CN206307246U - 一种无人船加无人潜水器的组合系统 - Google Patents

Abstract

一种无人船加无人潜水器的组合系统，包括位于水面的无人船、位于水下的无人潜水器，所述无人船和无人潜水器通过脐带缆连接，所述脐带缆内含供电续航的电源双绞线和传输控制信号和数据信号的信号线，所述无人船上设有自动收放脐带缆的放线系统，所述放线系统包括缠绕脐带缆用的放线绞盘、控制放线绞盘旋转收放线的放线舵机、测量放线长度的编码器；所述无人船与无人潜水器之间设有对接停靠装置。本实用新型通过放线系统来收放脐带缆，提高水下定位的准确性；通过对接停靠装置可以将无人潜水器与无人船对接稳固由无人船带动水面移动，提高航行效率；当需要进行水下观测时，无人潜水器可以自动与无人船分离，通过放线系统来控制无人船的下水深度。

Description

一种无人船加无人潜水器的组合系统

技术领域

本实用新型涉及一种无人船加无人潜水器的组合系统。

背景技术

无人水下机器人常见有无人遥控潜水器(ROV)和自主水下机器人(AUV)两种。ROV通过与水面相连的脐带电缆获取能源，动力充足，作业时间不受能源的限制，作业效率高。AUV依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成所赋予的使命，活动范围大、机动性好、智能化程度高、自主性强。上述两种水下机器人都有不足之处：其中ROV通常需要母船配套，母船以及一系列工作人员的开支巨大，活动范围有限；AUV则受自身携带能源限制，续航能力有限；而且由于在水下不能进行长距离的无线通信，AUV在水下探测得到的数据很难实时回传。

发明内容

本实用新型提供了一种对接分离可靠快捷、活动范围广、续航能力强、数据反馈及时的无人船加无人潜水器的组合系统。

本实用新型采用的技术方案是：

一种无人船加无人潜水器的组合系统，包括位于水面的无人船、位于水下的无人潜水器以及遥控操作控制设备，所述无人船和无人潜水器通过脐带缆连接，所述脐带缆内含供电续航的电源双绞线和传输控制信号和数据信号的信号线，其特征在于：所述无人船上设有自动收放脐带缆的放线系统，所述放线系统包括缠绕脐带缆用的放线绞盘、控制放线绞盘旋转收放线的放线舵机、测量放线长度的编码器，所述放线绞盘与放线舵机均设置在无人船的船舱内并通过第一同步系统连接，所述脐带缆的一端通过防脐带缆打结的滑环与船舱内的电子设备连接，其另一端绕过固定于无人船前端的船艏滑轮与无人潜水器内的电子设备连接，所述编码器通过第二同步系统与船艏滑轮连接，所述船艏滑轮上方安装有防止脐带缆脱离的安全防护罩；所述无人船与无人潜水器之间设有对接停靠装置，所述对接停靠装置包括设于无人船底部的向下突出的两L型对接叉子和设于无水潜水器顶部内的用于容纳对接叉子的凹槽，所述凹槽内设有保证吸附力的橡胶垫。本实用新型通过放线系统来收放脐带缆，并通过编码器能自动控制脐带缆的释放量，提高水下定位的准确性；通过对接停靠装置可以将无人潜水器与无人船对接稳固由无人船带动水面移动，提高航行效率；当需要进行水下观测时，无人潜水器可以自动与无人船分离，通过放线系统来控制无人船的下水深度。

进一步，所述无人潜水器包括主舱、推进器和重心调节模块，所述主舱为密封舱，其两侧连接有侧面支撑板，内部设有固定架，所述固定架上安装有航行控制用的第一电子设备、第一电源控制设备、传输视频信号给无人船的电力载波设备、控制推进器速度的无刷电调、摄像头及控制摄像头方位的云台、照明用的LED灯；所述推进器包括分别固定在两侧面支撑板上水平放置的左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器、以及设置在无人潜水器重心处的竖直放置的中心螺旋桨推进器；所述重心调节模块包括设置在无人潜水器中心的两重心调节轴，所述重心调节轴上套装有改变固定位置调节横向重心以及改变质量来调节纵向重心的重心调节块。

进一步，所述主舱包括透明管罩和两侧端盖，两侧端盖使用双O型密封圈，所述端盖外圈上有螺纹孔，通过螺栓与侧面支撑板连接，两侧面连接板之间通过螺纹杆固定连接，所述端盖中心的通孔安装有用于无刷电调与推进器连接的水密连接器，所述端盖内圈通过连接件与固定架固定连接。

