CN111891319A - 一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及方法。所述装置包括铠装光纤缆盘、铠装光纤、水面端光纤补偿器、微细光纤及水下机器人端光纤释放器，其中铠装光纤缆盘设置于工作母船上，水下机器人端光纤释放器设置于水下机器人上；铠装光纤的一端缠绕于铠装光纤缆盘上，并且与工作母船上的控制***连接；铠装光纤的另一端与水面端光纤补偿器连接；微细光纤的一端缠绕于水面端光纤补偿器上，并且与铠装光纤连接；微细光纤的另一端缠绕于水下机器人端光纤释放器上，并且与水下机器人连接。本发明具有结构紧凑，可靠实用，操作方便，管理有效，使用成本低，安全性高和通用性强的特点。

Description

一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及其方法。

背景技术

光纤是实现光信号高速稳定传输的有效介质，在当代工业中发挥了巨大的作用。光纤本身具有纤细、质轻等特点，借助光纤通信功能，水下机器人通过光纤***可实现对其本身状态及其探测或作业环境的实时反馈，使操控者能够实时操控水下机器人实现特定的水下任务，且不会由于水动力影响而产出额外的附加力影响。但光纤本身脆弱，受弯曲易折断，易导致传输信号意外中断，尤其在水下复杂环境下，如果管理不当，更易带来应用上的问题。全海深自主遥控水下机器人是一种借助微细光纤，集自主水下机器人和遥控水下机器人的技术优势于一体、可覆盖全球所有海洋深度(最大深度可达11000米)的新概念水下机器人，其中光纤管理是其一项重要的关键技术。光纤管理的有效性，是实现全海深自主遥控水下机器人基本使命任务的前提条件。然而，从波涛汹涌的海面至暗流涌动的深水区，直至万米深渊复杂的海底，微细的光纤缆需要克服诸多因素带来的折断、拉断或信号衰减等所带来的潜在问题，保障水下机器人通信链路的正常工作。现有陆地及浅水的光纤管理方法无法适用超过万米大深度、长距离的光信号稳定传输要求，需要一种实用可靠的技术手段和装置，来实现光纤微缆的合理布放和灵活操作，保障全海深自主遥控水下机器人在水下的有效工作。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及其方法，通过该装置和方法实现对大深度、长距离的微细光缆的有效管理，保障水下机器人在执行任务过程中保持在稳定可靠的光纤通信状态下，实现其高效万米深渊海底的探测与作业。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，包括铠装光纤缆盘、铠装光纤、水面端光纤补偿器、微细光纤及水下机器人端光纤释放器，其中铠装光纤缆盘设置于工作母船上，水下机器人端光纤释放器设置于水下机器人上；

铠装光纤的一端缠绕于铠装光纤缆盘上，并且与工作母船上的控制***连接；铠装光纤的另一端与水面端光纤补偿器连接；

微细光纤的一端缠绕于水面端光纤补偿器上，并且与铠装光纤连接，微细光纤的另一端缠绕于水下机器人端光纤释放器上，并且与水下机器人连接。

所述水面端光纤补偿器包括水面端光纤补偿器壳体及设置于水面端光纤补偿器壳体内的光纤团Ⅰ和压载，其中光纤团Ⅰ用于缠绕所述微细光纤的一端；压载设置于水面端光纤补偿器壳体的底部。

所述水面端光纤补偿器还包括设置于水面端光纤补偿器壳体内的张力控制器，张力控制器用于控制所述光纤团Ⅰ释放出的所述微细光纤一端的张力。

所述水面端光纤补偿器由铠装光纤牵引并下放至水深20-50米处，所述水面端光纤补偿器用于释放微细光纤用以补偿工作母船的运动。

所述水下机器人端光纤释放器包括光纤团Ⅱ，光纤团Ⅱ用于缠绕所述微细光纤的另一端。

所述水下机器人端光纤释放器还包括恒张力控制器，恒张力控制器用于控制所述光纤团Ⅱ释放出的所述微细光纤另一端的张力。

所述铠装光纤为钢缆加强型的光纤缆；所述微细光纤的直径为0.4mm。

所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，还包括设置于所述水下机器人内的光纤剪切器，所述光纤剪切器位于水下机器人端光纤释放器光纤出口的末端，用于切断微细光纤。

