一种无人船与AUV的对接系统及对接方法与流程

本发明属于海洋技术工程领域，涉及一种无人船与auv的对接系统及对接方法。

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。设计无人船与水下机器人的有缆组合系统，可以克服上述不足，但是由于缆的存在，水下机器人的活动范围受到了一定的限制。因此，本发明提供了一种无人船与auv的对接系统，auv与无人船之间没有脐带缆连接，活动范围不像有缆系统那样受到限制，此外，auv可以通过与无人船对接进行充电续航和传输数据，克服了auv续航能力有限的不足。

现有无人船与水下机器人的对接方式有如下几种：

1、如cn105329418a公开的一种无人船载水下机器人混合系统是通过线缆回收直接将水下机器人拉回设于船载挂舱内的停放平台，不用对接，需要设置排水系统。

2、如cn103213662a公开的子母式海洋环境检测智慧机器人是通过水面支持母船底部的对接夹持器与无人潜水器的夹持端口对接，由于夹持端口只是一个点，属于定点夹持，这对夹持精度要求非常高。这种定点夹持的对接方式在理想无干扰的情况下能够成功，而实际情况是，连接脐缆只能限制潜水器高度方向上的一个自由度，无法限制其他自由度，比如潜水器的旋转、俯仰等，众所周知海况是十分复杂的，无人潜水器在拉到水面对接时难免会受到干扰晃动，加上对接是起捞时在水面上进行的，潜水器无法主动进行调整，这样夹持到目标点的成功率将会很低。

技术实现要素：

本发明提供了一种结构简单、对接成功率高、降低对接的难度的无人船与auv的对接系统。

本发明还提供了一种对接成功率高、降低对接的难度的无人船与auv的对接方法。

本发明采用的技术方案是：

一种无人船与auv的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的auv(自主水下机器人)，其特征在于：还包括用于实现无人船与auv之间定位和初步对接的超短基线定位系统、用于实现无人船与auv之间非接触式充电的无线充电模块；所述无人船底部设有用于夹持auv和实现对接位置微调的多自由度的机械手。本发明通过超短基线定位系统和机械手实现无人船与auv的对接，提高对接的可靠性和成功率，并在对接后进行充电续航和数据传输，提高auv的续航能力。

进一步，所述超短基线定位系统包括定位组件和应答器，所述定位组件能升降的安装于无人船船舱的尾部，所述定位组件包括发射换能器和接收矩阵，所述应答器安装于auv的顶部并与接收矩阵配合定位和水声通信，所述定位组件通过升降模块连接于无人船船舱，所述升降模块包括驱动模块和由其驱动旋转的摆臂，所述定位组件安装于摆臂的端部由其带动伸入水中与应答器配合定位和水声通信，所述摆臂伸入水中时能对auv进行限位实现初步对接。

进一步，所述机械手包括机械手臂和由机械手臂带动升降的机械手抓，所述机械手臂可绕y轴旋转的连接于无人船船舱，所述机械手抓包括支板，所述支板两侧安装有可相对移动实现夹紧或放松的抓指，所述抓指上安装有带动抓指沿x轴方向移动的水平移动机构，所述支板上安装有保持机械手抓水平姿态的姿态调节模块；所述机械手抓的顶部内侧和侧面内侧均设有保护用的橡胶垫和用于确定机械手抓夹紧auv的压力传感器。

进一步，所述支板上安装有带动抓指相对运动的夹紧模块，所述夹紧模块包括双出轴丝杠电机，所述双出轴丝杠电机分别通过张紧丝杆副与抓指连接，所述双出轴丝杠电机的两端出轴的螺纹旋向相反。

进一步，所述姿态调节模块包括用于检测机械手抓俯仰角的水平姿态传感器，和根据水平姿态传感器的输出信号调整机械手抓与无人船船舱底部平行度的姿态调节电机。

进一步，所述无线充电模块包括电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块，所述电能输出发射线圈模块设置在无人船船舱的底部，所述电能传输接收线圈模块设置在auv的顶部。本发明通过机械手调整对接位置，使得电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块对齐即可进行对auv无线充电。

进一步，所述无人船包括密封的船舱和设于船舱两侧的片体，所述片体的底部设有浮体，所述浮体的前端设有导流罩，后端设有螺旋桨航行推进器；所述船舱内设置有航行控制用的第一电子设备、第一无线通讯设备、第一电源控制设备以及第一视频采集传输设备；所述第一电子设备包括第一主控电路板、惯性测量单元和第一电子罗盘，所述第一无线通讯设备包括外置于甲板上的无人船水密天线，所述第一电源控制设备包括第一锂电池组、第一电源控制板，所述电能输出发射线圈模块与第一电源控制板连接，所述第一视频采集设备包括第一摄像头模块、第一图像传输模块以及第一视频控制设备，第一摄像头模块包括设于船舱前方的用于引导无人船航行至初步对接位置的前视摄像头和设于船舱下方的用于确定auv是否到位的下方摄像头；所述船舱的底部设有使得电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块对齐的限位块。