进一步，所述主舱内的第一电子设备包括实现信号采集及控制并与无人船通过信号线传输信号的第一主控电路板、用于测量外部水压进而换算得到无人潜水器所在深度的深度计、用于测量载体三轴加速度和角速度的第一惯性传感器和用于实时测量运动姿态和航向角的第一电子罗盘；所述第一电源控制设备包括备用的3S锂电池组和第一电源控制板。

进一步，所述摄像头安装在云台上与控制其开关的主控电路板连接，所述云台包括在安装在固定架上的旋转舵机、连接板和固定在连接板上的俯仰舵机。

进一步，所述无人船包括船体，所述船体是由中心的船舱和两侧的片体连接组成的双体船结构，所述船舱内安装有航行控制用的第二电子设备、无线通讯设备、第二电源控制设备以及视频图像传输设备，所述片体的船艉两侧分别安装有左螺旋桨航行推进器和右螺旋桨航行推进器，所述船体甲板上安装有增加续航时间的太阳能电池板，所述太阳能电池板通过船舱内的光伏电压控制器与供电电源连接，所述船舱的船艏安装有船载摄像头。

进一步，所述船舱内的第二电子设备包括第二主控电路板、第二惯性传感器、第二电子罗盘，所述无线通讯设备包括数据传输器，所述第二电源控制设备包括主用3S锂电池组和第二电源控制板，所述视频图像传输设备包括信号解调器、图传发射器和水密天线，所述信号解调器与无人潜水器连接将视频信号传给图传发射器，水密天线由底部固定件、天线罩子和安装其内部的无线通信天线、天线顶部盖子和安装其内部的GPS天线组成。。

进一步，所述第一主控电路板和第二主控电路板均采用超低功耗的

STM32L152处理器作为主控芯片，各个模块采用由相应电源控制板控制的分区供电模式，根据相应功能的需要，对其进行供电。当设备不需要工作时，处于低功耗模式以节约电量，增加续航时间，所述的电源控制板实现控制各个模块设备的通断电以及无人船上的主用电源和无人潜水器上的备用电源切换，当无人船上的主电源电量低于一定值时启用备用电源，当船上主用电源电量恢复时重新启用，同时为备用电源充电。传感器数据的反馈采用中断请求机制。

进一步，所述遥控操作控制设备是一智能电子设备或是遥控操作器和显示设备组合的结构，智能电子设备优选安卓手机。

本实用新型的有益效果是：

1、无人船加无人潜水器组合系统，相比于传统的ROV，成本更低，活动范围更大；

2、相比于传统的AUV，由于无人船加无人潜水器组合系统可以利用太阳能供电，增加了续航时间。

3、实现水下探测器数据的实时回传；

4、实现无人潜水器的自动收放，自动控制脐带缆的释放量，提高水下定位的准确性；

5、可以自动回收无人潜水器。在不需要水下探测的情况下，无人潜水器附在无人船船底，两者为一整体，可以在水面航行，待航行到目标区域时，再将无人潜水器下放，进行水下探测。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的无人潜水器的立体图。

图3是本实用新型的无人潜水器的后视图。

图4是本实用新型的无人潜水器的内部结构图。

图5是本实用新型的无人潜水器的重心调节模块的结构示意图。

图6是本实用新型的无人船的正视立体图。

图7是本实用新型的无人船的仰视立体图。

图8是本实用新型的无人船的内部结构示意图。

图9是本实用新型的无人船的放线系统的结构示意图。

图10是本实用新型的对接停靠装置的结构示意图一。

图11是本实用新型的对接停靠装置的结构示意图二。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本实用新型进行进一步说明，但并不将本实用新型局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本实用新型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。

参见图1，一种无人船加无人潜水器的组合系统，包括位于水面的无人船70、位于水下的无人潜水器80以及遥控操作控制设备，无人船70和无人潜水器80之间通过脐带缆35连接。无人船70上安装有太阳能电池板44，可以充分利用能源，大幅提高续航时间；无人潜水器80的水下视频和水下探测数据可以通过脐带缆35传输至水面上的无人船80，并由无人船80通过无线通信的方式传输至岸基。脐带缆35内包含电源双绞线和信号线，电源双绞线传输调制在一起视频信号和供电电流，信号线传输状态信号、传感器信号和控制信号。无人船与无人潜水器可以协同运动，也可以分别单独运动。组合系统由遥控操作控制设备控制，遥控操作控制设备是一智能电子设备或是遥控操作器和显示设备组合的结构，智能电子设备优选安卓手机。

