CN109367707B - 一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：包括水面无人船、搭载于水面无人船上的回收装置、被回收或布放的自主水下航行器以及设置在自主水下航行器上的引导回收控制系统；所述水面无人船底部设置有水声换能器，用于水面无人船与自主水下航行器进行水声通讯，所述水面无人船的船舱中设置有与回收装置连接的液压伸缩杆，所述液压伸缩杆能够实现回收装置垂直方向上的运动；所述自主水下航行器的艏部顶端设置有弧形导引臂与系缆钳。本发明的有益效果为：提供一种以USV为水面平台，采用导向缆自主回收AUV的装置及方法，以解决目前技术手段中水面布放回收受海面风浪影响大、存在人员及设备安全风险的缺陷。

Description

一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置及方法，属于海上无人系统技术领域。

背景技术

水面无人船(Unmanned Surface Vehicle，简称USV)和自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)作为海上无人系统的主要组成部分，近年来受到国内外越来越多的关注。作为研究热点，其在军事和民用方面都有广阔的应用前景。随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，USV和AUV都将扮演越来越重要的角色，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发利用等产生深远影响。

作为无人平台，USV和AUV各有所长，也各有所短，无法相互替代。AUV受到水下通讯、导航和续航能力等技术瓶颈制约，很难独立的很好解决，严重影响了其工程应用前景。而USV的工作范围位于水上，深水活动能力和水下探测能力又受到一定的限制。将USV和AUV两种平台进行系统融合，来执行一系列不能由其中单个系统独立实现的任务，特别是需要建立水下的AUV和水面USV之间联系的某些场合，在海洋领域具有光明的前景，也可进一步发展成由USV和AUV组成的海上无人编队系统，充分发挥集群作用。其中，如何自主回收AUV是USV和AUV协同作业的重要关键技术。

事实上，由于AUV的续航能力有限，无论其应用在海洋军事、海洋调查、海底资源勘探、管线巡检等领域，绝大多数情况下AUV完成任务后都需要在水面回收，补充电力并交换数据。但由于海洋环境复杂，受海面的风、浪、流影响，AUV的回收问题一直是世界性的难题，成为限制AUV发展的技术瓶颈。尤其是有人辅助回收，需要人员乘坐机动艇靠近AUV进行吊点对接，当海况恶劣时母船升沉幅度较大，极易损害设备并严重威胁人员安全。

此外，也有AUV在水面通过自动抛出缆绳，由母船人员捕获缆绳后进行回收的操作。但水面捕获缆绳受风浪影响大，且无法在短时间内再次部署，且自主水下航行器抛出的缆绳浮于水面不固定，受海面风浪影响容易漂走。在海况恶劣情况下，母船不稳定，捕缆工作难以实现。同时，AUV抛绳装置属于一次性用品，回收之后需进行更换才可再次部署。

因此，在水面以无人的方式自主引导对接并回收AUV技术成为近年来研究的热点。过去十多年内，以美国为首的西方国家先后提出多种无人布放和回收AUV的方式，以喇叭孔式和吊杆式对接为主。其中，喇叭孔式对平台的水动力影响非常严重，适合海底对接而不是水面回收；吊杆式的水动力影响较小，但动态对接难度较大，要求较高的引导精度。

基于上述考虑，迫切需要一种能够减小海面风浪影响、可进行重复收放作业、具有自主机动性且安全可靠的自主回收AUV的装置及方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种以USV为水面平台，采用导向缆自主回收AUV的装置及方法，以解决目前技术手段中水面布放回收受海面风浪影响大、存在人员及设备安全风险的缺陷。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，包括水面无人船、搭载于水面无人船上的回收装置、被回收或布放的自主水下航行器以及引导回收控制系统；

所述水面无人船底部设置有水声换能器，用于水面无人船与自主水下航行器进行水声通讯，所述水面无人船的船舱中设置有与回收装置连接的液压伸缩杆，所述液压伸缩杆能够实现回收装置垂直方向上的运动；所述水面无人船的甲板上设置有配合使用的电动绞车与A型架，所述电动绞车与A型架配合使用用于收放导向缆；

所述回收装置的外壳为底部开口的半包围筒状结构，所述外壳位于A型架一侧的顶部开设有孔，用于向下穿出导向缆，且导向缆在孔中能够自由上下运动，外壳内部安装有一对回收网机构；

