一种用于回收水下机器人的对接装置、无人船及回收方法

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种用于回收水下机器人的对接装置、无人船及回收方法。

背景技术

无人自主水下机器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)作为一种无人无缆的水下系统平台，可用于海底地形测绘、目标搜救、资源勘探、科学考察等多种任务。单个AUV超远距离作业时，容易发生通信或控制故障，导致丢失风险较大，且作业数据无法发送回指挥中心，作业效率低。采用多AUV协同作业，相互连接的方式，可以很好的克服上述不足。采用无人船搭载多个AUV进行水下探测作业可以实现无人化运营的超视距水下探测作业，能降低运营成本，提高水下探测作业效率。但是，目前AUV主要通过人工的方式进行回收，对操作人员的人身安全威胁大、成本高、效率低，因此实现无人船上多个AUV的自动回收无疑是现在亟需突破的关键技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种用于回收水下机器人的对接装置、无人船及回收方法，解决了如何实现无人船上多个AUV的自动回收的问题。

本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置包括：第一壳体，所述第一壳体的长度方向的一端为封闭端，另一端为开口端；所述第一壳体内部设置有控制模块；所述封闭端上设置有固定装置，与所述控制模块电连接；

引导罩，所述引导罩呈漏斗状，所述引导罩的长度方向具有一个宽口端和一个窄口端；

连接罩，设置在所述第一壳体和所述引导罩之间，所述第一壳体的开口端与所述引导罩的一端连接，所述引导罩的窄口端与所述引导罩的另一端连接。

在一种实施方式中，所述固定装置上设置有感应模块，与所述控制模块电连接。

在一种实施方式中，所述对接装置还包括拖拽线缆；所述第一壳体的封闭端开设有开孔，所述拖拽线缆通过所述开孔伸入所述第一壳体内部；所述拖拽线缆包括固定线缆和电气线缆，所述固定线缆与所述第一壳体固定连接，所述电气线缆与所述控制模块电连接。

在一种实施方式中，所述连接罩上设置有交互模块。

在一种实施方式中，所述引导罩上设置有多个平衡结构。

在一种实施方式中，所述对接装置还包括定位结构，设置在所述引导罩的宽口端上，所述定位结构包括环形固定件以及设置在所述固定件上的发光件，所述固定件为环形结构，设置在所述引导罩的宽口端。

在一种实施方式中，所述引导罩由多条弹性金属条相隔预设间隔径向排列组成。

一种用于回收水下机器人的无人船，包括上述所述的对接装置。

一种水下机器人的回收方法，包括：

向水下机器人发送定位信号；

判断水下机器人的位置是否在预设范围内，若在预设范围内，判断水下机器人的位置是否满足定位需求；

若满足定位需求，则锁紧水下机器人；

向母船发送回收信号，以对水下机器人进行回收。

在一种实施方式中，在所述向水下机器人发送定位信号的步骤之前还包括：向母船反馈状态数据。

本发明实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置，所述用于回收水下机器人的对接装置在结构上采用最简化设计，可显著降低了回收对接装置的体积与重量，并且能够集成声学及光学信标定位技术，通过引导罩实现那AUV的回收对接，并采用内部的感应电子锁扣完成AUV的定位与对接，最终由绞车系统将对接装置和AUV带回母船回收平台，由母船船体上的机械臂搬运系统完成水下到船上的转移。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置的结构示意图。

图2所示为本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置的结构示意图。

图3所示为本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置的结构示意图。

图4所示为本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接装置对接后的示意图。

图5所示为本发明一实施例提供的一种无人船的结构示意图。

图6所示为本发明一实施例提供的一种用于回收水下机器人的对接方法的流程示意图。

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。

目前随着海上作业的需求日益提升，对AUV的远程自主化作业能力以及长续航能力的要求逐渐提升，然而由于AUV固有体积限制无法确保长时间连续作业，目前主要基于水面母船的补给，实现多电量周期工作，具体地，主要实现方式是通过工作人员驾驶水面船进行人工打捞方式回收AUV和充电，因此对操作人员的人身安全威胁大、成本高、效率低。