如图2-4所示，本实用新型所述无人潜水器80包括主舱3、推进器、顶部对接装置12和重心调节模块10，主舱为密封舱，包括透明管罩、左侧端盖5和右侧端盖4，两侧端盖使用双O型密封圈13，端盖外圈上有通孔，通过螺栓与侧面支撑板连接1，端盖中心的通孔安装水密连接器7，端盖内圈通过连接件来固定固定架18，两侧面支撑板通过螺纹杆2连接固定，无人潜水器80整体为一个扁平的形状；推进器包括：无人潜水器80两侧有水平放置的左螺旋桨推进器9和右螺旋桨推进器11进行前进后退、拐弯及原地转向的运动；无人潜水器80重心处有一个竖直放置的中心螺旋桨推进器6进行潜浮运动。

如图4所示，主舱3内安装有航行器控制用的第一电子设备，第一电子设备包括第一主控电路板26、深度计14、第一惯性传感器22和第一电子罗盘27，所述深度计14用于测量外部水压进而换算得到航行器所在的深度，第一主控电路板26实现无人潜水器80的信号采集及控制，通过脐带缆35中的信号线将信号传输到无人船70上，第一电子罗盘27采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速地对无人潜水器80的实时运动姿态和航向角进行测量，第一惯性传感器22用于测量载体三轴加速度和角速度，用于导航、定位和运动载体控制；主舱3内安装有第一电源控制设备，第一电源控制设备包括固定在固定架18上的备用3S锂电池组16和第一电源控制板24；主舱3内安装有传输视频信号的电力载波设备20，将视频信号和电信号混合通过电源双绞线传输到无人船70上，由无人船70上的图传发射器到上位机方向进行单向传输，而控制信号、状态信号和传感器信号在无人潜水器80和无人船70之间通过信号线来进行双向传输，在无人船70和上位机之间通过无人船上的数据传输装置进行双向传输，状态信号和传感器信号在传回上位机的同时，无人船70上第二主控电路板64接收由上位机发出的控制信号；主舱3内安装有无刷电调19，电调通过水密连接器7与推进器连接；主舱3中部安装云台及摄像头21，云台包括在固定架18上的旋转舵机17、连接板23和固定在连接板上的俯仰舵机25，摄像头21固定在云台上，由第一主控电路板26控制摄像头21开关；主舱3中装有LED灯15进行照明，由主控电路板控制26控制灯的开闭和亮度，LED灯的亮度可以四级调节；

如图5所示，重心调节模块10包括设置在无人潜水器80中心的两重心调节轴29、31，所述重心调节轴29、31上均套装有改变固定位置调节横向重心以及改变质量来调节纵向重心的重心调节块。横向重心位置通过改变前重心调节块28固定位置来调节，前重心调节块28套在一根横向布置的重心调节轴29上，前重心调节块28可以在轴上移动，通过紧定螺钉固定，纵向重心位置通过调节前后两根轴上的重心调节块28或30的质量来改变。

如图6-9所示，本实用新型所述无人船70包括船体、推进器、放线绞盘66、编码器43、船载摄像头33、水密天线62和太阳能电池板44；船体采用双体船结构，包括中心的船舱和两侧的片体40，以及船底对接装置50，船上甲板与船底之间用橡胶垫片39，通过螺钉固定，对接装置采用卡位连接，与无人潜水器80对接时，无人潜水器顶部对接装置12的凹槽和在无人船底部对接叉子对接，凹槽内橡胶垫可以吸住对接叉子，前进时对接更牢固，分离时只需一定力量就可以分开；片体40船艉两侧，水线以下布置船用左螺旋桨航行推进器45和右螺旋桨航行推进器32控制前进后退和拐弯运动；船甲板上安装太阳能电池板44，利用太阳能为电池充电，增加续航时间；船艏安装编码器43，船载摄像头33，滑轮轴51通过轴系轴承38与船体连接，编码器43通过第二同步带37和第二同步轮42与船艏滑轮轴51连接，测量放线长度，船载摄像头33用来观察水面情况；船艉安装水密天线62，水密天线62由底部固定件46，天线罩子47和安装其内部的无线通信天线，天线顶部盖子48和安装其内部的GPS天线49组成。

如图8所示，放线绞盘66与滑环67连接，滑环67用于放线绞盘连续旋转时，旋转的放线绞盘和固定的船舱之间电源与数据信号的传输，船舱内安装光伏电压控制器56，控制太阳能输入电压，与船舱内的主用3S锂电池组52连接；船舱内安装航行器控制用的第二电子设备、无线通讯设备、第二电源控制设备以及视频图像传输设备，第二电子设备包括第二主控电路板64、第二惯性传感器59和第二电子罗盘57，无线通讯设备包括数据传输器63，第二电源控制设备包括主用3S锂电池组52和第二电源控制板61，视频图像传输设备包括信号解调器60、图传发射器58和GPS天线62，信号解调器60与无人潜水器80连接，将视频信号传给图传发射器58，GPS天线62安装在船尾。

