一种用于支持水下航行器长时间工作的海底坞站

技术领域

本发明涉及水下航行器技术领域，具体是一种用于支持水下航行器长时间工作的海底坞站。

背景技术

水下航行器是一种集成耐压、推进、通信、导航、定位、传感、能源等诸多高新技术为一体的海洋装备，可以进行大范围的自由作业，是近年来海洋装备领域的尖端技术之一。但受于自身携带能源限制，多数水下航行器续航能力较弱，需要定期上浮进行充电和数据传输，增加作业成本，无法实现长时间水下驻留。

现有的海底坞站存在功能单一，对接难度大等问题，对航行器水下生存时间的提升帮助有限。同时，存在布放回收难度大、成本高、危险性大等问题，限制了该类研究和应用的进一步展开。一般海底坞站用“钻洞式”对接，引导方式单一，对水下航行器的运动控制精度也要求较高。对于有六自由度全驱能力的水下航行器，现有的海底坞站并没有针对性的结构设计发挥其机动性的优势，依然具有较高的对接难度。

发明内容

本发明针对全驱六自由度水下航行器的机动特性，设计采用“降落式”对接的海底坞站，结合光学和机械引导，减少对航行器运动控制精度的依赖，降低水下对接难度，使其能够高效地支持水下航行器实现长时间工作，同时提升海底坞站布放回收的快捷性和安全性。

本发明包括主体框架，主体框架采用半开放式结构，其前方和上方设置开口，供航行器出入；在主体框架的前方开口处设置可开合的降落甲板；在主体框架内部设置有机械式引导装置，用于对所述航行器进坞站过程中姿态纠偏，直至运动至坞站内的最终对接位置，并限制其继续前进。

进一步说，所述机械式引导装置包括垂向引导柱、布置在主甲板上的水平引导滚轮和脚轮引导板；机械式引导装置整体呈喇叭口状。

进一步说，还包括下压装置，在所述航行器运动至坞内最终对接位置后，用于固定航行器，防止其在水流扰动下产生位移。

优选地，所述下压装置布置在主体框架上部，由第一电动推杆驱动，通过锁紧插销插入航行器推进器槽道内来固定所述航行器。

优选地，在所述第一电动推杆驱动下，下压装置中的原边无线充电线圈逐步靠近航行器的副边无线充电线圈附近，完成能量传输。

进一步说，主体框架下部设置有运输着陆架，内部设置有气囊；气囊由气管连接至岸基，通过充、放气调节坞站的总体浮力，实现近岸浅水环境高效地布放回收。

优选地，主体框架上还设置有坞内压紧装置，用于在布放时，对航行器施加足够的压紧力，使其可靠地固定于坞内，防止甩出。

优选地，所述坞内压紧装置包括压板、仿形压块、浮力块、钢丝绳和热熔断器，所述压板的两侧设置有浮力块，压板通过仿形压块压紧航行器艉部，压板的尾部连接钢丝绳的一端，头部与主体框架铰接；钢丝绳的另一端连接热熔断器；当水下坞站坐底后，坞内压紧装置释放，压板在浮力的作用下绕铰接轴上浮。

进一步说，在主甲板和降落甲板上布置有引导灯和引导图案；所述航行器在下降进近过程中，由航行器两侧下视摄像机捕捉引导灯和引导图案，航行器由此确定自身位置，并作出调整，使其尽可能最终降落于甲板中央。

优选地，所述主甲板上布置有原边光通信装置；当航行器运动至坞内最终对接位置后，即可与航行器的副边光通信装置相互建立通信，实现数据交换。

与现有发明相比，本发明具有如下有益效果：

本发明采用的框架结构、主甲板和降落甲板，可以使航行器以先垂直降落，再向前平面运动的方式进入坞站，减少对接难度，提高成功率，增加可操作性。

本发明采用的可开合的降落甲板，既增加了航行器的降落空间，提高对接成功率，又不增加坞站布放时的水阻力。

本发明采用的在降落甲板和主甲板上布置引导灯和引导图案的设计，作为航行器对接时的光学引导，提高对接成功率。

本发明采用的布置于主甲板的机械引导装置，能在航行器下降过程中和着陆后，以简单、高效、持续的方式为航行器进行纠偏，使其运动至坞内最终对接位置并停止，减少了对光学引导的依赖，提高对接成功率。