一种利用如上所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置进行光纤管理的方法：

首先，布放水下机器人入水，下潜速度为V；

然后，水面端光纤补偿器从工作母船的甲板经铠装光纤的牵引布放入水，下沉至水下20-50米，下潜速度为v，且v＝0.5V，保证位于水面端光纤补偿器和水下机器人之间的微细光纤处于拉直状态；水下机器人在不断释放微细光纤的过程中不断下潜直至万米海底。

水下机器人完成海底探测与作业任务后，遥控光纤剪切器切断微细光纤，水下机器人可以无约束的上浮至水面，等待回收；同时，利用铠装光纤缆盘回收铠装光纤，牵引水面端光纤补偿器出水至工作母船的甲板，手动切断微细光纤，完成本发明的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置的回收。

本发明的优点及有益效果是：

1.本发明的方法操作便捷，实用有效，易于管理。水下机器人与水面端光纤补偿器彼此间通过微细光纤及光纤释放的控制，可先后独立布放，互不干涉，操作方便，管理简化有效；

2.本发明的装置结构紧凑，体积小巧，有利于水下机器人整体的紧凑化、轻量化和小型化。铠装光纤-水面端光纤补偿器-水下机器人端光纤释放器无缝衔接于一体，精简了机构，实现了水面支持设备和水下机器人总体的紧凑化和小型化设计；

3.本发明的方法使用成本低，经济高效，灵活性好。可通过利用光纤的释放补偿母船的相对运动，对母船无动力定位要求，极大的降低海上船舶的燃油消耗，降低船舶经济成本和人力消耗；同时占用母船甲板面积小，小型化设计对吊放***无严格要求，灵活性强，适应性好；

4.本发明的装置和方法，通过水面端光纤补偿，增强了水下机器人对海洋环境的适应能力，具备在高海况下执行任务的能力，有利于提升船舶在整个航次过程中的综合利用效率；

5.本发明可以有效保护水下机器人的基本安全。光纤有效管理可以实现人对水下机器人状态的实时监控，遇到危险可随时遥控操作，将风险降至最低；光纤剪切器可在任务结束后切断光纤，解放水下机器人使其自由，安全返回水面；

6.本发明的方法和装置实现方便，通用性强，利用普及化推广使用，可扩展推广应用于不同水深、不同功能的自主遥控水下机器人或其它类似的使用光纤的深海水下机器人或潜水器。

附图说明

图1为本发明全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置的结构示意图；

图2为本发明中水面端光纤补偿器的结构示意图；

图3为本发明中水下机器人端光纤释放器的结构示意图。

图中：1为工作母船，2为控制***，3为铠装光纤缆盘，4为铠装光纤，5为水面端光纤补偿器，6为微细光纤，7为水下机器人，8为光纤剪切器，9为水下机器人端光纤释放器，10为光纤团Ⅰ，11为张力控制器，12为压载，13为恒张力控制器，14为光纤团Ⅱ。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供的一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，包括铠装光纤缆盘3、铠装光纤4、水面端光纤补偿器5、微细光纤6及水下机器人端光纤释放器9，其中铠装光纤缆盘3设置于工作母船1上，水下机器人端光纤释放器9设置于水下机器人7上；铠装光纤4的一端缠绕于铠装光纤缆盘3上，并且与工作母船1上的控制***2连接；铠装光纤4的另一端与水面端光纤补偿器5连接，铠装光纤缆盘3负责铠装光纤4的存储、释放和回收；微细光纤6的一端缠绕于水面端光纤补偿器5上，并且与铠装光纤4连接；微细光纤6的另一端缠绕于水下机器人端光纤释放器9上，并且与水下机器人7连接。