如图8、图9所示，本实用新型自动收放脐带缆的放线系统包括缠绕脐带缆35用的放线绞盘66、控制放线绞盘旋转收放线的放线舵机54、测量放线长度的编码器43，本实用新型所述的放线绞盘66通过第一同步带53和第一同步轮55和放线舵机54连接，通过编码器43反馈的滑轮轴51转动角度的信号控制放线舵机54工作，通过放线舵机54控制放线绞盘66旋转，所述脐带缆35的一端通过滑环67与船舱内的第二电子设备连接，其另一端绕过固定于无人船70前端的船艏滑轮36与无人潜水器80内的第一电子设备连接，编码器43装在船艏，放线绞盘66与放线舵机54均在船舱内，脐带缆35通过小孔伸出，小孔装有O型密封圈进行动密封，上方装有遮雨板41，船艏滑轮36上的安全防护罩34固定在船艏，防止脐带缆35脱离，船艏贴有橡胶垫，减小磨损。

如图10、11所示，本实用新型所述的对接停靠装置，由无人船70船底对接装置50的两个L型对接叉子和无人潜水器80顶部对接装置12的凹槽组成，当无人船70和无人潜水器80对接时，系统收到对接指令，通过放线系统将脐带缆35收回，使无人潜水器80顶部对接装置12达到一定高度，此时，再配合脐带缆35的收放和无人潜水器80的运动，利用无人船70底部L型对接叉子的导向性，实现无人潜水器80顶部对接装置12卡进无人船70底部L型对接叉子，并由无人潜水器80凹槽内的橡胶垫69保证对接稳固，从而实现无人潜水器80依附于无人船70的下方，两者形成一个整体可以一起移动。无人潜水器80相对无人船70向前移动，挣脱橡胶垫69的吸附力便可离开L型对接叉子，自由移动。

本实用新型所述无人潜水器80和无人船70的主控电路板均采用超低功耗的STM32L152处理器作为主控芯片，各个模块分区供电，根据相应功能的需要，对其进行供电。当设备不需要工作时，处于低功耗模式以节约电量，增加续航时间。所述的电源控制板实现控制各个模块设备的通断电以及无人船70上的主用电源和无人潜水器80上的备用电源切换，当无人船70上的主电源电量低于一定值时启用备用电源，当船上主用电源电量恢复时重新启用，同时为备用电源充电。传感器数据的反馈采用中断请求机制。

本实用新型工作时通过一个带有深度计、惯性传感器、电子罗盘和摄像头等的无人潜水器80下潜到要求深度，通过航位推算来定位到工作地点，用摄像头21把水下图像信息传给水面无人船70，无人船70再通过无线传输模块将视频传输到岸基上的控制系统，并通过回传的图像信息及状态参数作为反馈，通过人机交互界面远程操控无人船及无人潜水器来观测目标。无人船70与无人潜水器80之间通过脐带缆35连接，脐带缆35内包含电源双绞线和信号线。

本实用新型无人船70与无人潜水器80可以协同运动，也可以分别单独运动。组合系统由手机遥控时，手机遥控可以通过两种模式实现控制，一是通过手机上控制软件的界面上的按钮控制无人船70和无人潜水器80的运动，其各个控制按钮可以分别控制无人潜水器80在水下前后移动和上浮下潜等运动、灯光亮度以及摄像头角度的调整，切换界面可以控制无人船的前后转向等运动。通过Wi-Fi远距离传输数据，可以在界面上实时监控显示无人潜水器80的状态，比如无人潜水器80的位置、姿态、电池电量等；显示自身传感器的信息，比如实时显示三轴加速度和角度，显示磁力计等传感器的读数等；可以将监控信息以txt或者excel格式保存，监控信息包含了采样时刻的时间戳；可以接收无人潜水器80上传的视频信息，并显示出无人潜水器80拍摄视频；二是通过手机软件界面了解组合系统的位置情况，包括无人潜水器80位置、无人船70位置、水下画面以及水下状态信息等，进行定位导航，组合系统可以自动前往目的地。控制软件是基于socket网络协议，利用Android Studio编写的。整个通信流程主要包括下位机通讯模块、数据转换模块、数据传输模块和上位机通讯模块，进行双向通信。

