CN112357020B - 基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法，包括线导无人潜航器、多个工作无人潜航器、收放缆装置和连接器，收放缆装置包括拖曳缆、拖曳缆固定机构和收放绞车，线导无人潜航器通过拖曳缆与母艇相连，多个工作无人潜航器及线导无人潜航器分别通过连接器相互连接，收放绞车安设于母艇内，拖曳缆绕设于收放绞车上。本发明实现大规模中小型无人潜航器的集约型水下远程高效投送、回收以及作业控制，同时有效提高无人潜航器远距离搭载过程中的使用效能。

Description

基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法
技术领域
本发明属于水下运输、协同作业的技术领域，特别涉及一种基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法。
背景技术
随着水下无人技术的日益发展，无人潜航器(UUV)、作业机器人等各类水下装备技术迅猛发展，在军事上及民事上都用途日益广泛。该类水下无人装备均具有航速低、航程短、负载少、作业控制难等的特点，在远距离搭载过程中无法执行作业任务，都需要由母艇搭载至特定的海域执行相关作业任务，以充分发挥该类设备的使用效能，而传统母艇的搭载方式包括外壳挂载、内搭等方式，这些方式大都会面临母艇空间受限与周围流场性能差的问题，而且会增加母艇的***设计复杂度，同时到达目的地后的投送、回收效率也很低，作业控制难度大，自主回收与UUV保障都非常困难，难以发挥批量UUV集群优势等等问题，而水面母艇搭载也会面临回收困难、适航性要求高且隐蔽性差等问题，因此迫切需要研究水下母艇对大规模UUV的搭载、回收及作业控制的新思路。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术需求而提供一种基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法，通过母艇直接控制的线导无人潜航器对无人潜航器编队行动、作业进行集群协同控制。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于“水下列车”的无人潜航器编队，其特征在于：包括线导无人潜航器、多个工作无人潜航器、收放缆装置和连接器，所述收放缆装置包括拖曳缆、拖曳缆固定机构和收放绞车，所述线导无人潜航器通过所述拖曳缆与母艇相连，所述多个工作无人潜航器及线导无人潜航器分别通过所述连接器相互连接，所述收放绞车安设于母艇内，拖曳缆绕设于收放绞车上。
按上述方案，所述拖曳缆由拖曳段和光纤段组成，所述拖曳段在光纤上包裹保护层。
按上述方案，所述连接器包括连接轴和磁力式门锁，所述连接轴为尾端设有球状连接端的轴，固定于无人潜航器的尾部，所述磁力式门锁固定于无人潜航器的头部，包括门型支架、磁吸装置和上、下门板，所述上、下门板为安设于所述门型支架两端头的内腔中，通过弹簧与门型支架相连，所述磁吸装置为电磁铁，所述电磁铁安设于门型支架两端头的内腔中。
按上述方案，所述拖曳缆固定机构为U型管箍结构，所述拖曳缆与U型管箍的凹槽相配置卡合，U型管箍外周面设有箍槽，夹紧箍套设于所述箍槽上，紧固拖曳缆与U型管箍。
按上述方案，所述线导无人潜航器及多个工作无人潜航器上均携带声探测负载、近距离光电设备、高频声通信负载、充/蓄电负载和推进器。
基于“水下列车”的无人潜航器编队的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1)投送过程：从母艇放出拖曳缆的拖曳段与线导无人潜航器相连，多个工作无人潜航器由岸基直接分步先后释放，在水下通过连接器相互链接，并与线导无人潜航器互联，由母艇进行整体搭载，并与母艇保持同一航速与机动，形成无人潜航器编队；
S2)作业过程:在远距离航渡过程中，每一个无人潜航器所携带的声探测负载作为独立阵元，以及大量相互连接的阵元所构成的拖曳阵，在合适阵位开始工作，实时收集水下声纹信息，同时实现低频远距离探测功能；在预定地点执行作业及其它任务时，各个无人潜航器之间的连接器打开，快速散开来，通过线导无人潜航器指挥无人潜航器编队前出执行集群协同任务，无人潜航器编队之间通过近距离光电设备、高频声通信负载进行协同；
