一种用于USV自主回收AUV的拖曳装置及其回收方法与流程

本发明属于无人水面艇(usv)回收自主水下航行器(auv)领域，具体地说是一种用于usv自主回收auv的拖曳装置及其回收方法。

背景技术：

随着auv和usv的技术不断成熟，应用范围越来越广，两种机器人的协作能力也越来越重要。由于auv的续航能力和通信能力十分有限，需要通过能源补给以增强其任务能力。无人水面艇作为一种小型无人水面平台，能够联通水下、水上无人平台。为了建立uuv和usv之间的物理联系,打破平台之间的壁垒，使usv成为auv的有力支撑平台，利用usv自主回收auv成为了一个亟待突破的瓶颈技术。

传统的回收对接auv的方法主要有水下入坞对接回收，于2016年4月20日公开的、公开号为cn105501415a的发明专利公开了“一种用于深海auv入坞的末端自动对接装置及方法”，这种回收方法成本较大，耗时较长，属于静态对接方法，无法适用于usv与auv的动态对接回收场景。

因此，设计一种适用海况等级高、装置简单、回收成功率高的动态回收装置和方法变得迫切而又关键。

技术实现要素：

为了解决传统回收auv存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种用于usv自主回收auv的拖曳装置及其回收方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括拖曳装置主体、拖曳电缆以及导向罩，其中拖曳电缆的一端连接于usv上的绞车上，另一端与拖曳装置主体相连，所述导向罩安装于拖曳装置主体上，该导向罩上设有用于视觉导引auv的led灯；所述拖曳装置主体上分别安装有电子舱、舵叶调整单元及超短换能器，该拖曳装置主体的两侧对称设有舵叶调整单元，所述舵叶调整单元及电子舱用于保证拖曳装置主体的平稳性，所述超短换能器与auv上的超短信标配合，用于声学导引auv；

其中：所述拖曳装置主体包括v型翼、拖曳环、竖直翼、背部浮体、尾部浮块及转接板，该拖曳环、竖直翼及电子舱分别安装在v型翼上，所述拖曳电缆的另一端与拖曳环相连；所述背部浮体安装在竖直翼外部，该竖直翼两侧的v型翼上对称安装有舵叶调整单元；所述超短换能器通过转接板安装在v型翼上，在该超短换能器两侧的转接板上对称设有尾部浮块；

所述背部浮体为空心壳体，外罩在竖直翼上，该竖直翼上设有套筒，所述背部浮体上对应套筒的位置开设有插孔，所述套筒由对应的插孔穿出，实现背部浮体与竖直翼的固定；所述背部浮体的下表面与v型翼的上表面贴合；

所述拖曳环上开设有多个用于更换拖曳电缆不同拖挂点的孔；所述电子舱通过小月牙座固定在v型翼的下表面；所述竖直翼通过直角接固定在v型翼的上表面；所述尾部浮块为空心壳体；

所述超短换能器通过固定装置固接于拖曳装置主体上，该固定装置包括上瓦块、胶皮、u型块及基座，该基座固接于拖曳装置主体上，所述基座的底部呈倒置的“u”型，该“u”型的底面为平端面g，所述基座的顶部为圆弧面，该圆弧面的两侧设有凸耳a；所述上瓦块为与圆弧面相对应的弧形，两侧设有用于与所述凸耳a相连的凸耳b，所述超短换能器被夹紧在基座的圆弧面与上瓦块之间；所述超短换能器被夹紧的部位的外表面套设有胶皮；所述圆弧面上连接有限制超短换能器轴向位移的u型块；

所述电子舱包括密封壳及分别安装在该密封壳内的tcm5传感器、电源模块、单片机、深度计及底板，该密封壳包括头部、壳体及底部法兰盘，所述壳体的两端分别与头部和底部法兰盘密封连接；所述tcm5传感器、电源模块及单片机分别通过六角铜柱固定在底板上，所述深度计的头部安装在底部法兰盘上，所述底板固定在壳体上；所述底部法兰盘的外表面分别安装有舵机接插件a、拖曳电缆接插件及led灯接插件；

所述舵叶调整单元包括舵叶、轴端支撑、舵叶轴、舵机、舵机密封壳及舵机接插件b，该舵机密封壳及轴端支撑分别连接于所述拖曳装置主体上，所述舵机安装在舵机密封壳内，所述舵叶轴一端与舵机的输出端相连，另一端由舵机密封壳穿出、与所述轴端支撑转动连接；所述舵叶套在舵叶轴上，并与舵叶轴连动；

