固定在无人机的底部，无人机的主控板和第一导电滑环之间通过数据线连接；

安装管的底部和U型架的顶部中部连接，使得U型架可以自由转动，驱动电机的接线端均连接有第二导电线，第二导电线安装在U型架内部且贯穿安装管底部和第一导电滑环；

支撑板内部设有第一导电线，第一导电线的顶部和第一导电滑环连接，第一导电线的底部连接第二导电滑环，第二导电滑环和连接脐带缆的绕线辊轴末端同轴连接，且第二导电滑环固定在支撑板内部，该绕线辊轴内设有第三导电线，第三导电线和脐带缆连接；

第二锥形罩的底部边缘设有固定圈，固定圈的底部同轴安装环形外壳，环形外壳的底部边缘同轴连接第一锥形罩，第一锥形罩向着第二锥形罩方向凹陷，在第一锥形罩的顶部中心位置开设有圆形口；

所述圆形口内容置有柱形座，柱形座从圆形口伸进第一锥形罩中，柱形座的顶部设有倒角结构，脐带缆的底部固定在柱形座的顶部且和潜水器控制系统连接；

在柱形座的顶部侧面分布有多个弧形板，弧形板的另一侧均连接有电动推杆，电动推杆和柱形座之间径向设置，电动推杆远离柱形座的一端均固定在固定座上，固定座均和固定圈的边缘固定，在电动推杆的中部均连接有加强座，加强座的顶部和第二锥形罩内部之间固定，在弧形板的内表面和柱形座的表面均设有能够相互咬合的卡痕；

四边形框架的四角均连接有L型固定架，L型固定架的顶部和无人机的底部通过螺栓紧固；

每个第一支撑腿的底部均连接有支撑脚，支撑脚弯曲成弧形结构，且另一端固定在连接在第一支撑腿上，支撑脚和第一支撑腿的连接处为圆弧过渡连接；

第一锥形罩的顶部间隔安装有多个漂浮体，漂浮体之间的第一锥形罩表面均开设有条形口。

优选的，潜水器的顶部为和第一锥形罩内部匹配的锥形结构。

本发明还提出了基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、在静止状态下，无人机安装在L型固定架上，让支撑脚支撑在地面上，同时，两个驱动电机均为收紧状态，让环形外壳、固定圈、第一锥形罩和第二锥形罩均位于第一支撑腿所围成的空间内部；

步骤二、使用时，无人机带动潜水器飞往指定地点，可以控制脐带缆单独放线，让脐带缆伸长将潜水器放入水中，或者脐带缆和拉绳同时伸长，此时潜水器位于第一锥形罩中，当第一锥形罩接触到水面后，风浪直接作用在第二锥形罩上，然后再控制脐带缆伸长，将潜水器放入水中；又或者无人机停止在水面上，漂浮体将无人机进行支撑，然后再将脐带缆伸长，将潜水器放入水中；

步骤三、使用完毕后，将脐带缆和拉绳逐个收回，环形外壳、固定圈、第一锥形罩和第二锥形罩在上升的过程中会自动位于第一支撑腿围成的空间内，潜水器会自动滑动至圆形口处，让柱形座置于圆形口中，同时将电动推杆伸长带动弧形板和柱形座接触，将潜水器固定，再控制无人机返航。

与现有技术相比，本发明在使用时，不仅可有悬停在空中将潜水器进行收放，还能漂浮在水面上对潜水器进行收放，方便操作人员控制。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明完整结构示意图。

图2为本发明除去无人机后内部的结构示意图。

图3为本发明的柱形座和电动推杆的结构示意图。

图4为本发明除去无人机后的结构示意图。

图5为本发明第一锥形罩的结构示意图。

图6为本发明支撑板和第二导电滑环的结构示意图。

图中：第一锥形罩1、潜水器2、加强座3、固定圈4、电动推杆5、弧形板6、柱形座7、放线口8、U型架9、第一导电滑环10、连接板11、固定环12、安装管13、四边形框架14、L型固定架15、驱动电机16、第一支撑腿17、环形外壳18、固定座19、圆形口20、支撑板21、支撑脚22、第二支撑腿23、圆形板24、无人机25、第二锥形罩26、条形口27、漂浮体28、第一导电线29、第二导电线30、绕线辊轴31、拉绳32、脐带缆33、第二导电滑环34、第三导电线35、卡痕36。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置，包括无人机25和四边形框架14，无人机25的底部和四边形框架14之间固定，四边形框架14能够随着无人机起飞；

