一种辅助水下检测的水面动力浮标

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，涉及一种辅助水下检测的水面动力浮标。

背景技术

目前，遥控无人潜水器（Remote Operated Vehicle, ROV）已越来越广泛应用于水下观测、水下探测和水下作业等领域。针对多种复杂的坝面检测的需求，水下机器人本体经常作业在比较深的水域，为提高本体定位的准确性，配合水下机器人本体的运动作业，配套设计水面动力浮标，辅助水下机器人精准定位，监测水面环境，及时实现与坝上操纵控制者信息输送。

现有技术中，ROV的布放和回收通过布放装置和线缆收放装置完成，布放装置与机器人本体一同下降到水中，通过线缆收放装置收放线缆，实现机器人本体进入或脱出布放装置，进而实现机器人本体的布放和回收。在现实操作中，受水流干扰较大，机器人本体与布放装置无法对位，进而机器人本体很难顺利进入到布放装置内，容易出现回收故障。专利CN 109292057 A于提出一种缆控水下机器人布放和回收系统，能够实现布放装置的方向的调节，便于机器人本体的布放和回收，但存在笼式布放回收装置结构复杂、功能单一的问题。此外，还存在水声定位基阵没法布置的问题，坝面水上人员操作难度大，即使设置一个能够布置水声定位基阵的安装平台，那也会存在晃动影响的精度问题、不在机器人上方水声定位无效而需要自动移位的问题以及北斗GPS定位+水声定位的高精度处理等问题。

此外，由于大坝很多都是有坡度的，从坝顶吊下去，脐带缆都聚集在坝面边上，没有展开，容易被坝面上遗留的突起物挂住，会影响机器人运动。因此需要一种装置能根据水下机器人的作业位置对脐带缆进行动态调整，将脐带缆带出去，最好是将脐带缆水面的部分移动到机器人正顶部，这样脐带缆对机器人的影响最小。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种辅助水下检测的水面动力浮标，能够辅助水下机器人的布放、回收以及作业过程的辅助脐带缆管理，实现了水面动力浮标与水下机器人一体化布放与回收，操作更加简便。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种辅助水下检测的水面动力浮标，用于辅助水下机器人的布放、回收以及定位和对水面进行监测，包括浮标本体、浮球以及自脱钩装置，所述浮标本体为U型开口结构，所述U型开口结构的底部设置有与浮球外形结构相匹配的夹持槽，所述夹持槽的上设置有限制部，所述限制部用于防止浮球向上或向下运动而脱离浮标本体，但所述浮球在浮标本体内能够前后移动，即自U型开口处进出浮标本体内；所述浮标本体通过缆绳与浮球连接；所述浮球中心为通孔结构，所述通孔内设置有容纳自脱钩装置的容纳腔，所述通孔还用于供岸站与水下机器人连接的脐带缆穿过；所述自脱钩装置包括相互匹配设置的活动部和固定部，所述固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部。

在布放和回收水下机器人的过程中，所述自脱钩装置的上部与一端固定在岸站且用于布放和回收水下机器人的承重钢索的另一端连接，下部与水下机器人连接；在布放成功后，所述自脱钩装置的固定部通过承重钢索被岸站收回，收回到岸站后，工作人员手动打开自脱钩装置的固定部上的卡扣，取下开槽板，脐带缆即可脱离自脱钩装置的固定部；回收时，工作人员将脐带缆塞入自脱钩装置的固定部内，装上开槽板，关闭卡扣，所述自脱钩装置的固定部顺着脐带缆进入浮球的通孔内，做好与活动部对接的准备工作。

浮球通过绞车与浮标本体建立连接，同时，水下机器人脐带缆通过浮球上的通孔穿过浮球。水下机器人在运动或者作业过程中，通过脐带缆带动浮球运动，使得浮球和水下机器人始终在同一铅垂线上，浮标通过收放绞车的缆绳与浮球建立连接，浮标在观测水面波浪情况同时可将水下机器人的水面位置信息输送至岸站，实现水面动力浮标的水面定位功能，且也实现了对脐带缆的保护，能够根据水下机器人的作业位置对脐带缆进行动态调整，将脐带缆的水面部分移动到机器人正顶部，为水下机器人的运动提供了进一步的保障。