所述导向罩的导向罩头部安装在拖曳装置主体上，该导向罩的导向罩尾部为框架式锥形过渡结构，即导向罩尾部包括多根锥形过渡的弧形杆，每根所述弧形杆均安装在导向罩头部，并由套设在外围的不同直径的圆环连接在一起；所述led灯均匀安装在最外圈、直径最大的圆环上；

所述拖曳电缆通过导向管导入水中，该导向管的中间为弧形、两端为喇叭口状，所述导向管通过t型导向轴支座固定在羊角底板上，该羊角底板固定在usv上；

本发明用于usv自主回收auv的拖曳装置的回收方法，包括以下步骤：

a.所述auv执行回收任务时，上浮到水面，获取gps信号，通过无线电与usv通信，传递所述usv位置信息，并得出追逐路径；

b.所述usv通过绞车实现无人释放拖曳装置，拖曳装置到达设定深度后，深度计测量所述拖曳装置主体的深度信息，tcm5传感器测量拖曳装置主体的姿态信息，再通过所述舵叶调整单元实现拖曳装置主体在水下的航行；

c.所述auv下潜到水下，并通过超短信标与所述超短换能器建立水声通信，该超短换能器将拖曳装置主体的位置及深度信息传递给auv，auv下潜到拖曳装置主体的同一深度，所述auv通过声学导引航行到拖曳装置主体的后方；

d.当所述auv航行到拖曳装置主体后方设定距离时，auv头部的单目摄像头开始搜索led灯，当单目摄像头捕获到led灯的特征点后开始灯光导引，所述auv向导向罩尾部的开口航行；

e.当所述auv航行到导向罩尾部的开口设定距离时，进入灯光盲区，auv继续向前航行，该auv头部接触到导向罩尾部后，在导向罩尾部的导引下钻入导向罩内；

f.当所述auv到达导向罩头部后，auv头部的电磁铁通电，将auv与导向罩锁紧，完成对接；

g.所述usv上的绞车通过拖曳电缆将拖曳装置连同auv进行回收。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的拖曳装置稳定于深水区，同时与usv柔性连接，受海浪的扰动较小，适用海况等级高。

2.本发明的拖曳装置对usv的要求低，适用范围广。

3.本发明的锁紧装置简单，可靠性高。

4.本发明的远距离声学导引结合近距离光学导引的回收方法定位精确，导航精度高。

5.本发明的姿态测量与舵叶调整单元组成的闭环系统，保证了拖曳装置的平稳性，降低了对接与回收的难度。

6.本发明通过更换导向罩的口径，可以适用于不同型号的auv，通用性强，模块化程度高。

7.本发明设备无需人员干预，易于实现usv与auv的一体化。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明拖曳装置主体的爆炸视图；