针对上述问题，目前在回收对接技术方面，主要采取比较直接的方法：以母船下放对接坞进行捕获，不过这种方式中虽然能够实现相对可行的回收对接方案，但其对接装置结构庞大、且占据了相当一部分的母船排水量，另外这种方案在无法实现对多个AUV的无人化回收作业。另外，还可以采用USV自主回收AUV的拖曳装置，这种方式虽然在相比回收坞而言体积重量方面进行了优化，同时通过增加了定位装置对AUV进行引导，实现精确对接，另外增加了姿态调节提高对接装置的平稳性，但是其结构组成相对复杂，且最后的回收工作仍需要人工参与才能实现最终的回收，如用于无人母船仍需要进行优化和改进。针对上述问题，

为了适应和兼容无人母船对多AUV自主化回收的作业需求，本发明提出一种用于回收水下机器人的对接装置、无人船及回收方法，在结构上采用最简化设计，可显著降低了回收对接装置的体积与重量，并且能够集成声学及光学信标定位技术，通过引导罩实现那AUV的回收对接，并采用内部的感应电子锁扣8完成AUV的定位与对接，最终由绞车系统将对接装置和AUV带回母船回收平台，由母船船体上的机械臂搬运系统完成水下到船上的转移。具体的实施方式如下述实施例所述。

本实施例提供了一种用于回收水下机器人(AUV)的对接装置，如图1和图2所示，所述对接装置包括第一壳体5、引导罩1和连接罩3。

其中，第一壳体5，第一壳体5的长度方向的一端为封闭端，另一端为开口端；第一壳体5内部设置有控制模块；封闭端上设置有固定装置，与控制模块电连接。可选地，为和水上机器人的形状相匹配，第一壳体5的形状为子弹头状；第一壳体5的材料为金属；才子弹头状的第一壳体5能与母船回收平台进行对位嵌入配合，再由绞车的拉力作用能够起到对回收装置的定位效果，采用金属材料的第一壳体5在回收过程中能够承受机械冲击，其中第一壳体5结构为短罩身结构，能够很好的适应无人船平台的机械臂自主抓取作业。控制模块为电子控制模块，用于与母船通信以及信号转换等，控制模块具备电源供电模块、主控板、深度传感器、陀螺仪传感器、超短换能器驱动模块、锁扣开关驱动模块、超高亮LED灯驱动模块等。可选地，固定装置为电子锁扣8，如图3所示(图3中的放大图为电子锁扣8的结构)，电子锁扣8由电子控制系统进行驱动控制，具备自锁功能，一旦完成了锁定行程除非电子开关控制否则不会轻易松开。AUV与对接装置对接后状态如图4所示，在对接过程中设置在母船底部的限位结构10对接装置进行限位和锁定，使对接装置与母船间的位置相对固定，对接装置上的电子锁扣8锁住AUV9上的吊环11，采用电子锁扣8进行固定还能够避免电磁铁方式对AUV9内部电子线路产生恶劣影响，以及避免了机械卡扣老化、卡壳带来故障失效问题。

引导罩1，引导罩1呈漏斗状，引导罩1的长度方向具有一个宽口端和一个窄口端。引导罩1用于在对接过程中对AUV9起到引导作用。可选地，宽口端的截面面积为AUV9截面面积的3～5倍，开口角度约为60～90°，该尺寸可以增加对接精准度。

连接罩3，设置在第一壳体5和引导罩1之间，第一壳体5的开口端与引导罩1的一端连接，引导罩1的窄口端与引导罩1的另一端连接。可选地，连接罩3为圆柱形金属壳体，壳体截面面积约为AUV9截面面积的1.2～1.5倍，可以用于连接第一壳体5与引导罩1。连接罩3延长了对接装置的内部深度，可对进入其中的AUV9起到定位作业，另外也为尾部引导罩1体提供了可更换性，以适应对对接装置对不同AUV9平台的对接作业能力。

上述对接装置由拖拽线缆6连接母船绞车系统与对接装置的第一壳体5，可以实现在一定深度以下的投放和对接回收，避免了浅水水面复杂噪音的干扰。对接装置精简了整体结构，能够有效地减重降本。且本方案中的对接装置具备多种定位方式，通过GPS、声学导航和光学定位方式分别实现不同距离下的导航工作，通过多重检测程序判断对接工作中的执行准确度，提升定位精度。