进一步地，本发明的自脱钩装置为中国专利申请CN109733985A公开的一种水下机器人自动上、解锁的吊放锁扣装置及操作方法中的锁扣装置，具体为：所述自脱钩装置的固定部套装于活动部的外部，所述活动部为吊放头，吊放头中心设置为通孔，用于供脐带缆穿过，吊放头下部与水下机器人固定连接，当到达布放点时，吊放头自固定部脱离而向下与水下机器人一起向水底运行。所述自脱钩装置的固定部包括设置于上部并与承重钢索连接的挂环、设置于挂环下部的浮力圈，设置于浮力圈下部的吊架，设置于吊架与浮力圈之间的锁扣机构，所述锁扣机构包括活动锁舌，锁扣机构的设计和原理与中国专利申请CN109733985A一致，不再赘述。

进一步地，本发明的自脱钩装置在中国专利申请CN109733985A的基础上进行了一点改进，具体为：所述固定部的侧边设置有开槽板和卡扣，所述开槽板的设置作为将脐带缆自固定部内取出和将脐带缆放入固定部内的出入口，所述卡扣用于将开槽板固定于固定部上。

进一步地，本发明的浮标还包括止荡装置，所述止荡装置包括相互匹配的上止荡装置和止荡底座，装配时，所述止荡底座用于支撑上止荡装置；所述上止荡装置设置于浮标本体中部，所述止荡底座设置于水下机器人的顶部。

进一步地，所述止荡底座设置水下机器人本体顶部框架上，上止荡装置和止荡底座通过锥面点对点承重支撑，进而实现浮标本体通过止荡装置由水下机器人来承重。由于上止荡装置与止荡底座采取点对点锥面承重支撑，接触面积较大，且结构上也起到一定的稳定固定的作用，能够明显提高浮标与机器人一体布放稳定性。

优选地，上止荡装置的上部通过螺纹与浮标本体连接，止荡底座的下部通过螺栓螺母固定在水下机器人的框架上部。

进一步地，所述浮标本体的下部与水下机器人的上部结构共型，即两者为凹凸装配设置。

进一步地，本发明的浮标还包括设置于浮标本体上的北斗天线和图传天线，所述北斗天线用于为浮标本体提供定位；所述图传天线用于完成水面与岸站监测信息的交互；所述北斗天线与图传天线通信连接，所述北斗天线将位置信息经由交换机传输至图传天线，所述位置信息包括浮标本体的位置和水下机器人的位置；所述图传天线将自交换机接收到的所有信息传输给水面岸站的计算机控制中心。

进一步地，本发明的浮标还包括设置于浮标本体上的投光灯和摄像头，所述投光灯用于辅助摄像头进行水面环境情况监测，所述摄像头用于拍摄水面环境情况，并将拍摄内容传输至水面岸站的计算机。

进一步地，本发明的浮标还包括设置于浮标本体下部的超短基线定位系统和声学多普勒流速剖面仪，所述超短基线定位系统和声学多普勒流速剖面仪分别与图传天线通信连接，所述超短基线定位系统用于通过声学定位水下机器人相对浮标的位置，提高水下机器人绝对定位的精准度；所述声学多普勒流速剖面仪用于利用声学多普勒原理，获取垂直剖面水流速度，有效监测水下水流情况，有助于水下机器人作业的安全预控；所述超短基线定位系统经由交换机将水声定位信息传输给图传天线；所述声学多普勒流速剖面仪经由交换机将流速信息传输给图传天线；所述图传天线将接收到的信息传输给水面岸站的计算机控制中心。

本发明具备很好的辅助水下机器人定位的功能，具体为：本发明的浮标上设置有一个主基阵，水下机器人上设置有信标，获得水下机器人相对浮标的距离和方位的定位信息，故上述水声定位信息不仅包括水下机器人相对浮标的距离和方位，还包括浮标本身的位置，这样才能得到水下机器人的位置。

进一步地，所述浮标本体通过绞车上的缆绳与浮球连接，所述绞车设置于浮标本体上，所述绞车上的缆绳一端与绞车连接，另一端与浮球连接。

进一步地，所述浮体本体设置有自供电装置，所述自供电装置分别与绞车、投光灯、摄像头以及设置于浮标本体上的通信设备电连接，为它们提供电源。所述设置于浮标本体上的通信设备包括图传天线、北斗天线、超短基线定位系统、声学多普勒流速剖面仪。

优选地，所述自供电装置为动力锂电池。

进一步地，所述浮标本体为浮力块，满足正浮力要求，具备安全有效的悬浮能力，为水面监测提供可能。

进一步地，本发明的浮标还包括推进器，所述推进器设置于浮标本体的端部，用于为浮标本体提供动力。自供电装置还与推进器电连接，为其提供电源。

进一步地，所述推进器至少有4个，分别设置于浮标本体前后两侧的端部；优选4个推进器，按照矢量法布置，这样设置满足了浮标多个运动自由度的要求，不仅提高了动力，而且节省了能源。