四边形框架14的下方设有U型架9，U型架9的中部垂直安装有支撑板21，支撑板21的两侧分别设有绕线辊轴31，绕线辊轴31的两端分别和支撑板21、U型架9之间通过轴承连接，在绕线辊轴31的两端均连接有驱动电机16，驱动电机16和U型架9外侧之间通过电机固定架连接，驱动电机16均具有自锁动能，让驱动电机16在断电或者停止转动时具备锁止功能；

其中一个绕线辊轴31上连接有拉绳32，另一个绕线辊轴31上连接脐带缆33，脐带缆33和拉绳32均绕在绕线辊轴31上，且拉绳32的底部连接圆形板24，圆形板24的底部连接有第二锥形罩26，第二锥形罩26内设有潜水器2，潜水器2的顶部和脐带缆33相连；

在四边形框架14的四角均连接有向外伸展的第二支撑腿23，第二支撑腿23底部均连接有垂直向下设置的第一支撑腿17，第二锥形罩26位于所述第一支撑腿17围成的空间内，第二锥形罩26和空间大小匹配，使得第二锥形罩26在飞行的过程中 不会好晃动；

圆形板24的中部开设有放线口8，脐带缆33置于放线口8中，第二锥形罩26和潜水器2可以同时放下或者逐个放下，当水面波浪较大时，浪花对潜水器拍打，为了防止浪花对潜水器的影响，所以在此时可将第二锥形罩26和潜水器同时放下，让第二锥形罩26首先和水面接触，让浪打在第二锥形罩26上，而位于第二锥形罩26下方的水面平稳，然后将潜水器放下即可。

进一步的说，四边形框架14的四角均连接有L型固定架15，L型固定架15的顶部和无人机25的底部通过螺栓紧固，方便拆卸和安装。

进一步的说，每个第一支撑腿17的底部均连接有支撑脚22，支撑脚22弯曲成弧形结构，且另一端固定在连接在第一支撑腿17上，支撑脚22和第一支撑腿17的连接处为圆弧过渡连接，若支撑脚22上挂上异物或者和第二锥形罩26接触后，异物可快速从支撑脚22上滑落。

进一步的说，四边形框架14的中部安装有连接板11，连接板11的中部垂直固定有固定环12，固定环12内通过轴承安装有安装管13，安装管13的顶部和第一导电滑环10的一端连接，第一导电滑环10的顶部固定在无人机25的底部，无人机25的主控板和第一导电滑环10之间通过数据线连接，实现数据传输；

安装管13的底部和U型架9的顶部中部连接，使得U型架9可以自由转动，能够防止拉绳32、脐带缆33之间缠绕，同时也能释放绳上的扭曲力，驱动电机16的接线端均连接有第二导电线30，第二导电线30安装在U型架9内部且贯穿安装管13底部和第一导电滑环10；

支撑板21内部设有第一导电线29，第一导电线29的顶部和第一导电滑环10连接，第一导电线29的底部连接第二导电滑环34，第二导电滑环34和连接脐带缆33的绕线辊轴31末端同轴连接，且第二导电滑环34固定在支撑板21内部，该绕线辊轴31内设有第三导电线35，第三导电线35和脐带缆33连接。无人机通过人工控制的方式分别控制潜水器2、和驱动电机16进行工作。

进一步的说，第二锥形罩26的底部边缘设有固定圈4，固定圈4的底部同轴安装环形外壳18，环形外壳18的底部边缘同轴连接第一锥形罩1，第一锥形罩1向着第二锥形罩26方向凹陷，在第一锥形罩1的顶部中心位置开设有圆形口20；

所述圆形口20内容置有柱形座7，柱形座7从圆形口20伸进第一锥形罩1中，柱形座7的顶部设有倒角结构，方便插入圆形口中，脐带缆33的底部固定在柱形座7的顶部且和潜水器2控制系统连接。

