CN112960086A - 一种坐落式auv水下对接平台 - Google Patents

Abstract

一种坐落式AUV水下对接平台属于水下无人航行器技术领域，目的在于解决现有技术存在的通用性差、易发生偏离及撞击以及对接耗时长的问题。本发明包括：对接平台底座；设置在对接平台上端面一端的阻拦索装置；设置在AUV主体艉段的捕捉臂装置，捕捉臂装置至少包括相对AUV主体转动配合的捕捉臂，通过捕捉臂和阻拦索装置配合实现捕捉；安装在AUV主体末端的AUV推进装置；安装在AUV主体艏段的水下摄像机；安装在AUV主体顶部的吊环和水声通信装置，通过水声通信装置和水面进行通信；设置在对接平台底座上的夹爪装置，夹爪装置通过电机驱动装置驱动开合实现对AUV主体的夹持或释放；用于AUV主体和对接平台底座通信的USBL装置；以及用于AUV主体充电的水下无线充电装置。

Description

一种坐落式AUV水下对接平台

技术领域

本发明属于水下无人航行器技术领域，具体涉及一种坐落式AUV水下对接平台。

背景技术

近年来，水下无人潜航器(UUV)发展迅速，其中AUV由于体积小、重量轻、隐蔽性高且无缆限制，非常适合执行海底资源勘探、地形重构、钻井支援、水下设备维护与维修、援潜和救生等任务。然而AUV的续航能力及作业时间有限，这就需要对接平台为其提供电能补充和数据传送。

目前，国内外在AUV的水下对接平台设计上，主要有三种：捕捉式对接装置、导向式对接装置和平台式对接装置。其中，捕捉式对接装置利用舷部安装的捕捉绳索、杆类等装置完成AUV的捕捉对接，装置结构复杂，平台通用性差；导向式对接装置利用圆锥导向罩、喇叭筒实现目标的对接，对AUV的操纵性要求高，易发生偏离及撞击。平台式对接装置，利用AUV自带的捕捉机构，采用航母拦阻***的原理坐落在对接平台上，但在海流影响下很难完成AUV的锁定，对接耗时。

发明内容

本发明的目的在于提出一种坐落式AUV水下对接平台，解决现有技术存在的通用性差、易发生偏离及撞击以及对接耗时长的问题，完成AUV主体高效、简便的水下对接及电能补充。

为实现上述目的，本发明的一种坐落式AUV水下对接平台包括：

对接平台底座；

设置在所述对接平台上端面一端的阻拦索装置；

设置在AUV主体艉段的捕捉臂装置，所述捕捉臂装置至少包括相对AUV主体转动配合的捕捉臂，通过捕捉臂和阻拦索装置配合实现捕捉；

安装在所述AUV主体末端的AUV推进装置；

安装在所述AUV主体艏段的水下摄像机；

安装在所述AUV主体顶部的吊环和水声通信装置，通过所述水声通信装置和水面进行通信；

设置在所述对接平台底座上的夹爪装置，所述夹爪装置通过电机驱动装置驱动开合实现对所述AUV主体的夹持或释放；

用于AUV主体和对接平台底座通信的USBL装置；

以及用于AUV主体充电的水下无线充电装置。

所述阻拦索装置包括：

垂直设置在所述对接平台底座上端面的立柱A；

垂直设置在所述对接平台底座上端面的立柱B；所述立柱A或立柱B内设置有拉力计，所述拉力计并与阻拦索相连。

所述捕捉臂装置包括：

设置在所述AUV主体内部的支撑板，所述AUV主体艉段底部设置有开槽；

一端固定在所述AUV主体上的捕捉臂基座；

一端通过短销和所述捕捉臂基座转动配合的捕捉臂，所述捕捉臂另一端为勾状结构；

连接在捕捉臂和支撑板之间的弹簧；

固定在所述捕捉臂另一端的铁圈；

以及设置在所述支撑板上的电磁铁，所述电磁铁底部为圆形豁口，所述铁圈和所述电磁铁的圆形豁口相切。

所述水下对接底座包括平行设置的沟槽A和沟槽B；所述夹爪装置包括结构相同的两组，两组所述夹爪装置分别相对沟槽A和沟槽B滑动配合；

第一组包括：

和所述沟槽A滑动配合的底部基座A；

和所述沟槽A滑动配合的底部基座B；通过所述电机驱动装置带动所述底部基座A和底部基座B相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座A上的夹爪A，所述夹爪A上设置有沿沟槽A方向的梯形开孔A；