S3)回收过程：任务执行完毕，无人潜航器编队跟随线导无人潜航器回到母艇所在原地点，各无人潜航器释放连接器，通过近距离光电设备和高频声通信负载主动搜寻就近相互连接锁紧，由母艇进行一体化保障以执行下一次任务或搭载返回；到达岸基保障点时，各断开的无人潜航器由岸基保障设施直接回收，线导无人潜航器及拖曳缆由母艇通过收放缆机构回收至母艇。
本发明的有益效果是：1、提供一种基于“水下列车”的无人潜航器编队及控制方法，线导无人潜航器引导与各无人潜航器主动搜寻相结合，大幅提高无人装备投送及回收效率；2、各无人潜航器实现链接互连，每一无人潜航器携带的声探测负载相当于一个独立阵元，实现“水下列车”各多功能无人潜航器阵元匹配形成一体化拖曳阵，能够实时收集水下声纹信息，同时实现低频远距离探测功能(在远距离搭载过程中发挥无人潜航器使用效能，与艇载平台声纳相比，大幅提高***探测性能)；3、线导无人潜航器引导与各无人潜航器主动搜寻相结合，实现对无人潜航器编队有效作业控制，为形成无人潜航器编队前出持续作业及协同作业优势奠定良好基础；4、通过拖缆实现在母艇外部一定距离外搭载，有效降低对母平台搭载无人潜航器时存储空间及配套***设计复杂度的要求，开放性及冗余性都更好；5、只需各类型UUV安装配套有专用连接器，都可以通过“水下列车”进行搭载，整个***具备更好的兼容性、扩展性。
附图说明
图1为本发明一个实施例的UUV投送示意图。
图2为本发明一个实施例的UUV作业示意图。
图3为本发明一个实施例的UUV回收示意图。
图4为本发明一个实施例的连接器的安装示意图。
图5为本发明一个实施例的连接器的连接示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明实施方式进行说明，本发明并不局限于下述实施例。
如图1-图3所示，基于“水下列车”的无人潜航器编队，包括线导无人潜航器1、多个工作无人潜航器2、收放缆装置和连接器，收放缆装置包括拖曳缆3、拖曳缆固定机构和收放绞车，线导无人潜航器通过拖曳缆与母艇4相连，多个工作无人潜航器及线导无人潜航器分别通过连接器相互连接，收放绞车安设于母艇内，拖曳缆绕设于收放绞车上。
拖曳缆由拖曳段和光纤段组成，拖曳段在光纤上包裹保护层。当UUV编队集成搭载母艇时，拖曳缆的拖曳段释放与线导UUV连接，然后通过拖曳缆固定机构夹紧，启动母艇带动UUV编队水下行进；当到达作业位置后，母艇停运，UUV编队分散进行作业，线导UUV一直保持与拖曳缆连接，并可根据实际需要由收放绞车释放拖曳缆的光纤段，以便线导UUV作业范围扩大。
拖曳缆固定机构为U型管箍结构，拖曳缆与U型管箍的凹槽相配置卡合，U型管箍外周面设有箍槽，夹紧箍套设于箍槽上，紧固拖曳缆与U型管箍。在母艇拖曳UUV编队时，将UUV编队的拖拽力转移到母艇上，避免拖曳缆承载过多拉力发生断裂。
如图4、图5所示，连接器包括连接轴5和磁力式门锁，连接轴为尾端设有球状连接端的轴，固定于无人潜航器的尾部，磁力式门锁固定于无人潜航器的头部，包括门型支架6、磁吸装置和上门板7、下门板8，上、下门板为安设于门型支架两端头的内腔中，通过弹簧与门型支架相连，磁吸装置为电磁铁，电磁铁安设于门型支架两端头的内腔中，通过控制电磁铁的通断电，实现上、下门板的伸缩，进而控制磁力式门锁打开或锁紧。连接后，轴端球状连接端可以满足多自由度转动需求，实现“柔性”连接。
实现各UUV之间的有效物理互连与信息互联，不仅提供链接拖带能力(具备一定强度)与足够的柔韧度，同时还能传输母艇上过来的电力及控制信号，各UUV可以通过该过程进行充电蓄能，UUV在航渡过程中所收集到的各种信息也能通过连接器经线导UUV与拖缆传至母艇进行实时处理。
线导无人潜航器及多个工作无人潜航器上均携带声探测负载、近距离光电设备、高频声通信负载、充/蓄电负载和推进器。各UUV能够通过自身所携带的近距离光电设备/高频声通信负载进行主动搜寻(通过声学信息确定各自的相对位置，通过近距离光电设备实现精确搜寻)，采用推进器调整相互位置，实现高度可靠的自主连接锁紧和断开过程。