进一步地，矢量法布置方法为：浮标配备四个推进器，位于同一水平面上，推进器在四个角落呈八字布置，螺旋桨发出的推力方向与轴线呈45°夹角；通过矢量法布置能够进行多自由度运动控制以及有效提高推进效率。

与现有技术相比，本发明提供了一种辅助水下检测的水面动力浮标，具备以下有益效果：

（1）本发明的水面动力浮标能够辅助水下机器人的定位和根据水下机器人的作业位置对脐带缆进行动态调整，为水下机器人的运动提供了进一步的保障。

（2）本发明的水面动力浮标实现水面动力浮标与水下机器人一体化布放与回收，操作更加简便，节约经济成本。

（3）本发明的水面动力浮标通过浮球的设置以及浮球经脐带缆与水下机器人的连接，使得工作时浮球和水下机器人始终在同一铅垂线上，浮标本体通过收放水平绞车的缆绳与浮球建立连接，构建了两个平面（垂直面和水平面）坐标内的精准定位，提高了整个水底检测检测系统的定位准确性。

（4）本发明的水面动力浮标通过设置了止荡保护装置，建立锥面点对点承重连接，减少在吊放过程中水下机器人受不可抗力的摇晃、移位和碰撞风险。

（5）本发明的水面动力浮标的下部通过与水下机器人上部结构共型的设置，这样能够更好的分布受力，且提高回收时的一体化对位的便捷性与准确性。

（6）本发明的水面动力浮标提供具备长时间的独立供电的自供电装置，且具有完美的水面通信设备，机动性和实用性强；浮标本体顶部搭载高清摄像头，能够有效进行水面监测，为岸面操纵控制提供参考。

（7）本发明的水面动力浮标上设置有流速剖面仪，可以直接获取整个水下剖面的分层流速，进而获得整个作业区域的流场分布，避免了由于大坝水下流场复杂，贸然将水下机器人放下去可能流速超出其工作范围，导致安全事故，提高了水下作业安全性。

附图说明

图1为本发明水面动力浮标的立体结构示意图；

图2为本发明水面动力浮标的后视结构示意图；

图3为本发明水面动力浮标与水下检测机器人一体化布放回收的示意图（其中，图中最下部的虚线表示省略了水下检测机器人除其顶部与上止荡装置装配以外的部分）；

图4为本发明水面动力浮标辅助作业定位的示意图；

图5为本发明中浮标止荡机构中心剖视图；

图6为本发明中止荡机构的结构示意图，其中6a为止荡底座，6b为上止荡装置，6c止荡机构装配图，6d为6c的剖面图；

图7为本发明中自脱钩装置的结构示意图；

图8为图7中开槽板92被取下后的结构示意图。

图中附图标记的含义：

1-浮标本体；2-投光灯；3-图传天线；4-摄像头；5-北斗天线；6-绞车；7-浮球；8-上止荡装置；9-自脱钩装置；91-挂环；92-开槽板；93-浮力圈；94-活动锁舌；95-吊架；96-吊放头；97-卡扣；10-推进器；11-超短基线定位系统；12-声学多普勒流速剖面仪。

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做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。

如图1至图6所示，本发明的水面动力浮标，用于辅助水下机器人的布放、回收以及定位和对水面进行监测，包括浮标本体1、浮球7以及自脱钩装置9，浮标本体1为U型开口结构，U型开口结构的底部设置有与浮球7外形结构相匹配的夹持槽，夹持槽的上设置有限制部，限制部用于防止浮球7向上或向下运动而脱离浮标本体1，但浮球7在浮标本体1内能够前后移动，即自U型开口处进出浮标本体1内；浮标本体1通过缆绳与浮球7连接；浮球7中心为通孔结构，通孔内设置有容纳自脱钩装置9的容纳腔，通孔还用于供岸站与水下机器人连接的脐带缆穿过；自脱钩装置9包括相互匹配设置的活动部和固定部，固定部在浮力作用下松开活动部，使得活动部与固定部分离，在没有浮力的情况下，固定部能够锁紧活动部。

