一种用于深海auv入坞的末端自动对接装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及海洋技术工程领域，尤其是一种用于深海AUV入坞的末端自动对接方法及装置。
【背景技术】
[0002]深海AUV(水下自主航行器)接驳平台所需的水下接驳技术是一项综合性很强、复杂性很高的技术，而其中的末端自动对接技术又是一项十分关键、核心的技术。该技术能够保证深海AUV顺利完成回坞任务，是深海AUV后续在接驳平台进行电能传输、任务下达、数据上传等功能的前提条件。
[0003]我国在海洋技术工程领域的研究工作起步较晚，而深海AUV的水下对接技术在近几年才刚刚兴起。专利CN201110178669.6公开了一套自主水下航行器与海底观测网对接装置，自主水下航行器经过喇叭状导口导引可以可靠地停靠在接驳站主体，实现自主水下航行器与海底观测网络之间电能和信号的传输。专利CN201310668750.1公开了一套深海AUV对接平台朝向自动调节系统，该对接平台能够根据洋流方向等信息实现对接前对喇叭口自动调向，方向确定后对喇叭口自动锁紧的功能。专利CN201410029681.4公开了一种水下航行器与基站的光引导自动对接方法及装置，采用四象限光电探测器进行光引导自动对接。
[0004]但是海洋环境具有其特殊、复杂、多变的特性:深海中光路受杂质散射、海水吸收等因素影响，光引导方式能够导引的距离十分有限，一般不超过30米;另外，深海中的洋流也会对深海AUV的对接过程造成极大地挑战。因此，考虑到在浩瀚的海洋里仅仅依靠光引导深海AUV不可能完成自动对接和深海洋流因素的影响，在专利CN201310668750.1公开的可自动调节朝向的对接平台系统(即可转动式接驳平台)的基础上，本发明提出了基于声学与光学引导深海AUV入坞的末端自动对接装置及方法。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于深海AUV入坞的末端自动对接装置及方法，采用声学引导及单目视觉引导，大大提高深海AUV接驳入坞的成功率。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案为:一种用于深海AUV入坞的末端自动对接装置，它包括声学引导单元、单目视觉引导单元和可转动式接驳平台控制单元;其中可转动式接驳平台控制单元包括喇叭状导引筒、基座、安装在喇叭状导引筒中部的电子罗盘模块、连接喇叭状导引筒与基座的转向机构、固定在基座上的声学多普勒流速剖面仪和接驳平台侧控制器(接驳平台侧控制器可采用微处理器实现)，可转动式接驳平台控制单元用于监测、控制喇叭口导引筒的朝向，以减轻对深海AUV机动能力的需求、减小深海洋流对深海AUV的影响，从而提升接驳入坞成功率；
[0007]声学引导单元包括固定在深海AUV耐压腔体内部的姿态传感器、安装在深海AUV前端(即AUV的艏部)底部的超短基线定位系统、固定在接驳平台的喇叭状导引筒中部的声通，声学引导单元用于实现接驳平台与深海AUV的声学通讯与定位，并将远距离范围内深海AUV自动导引至接驳平台附近；
[0008]单目视觉引导单元包括安装在深海AUV前端中心处的单目摄像头、装于深海AUV前端以保护前端设备的导流罩、安装在喇叭状导引筒入口上端的前端引导灯、安装在喇叭状导引筒末端中心处的中心线引导灯，导流罩采用具备透声透光能力的材料制成，如:聚碳酸酯材料，单目视觉引导单元用于将近距离范围内的深海AUV引导进接驳平台，以完成接驳任务。
[0009]本发明的用于深海AUV入坞的末端自动对接方法，包括如下过程:
[0010]S1、开启回坞任务，接驳平台端的声通侦听超短基线定位系统的定位信号，若获得深海AUV端的返回信号，则继续下一步，否则继续侦听过程；
[0011]S2、利用接驳平台端的声通与深海AUV端的超短基线定位系统进行声学通讯，获取深海平台端的姿态传感器测量的深海AUV朝向信息与超短基线定位系统定位所得的深海AUV与接驳平台间的距离信息，反馈至接驳平台侧控制器；