所述自主水下航行器的艏部顶端设置有弧形导引臂与系缆钳，所述弧形导引臂与系缆钳连接，当导引臂张开时系缆钳也打开，导引臂收回时系缆钳关闭；所述系缆钳用于套住导向缆；

所述引导回收控制系统包括集成在自主水下航行器内的自治式水下航行器控制系统、无人船控制系统以及定位导引系统，所述自治式水下航行器控制系统接收来自定位导引系统测得的数据信息，进行回收路径规划与运动控制，不断调整自身位置与姿态靠近回收装置；所述无人船控制系统接收自主水下航行器传来的位置、航行速度、航向、姿态信息，规划回收作业路径，控制水面无人船运动。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述导向缆上设置有导引灯，且底端挂有重块，用于张紧导向缆，所述重块上方固定设置有套筒，用于提拉自主水下航行器。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述回收装置的外壳顶部内侧设置有超声波测距仪，用以判断自主水下航行器在回收装置内的相对位置，外壳两端设置有两个密封筒，所述密封筒内设置有电机及配套设备，所述密封筒与配套设置用于保证电机在水下正常工作；所述一对回收网机构为贝形抓斗形机构，所述回收网机构的两端面呈扇形，底部装有形状为弧形曲面的柔性金属网，每个回收网机构一端与固定在外壳上的旋转轴连接，另一端与电机轴连接，所述电机通过电机轴带动回收网机构旋转，所述旋转轴顶端都设置有齿轮，轴上齿轮相互啮合，一对回收网机构、旋转轴、电机、电机轴、齿轮的布置以回收装置中纵面反对称，一对回收网机构通过电机转动实现开合，关闭时能够将自主水下航行器封闭在回收装置内，自主水下航行器放置在柔性金属网上，开启时自主水下航行器能够自由进出回收装置。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述弧形导引臂在正常航行过程中，是收缩隐藏在自主水下航行器体内的，回收过程中，通过舵机在水平面方向转动到张开位置，在自主水下航行器前部形成V形导引区域；系缆钳上设置有力学传感器，所述力学传感器用于当导向缆被套在系缆钳中对系缆钳产生作用力时，力学传感器产生脉冲信号，将脉冲信号传输至引导回收控制系统；在自主水下航行器中装有USBL超短基线阵列、摄像头、光学传感器和姿态传感器，所述USBL超短基线阵列用于自主水下航行器的水下定位，通过水面无人船的声学换能器发出的声脉冲，自主水下航行器计算出自身相对于水面无人船的平面位置与深度，所述摄像头用于当自主水下航行器靠近导向缆时，自主水下航行器将回收画面传输给水面无人船，水面无人船将画面传给岸站，供工作人员监控，所述光学传感器用于自主水下航行器靠近导向缆导引灯时，光学传感器能够获取光强信息，将光强信息传输至引导回收控制系统，所述姿态传感器用于自主水下航行器行驶过程中的姿态信息获取，自主水下航行器根据自身姿态和与水面无人船的相对位置调整推进装置，实现远程导航，在自主水下航行器内部设置有受电线圈及配套电池，所述受电线圈及配套电池用于自主水下航行器进入回收筒后，与回收筒内的受电线圈发生磁耦合，实现自主水下航行器的无线非接触充电。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述自治式水下航行器控制系统接收来自USBL超短基线阵列、光学传感器和姿态传感器传来的位置、传感数据，进行回收路径规划与运动控制，不断调整自身位置与姿态靠近导向缆；系缆钳上的力学传感器将传感信息传至自治式水下航行器控制系统，控制舵机实现系缆钳与导引臂的张合；自治式水下航行器控制系统通过水声通讯，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传输给无人船控制系统；所述无人船控制系统设置在水面无人船内部，与电动绞车相连接，控制绞车实现导向缆的收放与导引灯的开关；同时，所述无人船控制系统通过控制液压伸缩杆的伸缩实现回收装置的收放，回收装置内的超声波测距仪将距离信息传递给无人船控制系统，无人船控制系统确定自主水下航行器是否进入回收装置，通过控制电机实现回收网机构的开关；无人船控制系统通过水声通讯，接收自主水下航行器传来的位置、航行速度、航向、姿态信息，规划回收作业路径，控制无人船运动。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述定位导引系统包括声学导引定位单元和光学导引定位单元，所述声学导引定位单元包括自主水下航行器携带的超短基线声信标、航行姿态传感器以及水面无人船底部设置的水声换能器，自主水下航行器通过水声通讯，以2～4kbit/s的速率，将自身航行状态与水面无人船进行信息交互，实现回收前的远程和中近程导航；所述光学导引定位单元包括安装在导向缆上的导引灯、摄像头和视觉传感器，用于自主水下航行器在5～20m之内的近距离精确导航。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，所述导引灯为防水LED灯条带；所述外壳底部两侧分别包裹有一条柔性材料制成的缓冲垫，防止回收过程中自主水下航行器与外壳碰撞受损；：所述弧形导引臂与系缆钳通过齿轮机构连接。