以及设置在所述底部基座B上的夹爪B，所述夹爪B上设置有沿沟槽A方向的梯形开孔B，梯形开孔A和所述梯形开孔B相对设置，所述夹爪A和所述夹爪B上部的爪齿在轴向上相互交错设置；

第二组包括：

和所述沟槽B滑动配合的底部基座C；

和所述沟槽B滑动配合的底部基座D；通过所述电机驱动装置带动所述底部基座C和底部基座D相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座C上的夹爪C，所述夹爪C上设置有沿沟槽B方向的梯形开孔C；

以及设置在所述底部基座D上的夹爪D，所述夹爪D上设置有沿沟槽B方向的梯形开孔D，梯形开孔C和所述梯形开孔D相对设置，所述夹爪C和所述夹爪D上部的爪齿在轴向上相互交错设置。

所述电机驱动装置包括两套：

第一套包括：

通过所述基座A设置在所述对接平台底座上的丝杠A，所述丝杠A包括旋向相反的两段；

和所述丝杠A一端固定连接的电机A；

以及设置在所述丝杠A上分别和所述丝杠A旋向相反的两段配合的梯形螺母A和梯形螺母B，所述梯形螺母A和所述梯形开孔A固定连接，所述梯形螺母B和所述梯形开孔B固定连接；

第一套包括：

通过所述基座B设置在所述对接平台底座上的丝杠B，所述丝杠B包括旋向相反的两段；

和所述丝杠B一端固定连接的电机B；

以及设置在所述丝杠B上分别和所述丝杠B旋向相反的两段配合的梯形螺母C和梯形螺母D，所述梯形螺母C和所述梯形开孔C固定连接，所述梯形螺母D和所述梯形开孔D固定连接。

所述USBL装置包括包括声头和应答器，所述声头安装在对接平台底座上，应答器安装在AUV主体艏段的底部。

所述水下无线充电装置包括：

安装在AUV主体底部的充电次级模组；

安装在对接平台底座上的充电基座；

以及安装在充电基座内的充电初级模组；充电初级模组与充电次级模组配套。

所述水下摄像机包括摄像头和补光灯。

本发明的有益效果为：

1、本发明的夹爪装置在合拢时呈水滴构型，合拢过程中利用夹爪对吊环和水声通信装置的限位作用降低AUV横滚的可能，提高对水底洋流的抗干扰性，保证平台对接成功率。夹爪合拢后将AUV固定在充电基座上，使AUV与充电基座内的充电模组平行，保证充电效率。

2、本发明的阻拦索装置利用拉力计检测阻拦索上的张力状态，进而判断捕捉臂与阻拦索是否挂接成功，并将信号传递给对接平台，通过电机驱动夹爪装置完成AUV的锁紧固定。

3、本发明的捕捉臂装置采用电磁装置完成捕捉臂的释放与回收，并利用弹簧实现捕捉臂的快速释放和避碰限位，提高捕捉臂装置的稳定性和寿命。

4、本发明的对接平台主体前后通透，与导向罩装置不同，当AUV充电完成后，可直接驶离平台进行作业，不需要反转螺旋桨使AUV倒退，提高了作业效率，降低了捕捉臂没有挂索成功时碰撞的可能，提高了安全性。

附图说明

图1为本发明中坐落式对接平台对AUV充电的整体结构示意图；

图2为本发明中夹爪装置的结构示意图；

图3为本发明中坐落式对接平台对AUV充电的整体结构侧视图；

图4为本发明中对接平台基座及其上装置结构示意图；

图5为本发明中AUV主体上的捕捉臂装置结构示意图；

图6为本发明中对接准备过程的AUV状态结构剖视图；

图7为本发明中AUV充电及数据交换过程的整体结构剖视图；

其中：1、AUV主体，2、AUV推进装置，3、夹爪装置，301、夹爪A，302、夹爪B，303、夹爪C，304、夹爪D，305、梯形开孔A，306、梯形开孔B，307、梯形开孔C，308、梯形开孔D，309、底部基座A，310、底部基座B，311、底部基座C，312、底部基座D，4、阻拦索装置，401、立柱A，402、立柱B，403、阻拦索，5、捕捉臂装置，501、捕捉臂，502、电磁铁，503、铁圈，504、弹簧，505、短销，506、捕捉臂基座，507、开槽，508、支撑板，6、水下摄像机，7、USBL装置，701、声头，702、应答器，8、水下无线充电装置，801、充电次级模组，802、充电初级模组，803、充电基座，9、电机驱动装置，901、电机A，902、电机B，903、基座A，904、基座B，905、丝杠A，906、丝杠B，907、梯形螺母A，908、梯形螺母B，909、梯形螺母C，910、梯形螺母D，10、对接平台底座，11、吊环，12、水声通信装置，13、沟槽A，14、沟槽B。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种坐落式AUV水下对接平台包括：