本发明的实施例中，如图2所示，水面端光纤补偿器5包括水面端光纤补偿器壳体及由上至下设置于水面端光纤补偿器壳体内的光纤团Ⅰ10和压载12，其中光纤团Ⅰ10用于缠绕微细光纤6的一端；压载12设置于水面端光纤补偿器壳体的底部，用于提供负浮力。

进一步地，水面端光纤补偿器5还包括设置于水面端光纤补偿器壳体内的张力控制器11，光纤团Ⅰ10可受力而释放微细光纤6，张力控制器11用于控制光纤团Ⅰ10释放出的微细光纤6一端的张力，可以保障水下机器人7平稳可靠的释放微细光纤6，满足其机动灵活的运动要求；

压载12由铅块组成，安装在水面端光纤补偿器5的底部，起到配置整个水面端光纤补偿器5为较大负浮力作用，保证在铠装光纤4的牵引下，在一定深度的水层具有一定的稳定性。

水面端光纤补偿器5通过自身重力作用，将光纤团Ⅰ10下放至水面以下的一定深度h，保持由光纤团Ⅰ10释放出的光纤不受水面涌浪或水流的影响，从而在张力控制器11的作用下平稳的释放微细光纤6；水面端光纤补偿器5具有补偿工作母船1的运动的作用，可随工作母船1的漂移而释放微细光纤6，防止因工作母船1运动而使得微细光纤6受力被拉断。光纤团Ⅰ10上的微细光纤6与铠装光纤4通过光纤熔接方式实现连接。

具体地，如图1所示，水面端光纤补偿器5由铠装光纤4牵引并下放至水深20-50米处，水面端光纤补偿器5用于释放微细光纤6，用以补偿工作母船1的运动。在本身重力及压载12的作用下，水面端光纤补偿器5将光纤团Ⅰ10下放至水面以下h深度，h＝20-50米，保持由光纤团Ⅰ10释放出的微细光纤6不受水面涌浪或水流的影响，从而在张力控制器11作用下平稳的释放微细光纤6。

本发明的实施例中，如图3所示，水下机器人端光纤释放器9包括光纤团Ⅱ14，光纤团Ⅱ14用于缠绕微细光纤6的另一端。

进一步地，水下机器人端光纤释放器9还包括恒张力控制器13，光纤团Ⅱ14可受力而释放微细光纤6，恒张力控制器13用于控制光纤团Ⅱ14释放出的微细光纤6另一端的张力。

恒张力控制器13即保证微细光纤6不会因为微小的扰动力而释放光纤造成不必要的浪费，同时又可以补偿水面端母船和水下机器人的运动，按需释放光纤，保证水下机器人光纤链路正常工作；可以使水下机器人7受到微细光纤6释放影响最小化，保障其灵活运动。

具体地，铠装光纤4为钢缆加强型的光纤缆，即在光纤缆的外侧包覆有钢缆，可以承受100公斤的拉力而不被拉断。微细光纤6的直径为0.4mm，根据全海深光纤释放量的需求，并结合水下机器人运动释放的光纤长度，设计微细光纤6的存储总长为20-40公里。

在上述实施例的基础上，如图1所示，全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置还包括设置于水下机器人7内的光纤剪切器8，光纤剪切器8位于水下机器人端光纤释放器9光纤出口的末端，用于切断微细光纤6。光纤剪切器8采用电机驱动的拔销式触发机理，可以遥控或自主启动，用于任务执行结束或应急情况下，切断与水下机器人7相连的微细光纤6，实现水下机器人7无干扰的顺利上浮，完成回收，保障最后阶段的安全性。

一种利用全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置进行光纤管理的方法：首先，布放水下机器人7入水，下潜速度为V；