一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，利用权利要求1至7所述的任意一项装置，回收过程包括以下步骤：

步骤一：所述自主水下航行器完成任务后与水面无人船进行通讯，要求开始回收程序，同时开始上浮，通过声学导引定位单元与水面无人船进行航行信息交互，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传递给水面无人船；水面无人船收到请求后通过比较自己与自主水下航行器的相对位置规划出一条回收作业路径，回收作业路径为一条直线，水面无人船将按照回收路径以规划速度(回收巡航速度)和航向角航行，并将回收路径、水面无人船行驶速度、航向角信息通过水声通讯传给自主水下航行器；同时甲板上的电动绞车将导向缆放下，打开导向缆上的导引灯，通过液压伸缩杆将回收装置放入水中，准备回收自主水下航行器；自主水下航行器收到水面无人船发出的回收作业路径后定深在水下0～10m航行，根据航迹规划安排进入系缆待泊区域；

步骤二：所述自主水下航行器进入待泊位置后，通过声学导引定位单元再次确定水面无人船与自主水下航行器的相对位置，进行位置修正，重新规划系缆航线，同时通过舵机打开弧形导引臂与系缆钳；导引臂在自主水下航行器前部形成V形，系缆钳张开；完成后开始靠近导向缆，通过声学导引定位单元远程导航及光学导引定位单元近程精确导航，自主水下航行器驶向导向缆，并不断调整姿态，使得导向缆进入导引臂V形开口内，自主水下航行器中的光学传感器根据导引灯的光强大小和视线角判断导向缆的距离方位；当视线角处于中间时判断导向缆已进入系缆钳内，此时收回导引臂，系缆钳也随之夹紧，当导向缆被套在系缆钳中对系缆钳产生作用力时，力传感器产生脉冲信号，引导回收控制系统将自主水下航行器的推进器关闭，同时向水面无人船发送信号，表示系缆已完成；水面无人船受到信号后开始收缆，自主水下航行器被导向缆下方的套筒提拉，向水面运动；

步骤三：所述自主水下航行器被提到近水面后，自主水下航行器在导向缆的拖曳下进入回收装置，回收装置外壳顶部的超声波测距仪不断进行测距，直到达回收装置判断自主水下航行器已经进入回收装置，设置于回收装置两端部的电机带动回收网机构转动，将自主水下航行器封闭在回收装置内，之后液压伸缩杆回收，将回收装置抬出水面收入水面无人船舱内，回收完成。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，布放过程包括以下步骤：所述水面无人船将回收装置放入水中，同时电动绞车将导向缆放下，待回收装置入水后打开回收网机构，所述自主水下航行器在重力作用下离开回收装置，再打开系缆钳，脱离导向缆，完成布放。

上述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，其特征在于，所述步骤一中回收作业路径的规划中远距离时的水面无人船的轨迹规划为：在回收过程开始或重回收过程开始时，通过各传感器系统获取水面无人船初始时刻的运动状态并且进行目标位置和约束条件初始化，将信息导入简化的模型中，对轨迹参数进行表示，利用A*算法进行节点搜索，对满足能量和时间约束条件的路径进行适航性判断，以及航路代价的计算，从而形成轨迹规划参数方程，并根据所定判别标准，航行轨迹最短进行最优化问题求解，最后对所得航路进行平滑处理，得到期望的运动状态，在这个过程中需要实时更新当前流场信息以及障碍物情况，保证水面无人船航行的安全。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明解决了水面布放回收AUV受海面风浪影响大、存在安全风险的技术缺陷，AUV在水下先与导向缆对接，导向缆带动AUV进入回收装置，AUV回收作业深度(5m)大于5级海况波高，避免了海面风浪对水下航行器运动状态的影响，同时有缆回收提高了对接容错率，可实现了复杂海况下的回收作业；