图3为本发明v型翼的结构俯视图；

图4为本发明v型翼的结构仰视图；

图5为本发明超短换能器固定装置的爆炸视图；

图6为本发明电子舱的爆炸视图；

图7为本发明舵叶调整单元的爆炸视图；

图8为本发明导向罩的结构示意图；

图9为本发明auv头部的局部视图；

其中：1为usv，2为绞车，3为羊角底板，4为t型导向轴支座，5为导向管，6为拖曳电缆，7为拖曳装置主体，8为auv，9为usv端无线电台，10为usv端gps，11为超短换能器，12为超短信标，13为auv端gps，14为auv端无线电台，15为电磁铁，16为背部浮体，1601为插孔，17为尾部浮块，18为套筒，19为竖直翼，20为小月牙座，21为拖曳环，22为v型翼，2201为平端面a，2202为平端面b，2203为平端面c，2204为平端面d，2205为平端面e，2206为平端面f，23为舵叶调整单元，24为转接板，25为led灯，26为电子舱，27为直角接，28为上瓦块，2801为凸耳b，29为胶皮，30为u型块，3001为连接孔，31为基座，3101为平端面g，3102为圆弧面，3013为凸耳a，32为tcm5传感器，33为头部，34为壳体，35为密封圈a，36为六角螺柱，37为底板，38为底角块，39为电源模块，40为单片机，41为深度计，42为底部法兰盘，43为舵机接插件a，44为拖曳电缆接插件，45为led灯接插件，46为舵叶，47为轴端支撑，48为滑动轴承，49为圆柱螺母，50为舵叶轴，51为密封圈b，52为密封壳前盖，53为密封圈c，54为舵机，55为舵机接插件b，56为舵机密封壳，57为固定板，58为大月牙座，59为圆环，60为导向罩尾部，61为弧形杆，62为单目摄像头，63为导向罩头部。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括拖曳装置主体7、拖曳电缆6以及导向罩16，其中拖曳电缆6的一端与usv1的电源连接，并固定在usv1上的绞车2上，拖曳电缆6的另一端与拖曳装置主体7相连；拖曳电缆6通过导向管5导入水中，导向管5中间为弧形，两端为喇叭口状，防止了拖曳电缆6的摆动，同时对拖曳电缆6起到保护作用；导向管5通过t型导向轴支座4固定在羊角底板3上，羊角底板3固定在usv1上。usv1上具有usv端无线电台9和usv端gps10。

导向罩16安装于拖曳装置主体7上，该导向罩16上固定有led灯25(本实施例的led灯25为八盏)，led灯25用于近距离视觉导引auv8。拖曳装置主体7上分别安装有电子舱26、舵叶调整单元23及超短换能器11，拖曳装置主体7的两侧对称设有舵叶调整单元23，舵叶调整单元23及电子舱26用于保证拖曳装置主体7的平稳性，超短换能器11与auv8上的超短信标12配合，用于远距离声学导引auv8。auv8的的头部设有电磁铁15，如图1及图9所示，auv8上具有超短信标12、auv端gps13及auv端无线电台14，头部分别具有电磁铁15及单目摄像头62。

如图2～4所示，拖曳装置主体7包括v型翼22、拖曳环21、小月牙座20、电子舱26、竖直翼19、背部浮体16、尾部浮块17、舵叶调整单元23、超短换能器11及转接板24，v型翼22的上表面沿长度方向分别设有平端面a2201及平端面b2202，v型翼22的下表面沿长度方向分别设有平端面c2203及平端面d2204，该平端面d2204的两侧对称设有平端面e2205，每侧平端面e2205的外侧均设有平端面f2206，两侧的平端面f2206对称设置。拖曳环21固定在v型翼22上表面的平端面a2201上，拖曳环21上设有两排孔，用来更换拖曳电缆6的拖挂点，以保证拖曳装置主体7的稳定性；拖曳电缆6的另一端与拖曳环21相连。电子舱26固定在小月牙座20上，小月牙座20固定在v型翼22下表面的平端面c2203上；竖直翼19通过直角接27固定在v型翼22上表面的平端面b2202上，背部浮体16为空心壳体，外表面为翼型，下表面与v型翼22的上表面贴合，背部浮体16外罩在竖直翼19上，竖直翼19上设有多个套筒18，背部浮体16上对应套筒18的位置开设有数量相同、且一一对应的插孔1601，套筒18由对应的插孔1601穿出，以避免背部浮体16被连接件压坏，实现背部浮体16与竖直翼19的固定。竖直翼19两侧的v型翼22上对称安装有舵叶调整单元23，舵叶调整单元23固定在v型翼22下表面的平端面e2205及平端面f2206上，通过调节舵叶47的角度来保证拖曳装置主体7的稳定性。超短换能器11固定在转接板24上，转接板24固定在v型翼22下表面的平端面d2204上。在超短换能器11两侧的转接板24上对称设有尾部浮块17，尾部浮块17为空心壳体。

如图5所示，超短换能器11通过固定装置固在于转接板24上，该固定装置包括上瓦块28、胶皮29、u型块30及基座31，超短换能器11通过基座31固定在转接板24上，基座1的底部呈倒置的“u”型，该“u”型的底面为平端面g3101，基座1的顶部为圆弧面3102，该圆弧面3102的两侧设有凸耳a3103。上瓦块28为与圆弧面3102相对应的弧形，两侧设有用于与凸耳a3103相连的凸耳b2801，超短换能器11被夹紧在基座31的圆弧面3102与上瓦块28之间；超短换能器11被夹紧的部位的外表面套设有胶皮29，用来保护超短换能器11夹紧部位的外表面。超短换能器11的一侧用u型块30来限制其轴向位移，u型块30底部为圆弧形，放置在基座31的圆弧面3102上；u型的底部设有连接孔3001，通过底部两个连接孔3001固定在基座31上。