进一步，所述auv的外型采用流线型，密封舱内安装有航行控制用的第二电子设备、第二无线通讯设备、第二电源控制设备、重力调节设备、第二视频采集传输设备以及航行推进设备；所述第二电子设备包括第二主控电路板、深度计、惯性传感器和第二电子罗盘，所述第二无线通讯设备包括设于auv顶部的auv水密天线，所述第二电源控制设备包括第二锂电池组、第二电源控制板，所述电能传输接收线圈模块与第二电源控制板连接；所述重力调节设备包括位于auv中心的丝杆滑动平台、配重块和驱动模块；所述第二视频采集设备包括设于auv前方的第二摄像头模块、第二图像传输模块以及第二视频控制设备；所述航行推进设备包括设于auv后方的螺旋桨推进装置以及控制舵。

一种无人船与auv的对接方法，其使用了上述无人船与auv的对接系统，具体步骤如下：

1)auv与无人船通过超短基线定位系统保持通信，需要auv回收时，无人船检测auv的位置；

2)根据无人船和auv的会合策略，选择无人船主动接近auv的正上方或者auv主动沿着无人船的位置运动或者两者都移动至某个会合地点会合，当两者会合后，auv在无人船的水面附近；

3)无人船通过视觉识别主动航行至auv前方，并与auv朝向相对航行，当auv触碰到无人船尾部的摆臂后完成了初步的对接，此时auv停靠在无人船两侧的浮体之间；

4)无人船通过视觉识别确定auv的位置是否到位，若是则进入步骤5)，若否，无人船或auv进行位置调整，重复步骤3)和4)；

5)无人船驱动机械手抓取auv并提升至无人船下方，在此过程中，姿态调整电机通过水平姿态传感器调节机械手抓姿态，使机械手抓保持水平姿态下降和上升，之后根据无线充电模块的充电电流大小判断无人船与auv之间的充电线圈模块是否对齐，若对齐则对接完成，进入步骤7)，若不对齐则进入步骤6)；

6)无人船通过机械手上的水平移动机构前后移动auv，调节无人船与auv之间的轴向相对位置，通过无人船下方的限位块限位，使无线充电模块的充电线圈模块对齐，对接完成，进入步骤7)；

7)无人船与auv之间进行非接触式充电，同时通过无线传输进行数据通信。

进一步，步骤2)中的会合策略为：如果auv的剩余电量不够返回到无人船附近，则选择无人船主动接近auv的正上方，auv同时上浮出水面；否则判断下一个探测目的地的方位，如果下一个探测目的地在无人船驶向auv方向的后方，则选择auv主动沿着无人船的位置运动，如果下一个探测目的在auv驶向无人船方向的后方，则选择无人船主动接近auv的正上方，对于更复杂的情况，则根据da+db+dab取值最小来规划两者互相接近的路径，其中da为无人船到两者会合地点的距离，db为auv到两者会合地点的距离，dab为两者会合对接后无人船带着auv航行到目的地需要走的距离。

本发明的有益效果是：auv与无人船之间没有脐带缆连接，活动范围不像无人船加水下潜器的有缆系统那样受到限制，此外，auv可以通过与无人船对接进行充电续航和传输数据，克服了auv续航能力有限的不足。具体而言，无人船可以携带auv到目标区域，然后再布放auv执行具体水下的观测任务，当auv快没电的时候，还可以浮出水面与无人船进行对接，进而实现auv的充电续航和数据传输，auv充电完成可以继续执行任务。整个过程全部靠无人系统完成，人员只需要在岸基远程发送任务指令即可，不需要配备母船跟随，从而大大减少后勤的成本。在对接中，当auv浮出水面时，由无人船通过视觉感知主动驶向auv，并使auv进入无人船的两个浮体之间，紧接着利用船底下的机械手进行对接的微调，结构简单，并可以提高对接成功率，而且必要的时候还可以人工远程干预，大大降低了对接的难度。此外，跟在水下的对接相比，本发明的对接是基于空气中的视觉感知进行引导的，视觉感知不会受到水的浊度等因素影响，具有鲁棒性强的特点。

附图说明

图1是本发明的无人船的主视立体结构示意图。

图2是本发明的无人船的仰视结构示意图。

图3是本发明的无人船的后视立体结构示意图。

图4是本发明的无人潜水器的立体图。

图5是本发明的机械手抓取auv的主视图。

图6是本发明的机械手结构图。

图7是本发明的无人船与auv的对接流程示意图。

具体实施方式

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

实施例一

本实施例提供了一种无人船与auv的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的auv(自主水下机器人)。