进一步的说，在柱形座7的顶部侧面分布有多个弧形板6，弧形板6的另一侧均连接有电动推杆5，电动推杆5和柱形座7之间径向设置，电动推杆5远离柱形座7的一端均固定在固定座19上，固定座19均和固定圈4的边缘固定，在电动推杆5的中部均连接有加强座3，加强座3的顶部和第二锥形罩26内部之间固定，在弧形板6的内表面和柱形座7的表面均设有能够相互咬合的卡痕36。电动推杆5带动弧形板6卡在柱形座7上，将潜水器牢牢地固定在锥形罩中。

进一步的说，第一锥形罩1的顶部间隔安装有多个漂浮体28，漂浮体28之间的第一锥形罩1表面均开设有条形口27。漂浮体28可将无人机25进行支撑，让漂浮体28带动无人机在水面上漂浮，当长时间工作时，无人机电量或者油量不够时，无人机可以停在水面上。

进一步的说，潜水器2的顶部为和第一锥形罩1内部匹配的锥形结构，可以让潜水器稳定的卡在第一锥形罩1中。

本发明还提出了基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一、在静止状态下，无人机25安装在L型固定架15上，让支撑脚22支撑在地面上，同时，两个驱动电机16均为收紧状态，让环形外壳18、固定圈4、第一锥形罩1和第二锥形罩26均位于第一支撑腿17所围成的空间内部；

步骤二、使用时，无人机25带动潜水器2飞往指定地点，可以控制脐带缆33单独放线，让脐带缆33伸长将潜水器2放入水中，或者脐带缆33和拉绳32同时伸长，此时潜水器2位于第一锥形罩1中，当第一锥形罩1接触到水面后，风浪直接作用在第二锥形罩26上，然后再控制脐带缆33伸长，将潜水器2放入水中；又或者无人机停止在水面上，漂浮体28将无人机25进行支撑，然后再将脐带缆33伸长，将潜水器2放入水中；

步骤三、使用完毕后，将脐带缆33和拉绳32逐个收回，环形外壳18、固定圈4、第一锥形罩1和第二锥形罩26在上升的过程中会自动位于第一支撑腿17围成的空间内，潜水器2会自动滑动至圆形口20处，让柱形座7置于圆形口20中，同时将电动推杆5伸长带动弧形板6和柱形座7接触，将潜水器2固定，再控制无人机返航。

有线潜水器又称为ROV，在实际的运用过程中，无人机搭载ROV起飞，到达指定地点，下放ROV，无人机规划航线，拖着ROV进行调查与观测，若遇到感兴趣航点，退出航线、由岸上指挥中心的操纵人员主动指控ROV，按需求进行抵近观察，完成后继续航线，直至结束后悬停，回收ROV，返航。

用无人机搭载ROV，无人机与ROV的通讯依靠脐带缆中的光纤，无人机与控制中心的通讯，用数传电台和图传电台，数传电台的上行链路主要发送控制指令、下行链路主要回传无人机状态数据，图传电台是下行链路、回传视频、照片；同时本发明中的无人机具备摄像传输，摄像工具为万象摄像头。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置，包括无人机（25）和四边形框架（14），无人机（25）的底部和四边形框架（14）之间固定，其特征在于，四边形框架（14）的下方设有U型架（9），U型架（9）的中部垂直安装有支撑板（21），支撑板（21）的两侧分别设有绕线辊轴（31），绕线辊轴（31）的两端分别和支撑板（21）、U型架（9）之间通过轴承连接，在绕线辊轴（31）的两端均连接有驱动电机（16），驱动电机（16）和U型架（9）外侧之间通过电机固定架连接；

其中一个绕线辊轴（31）上连接有拉绳（32），另一个绕线辊轴（31）上连接脐带缆（33），脐带缆（33）和拉绳（32）均绕在绕线辊轴（31）上，且拉绳（32）的底部连接圆形板（24），圆形板（24）的底部连接有第二锥形罩（26），第二锥形罩（26）内设有潜水器（2），潜水器（2）的顶部和脐带缆（33）相连；

在四边形框架（14）的四角均连接有向外伸展的第二支撑腿（23），第二支撑腿（23）底部均连接有垂直向下设置的第一支撑腿（17），第二锥形罩（26）位于所述第一支撑腿（17）围成的空间内；圆形板（24）的中部开设有放线口（8），脐带缆（33）置于放线口（8）中；

四边形框架（14）的中部安装有连接板（11），连接板（11）的中部垂直固定有固定环（12），固定环（12）内通过轴承安装有安装管（13），安装管（13）的顶部和第一导电滑环（10）的一端连接，第一导电滑环（10）的顶部固定在无人机（25）的底部，无人机（25）的主控板和第一导电滑环（10）之间通过数据线连接；