(2)本发明相比于水下固定回收布放装置，以USV作为AUV的布放回收平台，可实现自主机动，进行主动布放回收，极大地提升了AUV的作业范围；

(3)本发明以USV替代传统有人布放回收方式，避免人员下水，降低了布放和回收过程中的危险性，无需人工脱挂钩作业，提高了工作效率，使得回收布放作业更高效、安全、便捷；

(4)本发明中AUV通过弧形导引臂形成V形导引区域，提高了AUV系缆成功率，系缆钳通过转动进行系脱缆动作，相较于采用抛绳装置的自治式水下航行器，无需更换零部件即可进行下一次任务，实现了可重复收放作业的连续部署能力；

(5)本发明区别于传统纯机械式布放回收装置，本发明采用USV与AUV的声学与通讯与光学导引对接，长距离上通过声学通讯修正航行器航线，近距离利用导引灯精确导引对接，提高对接回收成功率；

(6)本发明对大部分自主水下航行器兼容性较好，通过简单改造即可能够实现同一套系统对多种水下航行器的布放回收，具有应用范围广的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中回收装置6的结构示意图；

图3为图2中回收装置6的中纵剖面示意图；

图4为图2中回收装置6的水平剖面示意图

图5为本发明的自主水下航行器结构示意图；

图6为自主水下航行器对接导向缆4的示意图；

图7为导向缆4拖带自主水下航行器的示意图；

图8为水面无人船1有缆回收自主水下航行器的示意图；

图9为水面无人船1布放自主水下航行器的示意图；

图10为图4的左端局部放大图。

图中附图标记的含义：

1、水面无人船，2、A型架，3、电动绞车，4、导向缆，41、套筒，42、重块，5、液压伸缩杆，6、回收装置，61、外壳，62、密封筒，63、缓冲垫，64、电机，65、回收网机构，66、柔性金属网，67、旋转轴，68、电机轴，69、齿轮，610、超声波测距仪，7、自主水下航行器，71、弧形导引臂，72、系缆钳，73、舵机，74、齿轮机构，75、光学传感器，76、摄像头，77、USBL超短基线阵列，78、自治式水下航行器控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1至图10，本发明的基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，包括水面无人船1、搭载于水面无人船1上的回收装置6、被回收或布放的自主水下航行器7以及引导回收控制系统；水面无人船1底部设置有水声换能器，用于水面无人船1与自主水下航行器7进行水声通讯，水面无人船1的船舱中设置有与回收装置6连接的液压伸缩杆5，液压伸缩杆5能够实现回收装置6垂直方向上的运动；水面无人船1的甲板上设置有配合使用的电动绞车3与A型架2，电动绞车3与A型架2配合使用用于收放导向缆4；导向缆4上设置有导引灯，且底端挂有重块42，用于张紧导向缆4，重块42上方固定设置有套筒41，用于提拉自主水下航行器7。

回收装置6的外壳61为底部开口的半包围筒状结构，外壳61位于A型架2一侧的顶部开设有孔，用于向下穿出导向缆4，且导向缆4在孔中能够自由上下运动；回收装置6的外壳61顶部内侧设置有超声波测距仪610，用以判断自主水下航行器7在回收装置6内的相对位置，外壳61两端设置有两个密封筒62，密封筒62内设置有电机64及配套设备，密封筒62与配套设置用于保证电机64在水下正常工作；外壳61内部安装有一对回收网机构65，一对回收网机构65为贝形抓斗形机构，回收网机构65的两端面呈扇形，底部装有形状为弧形曲面的柔性金属网66，每个回收网机构65一端与固定在外壳61上的旋转轴67连接，另一端与电机轴68连接，电机64通过电机轴68带动回收网机构65旋转，旋转轴67顶端都设置有齿轮69，轴上齿轮69相互啮合，一对回收网机构65、旋转轴67、电机64、电机轴68、齿轮69的布置以回收装置6中纵面反对称，一对回收网机构65通过电机64转动实现开合，关闭时能够将自主水下航行器7封闭在回收装置6内，自主水下航行器7放置在柔性金属网66上，开启时自主水下航行器7能够自由进出回收装置6。

