CN115489702A - 一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置与方法，自航浮力系统的冰面履带由履带和减震悬挂组成，布置在自航浮力系统的上方。出水冰孔导航系统的双目摄像头布置在自航浮力系统前端，用于采集水下图像；岸基光源固定在出水冰孔下方，用于提供出水冰孔位置，自航浮力系统在冰层底面利用双目摄像头俯视光源从而定位出水冰孔，导航至出水冰孔下方。牵引线缆系统的缆线一端固定在自航浮力系统，另一端通过线缆的固定环固定在AUV主体的挂钩上。收放缆电机布置在自航浮力系统凹槽中，用于驱动线缆收放，调节自航浮力系统与AUV主体的距离，从而牵引AUV主体移动。本发明结构简单，可模块化搭载，能实现无人无缆潜水器在冰层下快速安全的自主回收。
Description
技术领域
本发明涉及一种无人无缆潜水器(AUV)跨冰层快速自主回收装置，属于无缆水下机器人技术领域。
背景技术
自主水下机器人，水下机器人的一种，简称AUV。
无人无缆潜水器是探索海洋必不可少的一种工具。冬季，无人无缆潜水器的工作环境较为寒冷，因此对AUV的耐寒性有着更高要求。同时，在冰层布置声学基站更为困难，在冰层下方有着诸多噪音，无人无缆潜水器的通信和定位都更加困难，因此提升无人无缆潜水器的自主能力更加重要。
无人无缆潜水器的跨冰层回收方法是AUV作业的最重要环节，海面被冰层覆盖，常规的AUV回收方式精度不高，上浮时极可能撞击冰层地面，一旦通信定位装置损坏，对无人无缆潜水器来讲是致命性的伤害。同时，由于海冰的存在，海洋内波与横流变化较大，AUV难以准确回收。因此让无人无缆潜水器安全快速的回收，是AUV的一个重要研究方向。目前用于无人无缆潜水器的回收方式仍然是依靠导航精度，到达回收点，无法避免的导航误差严重限制了无人无缆潜水器回收的快速性和安全性。
发明内容
本发明的目的在于提供模块化，快速安全的无人无缆潜水器(AUV)跨冰层快速自主回收装置。
本发明的目的是这样实现的：包括自航浮力系统1由浮力外壳2和冰面履带3，冰面履带3固定在浮力外壳2上表面；出水冰孔导航系统4包括双目摄像头5和岸基光源6，双目摄像头5固定在自航浮力系统的浮力外壳2的前端，岸基光源6固定在AUV出水冰孔下方；牵引线缆系统7包括收放缆电机8、线缆9和固定环10，线缆9由收放缆电机8驱动，固定环10固定AUV主体11的挂钩12上；AUV主体11上安装有挂钩12和抛载13，自航浮力系统1的正浮力等于AUV主体11的抛载13的水下重力。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.挂钩12为AUV主体11的吊装挂钩，牵引线缆系统7的固定环10固定AUV主体11的挂钩12上。
2.自航浮力系统1的冰面履带3包括履带和减震悬挂。
3.自航浮力系统1与AUV主体11的通信方式为光通信，线缆9仅受力，无需传输信号。
4.岸基光源6固定在出水冰孔下方，双目摄像头5处于冰面底部时，能俯视光源。
5.一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收方法，包括所述的装置，步骤如下：
步骤1：AUV未抛载上浮时，收放缆电机处于停止状态，线缆长度不变，自航浮力系统固定在AUV主体上，AUV整体0浮力；
步骤2：AUV大潜深上浮时，AUV抛载，快速上浮；
步骤3：收放缆电机开始释放线缆，自航浮力系统脱离AUV主体并上升至冰层地面，AUV重新处于0浮力状态；
步骤4：出水冰孔导航系统的岸基光源闪烁显示出水冰孔位置，双目摄像头接收光源闪烁图像，自航浮力系统将图像通过光通信方式传输给AUV主体，AUV主体采用声光联合定位的方法确定出水冰孔位置，AUV主体完成自航浮力系统到达出水冰孔处的路径规划，自航浮力系统由履带驱动行驶至出水冰孔下方，并穿过出水冰孔浮至冰面以上；
步骤5：牵引线缆系统的线缆收放电机驱动缆线收缩，AUV主体被线缆拉至出水冰孔正下方，从而完成AUV跨冰层的自主回收。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用自航浮力系统自主到达出水冰孔位置，牵引线缆系统将AUV拉至出水冰孔处，保证大潜深快速上浮的同时，增加了回收的准确性和安全性。该装置设计简单，结构稳定，易于实现无人无缆潜水器的跨冰层快速安全回收。