在本发明一实施例中，第一壳体5的内壁上安置撞击缓冲层，在与AUV对接撞击过程中起到保护作用。

在本发明一实施例中，固定装置上设置有感应模块，可选地，感应模块为红外位置传感器；当检测到目标物出现在既定位置时将反馈信息传递给控制模块进行锁定请求。

在本发明一实施例中，对接装置还包括拖拽线缆6；第一壳体5的封闭端开设有开孔；对接装置还包括拖拽线缆6；第一壳体5的封闭端开设有开孔，拖拽线缆6通过开孔伸入所述第一壳体5内部；拖拽线缆6包括固定线缆和电气线缆，固定线缆与第一壳体5固定连接，电气线缆与控制模块电连接。可选地，固定线缆为钢丝绳。拖拽缆连接母船上的绞车系统和本发明中的对接装置，通过拖拽线缆6可以实现在AUV在一定深度以下的对接回收，避免了浅水水面复杂噪音干扰。拖拽线缆6由钢丝绳和电气线缆组成，钢丝绳承受对对接装置的机械拉扯，电气线缆用于对对接装置供电和控制通信，拖拽线缆6通过水密封接头连接控制模块进行供电和收发信号。

在本发明一实施例中，连接罩3上设置有交互模块。可选地，交互模块为超短换能器模块，用于与AUV的超短换能器接收端进行交互位置信息。

在本发明一实施例中，引导罩1上设置有多个平衡结构。可选地，所述平衡结构包括水平翼板4和背鳍板2。可选地，引导罩1的罩体外围安装了两块水平翼板4和一块背鳍板2，水平翼板4同时设置在引导罩1和连接罩3上，用于连接固定对接装置的连接罩3和引导罩1，并提供水中平衡作用。

在本发明一实施例中，对接装置还包括定位结构，设置在引导罩1的宽口端上，定位结构包括环形固定件以及设置在固定件上的发光件7，固定件为环形结构，设置在引导罩1的宽口端。可选地，固定件为钢圈；发光件7为LED灯，优选地，为超高亮LED。LED灯用作AUV的视觉检测与定位，能够在近距离对接过程中取得比超短换能器更好的定位精度。引导罩1的末端处安装了钢圈，在钢圈装上安装有预设数量的超高亮LED灯，用于AUV对接过程中近距离的定位参考。可选地，预设数量为4个或8个。LED安置在末端钢圈的槽孔内，防止AUV撞击损坏LED灯。

在本发明一实施例中，引导罩1由多条弹性金属条相隔预设间隔径向排列组成。可选地，引导罩1的罩身为由多条弹性金属条组成的径向筛水槽结构，引导罩1的末端处的固定件对组成筛形面的金属条起到固定作用，所述径向筛水槽结构能够承受AUV对接时的意外撞击，径向筛形水槽结构在水中被拖拽前进时能够在水流作用下驱使引导罩1罩口水平朝后，便于AUV水平对接。其中，预设间隔需要根据实际引导罩1的截面面积、被拖拽速度、对接装置整体配重等共同决定，本专利对预设密度不做限定。所述对接装置在水下的运动平衡主要用到的是罩身的筛状构造以及上面的平衡翼板，因此省略了对接装置的舵控平衡部分，有效简化了结构复杂度，方便无人化操作。

本实施例提供一种用于回收水下机器人的无人船，如图5所示，无人船包括上述实施例所述的对接装置。无人船还包括无线充电方舱、电动绞车、机械臂、双目相机、水下对接装置和对接装置限位结构等组成。无人船具有宽大的甲板面积，在船体中部开设了一个月池，直通水下，用于AUV的布放和回收，在船体底部中间区域设计了一个流线型的对接装置限位结构，用于水下对接装置的限位和锁定，使对接装置与无人船相对固定。多个无线充电方舱布置在无人船主甲板月池的两侧，每个无线充电方舱由多个AUV储存格组成，每个储存格中布置一个圆弧形的无线充电线圈，采用电磁波的形式，实现对AUV的能源补给和数据交互。其中，电动绞车位于无人船甲板上，机械臂位于无人船的中部，月池旁边，双目相机位于无人船顶部。