自主水下航行器7的艏部顶端设置有弧形导引臂71与系缆钳72，弧形导引臂71与系缆钳72连接，当导引臂张开时系缆钳72也打开，导引臂收回时系缆钳72关闭；系缆钳72用于套住导向缆4；弧形导引臂71在正常航行过程中，是收缩隐藏在自主水下航行器7体内的，回收过程中，通过舵机73在水平面方向转动到张开位置，在自主水下航行器7前部形成V形导引区域；系缆钳72上设置有力学传感器，力学传感器用于当导向缆4被套在系缆钳72中对系缆钳72产生作用力时，力学传感器产生脉冲信号，将脉冲信号传输至引导回收控制系统；在自主水下航行器7中装有USBL超短基线阵列77、摄像头76、光学传感器75和姿态传感器，USBL超短基线阵列77用于自主水下航行器7的水下定位，通过水面无人船1的声学换能器发出的声脉冲，自主水下航行器7计算出自身相对于水面无人船1的平面位置与深度，摄像头76用于当自主水下航行器7靠近导向缆4时，自主水下航行器7将回收画面传输给水面无人船1，水面无人船1将画面传给岸站，供工作人员监控，光学传感器75用于自主水下航行器7靠近导向缆4导引灯时，光学传感器75能够获取光强信息，将光强信息传输至引导回收控制系统，姿态传感器用于自主水下航行器7行驶过程中的姿态信息获取，自主水下航行器7根据自身姿态和与水面无人船1的相对位置调整推进装置，实现远程导航，在自主水下航行器7内部设置有受电线圈及配套电池，受电线圈及配套电池用于自主水下航行器7进入回收筒后，与回收筒内的受电线圈发生磁耦合，实现自主水下航行器7的无线非接触充电。

引导回收控制系统包括集成在自主水下航行器7内的自治式水下航行器控制系统78、无人船控制系统以及定位导引系统；自治式水下航行器控制系统78接收来自USBL超短基线阵列77、光学传感器75和姿态传感器传来的位置、传感数据，进行回收路径规划与运动控制，不断调整自身位置与姿态靠近导向缆4；系缆钳72上的力学传感器将传感信息传至自治式水下航行器控制系统78，控制舵机73实现系缆钳72与导引臂的张合；自治式水下航行器控制系统78通过水声通讯，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传输给无人船控制系统；无人船控制系统设置在水面无人船1内部，与电动绞车3相连接，控制绞车实现导向缆4的收放与导引灯的开关；同时，无人船控制系统通过控制液压伸缩杆5的伸缩实现回收装置6的收放，回收装置6内的超声波测距仪610将距离信息传递给无人船控制系统，无人船控制系统确定自主水下航行器7是否进入回收装置6，通过控制电机64实现回收网机构65的开关；无人船控制系统通过水声通讯，接收自主水下航行器7传来的位置、航行速度、航向、姿态信息，规划回收作业路径，控制无人船运动。

定位导引系统包括声学导引定位单元和光学导引定位单元，声学导引定位单元包括自主水下航行器7携带的超短基线声信标、航行姿态传感器以及水面无人船1底部设置的水声换能器，自主水下航行器7通过水声通讯，以2～4kbit/s的速率，将自身航行状态与水面无人船1进行信息交互，实现回收前的远程和中近程导航；光学导引定位单元包括安装在导向缆4上的导引灯、摄像头76和视觉传感器，用于自主水下航行器7在5～20m之内的近距离精确导航。

导引灯为防水LED灯条带；外壳61底部两侧分别包裹有一条柔性材料制成的缓冲垫63，防止回收过程中自主水下航行器7与外壳61碰撞受损；：弧形导引臂71与系缆钳72通过齿轮机构74连接。