参见图1-3，无人船包括船舱3、设于船舱3两侧的片体4以及船舱下方的机械手，船舱3为密封舱，位于水面之上，船舱3内设置有航行控制用的第一电子设备、第一无线通讯设备、第一电源控制设备以及第一视频采集传输设备，船舱3后方装有usbl(超短基线定位系统)的定位组件12，片体4下装有浮体5，浮体5为圆柱形，前端为导流罩6，后端为螺旋桨航行推进器7，机械手为四自由度机械手，用于抓取auv。

本实施例中船舱3内的第一电子设备包括第一主控电路板、惯性测量单元和第一电子罗盘，第一无线通讯设备包括无人船水密天线2，无人船水密天线2外置于甲板上，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模块组成，用于无人船的定位和通信，第一电源控制设备包括第一锂电池组、第一电源控制板以及设于船下方用于无线充电的电能输出发射线圈模块10，第一视频采集设备包括第一摄像头模块、第一图像传输模块以及第一视频控制设备，第一摄像头模块包括为设于船舱3前方的前视摄像头1和设于船舱3下方的下方摄像头8。定位组件12包括发射换能器和接收基阵，所述定位组件12通过升降模块11连接于无人船船舱3，所述升降模块11包括驱动模块和由其驱动旋转的摆臂，所述定位组件安装于摆臂的端部由其带动伸入水中与auv的应答器14配合进行定位和水声通信。在无人船寻常航行时，定位组件12置于船后水面之上以减少航行水阻力，在无人船与auv对接时，通过升降模块11旋转摆臂将定位组件12伸入水中工作用于定位和通信，此外，该摆臂还可以用于对接时的限位，即auv进入到无人船两侧的浮体之间后，该摆臂可以防止auv从无人船的后面出来，当auv触碰到摆臂后可以认为完成了初步的对接。

本实施例的auv如图4所示，自主式水下机器人的外型采用流线型，密封舱内装有航行控制用的第二电子设备、第二无线通讯设备、第二电源控制设备、重力调节设备、第二视频采集传输设备以及航行推进设备。

本实施例中，auv内的第二电子设备包括第二主控电路板、深度计、惯性传感器和第二电子罗盘；第二无线通讯设备包括auv水密天线16和应答器14，auv水密天线16包括gps模块，应答器14与无人船上的定位组件12配套，组成超短基线定位系统，不仅具有超短基线定位能力，还具有水声通信功能；第二电源控制设备包括第二锂电池组、第二电源控制板以及设于auv上方用于无线充电的电能传输接收线圈模块15，所述电能传输接收线圈模块15与电能输出发射线圈模块10组成无线充电模块，对齐后即可实现无线充电；重力调节设备包括位于auv中心的丝杆滑动平台、配重块和驱动模块；第二视频采集设备包括设于auv前方的第二摄像头模块13、第二图像传输模块以及第二视频控制设备；航行推进设备包括设于auv后方的螺旋桨推进装置18以及控制舵17。

本实施例无人船下方机械手如图5、6所示，机械手包括机械手臂19和机械手抓21，机械手臂19与无人船船舱3相连，绕y轴旋转，用于提升机械手抓21，机械手抓21包括支板，支板上安装有姿态调节模块、夹紧模块，机械手抓21通过姿态调节模块保持水平姿态，姿态调节模块包括检测机械手抓21俯仰角的水平姿态传感器20，保持机械手抓21与船舱3底部平行的姿态调节电机22；夹紧模块包括双出轴丝杠电机23，两端出轴的螺纹旋向相反，可以通过张紧丝杠副25控制机械手抓21两侧的抓指沿y轴方向进行收缩和伸展，进行夹紧和放松动作，夹紧模块下设有顶部橡胶垫24，其上装有顶部压力传感器27，用于确定auv顶部较好地接触到机械手抓21，抓指上装有水平移动机构29，水平移动机构29通过电机驱动水平移动丝杠副控制抓指沿x轴方向进行前进后退，用于调节无人船和auv的相对位置，抓指内侧附有侧边橡胶垫26夹住auv，其上装有侧边压力传感器28，用于确定夹紧auv。