在布放和回收水下机器人的过程中，自脱钩装置9的上部与一端固定在岸站且用于布放和回收水下机器人的承重钢索的另一端连接，下部与水下机器人连接；在布放成功后，自脱钩装置9的固定部通过承重钢索被岸站收回，收回到岸站后，工作人员手动打开自脱钩装置9的固定部上的卡扣97，取下开槽板92，脐带缆即可脱离自脱钩装置9的固定部；回收时，工作人员将脐带缆塞入自脱钩装置9的固定部内，装上开槽板92，关闭卡扣97，自脱钩装置9的固定部顺着脐带缆进入浮球7的通孔内，做好与活动部对接的准备工作。

浮球7通过绞车6与浮标本体1建立连接，同时，水下机器人脐带缆通过浮球7上的通孔穿过浮球7。水下机器人在运动或者作业过程中，通过脐带缆带动浮球7运动，使得浮球7和水下机器人始终在同一铅垂线上，浮标本体1通过收放绞车6的缆绳与浮球7建立连接，浮标在观测水面波浪情况同时可将水下机器人的水面位置信息输送至岸站，实现水面动力浮标的水面定位功能。

在本实施例的一种具体实施方式中，如图7和图8所示，本发明的自脱钩装置9为中国专利申请CN109733985A公开的一种水下机器人自动上、解锁的吊放锁扣装置及操作方法中的锁扣装置，具体为：自脱钩装置9的固定部套装于活动部的外部，活动部为吊放头96，吊放头96中心设置为通孔，用于供脐带缆穿过，吊放头96下部与水下机器人固定连接，当到达布放点时，吊放头96自固定部脱离而向下与水下机器人一起向水底运行。自脱钩装置9的固定部包括设置于上部并与承重钢索连接的挂环91、设置于挂环91下部的浮力圈93，设置于浮力圈93下部的吊架95，设置于吊架95与浮力圈93之间的锁扣机构，锁扣机构包括活动锁舌94，锁扣机构的设计和原理与中国专利申请CN109733985A一致，不再赘述。

在本实施例的一种具体实施方式中， 本发明的自脱钩装置9在中国专利申请CN109733985A的基础上进行了一点改进，具体为：固定部的侧边设置有开槽板92和卡扣97，开槽板92的设置作为将脐带缆自固定部内取出和将脐带缆放入固定部内的出入口，卡扣97用于将开槽板92固定于固定部上。

在本实施例的一种具体实施方式中， 如图5和图6所示，本发明的浮标还包括止荡装置，止荡装置包括相互匹配的上止荡装置8和止荡底座，装配时，止荡底座用于支撑上止荡装置8；上止荡装置8设置于浮标本体1中部，止荡底座设置于水下机器人的顶部。

在本实施例的一种具体实施方式中， 止荡底座设置水下机器人本体顶部框架上，上止荡装置8和止荡底座通过锥面点对点承重支撑，进而实现浮标本体1通过止荡装置由水下机器人来承重。由于上止荡装置8与止荡底座采取点对点锥面承重支撑，接触面积较大，且结构上也起到一定的稳定固定的作用，能够明显提高浮标与机器人一体布放稳定性。

优选地，上止荡装置8的上部通过螺纹与浮标本体1连接，止荡底座的下部通过螺栓螺母固定在水下机器人的框架上部。

在本实施例的一种具体实施方式中， 浮标本体1的下部与水下机器人的上部结构共型，即两者为凹凸装配设置。

在本实施例的一种具体实施方式中， 本发明的浮标还包括设置于浮标本体1上的北斗天线5和图传天线3，北斗天线5用于为浮标本体1提供定位；图传天线3用于完成水面与岸站监测信息的交互；北斗天线5与图传天线3通信连接，北斗天线5将位置信息经由交换机传输至图传天线3，图传天线3将自交换机接收到的所有信息传输给水面岸站的计算机控制中心。

在本实施例的一种具体实施方式中， 本发明的浮标还包括设置于浮标本体1上的投光灯2和摄像头4，投光灯2用于辅助摄像头4进行水面环境情况监测，摄像头4用于拍摄水面环境情况，并将拍摄内容传输至水面岸站的计算机。

在本实施例的一种具体实施方式中， 本发明的浮标还包括设置于浮标本体1下部的超短基线定位系统11和声学多普勒流速剖面仪12，超短基线定位系统11和声学多普勒流速剖面仪12分别与图传天线3通信连接，超短基线定位系统11用于通过声学定位水下机器人相对浮标的位置，提高水下机器人绝对定位的精准度；声学多普勒流速剖面仪12用于利用声学多普勒原理，获取垂直剖面水流速度，有效监测水下水流情况，有助于水下机器人作业的安全预控；超短基线定位系统11经由交换机将水声定位信息传输给图传天线3；声学多普勒流速剖面仪12经由交换机将流速信息传输给图传天线3；图传天线3将接收到的信息传输给水面岸站的计算机控制中心。