如图6所示，电子舱26包括密封壳及分别安装在该密封壳内的tcm5传感器32、电源模块39、单片机40、深度计41及底板37，该密封壳包括头部33、壳体34及底部法兰盘42，本实施例的头部33为半球形，壳体34为空心圆柱，半球形的头部33以及底部法兰盘42上都有止口，且与圆柱形的壳体34的两端端面倒角及密封圈a35形成密封结构；tcm5传感器36、电源模块39及单片机40分别通过六角铜柱36固定在塑料材质的底板37上，塑料的底板37通过底角块38固定在圆柱形的壳体34内部。深度计41的头部安装在底部法兰盘42上。底部法兰盘42的外表面分别安装有舵机接插件a43、拖曳电缆接插件44及led灯接插件45，本实施例的底部法兰盘42上安装了四个密封接插件，分别是两个舵机接插件a43、一个拖曳电缆接插件44及一个led灯接插件45。

如图7所示，舵叶调整单元23包括舵叶46、轴端支撑47、圆柱螺母49、舵叶轴50、密封圈b51、密封壳前盖52、密封圈c53、舵机54、舵机接插件b55、舵机密封壳5及固定板57，固定板57及轴端支撑47分别固定在v型下表面的平端面e2205及平端面f2206上，舵机密封壳56固定在固定板57上，舵机54安装在舵机密封壳56内，舵叶轴50的一端与舵机54的输出端连接，另一端由舵机密封壳前盖52穿出、与轴端支撑47转动连接；将舵机密封壳前盖52安装在舵机密封壳56上，舵叶轴50与舵机密封壳前盖52通过密封圈b51形成动密封结构，密封壳前盖52与舵机密封壳56通过密封圈c53实现密封；舵叶46从舵叶轴50另一端安装后，用圆柱螺母49将舵叶46固定住，圆柱螺母49随舵叶轴50在轴端支撑47上的滑动轴承48孔内转动。

如图8所示，导向罩16的导向罩头部15通过大月牙座58固定在转接板24上，该导向罩头部15为镂空结构，减小了拖曳装置在水下的航行阻力；导向罩16的导向罩尾部60为框架式的锥形过渡结构，即导向罩尾部60包括多根锥形过渡的弧形杆61，每根弧形杆61均固定在导向罩头部15，并由套设在外围的不同直径的圆环59连接在一起；八盏led灯25均匀地固定在导向罩16的最外圈、直径最大的圆环59上。

本发明的超短换能器11及超短信标12为市购产品，购置于杭州浅海科技有限责任公司，产品型号为tracklink1500。

本发明用于usv自主回收auv的拖曳装置的回收方法，包括以下步骤：

a.auv8执行回收任务时，上浮到水面，获取gps信号，通过无线电与usv1通信，传递usv1位置信息，并得出最佳追逐路径；

b.usv1通过绞车2实现无人释放拖曳装置，拖曳装置到达设定深度后，深度计41测量拖曳装置主体7的深度信息，tcm5传感器32测量拖曳装置主体7的姿态信息，再通过舵叶调整单元23实现拖曳装置主体7在水下的平稳航行；

c.auv8下潜到水下，并通过超短信标12与拖曳装置的超短换能器11建立水声通信，超短换能器11将拖曳装置主体7的位置及深度信息传递给auv8，auv8下潜到拖曳装置主体7的同一深度，auv8通过声学导引航行到拖曳装置主体7的后方；

d.当auv8航行到拖曳装置主体7后方设定距离时，auv8头部的单目摄像头62开始搜索拖曳装置的led灯25，当单目摄像头62捕获到led灯25的多个特征点后开始灯光导引，auv8向导向罩尾部60的开口航行；

e.当auv8航行到导向罩尾部60的开口设定距离时，进入灯光盲区，auv8依靠自身的惯性导航系统继续向前航行，auv8头部接触到导向罩尾部60后，在导向罩尾部60的导引下钻入导向罩16内；

f.当auv8到达导向罩头部15后，auv8头部的电磁铁15通电，将auv8与导向罩15锁紧，完成对接；

g.usv1上的绞车2通过拖曳电缆6将拖曳装置连同auv8进行回收。