对接平台底座10；

设置在所述对接平台上端面一端的阻拦索403装置4；

设置在AUV主体1艉段的捕捉臂501装置5，所述捕捉臂501装置5至少包括相对AUV主体1转动配合的捕捉臂501，通过捕捉臂501和阻拦索403装置4配合实现捕捉；

安装在所述AUV主体1末端的AUV推进装置2；

安装在所述AUV主体1艏段的水下摄像机6；

安装在所述AUV主体1顶部的用于回收的吊环11和与水面控制端交流的水声通信装置12，通过所述水声通信装置12和水面进行通信；

设置在所述对接平台底座10上的夹爪装置3，所述夹爪装置3通过电机驱动装置9驱动开合实现对所述AUV主体1的夹持或释放；

用于AUV主体1和对接平台底座10通信的USBL装置7；

以及用于AUV主体1充电的水下无线充电装置8。

参见附图4，所述阻拦索403装置4包括：

垂直设置在所述对接平台底座10上端面的立柱A401；

垂直设置在所述对接平台底座10上端面的立柱B402；所述立柱A401或立柱B402内设置有拉力计，所述拉力计并与阻拦索403相连，通过拉力计的变化检测捕捉臂501是否挂索成功。

本实施例中，立柱B402顶端与阻拦索403相连，底端固定在对接平台底座10上；立柱A401底端固定在对接平台底座10上，内部有拉力计连在阻拦索403另一端和平台底座上。平台对接时AUV主体1的捕捉臂501与阻拦索403勾连，拉力计检测到阻拦索403上的张力突变后将信号传递给对接平台，再通过电机驱动装置9驱动夹爪装置3运动，将AUV主体1固定于对接平台底座10上。

参见附图5和附图6，所述捕捉臂501装置5包括：

设置在所述AUV主体1内部的支撑板508，所述AUV主体1艉段底部设置有开槽507；

一端固定在所述AUV主体1上的捕捉臂基座506；

一端通过短销505和所述捕捉臂基座506转动配合的捕捉臂501，所述捕捉臂501另一端为勾状结构；

连接在捕捉臂501和支撑板508之间的弹簧504；

固定在所述捕捉臂501另一端的铁圈503；

以及设置在所述支撑板508上的电磁铁502，所述电磁铁502底部为圆形豁口，所述铁圈503和所述电磁铁502的圆形豁口相切。

所述捕捉臂501装置5用于挂接阻拦索403，带弯形尾钩的捕捉臂501，一端包裹铁圈503受电磁铁502吸引紧贴在电磁铁502的圆形豁口内，另一端通过短销505支撑于捕捉臂基座506，且在弹簧504限制下可绕捕捉臂基座506旋转；上端固定在支撑板508下表面，通过电磁作用吸引铁圈503紧贴在下端圆形豁口的电磁铁502装置；包裹在捕捉臂501尾端，受电磁铁502吸引的铁圈503；弹簧504一端固连在支撑板508下表面，另一端与捕捉臂501固连；固定在AUV主体1的底部的捕捉臂基座506通过短销505与捕捉臂501配合；固定在AUV柱体内部的支撑板508为电磁铁502、弹簧504提供支撑；开槽507为长条形，位于AUV艉段底部、给捕捉臂501释放提供空间。AUV主体1正常作业时，电磁铁502吸引铁圈503，捕捉臂501处于回收状态，弹簧504处于压缩状态；当AUV准备对接时，电磁铁502释放捕捉臂501，在弹簧504弹力作用下，捕捉臂501加速下放，而后弹簧504张开，在弹簧504张力和捕捉臂基座506限制下完成捕捉臂501的释放准备。弹簧504可避免捕捉臂501释放时与捕捉臂基座506或开槽507碰撞，在捕捉臂501回收时起到减震作用，降低对捕捉臂基座506的强度依赖，提高捕捉臂501装置5的使用寿命和稳定性。捕捉臂501挂索成功后，AUV主体1在AUV推进装置2的影响下继续前进，由于捕捉臂501的牵引使AUV主体1位置逐渐降低，配合夹爪装置3完成AUV主体1的锁紧固定，再通过电磁铁502回收捕捉臂501，并开始充电。