附图说明
图1为无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置俯视图；
图2为无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置主视图；
图3为自航浮力系统示意图；
图4为无人无缆潜水器示意图；
图5为线缆收放系统的布置图；
图6至图11为无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收流程示意图；
图12是本发明的整体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明结构主要是：自航浮力系统1由浮力外壳2和冰面履带3组成，冰面履带3固定在浮力外壳2上表面；出水冰孔导航系统4由双目摄像头5和岸基光源6组成，双目摄像头5固定在自航浮力系统的浮力外壳2的前端，岸基光源6固定在AUV出水冰孔下方；牵引线缆系统7由收放缆电机8、线缆9和固定环10组成，线缆9由收放缆电机8驱动，固定环10固定AUV主体11的挂钩12上；AUV主体11上安装有挂钩12和抛载13。
挂钩12为AUV主体11的吊装挂钩，牵引线缆系统7的固定环10固定AUV主体11的挂钩12上。
自航浮力系统1的冰面履带3由履带和减震悬挂组成。
自航浮力系统1与AUV主体11的通信方式为光通信，线缆9仅受力，无需传输信号。
岸基光源6固定在出水冰孔下方，双目摄像头5处于冰面底部时，可以俯视光源。
无人无缆潜水器(AUV)跨冰层快速自主回收装置，包括以下步骤：
步骤1：AUV未抛载上浮时，收放缆电机处于停止状态，线缆长度不变，自航浮力系统固定在AUV主体上，AUV整体0浮力。
步骤2：AUV大潜深上浮时，AUV抛载，快速上浮。
步骤3：AUV上浮至一定深度，收放缆电机开始释放线缆，自航浮力系统脱离AUV主体并上升至冰层地面，AUV重新处于0浮力状态。
步骤4出水冰孔导航系统的岸基光源闪烁显示出水冰孔位置，双目摄像头接收光源闪烁图像，自航浮力系统将图像通过光通信方式传输给AUV主体，AUV主体采用声光联合定位的方法确定出水冰孔位置，AUV主体完成自航浮力系统到达出水冰孔处的路径规划，自航浮力系统由履带驱动行驶至出水冰孔下方，并穿过出水冰孔浮至冰面以上。
步骤5：牵引线缆系统的线缆收放电机驱动缆线收缩，AUV主体被线缆拉至出水冰孔正下方，从而完成AUV跨冰层的自主回收。
自航浮力系统1的正浮力等于AUV主体11的抛载13的水下重力。
为计算自航浮力系统1的正浮力，AUV的总重量与总浮力分为自航浮力系统1、AUV主体11和抛载13三部分。
AUV作业时，整体处于0浮力状态，即各部分所受浮力之和等于各部分所受重力之和。
F1+F2+F3＝G1+G2+G3
AUV主体11为0浮力状态，即：
F2＝G2
因此自航浮力系统1的正浮力计算公式如下：
ΔF＝F1-G1＝G3-F3
其中：ΔF表示自航浮力系统1的正浮力；F1表示自航浮力系统1的浮力；F2表示AUV主体11的浮力；F3表示抛载13的浮力；G1表示自航浮力系统1的重力；G2表示AUV主体11的重力；G3表示抛载13的重力；
结合图1至图5，本发明包括自航浮力系统，出水冰孔导航系统，AUV主体，牵引线缆系统五部分。自航浮力系统前端安装出水冰孔导航系统的双目摄像头，自航浮力系统上表面安装履带。自航浮力系统具有较大的正浮力，与冰层接触后，通过履带贴在冰层底部移动，履带对复杂形状的冰面有较强的适应性。AUV主体上布置有挂钩和抛载，挂钩为AUV吊装时的挂钩，多数AUV均布置有此挂钩，抛载作为上浮的一种方式，被广泛布置于AUV上。线缆收放系统连接自航浮力系统和AUV主体。线缆收放系统的固定环扣在AUV的挂钩上，线缆一段固定在固定环上，另一端固定在线缆驱动电机上，线缆缠绕在线缆轴上，线缆驱动电机驱动线缆收缩或者释放。
本发明具有以下状态：
AUV水下大潜深工作时，如图6所示，线缆收放系统处于停转状态，AUV未抛载，整体为0浮力状态。
AUV大潜深上浮时，如图7所示，抛载后，AUV快速上浮。
AUV达到适应深度时，如图8所示，线缆收放系统电机转动，释放线缆，自航浮力系统快速上浮。
自航浮力系统到达冰面后，如图9所示，出水冰孔导航系统的双目摄像头俯视寻找岸基光源的位置。