[0012]S3、接驳平台侧控制器获取电子罗盘测量的喇叭状导引筒朝向信息、声学多普勒流速剖面仪测量的洋流流速与流向信息；
[0013]S4、接驳平台侧控制器综合S2与S3中获取的相关信息进行喇叭状导引筒转向判定，具体判定可根据预先设定的规则进行，当判定出喇叭状导引筒需要转向，则接驳平台侧控制器控制转向机构对喇叭状导引筒进行转向；若不需对喇叭状导引筒进行转向控制则继续S5;
[0014]S5、将喇叭状导引筒的朝向信息、洋流的流速与流向信息通过声通与超短基线定位系统的声学通讯反馈至深海AUV;
[0015]S6、接驳平台侧控制器再次获取深海AUV的朝向和距离信息，若深海AUV与接驳平台间的距离小于30米则继续下步操作，否则返回至SI继续侦听过程；
[0016]S7、接驳平台侧控制器根据接收到的深海AUV的朝向信息及喇叭状导引筒的朝向信息，判定深海AUV的朝向是否在喇叭状导引筒的导引角范围内，若在其导引角范围内则继续S9，否则进行S8;
[0017]S8、接驳平台侧控制器计算满足入坞要求的喇叭状导引筒所需转动的转向方向和需进行的最小转向角度，根据上述计算的转向方向和角度控制转向机构快速转动以调节喇叭状导引筒至合适的朝向；
[0018]S9、接驳平台侧控制器控制打开接驳平台的前端引导灯(此时中心线引导灯为关闭状态)，从而开启深海AUV的单目视觉引导功能，进行末端视觉引导；
[0019]S10、在接驳平台能够接收到深海AUV的定位信息前提下，接驳平台侧控制器判定深海AUV是否进入监控摄像头视野，若满足则继续下步，否则跳至S12;
[0020]S11、关闭接驳平台的前端导引灯，开启接驳平台的中心线导引灯，以引导深海AUV沿喇叭状导引筒的中轴线前进，从而完成最终的入坞过程；
[0021]S12、流程进入本步则表明深海AUV在末端的入坞过程出现异常状况，此时接驳平台向深海AUV发送指令，启动深海AUV的应急响应程序。
[0022]本发明的用于深海AUV入坞的末端自动对接装置及方法考虑了深海环境的特殊性与挑战性，采用声学引导方式导引远距离范围内的深海AUV，采用单目视觉引导方式引导近距离范围内的深海AUV，而且根据深海AUV与接驳平台的相对位置信息和周围环境信息调节喇叭状导引筒的朝向，从而减小了周围环境对接驳过程的影响，也减轻了对深海AUV机动性能的需求，从而大大提高了深海AUV接驳入坞的成功率，完善了深海AUV与接驳平台之间的水下接驳技术。
【附图说明】
[0023]图1为本发明装置的结构示意图；
[0024]图2为本发明方法的自动对接流程图；
[0025]图中:1.深海AUV端控制器，2.姿态传感器，3.单目摄像头，4.导流罩，5.超短基线定位系统，6.前端引导灯，7.监控摄像头，8.声通，9.电子罗盘模块，10.中心线引导灯，11.转向机构，12.接驳平台侧控制器，13.基座，14.声学多普勒流速剖面仪，15.喇叭状导引筒。
【具体实施方式】
[0026]以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0027]参照图1-图2，本发明的用于深海AUV入坞的末端自动对接装置，包括声学引导单元、单目视觉引导单元和可转动式接驳平台控制单元；
[0028]其中可转动式接驳平台控制单元包括喇叭状导引筒15、基座13、安装在喇叭状导引筒15中部的电子罗盘模块9、连接喇叭状导引筒15与基座13的转向机构11、固定在基座13上的声学多普勒流速剖面仪14和接驳平台侧控制器12，所述的转向机构11的具体结构可参考专利CN201310668750.1，可转动式接驳平台控制单元用于监测、控制喇叭口导引筒的朝向，以减轻对深海AUV机动能力的需求、减小深海洋流对深海AUV的影响，从而提升接驳入坞成功率；
[0029]声学引导单元包括固定在深海AUV耐压腔体内部的姿态传感器2、安装在深海AUV前端底部的超短基线定位系统5、固定在接驳平台喇叭状导引