本发明采用的布置于主体框架上方的下压平台，可在对接完成后可靠地将航行器锁止，避免水流等扰动使航行器产生位移。

本发明采用的无线充电线圈和光通信装置，可与航行器实现能量和数据的交互，提升水下坞站的功能性。

本发明采用的坞内压紧装置，在航行器随水下坞站一起布放时，能使其可靠地固定于坞内，提高布放成功率，避免意外。

本发明采用的气囊，可在近岸浅水环境布放时，通过充放气改变坞站的总体浮力实现坞站的收放，简化作业流程，降低成本，促进此类研究和应用的进一步开展。

附图说明

图1（a）是水下坞站前俯视（不含压紧装置）。

图1（b）是水下坞站前仰视（不含压紧装置）。

图2是某典型全驱水下航行器示意图。

图3是水下航行器与水下坞站的对接过程示意图。

图4是压紧装置示意图。

图中，1-主体框架，2-主甲板，3-降落甲板，4-引导灯，5-引导图案，6-脚轮，7-脚轮引导板，8-垂向引导柱，9-水平引导滚轮，10-耐压电子舱，11-原边光通信装置，12-声学信标，13-第一电动推杆，14-原边无线充电线圈，15-锁紧插销，16-耐压电池舱，17-降落甲板骨架，18-运输着陆架，19-气囊，20-第一热熔断器，21-抛载铁块，22-第二电动推杆，23-仿形压块，24-第二热熔断器，25-钢丝绳，26-压板，27-浮力块；28-副边无线充电线圈，29-推进器槽道，30-主体浮力块，31-副边光通信装置，32-脚轮，33-下视摄像机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种用于支持全驱水下无人航行器长时间工作的海底基站，采用图1所示框架结构，即主体框架1；在主体框架1前方和上方设置开口供航行器出入，可以使航行器以先垂直降落，再向前平面运动的方式进入坞站，减少对接难度，提高成功率，增加可操作性。框架结构内部铺设有主甲板，主体框架1和主甲板2用于容纳和承载水下航行器，包括海底对接状态和布放状态。

图2为用于与本发明实施水下对接的某典型水下航行器。该水下航行器顶部设置副边无线充电线圈28以及推进器槽道29；主体浮力块30的正前方为副边光通信装置31，主体浮力块30的下部带有脚轮32，主体浮力块30的两侧为下视摄像机33.

在本发明中，所述主体框架1前部，设有降落甲板3，由降落甲板骨架17支承，由第二电动推杆22驱动降落甲板旋转。布放时，降落甲板3闭合，以减少水阻力。着陆海底后，降落甲板3打开，以增加航行器着陆空间。

在某一实施例中，所述主体框架1上部布置有声学信标12，用于与岸基通讯；声学信标12位于较高位置，拥有较好的信号质量，同时为距离较远的航行器发出声学引导信号，引导其航行至坞站附近。

所述主甲板2和降落甲板3，布置有引导灯4和引导图案5。航行器在下降进近过程中，如图3所示，由下视摄像机33（两侧）捕捉引导灯4和引导图案5。航行器可由此确定自身位置，并作出调整使其尽可能最终降落于甲板中央，其中引导灯用于相对远距离引导，引导图案5用于相对近距离引导，使得航行器的位置和姿态尽可能适合降落要求。

所述主甲板2，布置有机械式引导装置，包括垂向引导柱8、水平引导滚轮9和脚轮引导板7，其整体均呈喇叭口状。如图3所示，在航行器下降进近过程中，主体浮力块30触碰垂向引导柱8即可被动纠偏。在航行器着陆至降落甲板3后，水平向前运动，由水平引导滚轮9对主体浮力块30，以及脚轮引导板7对脚轮32进行纠偏，直至运动至坞站内的最终对接位置，并限制其继续前进。

在某一实施例中，所述主甲板2，布置有原边光通信装置11。当航行器运动至坞内最终对接位置后，即可与航行器端的副边光通信装置31相互建立通信，实现数据交换，包括确认对接状态。

此外，所述主甲板2，还布置有耐压电子舱10、耐压电池舱16及其它必要装置，用以支持水下坞站的运行。

进一步地，所述主体框架1上部设置有下压装置，由第一电动推杆13驱动，实现原边无线充电线圈14和锁紧插销15的垂向移动。航行器运动至坞内最终对接位置后，锁紧插销16插入航行器推进器槽道29内，固定航行器防止其在水流等扰动下产生位移。同时，原边无线充电线圈14靠近航行器端的副边无线充电线圈28附近，可进行能量传输。

进一步地，如图4所示，所述主体框架1上部设置有坞内压紧装置，由压板26、仿形压块23、浮力块27、钢丝绳25和第二热熔断器24组成。仿形压块外形与航行器艉部型线互补，使压紧力能够更好地传递至航行器。当航行器随水下坞站一起布放时，钢丝绳25一端与第二热熔断器24连接，第二热熔断器固定于主体框架1，另一端与压板26连接；张紧钢丝绳25，即对航行器施加足够的下压力，使其可靠地固定于坞内，防止布放时因摇晃等因素甩出。浮力块27与仿形压块23体积相近，使用相同的浮力材料，即保持压板两侧的浮力大体相当。当水下坞站坐底后，第二热熔断器24加热融化，释放钢丝绳25，压板26在浮力的作用下绕轴上浮，并最终接近垂直状态，不影响航行器的降落空间。

进一步地，所述主体框架1下部设置有运输着陆架18用以容纳相关装置，并设置有脚轮6，用以陆上运输移动和海底着陆。

所述运输着陆架18内部设置有气囊19。气囊19由气管连接至岸基，可用于近岸浅水环境的布放回收。布放时，气囊19充气，以提供足够的正浮力支持水下坞站漂浮。当水下坞站运动至合适位置后，气囊19抽气，水下坞站下沉并着陆。回收时，气囊19充气，水下坞站上浮，即可回收。

进一步地，框架结构下部设置有抛载铁块21，用于深海回收作业。水下坞站回收时，第一热熔断器20加热融化，抛载铁块21释放，水下坞站即可上浮。