安装管（13）的底部和U型架（9）的顶部中部连接，使得U型架（9）可以自由转动，驱动电机（16）的接线端均连接有第二导电线（30），第二导电线（30）安装在U型架（9）内部且贯穿安装管（13）底部和第一导电滑环（10）；

支撑板（21）内部设有第一导电线（29），第一导电线（29）的顶部和第一导电滑环（10）连接，第一导电线（29）的底部连接第二导电滑环（34），第二导电滑环（34）和连接脐带缆（33）的绕线辊轴（31）末端同轴连接，且第二导电滑环（34）固定在支撑板（21）内部，该绕线辊轴（31）内设有第三导电线（35），第三导电线（35）和脐带缆（33）连接；

第二锥形罩（26）的底部边缘设有固定圈（4），固定圈（4）的底部同轴安装环形外壳（18），环形外壳（18）的底部边缘同轴连接第一锥形罩（1），第一锥形罩（1）向着第二锥形罩（26）方向凹陷，在第一锥形罩（1）的顶部中心位置开设有圆形口（20）；

所述圆形口（20）内容置有柱形座（7），柱形座（7）从圆形口（20）伸进第一锥形罩（1）中，柱形座（7）的顶部设有倒角结构，脐带缆（33）的底部固定在柱形座（7）的顶部且和潜水器（2）控制系统连接；

在柱形座（7）的顶部侧面分布有多个弧形板（6），弧形板（6）的另一侧均连接有电动推杆（5），电动推杆（5）和柱形座（7）之间径向设置，电动推杆（5）远离柱形座（7）的一端均固定在固定座（19）上，固定座（19）均和固定圈（4）的边缘固定，在电动推杆（5）的中部均连接有加强座（3），加强座（3）的顶部和第二锥形罩（26）内部之间固定，在弧形板（6）的内表面和柱形座（7）的表面均设有能够相互咬合的卡痕（36）；

四边形框架（14）的四角均连接有L型固定架（15），L型固定架（15）的顶部和无人机（25）的底部通过螺栓紧固；

每个第一支撑腿（17）的底部均连接有支撑脚（22），支撑脚（22）弯曲成弧形结构，且另一端固定在连接在第一支撑腿（17）上，支撑脚（22）和第一支撑腿（17）的连接处为圆弧过渡连接；

第一锥形罩（1）的顶部间隔安装有多个漂浮体（28），漂浮体（28）之间的第一锥形罩（1）表面均开设有条形口（27）。

2.根据权利要求1所述的基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置，其特征在于，潜水器（2）的顶部为和第一锥形罩（1）内部匹配的锥形结构。

3.根据权利要求1所述的基于无人机与无人潜水器的海洋调查与观测装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、在静止状态下，无人机（25）安装在L型固定架（15）上，让支撑脚（22）支撑在地面上，同时，两个驱动电机（16）均为收紧状态，让环形外壳（18）、固定圈（4）、第一锥形罩（1）和第二锥形罩（26）均位于第一支撑腿（17）所围成的空间内部；

步骤二、使用时，无人机（25）带动潜水器（2）飞往指定地点，可以控制脐带缆（33）单独放线，让脐带缆（33）伸长将潜水器（2）放入水中，或者脐带缆（33）和拉绳（32）同时伸长，此时潜水器（2）位于第一锥形罩（1）中，当第一锥形罩（1）接触到水面后，风浪直接作用在第二锥形罩（26）上，然后再控制脐带缆（33）伸长，将潜水器（2）放入水中；又或者无人机停止在水面上，漂浮体（28）将无人机（25）进行支撑，然后再将脐带缆（33）伸长，将潜水器（2）放入水中；

步骤三、使用完毕后，将脐带缆（33）和拉绳（32）逐个收回，环形外壳（18）、固定圈（4）、第一锥形罩（1）和第二锥形罩（26）在上升的过程中会自动位于第一支撑腿（17）围成的空间内，潜水器（2）会自动滑动至圆形口（20）处，让柱形座（7）置于圆形口（20）中，同时将电动推杆（5）伸长带动弧形板（6）和柱形座（7）接触，将潜水器（2）固定，再控制无人机返航。

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