然后，水面端光纤补偿器5从工作母船1的甲板经铠装光纤4的牵引布放入水，下沉至水下20-50米，下潜速度为v，且v＝0.5V，保证位于水面端光纤补偿器5和水下机器人7之间的微细光纤6处于拉直状态；水下机器人7在不断释放微细光纤6的过程中不断下潜直至万米海底。

水下机器人7完成海底探测与作业任务后，遥控光纤剪切器8切断微细光纤6，水下机器人7可以无约束的上浮至水面，等待回收；同时，利用铠装光纤缆盘3回收铠装光纤4，牵引水面端光纤补偿器5出水至工作母船1的甲板，手动切断微细光纤6，完成本发明的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置的回收。

通过上述装置，可建立位于工作母船1上的控制***2与水下机器人7之间的光纤通信链路，实现本发明对大深度、长距离的微细光纤6的有效管理，保障水下机器人7在执行任务过程中保持在稳定可靠的光纤通信状态下，实现其高效万米深渊海底的探测与作业的目的。

微细光纤6可以根据工作母船1或水下机器人7的运动与受力情况，从水面端光纤补偿器5或水下机器人7内的水下机器人端光纤释放器9内释放出来，在保障光纤链路安全的前提下，满足工作母船1的海面运动和水下机器人7在万米海底的航行运动。光纤剪切器8位于水下机器人7内，水下机器人端光纤释放器9的光纤出口处，可在水下机器人7回收阶段，根据指令切断微细光纤6，使其与水下机器人7断开连接，保障水下机器人7无约束的自由上浮至海面。

实施例一

本发明的实施例中，水面端光纤补偿器5和水下机器人端光纤释放器9中的光纤团均采用20公里的微细光纤6储缆量，水面端光纤补偿器5的下放深度为30米。

首先，在工作母船1的甲板上，构建完成基于本发明提出的一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置的光纤链路，确认光纤通信正常；布放水下机器人7入水，且其在重力作用下无动力下潜，下潜速度为V；随之下潜，微细光纤6不断的从水下机器人7的水下机器人端光纤释放器9中释放出来，以补偿水下机器人7的下潜运动；此时，水面端光纤补偿器5从甲板经铠装光纤4的牵引布放入水，并在其自身重力作用下，下沉至水下30米，其下潜速度为v，且v＝0.5V，保证位于水面端光纤补偿器5和水下机器人7之间的微细光纤6处于拉直状态，避免发生自缠绕而导致通信中断的问题出现；水面端光纤补偿器5工作在水深30米处，处于海面涌浪影响较小的区域，可以保证微细光纤6从其中释放出来，用以补偿工作母船1的水平漂移或垂直升沉运动，避免微细光纤6受到冲击而拉断的风险；此时，水面端光纤补偿器5内的张力控制器11控制微细光纤6在张力控制下释放，避免在释放口出现微细光纤6的堆积；同时，水下机器人7继续无动力下潜，并在此过程中，在恒张力控制器13的控制下不断释放微细光纤6，直至其抵达作业深度并开展海底水平面的航行运动，微细光纤6从水下机器人7内的光纤团Ⅱ10中有序释放，补偿水下机器人7的运动。

水下机器人7在海洋中最大深度H可达11000米，水下机器人7完成海底探测与作业任务后，通过光纤通信下达光纤剪切指令，光纤剪切器8切断微细光纤6，水下机器人7可以无约束的上浮至水面，等待回收；同时，利用铠装光纤缆盘3回收铠装光纤4，牵引水面端光纤补偿器5出水至甲板，手动切断微细光纤6，完成本发明的整套光纤管理装置的回收。