自航浮力系统将图像通过光通信方式传输给AUV主体，采用声光联合定位的方法确定出水冰孔位置，AUV主体完成自航浮力系统到达出水冰孔处的路径规划，自航浮力系统驱动履带运动到出水冰孔处，如图10所示，收放缆电机驱动，线缆释放，AUV处于静止状态。
回收AUV时，如图11所示，线缆收放系统电机转动，线缆收缩，AUV被拉至出水冰孔。
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。
综上，本发明公开了无人无缆潜水器(AUV)跨冰层快速自主回收装置，属于无缆水下机器人技术领域。由自航浮力系统，出水冰孔导航系统，牵引线缆系统和AUV主体组成。自航浮力系统由浮力外壳和冰面履带构成，冰面履带由履带和减震悬挂组成，布置在自航浮力系统的上方。出水冰孔导航系统由双目摄像头、岸基光源两部分组成，出水冰孔导航系统的双目摄像头布置在自航浮力系统前端，用于采集水下图像；岸基光源固定在出水冰孔下方，用于提供出水冰孔位置，自航浮力系统在冰层底面利用双目摄像头俯视光源从而定位出水冰孔，导航至出水冰孔下方。牵引线缆系统由缆线、收揽电机、固定环组成，缆线一端固定在自航浮力系统，另一端通过线缆的固定环固定在AUV主体的挂钩上。收放缆电机布置在自航浮力系统凹槽中，用于驱动线缆收放，调节自航浮力系统与AUV主体的距离，从而牵引AUV主体移动。本发明结构简单，可模块化搭载，能实现无人无缆潜水器在冰层下快速安全的自主回收。
Claims (6)
1.一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置，其特征在于：包括自航浮力系统(1)由浮力外壳(2)和冰面履带(3)，冰面履带(3)固定在浮力外壳(2)上表面；出水冰孔导航系统(4)包括双目摄像头(5)和岸基光源(6)，双目摄像头(5)固定在自航浮力系统的浮力外壳(2)的前端，岸基光源(6)固定在AUV出水冰孔下方；牵引线缆系统(7)包括收放缆电机(8)、线缆(9)和固定环(10)，线缆(9)由收放缆电机(8)驱动，固定环(10)固定AUV主体(11)的挂钩(12)上；AUV主体(11)上安装有挂钩(12)和抛载(13)，自航浮力系统(1)的正浮力等于AUV主体(11)的抛载(13)的水下重力。
2.根据权利要求1所述的一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置，其特征在于：挂钩(12)为AUV主体(11)的吊装挂钩，牵引线缆系统(7)的固定环(10)固定AUV主体(11)的挂钩(12)上。
3.根据权利要求1所述的一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置，其特征在于：自航浮力系统(1)的冰面履带(3)包括履带和减震悬挂。
4.根据权利要求1所述的一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置，其特征在于：自航浮力系统(1)与AUV主体(11)的通信方式为光通信，线缆(9)仅受力，无需传输信号。
5.根据权利要求1所述的一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收装置，其特征在于：岸基光源(6)固定在出水冰孔下方，双目摄像头(5)处于冰面底部时，能俯视光源。
6.一种无人无缆潜水器跨冰层快速自主回收方法，其特征在于：包括权利要求5所述的装置，步骤如下：
步骤1：AUV未抛载上浮时，收放缆电机处于停止状态，线缆长度不变，自航浮力系统固定在AUV主体上，AUV整体0浮力；
步骤2：AUV大潜深上浮时，AUV抛载，快速上浮；
步骤3：收放缆电机开始释放线缆，自航浮力系统脱离AUV主体并上升至冰层地面，AUV重新处于0浮力状态；
步骤4：出水冰孔导航系统的岸基光源闪烁显示出水冰孔位置，双目摄像头接收光源闪烁图像，自航浮力系统将图像通过光通信方式传输给AUV主体，AUV主体采用声光联合定位的方法确定出水冰孔位置，AUV主体完成自航浮力系统到达出水冰孔处的路径规划，自航浮力系统由履带驱动行驶至出水冰孔下方，并穿过出水冰孔浮至冰面以上；
步骤5：牵引线缆系统的线缆收放电机驱动缆线收缩，AUV主体被线缆拉至出水冰孔正下方，从而完成AUV跨冰层的自主回收。
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