本实施例提供一种水下机器人的回收方法，如图6所示，当AUV水下作业时，当完成既定目标任务或检测到电量偏低时，将自动进入回收模式，上浮出水面接收GPS信号，并通过无线电获取母船位置，可以由AUV本身完成路径规划并往母船方向靠近，但如距离较远或电量过低时，AUV将发送信号请求母船往AUV靠近，母船如果有其它任务时，优先级问题由母船判断执行，靠近过程中实时交互位置信息。当AUV和母船距离达到既定水平距离时，母船停止航行并启动绞车系统开始缓速下放对接装置，可以避免不确定状态下线缆纠缠打结等问题。下放深度根据水域状态(海况)决定；对接装置上的深度传感器实时检测的深度与绞车拖拽绳下放长度进行对比，可以获取对接装置的下放过程状态，另外陀螺仪传感器实时反馈对接装置的角度姿态。

所述水下机器人的回收方法包括：

步骤01:向水下机器人发送定位信号。对接装置下放到一定深度后，母船开始匀速背离AUV航行，在母船的拖拽下对接装置也会以一个稳定航行姿态进行航行，在航行的过程中对接装置将其深度、速度、姿态信息等状态数据反馈给母船，同时发送定位信号。由母船通过无线电方式传递给AUV。AUV接收到母船发出的对接装置运动状态(坐标信息、和姿态角度、航速信息)后，下潜进入对接装置发送的定位信号(超短声信标)范围之内，按照定位信号导航定位。由AUV规划出跟随轨迹和对接轨迹，AUV在该过程中需到达对接装置的水平正后方。母船在对接过程中始终以匀速前进，AUV以略大于对接装置航行速度的速度缓慢靠近对接装置。

AUV对对接装置上的LED光信号特征通过多目相机追踪导航，AUV通过图形实时扫描寻找LED灯的位置信息，以LED光源中心为参考，调整横向和纵向的偏移度及航行角度，使AUV的直线航行轨迹与LED光源中心的前进轨迹重合。AUV开始加速追赶对接装置，逐渐缩短二者距离。当AUV到达引导罩1，由相机的图像识别确认是否适合对接，如不适合需重新进行对准操作；如确认该位置已完全适合对接，AUV将加速进入引导罩1的定位钢圈内。由相机进行检测对接状态，如进入引动罩失败，AUV需重复上述对接步骤。

AUV进入引导罩1内部，AUV需保持稳定速度，且指令速度与对接装置的相对速度不超过0.1m/s，由引导罩1体将AUV引导到内部前进。当AUV碰触到最底部时AUV的控制航速需与对接装置尽量一致，避免AUV因动力过大推动对接装置前进。

步骤02:判断水下机器人的位置是否在预设范围内，若在预设范围内，判断水下机器人的位置是否满足定位需求。当AUV到达预设范围内(例如，对接装置尽头)时，由对接装置第一壳体5内的感应模块对AUV位置判断，如未符合既定位置需求，由AUV减速并稍微后退一定距离，重复上述对接过程，直至AUV的位置的符合既定位置需求。

步骤03:若满足定位需求，则锁紧水下机器人。判断AUV的位置符合既定位置需求后，由对接装置中的控制模块驱动固定装置，以锁定AUV顶端夹环，再由固定装置的力回馈和行程检测判断是否已经夹紧，如未夹紧到位那么重复尝试直至加紧。

步骤04:向母船发送回收信号，以对水下机器人进行回收。当检测夹紧后，对接装置的控制模块想母船发生回收信号，请求母船进行绞车线缆回收。回收过程中母船可以逐渐降速，拖拽线缆6速度略大于母船减速的加速度值，这样可以确保拖拽线缆6始终处于绷直状态；当对接装置被回收至母船回收井下放时，由拖拽线缆6将对接装置第一壳体5拉进对接圆槽进行定位。由母船上的机械臂进行抓取回收工作，完成自动回收作业。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。