参见附图2、附图3和附图4，所述水下对接底座包括平行设置的沟槽A13和沟槽B14；所述夹爪装置3包括结构相同的两组，两组所述夹爪装置3分别相对沟槽A13和沟槽B14滑动配合；

第一组包括：

和所述沟槽A13滑动配合的底部基座A903309；

和所述沟槽A13滑动配合的底部基座B904310；通过所述电机驱动装置9带动所述底部基座A903309和底部基座B904310相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座A903309上的夹爪A301，所述夹爪A301上设置有沿沟槽A13方向的梯形开孔A305；

以及设置在所述底部基座B904310上的夹爪B302，所述夹爪B302上设置有沿沟槽A13方向的梯形开孔B306，梯形开孔A305和所述梯形开孔B306相对设置，所述夹爪A301和所述夹爪B302上部的爪齿在轴向上相互交错设置；

第二组包括：

和所述沟槽B14滑动配合的底部基座C311；

和所述沟槽B14滑动配合的底部基座D312；通过所述电机驱动装置9带动所述底部基座C311和底部基座D312相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座C311上的夹爪C303，所述夹爪C303上设置有沿沟槽B14方向的梯形开孔C307；

以及设置在所述底部基座D312上的夹爪D304，所述夹爪D304上设置有沿沟槽B14方向的梯形开孔D308，梯形开孔C307和所述梯形开孔D308相对设置，所述夹爪C303和所述夹爪D304上部的爪齿在轴向上相互交错设置。

对接平台底座10上互相对称的两对夹爪，夹爪侧面的梯形开孔分别嵌套固连在四个梯形螺母上，两对夹爪通过底部基座导向可在对接平台底座10的两个沟槽内运动，每对夹爪的上部爪齿在丝杠轴向上互相交错，不影响对接时的相互运动。每对夹爪装置3合拢时呈水滴形，上窄下宽，下半部分与AUV下半部切合，上半部分给AUV顶部的水声通信装置12和吊环11留下足够的空间。在夹爪合拢过程中，水声通信装置12和吊环11在夹爪装置3上端爪齿的阻拦下，使AUV不会被水流影响发生较大的横滚；而夹爪装置3合拢的最终状态使AUV与充电基座803保持水平，并锁紧在充电基座803上；由于捕捉臂501长度一定，AUV不会发生前后位置偏移。因此，在夹爪合拢后AUV和充电基座803内部两个充电模组的位置正好匹配。

所述电机驱动装置9包括两套：

第一套包括：

通过所述基座A903设置在所述对接平台底座10上的丝杠A905，所述丝杠A905包括旋向相反的两段；

和所述丝杠A905一端固定连接的电机A901；

以及设置在所述丝杠A905上分别和所述丝杠A905旋向相反的两段配合的梯形螺母A907和梯形螺母B908，所述梯形螺母A907和所述梯形开孔A305固定连接，所述梯形螺母B908和所述梯形开孔B306固定连接；电机A901带动丝杠A905转动进而带动梯形螺母A907和梯形螺母B908向相反的方向运动；

第一套包括：

通过所述基座B904设置在所述对接平台底座10上的丝杠B906，所述丝杠B906包括旋向相反的两段；

和所述丝杠B906一端固定连接的电机B902；

以及设置在所述丝杠B906上分别和所述丝杠B906旋向相反的两段配合的梯形螺母C909和梯形螺母D910，所述梯形螺母C909和所述梯形开孔C307固定连接，所述梯形螺母D910和所述梯形开孔D308固定连接。电机B902带动丝杠B906转动进而带动梯形螺母C909和梯形螺母D910向相反的方向运动。

当捕捉臂501挂索成功，对接平台底座10接收到拉力计传来的对接信号，每个电机驱动对应丝杠旋转，带动每组中的两个梯形螺母向相反的方向运动，由于梯形螺母固连在夹爪装置3侧面对应的梯形开孔内，使两对夹爪相向运动，最终完成合拢。充电完成后，电机驱动装置9驱动夹爪装置3分离，AUV推进装置2启动，AUV主体1驶离对接平台底座10继续作业。