本发明的基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，其回收过程包括以下步骤：

步骤一：自主水下航行器7完成任务后与水面无人船1进行通讯，要求开始回收程序，同时开始上浮，通过声学导引定位单元与水面无人船1进行航行信息交互，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传递给水面无人船1；水面无人船1收到请求后通过比较自己与自主水下航行器7的相对位置规划出一条回收作业路径，回收作业路径为一条直线，水面无人船1将按照回收路径以规划速度(回收巡航速度)和航向角航行，并将回收路径、水面无人船1行驶速度、航向角信息通过水声通讯传给自主水下航行器7；同时甲板上的电动绞车3将导向缆4放下，打开导向缆4上的导引灯，通过液压伸缩杆5将回收装置6放入水中，准备回收自主水下航行器7；自主水下航行器7收到水面无人船1发出的回收作业路径后定深在水下0～10m航行，最佳定深为在水下5m，根据航迹规划安排进入系缆待泊区域。

对于回收作业路径的规划中远距离时的水面无人船1的轨迹规划为：在回收过程开始或重回收过程开始时，通过各传感器系统获取水面无人船1初始时刻的运动状态并且进行目标位置和约束条件初始化，将信息导入简化的模型中，对轨迹参数进行表示，利用A*算法进行节点搜索，对满足能量和时间约束条件的路径进行适航性判断，以及航路代价的计算，从而形成轨迹规划参数方程，并根据所定判别标准，航行轨迹最短进行最优化问题求解，最后对所得航路进行平滑处理，得到期望的运动状态，在这个过程中需要实时更新当前流场信息以及障碍物情况，保证水面无人船1航行的安全。

步骤二：自主水下航行器7进入待泊位置后，通过声学导引定位单元再次确定水面无人船1与自主水下航行器7的相对位置，进行位置修正，重新规划系缆航线，同时通过舵机73打开弧形导引臂71与系缆钳72；导引臂在自主水下航行器7前部形成V形，系缆钳72张开；完成后开始靠近导向缆4，通过声学导引定位单元远程导航及光学导引定位单元近程精确导航，自主水下航行器7驶向导向缆4，并不断调整姿态，使得导向缆4进入导引臂V形开口内，自主水下航行器7中的光学传感器75根据导引灯的光强大小和视线角判断导向缆4的距离方位；当视线角处于中间时判断导向缆4已进入系缆钳72内，此时收回导引臂，系缆钳72也随之夹紧，当导向缆4被套在系缆钳72中对系缆钳72产生作用力时，力传感器产生脉冲信号，引导回收控制系统将自主水下航行器7的推进器关闭，同时向水面无人船1发送信号，表示系缆已完成；水面无人船1受到信号后开始收缆，自主水下航行器7被导向缆4下方的套筒41提拉，向水面运动。

步骤三：自主水下航行器7被提到近水面后，自主水下航行器7在导向缆4的拖曳下进入回收装置6，回收装置6外壳61顶部的超声波测距仪610不断进行测距，直到达回收装置6判断自主水下航行器7已经进入回收装置6，设置于回收装置6两端部的电机64带动回收网机构65转动，将自主水下航行器7封闭在回收装置6内，之后液压伸缩杆5回收，将回收装置6抬出水面收入水面无人船1舱内，回收完成。

本发明的布放过程包括以下步骤：水面无人船1将回收装置6放入水中，同时电动绞车3将导向缆4放下，待回收装置6入水后打开回收网机构65，自主水下航行器7在重力作用下离开回收装置6，再打开系缆钳72，脱离导向缆4，完成布放。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：包括水面无人船、搭载于水面无人船上的回收装置、被回收或布放的自主水下航行器以及引导回收控制系统；

所述水面无人船底部设置有水声换能器，用于水面无人船与自主水下航行器进行水声通讯，所述水面无人船的船舱中设置有与回收装置连接的液压伸缩杆，所述液压伸缩杆能够实现回收装置垂直方向上的运动；所述水面无人船的甲板上设置有配合使用的电动绞车与A型架，所述电动绞车与A型架配合使用用于收放导向缆；

所述回收装置的外壳为底部开口的半包围筒状结构，所述外壳位于A型架一侧的顶部开设有孔，用于向下穿出导向缆，且导向缆在孔中能够自由上下运动，外壳内部安装有一对回收网机构；