本发明提供一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置及其方法，通过该装置和方法实现对铠装光纤以及大深度、长距离微细光缆的有效管理，保障水下机器人在执行任务过程中保持在稳定可靠的光纤通信状态下，实现其高效万米深渊海底的探测与作业。本发明的装置结构紧凑，体积小巧，有利于水下机器人整体的紧凑化、轻量化和小型化；使用过程操作便捷，实用有效，易于管理，安全可靠；通过本发明的装置和方法，可提升水下机器人对海洋环境的适应性和灵活性，降低船舶使用成本，提高船舶综合利用率；此外本发明的方法和装置实现方便，通用性强，利用普及化推广使用，可扩展推广应用于不同水深、不同功能的自主遥控水下机器人或其它类似的使用光纤的深海水下机器人或潜水器。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，包括铠装光纤缆盘(3)、铠装光纤(4)、水面端光纤补偿器(5)、微细光纤(6)及水下机器人端光纤释放器(9)，其中铠装光纤缆盘(3)设置于工作母船(1)上，水下机器人端光纤释放器(9)设置于水下机器人(7)上；

铠装光纤(4)的一端缠绕于铠装光纤缆盘(3)上，并且与工作母船(1)上的控制***(2)连接；铠装光纤(4)的另一端与水面端光纤补偿器(5)连接；

微细光纤(6)的一端缠绕于水面端光纤补偿器(5)上，并且与铠装光纤(4)连接，微细光纤(6)的另一端缠绕于水下机器人端光纤释放器(9)上，并且与水下机器人(7)连接。

2.根据权利要求1所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述水面端光纤补偿器(5)包括水面端光纤补偿器壳体及设置于水面端光纤补偿器壳体内的光纤团Ⅰ(10)和压载(12)，其中光纤团Ⅰ(10)用于缠绕所述微细光纤(6)的一端；压载(12)设置于水面端光纤补偿器壳体的底部。

3.根据权利要求2所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述水面端光纤补偿器(5)还包括设置于水面端光纤补偿器壳体内的张力控制器(11)，张力控制器(11)用于控制所述光纤团Ⅰ(10)释放出的所述微细光纤(6)一端的张力。

4.根据权利要求2所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述水面端光纤补偿器(5)由铠装光纤(4)牵引并下放至水深20-50米处，所述水面端光纤补偿器(5)用于释放微细光纤(6)用以补偿工作母船(1)的运动。

5.根据权利要求2所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述水下机器人端光纤释放器(9)包括光纤团Ⅱ(14)，光纤团Ⅱ(14)用于缠绕所述微细光纤(6)的另一端。

6.根据权利要求5所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述水下机器人端光纤释放器(9)还包括恒张力控制器(13)，恒张力控制器(13)用于控制所述光纤团Ⅱ(14)释放出的所述微细光纤(6)另一端的张力。

7.根据权利要求1所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，所述铠装光纤(4)为钢缆加强型的光纤缆；所述微细光纤(6)的直径为0.4mm。

8.根据权利要求1所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置，其特征在于，还包括设置于所述水下机器人(7)内的光纤剪切器(8)，所述光纤剪切器(8)位于水下机器人端光纤释放器(9)光纤出口的末端，用于切断微细光纤(6)。

9.一种利用如权利要求1-8任一项所述的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置进行光纤管理的方法，其特征在于，

首先，布放水下机器人(7)入水，下潜速度为V；

然后，水面端光纤补偿器(5)从工作母船(1)的甲板经铠装光纤(4)的牵引布放入水，下沉至水下20-50米，下潜速度为v，且v＝0.5V，保证位于水面端光纤补偿器(5)和水下机器人(7)之间的微细光纤(6)处于拉直状态；水下机器人(7)在不断释放微细光纤(6)的过程中不断下潜直至万米海底。

10.根据权利要求9所述的光纤管理的方法，其特征在于，水下机器人(7)完成海底探测与作业任务后，遥控光纤剪切器(8)切断微细光纤(6)，水下机器人(7)可以无约束的上浮至水面，等待回收；同时，利用铠装光纤缆盘(3)回收铠装光纤(4)，牵引水面端光纤补偿器(5)出水至工作母船(1)的甲板，手动切断微细光纤(6)，完成本发明的全海深自主遥控水下机器人光纤管理装置的回收。

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