组合系统也可以由传统遥控器加显示屏控制。显示屏显示无人潜水器80位置、无人船70位置、水下画面以及水下状态信息等，通过遥控器上的操纵杆比例调节组合系统的运动。

Claims (9)

1.一种无人船加无人潜水器的组合系统，包括位于水面的无人船、位于水下的无人潜水器以及遥控操作控制设备，所述无人船和无人潜水器通过脐带缆连接，所述脐带缆内含供电续航的电源双绞线和传输控制信号和数据信号的信号线，其特征在于：所述无人船上设有自动收放脐带缆的放线系统，所述放线系统包括缠绕脐带缆用的放线绞盘、控制放线绞盘旋转收放线的放线舵机、测量放线长度的编码器，所述放线绞盘与放线舵机均设置在无人船的船舱内并通过第一同步系统连接，所述脐带缆的一端通过滑环与船舱内的电子设备连接，其另一端绕过固定于无人船前端的船艏滑轮与无人潜水器内的电子设备连接，所述编码器通过第二同步系统与船艏滑轮连接，所述船艏滑轮上方安装有防止脐带缆脱离的安全防护罩；所述无人船与无人潜水器之间设有对接停靠装置，所述对接停靠装置包括设于无人船底部的向下突出的两L型对接叉子和设于无水潜水器顶部内的用于容纳对接叉子的凹槽，所述凹槽内设有保证吸附力的橡胶垫。

2.如权利要求1所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述无人潜水器包括主舱、推进器和重心调节模块，所述主舱为密封舱，其两侧连接有侧面支撑板，内部设有固定架，所述固定架上安装有航行控制用的第一电子设备、第一电源控制设备、传输视频信号给无人船的电力载波设备、控制推进器速度的无刷电调、摄像头及控制摄像头方位的云台、照明用的LED灯；所述推进器包括分别固定在两侧面支撑板上水平放置的左螺旋桨推进器和右螺旋桨推进器、以及设置在无人潜水器重心处的竖直放置的中心螺旋桨推进器；所述重心调节模块包括设置在无人潜水器中心的两重心调节轴，所述重心调节轴上套装有改变固定位置调节横向重心以及改变质量来调节纵向重心的重心调节块。

3.如权利要求2所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述主舱包括透明管罩和两侧端盖，两侧端盖使用双O型密封圈，所述端盖外圈上有螺纹孔，通过螺栓与侧面支撑板连接，两侧面连接板之间通过螺纹杆固定连接，所述端盖中心的通孔安装有用于无刷电调与推进器连接的水密连接器，所述端盖内圈通过连接件与固定架固定连接。

4.如权利要求2所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述主舱内的第一电子设备包括实现信号采集及控制并与无人船通过信号线传输信号的第一主控电路板、用于测量外部水压进而换算得到无人潜水器所在深度的深度计、用于测量载体三轴的角速度的第一惯性传感器和用于实时测量运动姿态和航向角的第一电子罗盘；所述第一电源控制设备包括备用的3S锂电池组和第一电源控制板。

5.如权利要求2所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述摄像头安装在云台上与控制其开关的主控电路板连接，所述云台包括在安装在固定架上的旋转舵机、连接板和固定在连接板上的俯仰舵机。

6.如权利要求1～5之一所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述无人船包括船体，所述船体是由中心的船舱和两侧的片体连接组成的双体船结构，所述船舱内安装有航行控制用的第二电子设备、无线通讯设备、第二电源控制设备以及视频图像传输设备，所述片体的船艉两侧分别安装有左螺旋桨航行推进器和右螺旋桨航行推进器，所述船体甲板上安装有增加续航时间的太阳能电池板，所述太阳能电池板通过船舱内的光伏电压控制器与供电电源连接，所述船舱的船艏安装有船载摄像头。

7.如权利要求6所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述船舱内的第二电子设备包括第二主控电路板、第二惯性传感器、第二电子 罗盘，所述无线通讯设备包括数据传输器，所述第二电源控制设备包括主用3S锂电池组和第二电源控制板，所述视频图像传输设备包括信号解调器、图传发射器和水密天线，所述信号解调器与无人潜水器连接将视频信号传给图传发射器，所述水密天线由底部固定件、天线罩子和安装其内部的无线通信天线、天线顶部盖子和安装其内部的GPS天线组成。

8.如权利要求7所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：第一主控电路板和第二主控电路板均采用超低功耗的STM32L152处理器作为主控芯片，各个模块采用由相应电源控制板控制的分区供电模式。

9.如权利要求8所述的一种无人船加无人潜水器的组合系统，其特征在于：所述遥控操作控制设备是一智能电子设备或是遥控操作器和显示设备组合的结构。