所述自主水下航行器的艏部顶端设置有弧形导引臂与系缆钳，所述弧形导引臂与系缆钳连接，当导引臂张开时系缆钳也打开，导引臂收回时系缆钳关闭；所述系缆钳用于套住导向缆；

所述引导回收控制系统包括集成在自主水下航行器内的自治式水下航行器控制系统、无人船控制系统以及定位导引系统，所述自治式水下航行器控制系统接收来自定位导引系统测得的数据信息，进行回收路径规划与运动控制，不断调整自身位置与姿态靠近回收装置；所述无人船控制系统接收自主水下航行器传来的位置、航行速度、航向、姿态信息，规划回收作业路径，控制水面无人船运动；

所述导向缆上设置有导引灯，且底端挂有重块，用于张紧导向缆，所述重块上方固定设置有套筒，用于提拉自主水下航行器；

所述回收装置的外壳顶部内侧设置有超声波测距仪，用以判断自主水下航行器在回收装置内的相对位置，外壳两端设置有两个密封筒，所述密封筒内设置有电机及配套设备，所述密封筒与配套设置用于保证电机在水下正常工作；所述一对回收网机构为贝形抓斗形机构，所述回收网机构的两端面呈扇形，底部装有形状为弧形曲面的柔性金属网，每个回收网机构一端与固定在外壳上的旋转轴连接，另一端与电机轴连接，所述电机通过电机轴带动回收网机构旋转，所述旋转轴顶端都设置有齿轮，轴上齿轮相互啮合，一对回收网机构、旋转轴、电机、电机轴、齿轮的布置以回收装置中纵面反对称，一对回收网机构通过电机转动实现开合，关闭时能够将自主水下航行器封闭在回收装置内，自主水下航行器放置在柔性金属网上，开启时自主水下航行器能够自由进出回收装置。

2.根据权利要求1所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：所述弧形导引臂在正常航行过程中，是收缩隐藏在自主水下航行器体内的，回收过程中，通过舵机在水平面方向转动到张开位置，在自主水下航行器前部形成V形导引区域；系缆钳上设置有力学传感器，所述力学传感器用于当导向缆被套在系缆钳中对系缆钳产生作用力时，力学传感器产生脉冲信号，将脉冲信号传输至引导回收控制系统；在自主水下航行器中装有USBL超短基线阵列、摄像头、光学传感器和姿态传感器，所述USBL超短基线阵列用于自主水下航行器的水下定位，通过水面无人船的声学换能器发出的声脉冲，自主水下航行器计算出自身相对于水面无人船的平面位置与深度，所述摄像头用于当自主水下航行器靠近导向缆时，自主水下航行器将回收画面传输给水面无人船，水面无人船将画面传给岸站，供工作人员监控，所述光学传感器用于自主水下航行器靠近导向缆导引灯时，光学传感器能够获取光强信息，将光强信息传输至引导回收控制系统，所述姿态传感器用于自主水下航行器行驶过程中的姿态信息获取，自主水下航行器根据自身姿态和与水面无人船的相对位置调整推进装置，实现远程导航，在自主水下航行器内部设置有受电线圈及配套电池，所述受电线圈及配套电池用于自主水下航行器进入回收筒后，与回收筒内的受电线圈发生磁耦合，实现自主水下航行器的无线非接触充电。

3.根据权利要求2所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：所述自治式水下航行器控制系统接收来自USBL超短基线阵列、光学传感器和姿态传感器传来的位置、传感数据，进行回收路径规划与运动控制，不断调整自身位置与姿态靠近导向缆；系缆钳上的力学传感器将传感信息传至自治式水下航行器控制系统，控制舵机实现系缆钳与导引臂的张合；自治式水下航行器控制系统通过水声通讯，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传输给无人船控制系统；所述无人船控制系统设置在水面无人船内部，与电动绞车相连接，控制绞车实现导向缆的收放与导引灯的开关；同时，所述无人船控制系统通过控制液压伸缩杆的伸缩实现回收装置的收放，回收装置内的超声波测距仪将距离信息传递给无人船控制系统，无人船控制系统确定自主水下航行器是否进入回收装置，通过控制电机实现回收网机构的开关；无人船控制系统通过水声通讯，接收自主水下航行器传来的位置、航行速度、航向、姿态信息，规划回收作业路径，控制无人船运动。