在本实施例的一种具体实施方式中， 浮标本体1通过绞车6上的缆绳与浮球7连接，绞车6设置于浮标本体1上，绞车6上的缆绳一端与绞车6连接，另一端与浮球7连接。

在本实施例的一种具体实施方式中， 浮体本体设置有自供电装置，自供电装置分别与绞车6、投光灯2、摄像头4以及设置于浮标本体1上的通信设备电连接，为它们提供电源。设置于浮标本体1上的通信设备包括图传天线3、北斗天线5、超短基线定位系统11、声学多普勒流速剖面仪12。

优选地，自供电装置为动力锂电池。

在本实施例的一种具体实施方式中， 浮标本体1为浮力块，满足正浮力要求，具备安全有效的悬浮能力，为水面监测提供可能。

在本实施例的一种具体实施方式中， 如图1至图3所示，本发明的浮标还包括推进器10，推进器10设置于浮标本体1的端部，用于为浮标本体1提供动力。自供电装置还与推进器10电连接，为其提供电源。

在本实施例的一种具体实施方式中， 推进器10至少有4个，分别设置于浮标本体1前后两侧的端部；优选4个推进器10，按照矢量法布置，这样设置满足了浮标多个运动自由度的要求，不仅提高了动力，而且节省了能源。

在本实施例的一种具体实施方式中， 矢量法布置方法为：浮标配备四个推进器10，位于同一水平面上，推进器10在四个角落呈八字布置，螺旋桨发出的推力方向与轴线呈45°夹角；通过矢量法布置能够进行多自由度运动控制以及有效提高推进效率。

本发明的布放和回收流程如下：

当进行水下机器人布放时，水面岸站上吊放装置通过承重钢索与放置在浮球7内的自脱钩装置9建立连接，同时脐带缆一齐穿过其中，承重钢索一并吊起浮标和水下机器人，浮标本体1通过止荡装置由水下机器人本体承重，此时，三位一体，实现一体化吊放。当水下机器人进入水下，且满足浮标本体1悬浮条件时，随着水下机器人的不断下潜，浮球7满足自身浮力要求，在浮球7内的自脱钩装置9也因浮力作用活动部与固定部脱离而使水下机器人与浮球7脱离，此时浮球7通过缆绳由浮标本体1的绞车6拉扯。随后，水面岸站通过承重钢索将自脱钩装置9回收至水面岸站，这样是为了水下机器人在工作过程中，防止脐带缆被束缚和限制在自脱钩装置7内造成脐带缆的损伤，对水下机器人的工作造成不良影响。自脱钩装置7被回收到水面岸站后，工作人员打开固定部上的卡扣97，将开槽板92取下，使得脐带缆脱离固定部。

而在水下机器人的下潜过程中，脐带缆带动浮球运动，且满足浮球7和水下机器人始终在同一铅垂线上，浮标本体1通过收放绞车6的缆绳与浮球7建立连接，观测水面波浪情况，同时进行水面定位信息输送。

当进行水下机器人回收时，水面岸站工作人员将脐带缆放入自脱钩装置9的固定部内，合上开槽板92，关闭卡扣97，自脱钩装置9的固定部带着承重钢索顺着脐带缆到达浮球7上部，然后由于脐带缆一直保持张紧状态，回收过程中自脱钩装置9的固定部经由重力滑入浮球7通孔内，等待水下机器人与浮标本体1复现三位一体，固定部与活动部对接，固定部锁住活动部，实现回收。

回收时，水面动力浮标通过自身的水平绞车6回收缆绳，借由自身动力系统将浮球7纳入其U型口中，直至水平绞车6收紧。同时，水面岸面通过水下机器人的脐带缆将带有承重钢索的自脱钩装置7的固定部滑动进浮球7通孔内，在缓慢回收脐带缆的过程中，配合水面动力浮标的位置调整，实现水下机器人上的止荡底座和浮标本体下部的上止荡装置8进行点对点承重连接，此时，复现三位一体，实现一体化回收，需要说明的是：复现三位一体时，浮球7处于浮标本体1内，自脱钩装置9的固定部处于没有浮力作用下，自脱钩装置9的固定部与作为活动部的吊放头96上下位置对齐时，吊放头96上部顶开活动锁舌94，固定部锁住活动部，实现回收。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

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。