基于“水下列车”的无人潜航器编队的控制方法，包括如下步骤：
S1)投送过程：从母艇放出拖曳缆的拖曳段与线导无人潜航器相连，多个工作无人潜航器由岸基直接分步先后释放，在水下通过连接器相互链接，并与线导无人潜航器互联，由母艇进行整体搭载，并与母艇保持同一航速与机动，形成无人潜航器编队；
S2)作业过程:在远距离航渡过程中，每一个无人潜航器所携带的声探测负载作为独立阵元，以及大量相互连接的阵元所构成的拖曳阵，在合适阵位开始工作，实时收集水下声纹信息，同时实现低频远距离探测功能；在预定地点执行作业及其它任务时，各个无人潜航器之间的连接器打开，快速散开来，通过线导无人潜航器指挥无人潜航器编队前出执行集群协同任务，无人潜航器编队之间通过近距离光电设备、高频声通信负载进行协同；
S3)回收过程：任务执行完毕，无人潜航器编队跟随线导无人潜航器回到母艇所在原地点，各无人潜航器释放连接器，通过近距离光电设备和高频声通信负载主动搜寻就近相互连接锁紧，由母艇进行一体化保障以执行下一次任务或搭载返回；到达岸基保障点时，各断开的无人潜航器由岸基保障设施直接回收，线导无人潜航器及拖曳缆由母艇通过收放缆机构回收至母艇。

Claims (5)

1.基于“水下列车”的无人潜航器编队，其特征在于：包括线导无人潜航器、多个工作无人潜航器、收放缆装置和连接器，所述收放缆装置包括拖曳缆、拖曳缆固定机构和收放绞车，所述线导无人潜航器通过所述拖曳缆与母艇相连，所述多个工作无人潜航器及线导无人潜航器分别通过所述连接器相互连接，所述收放绞车安设于母艇内，拖曳缆绕设于收放绞车上；所述连接器包括连接轴和磁力式门锁，所述连接轴为尾端设有球状连接端的轴，固定于无人潜航器的尾部，所述磁力式门锁固定于无人潜航器的头部，包括门型支架、磁吸装置和上、下门板，所述上、下门板为安设于所述门型支架两端头的内腔中，通过弹簧与门型支架相连，所述磁吸装置为电磁铁，所述电磁铁安设于门型支架两端头的内腔中。
2.根据权利要求1所述的基于“水下列车”的无人潜航器编队，其特征在于所述拖曳缆由拖曳段和光纤段组成，所述拖曳段在光纤上包裹保护层。
3.根据权利要求1所述的基于“水下列车”的无人潜航器编队，其特征在于所述拖曳缆固定机构为U型管箍结构，所述拖曳缆与U型管箍的凹槽相配置卡合，U型管箍外周面设有箍槽，夹紧箍套设于所述箍槽上，紧固拖曳缆与U型管箍。
4.根据权利要求1所述的基于“水下列车”的无人潜航器编队，其特征在于所述线导无人潜航器及多个工作无人潜航器上均携带声探测负载、近距离光电设备、高频声通信负载、充/蓄电负载和推进器。
5.采用上述权利要求1-4中任一项所述的基于“水下列车”的无人潜航器编队的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1）投送过程：从母艇放出拖曳缆的拖曳段与线导无人潜航器相连，多个工作无人潜航器由岸基直接分步先后释放，在水下通过连接器相互链接，并与线导无人潜航器互联，由母艇进行整体搭载，并与母艇保持同一航速与机动，形成无人潜航器编队；
S2）作业过程:在远距离航渡过程中，每一个无人潜航器所携带的声探测负载作为独立阵元，以及大量相互连接的阵元所构成的拖曳阵，在合适阵位开始工作，实时收集水下声纹信息，同时实现低频远距离探测功能；在预定地点执行作业及其它任务时，各个无人潜航器之间的连接器打开，快速散开来，通过线导无人潜航器指挥无人潜航器编队前去执行集群协同任务，无人潜航器编队之间通过近距离光电设备、高频声通信负载进行协同；
S3）回收过程：任务执行完毕，无人潜航器编队跟随线导无人潜航器回到母艇所在原地点，各无人潜航器释放连接器，通过近距离光电设备和高频声通信负载主动搜寻就近相互连接锁紧，由母艇进行一体化保障以执行下一次任务或搭载返回；到达岸基保障点时，各断开的无人潜航器由岸基保障设施直接回收，线导无人潜航器及拖曳缆由母艇通过收放绞车回收至母艇。
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