本实施例使用时auv与无人船之间通过超短基线定位系统定位并保持水声通信联系，根据实际情况选择无人船主动接近auv的正上方或者auv主动沿着无人船的位置运动，从而使auv在无人船附近上浮，接着无人船通过前视摄像头1的视觉识别，主动航行至auv前方，auv与无人船朝向相对，此时无人船向着auv的方向继续航行，当auv进入到无人船两侧的浮体之间并触碰到超短基线定位组件的摆臂后完成了初步的对接，此时auv停靠在无人船两侧的浮体之间，无人船船舱3下方的下方摄像头8通过图像识别，确定auv的位置是否到位，进行调整，驱动机械手抓取auv，将auv提升至无人船船舱3下方，通过水平移动机构29前后移动auv，调节无人船与auv之间的相对位置，通过船舱3下方的限位块9限位以及充电电流强弱进行判断，使无线充电模块的线圈对齐，从而进行非接触式充电，同时通过无线传输进行数据通信。

本实施例中的机械手工作流程为，机械手抓21张开，机械手臂19关节向下旋转，姿态调整电机22通过水平姿态传感器20调节机械手抓21姿态，使机械手抓保持水平姿态下降，确认触碰到auv后，机械手抓21闭合夹住auv，机械手臂19关节向上旋转，姿态调整电机22通过水平姿态传感器20调节机械手抓21姿态，使auv保持水平姿态上升，机械手抓21沿x轴移动，使auv的无线充电线圈模块和无人船的无线充电线圈模块对齐。

本发明的优点在于，无人船可以携带auv到目标区域，然后再布放auv执行具体水下的观测任务，当auv快没电的时候，还可以浮出水面与无人船进行对接，进而实现auv的充电续航和数据传输。auv充电完成可以继续执行任务。整个过程全部靠无人系统完成，人员只需要在岸基远程发送任务指令即可，不需要配备母船跟随，从而大大减少后勤的成本。在对接中，当auv浮出水面时，由无人船通过视觉感知主动驶向auv，并使auv进入无人船的两个浮体之间，紧接着利用船底下的机械手进行对接的微调，结构简单，并可以提高对接成功率，而且必要的时候还可以人工远程干预，大大降低了对接的难度。

实施例二

参见图7，本实施例提供了一种无人船与auv的对接方法，其使用了实施例一所述无人船与auv的对接系统，具体步骤如下：

1)auv与无人船通过超短基线定位系统保持通信，需要auv回收时，无人船检测auv的位置；

2)根据无人船和auv的会合策略，选择无人船主动接近auv的正上方或者auv主动沿着无人船的位置运动或者两者都移动至某个会合地点会合，当两者会合后，auv在无人船的水面附近；

3)无人船通过视觉识别主动航行至auv前方，并与auv朝向相对航行，当auv触碰到无人船尾部的摆臂后完成了初步的对接，此时auv停靠在无人船两侧的浮体之间；

4)无人船通过视觉识别确定auv的位置是否到位，若是则进入步骤5)，若否，无人船或auv进行位置调整，重复步骤3)和4)；

5)无人船驱动机械手抓取auv并提升至无人船下方，在此过程中，姿态调整电机22通过水平姿态传感器20调节机械手抓21姿态，使机械手抓保持水平姿态下降和上升，之后根据无线充电模块的充电电流大小判断无人船与auv之间的充电线圈模块是否对齐，若对齐则对接完成，进入步骤7)，若不对齐则进入步骤6)；

6)无人船通过机械手上的水平移动机构29前后移动auv，调节无人船与auv之间的轴向相对位置，通过无人船下方的限位块限位，使无线充电模块的充电线圈模块对齐，对接完成，进入步骤7)；

7)无人船与auv之间进行非接触式充电，同时通过无线传输进行数据通信。

无人船和auv的会合策略：如果auv的剩余电量不够返回到无人船附近，则选择无人船主动接近auv的正上方，auv同时上浮出水面；否则判断下一个探测目的地的方位，如果下一个探测目的地在无人船驶向auv方向的后方，则选择auv主动沿着无人船的位置运动，如果下一个探测目的在auv驶向无人船方向的后方，则选择无人船主动接近auv的正上方，对于更复杂的情况，则根据da+db+dab取值最小来规划两者互相接近的路径，其中da为无人船到两者会合地点的距离，db为auv到两者会合地点的距离，dab为两者会合对接后无人船带着auv航行到目的地需要走的距离。采用这样的会合策略后，在auv剩余电量足够的情况下，可以使无人船和auv整体所走的距离最小，达到了优化总体能耗的效果。

本发明在对接方法中，当auv浮出水面时，由无人船通过视觉感知主动驶向auv，并使auv进入无人船的两个浮体之间，紧接着利用船底下的机械手进行对接的微调，结构简单，并可以提高对接成功率，而且必要的时候还可以人工远程干预，大大降低了对接的难度。此外，跟在水下的对接相比，本发明的对接是基于空气中的视觉感知进行引导的，视觉感知不会受到水的浊度等因素影响，具有鲁棒性强的特点。