4.根据权利要求3所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：所述定位导引系统包括声学导引定位单元和光学导引定位单元，所述声学导引定位单元包括自主水下航行器携带的超短基线声信标、航行姿态传感器以及水面无人船底部设置的水声换能器，自主水下航行器通过水声通讯，以2~4kbit/s的速率，将自身航行状态与水面无人船进行信息交互，实现回收前的远程和中近程导航；所述光学导引定位单元包括安装在导向缆上的导引灯、摄像头和视觉传感器，用于自主水下航行器在5～20m之内的近距离精确导航。

5.根据权利要求1所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器装置，其特征在于：所述导引灯为防水LED灯条带；所述外壳底部两侧分别包裹有一条柔性材料制成的缓冲垫，防止回收过程中自主水下航行器与外壳碰撞受损；所述弧形导引臂与系缆钳通过齿轮机构连接。

6.一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，利用权利要求4所述的装置，其特征在于，回收过程包括以下步骤：

步骤一：所述自主水下航行器完成任务后与水面无人船进行通讯，要求开始回收程序，同时开始上浮，通过声学导引定位单元与水面无人船进行航行信息交互，将自身位置、航行速度、航向、姿态信息传递给水面无人船；水面无人船收到请求后通过比较自己与自主水下航行器的相对位置规划出一条回收作业路径，回收作业路径为一条直线，水面无人船将按照回收路径以回收巡航速度和航向角航行，并将回收路径、水面无人船行驶速度、航向角信息通过水声通讯传给自主水下航行器；同时甲板上的电动绞车将导向缆放下，打开导向缆上的导引灯，通过液压伸缩杆将回收装置放入水中，准备回收自主水下航行器；自主水下航行器收到水面无人船发出的回收作业路径后定深在水下0~10m航行，根据航迹规划安排进入系缆待泊区域；

步骤二：所述自主水下航行器进入待泊位置后，通过声学导引定位单元再次确定水面无人船与自主水下航行器的相对位置，进行位置修正，重新规划系缆航线，同时通过舵机打开弧形导引臂与系缆钳；导引臂在自主水下航行器前部形成V形，系缆钳张开；完成后开始靠近导向缆，通过声学导引定位单元远程导航及光学导引定位单元近程精确导航，自主水下航行器驶向导向缆，并不断调整姿态，使得导向缆进入导引臂V形开口内，自主水下航行器中的光学传感器根据导引灯的光强大小和视线角判断导向缆的距离方位；当视线角处于中间时判断导向缆已进入系缆钳内，此时收回导引臂，系缆钳也随之夹紧，当导向缆被套在系缆钳中对系缆钳产生作用力时，力学传感器产生脉冲信号，引导回收控制系统将自主水下航行器的推进器关闭，同时向水面无人船发送信号，表示系缆已完成；水面无人船受到信号后开始收缆，自主水下航行器被导向缆下方的套筒提拉，向水面运动；

步骤三：所述自主水下航行器被提到近水面后，自主水下航行器在导向缆的拖曳下进入回收装置，回收装置外壳顶部的超声波测距仪不断进行测距，直到达回收装置判断自主水下航行器已经进入回收装置，设置于回收装置两端部的电机带动回收网机构转动，将自主水下航行器封闭在回收装置内，之后液压伸缩杆回收，将回收装置抬出水面收入水面无人船舱内，回收完成。

7.根据权利要求6所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，其特征在于，布放过程包括以下步骤：所述水面无人船将回收装置放入水中，同时电动绞车将导向缆放下，待回收装置入水后打开回收网机构，所述自主水下航行器在重力作用下离开回收装置，再打开系缆钳，脱离导向缆，完成布放。

8.根据权利要求6所述的一种基于导向缆的无人船回收自主水下航行器方法，其特征在于，所述步骤一中回收作业路径的规划中远距离时的水面无人船的轨迹规划为：在回收过程开始或重回收过程开始时，通过各传感器系统获取水面无人船初始时刻的运动状态并且进行目标位置和约束条件初始化，将信息导入简化的模型中，对轨迹参数进行表示，利用A*算法进行节点搜索，对满足能量和时间约束条件的路径进行适航性判断，以及航路代价的计算，从而形成轨迹规划参数方程，并根据所定判别标准，航行轨迹最短进行最优化问题求解，最后对所得航路进行平滑处理，得到期望的运动状态，在这个过程中需要实时更新当前流场信息以及障碍物情况，保证水面无人船航行的安全。