参见附图7，所述USBL装置7包括包括声头701和应答器702，所述声头701安装在对接平台底座10上，应答器702安装在AUV主体1艏段的底部。应答器702与声头701通过声波进行交流，实现AUV主体1与对接平台底座10的相互定位和数据传输。

所述水下无线充电装置8包括：

安装在AUV主体1底部的充电次级模组801；

安装在对接平台底座10上的充电基座803；

以及安装在充电基座803内的充电初级模组802；充电初级模组802与充电次级模组801配套。

充电初级模组802与充电次级模组801匹配，实现AUV主体1的能量补给。充电完成后，通过USBL装置7将信号传递给对接平台底座10，利用电机驱动装置9驱动夹爪装置3中每对夹爪分离，再通过AUV推进装置2使AUV主体1驶离平台继续作业。

所述水下摄像机6包括摄像头和补光灯，集成光成像摄像头和自动补光灯的水下摄像机6装置，可在对接过程中用于观察环境，避免平台碰撞、提高对接成功率。

Claims (8)

1.一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，包括：

对接平台底座(10)；

设置在所述对接平台上端面一端的阻拦索(403)装置(4)；

设置在AUV主体(1)艉段的捕捉臂(501)装置(5)，所述捕捉臂(501)装置(5)至少包括相对AUV主体(1)转动配合的捕捉臂(501)，通过捕捉臂(501)和阻拦索(403)装置(4)配合实现捕捉；

安装在所述AUV主体(1)末端的AUV推进装置(2)；

安装在所述AUV主体(1)艏段的水下摄像机(6)；

安装在所述AUV主体(1)顶部的吊环(11)和水声通信装置(12)，通过所述水声通信装置(12)和水面进行通信；

设置在所述对接平台底座(10)上的夹爪装置(3)，所述夹爪装置(3)通过电机驱动装置(9)驱动开合实现对所述AUV主体(1)的夹持或释放；

用于AUV主体(1)和对接平台底座(10)通信的USBL装置(7)；

以及用于AUV主体(1)充电的水下无线充电装置(8)。

2.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述阻拦索(403)装置(4)包括：

垂直设置在所述对接平台底座(10)上端面的立柱A(401)；

垂直设置在所述对接平台底座(10)上端面的立柱B(402)；所述立柱A(401)或立柱B(402)内设置有拉力计，所述拉力计并与阻拦索(403)相连。

3.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述捕捉臂(501)装置(5)包括：

设置在所述AUV主体(1)内部的支撑板(508)，所述AUV主体(1)艉段底部设置有开槽(507)；

一端固定在所述AUV主体(1)上的捕捉臂基座(506)；

一端通过短销(505)和所述捕捉臂基座(506)转动配合的捕捉臂(501)，所述捕捉臂(501)另一端为勾状结构；

连接在捕捉臂(501)和支撑板(508)之间的弹簧(504)；

固定在所述捕捉臂(501)另一端的铁圈(503)；

以及设置在所述支撑板(508)上的电磁铁(502)，所述电磁铁(502)底部为圆形豁口，所述铁圈(503)和所述电磁铁(502)的圆形豁口相切。

4.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述水下对接底座包括平行设置的沟槽A(13)和沟槽B(14)；所述夹爪装置(3)包括结构相同的两组，两组所述夹爪装置(3)分别相对沟槽A(13)和沟槽B(14)滑动配合；

第一组包括：

和所述沟槽A(13)滑动配合的底部基座A(903)(309)；

和所述沟槽A(13)滑动配合的底部基座B(904)(310)；通过所述电机驱动装置(9)带动所述底部基座A(903)(309)和底部基座B(904)(310)相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座A(903)(309)上的夹爪A(301)，所述夹爪A(301)上设置有沿沟槽A(13)方向的梯形开孔A(305)；

以及设置在所述底部基座B(904)(310)上的夹爪B(302)，所述夹爪B(302)上设置有沿沟槽A(13)方向的梯形开孔B(306)，梯形开孔A(305)和所述梯形开孔B(306)相对设置，所述夹爪A(301)和所述夹爪B(302)上部的爪齿在轴向上相互交错设置；

第二组包括：

和所述沟槽B(14)滑动配合的底部基座C(311)；

和所述沟槽B(14)滑动配合的底部基座D(312)；通过所述电机驱动装置(9)带动所述底部基座C(311)和底部基座D(312)相向运动或相背运动；

设置在所述底部基座C(311)上的夹爪C(303)，所述夹爪C(303)上设置有沿沟槽B(14)方向的梯形开孔C(307)；

以及设置在所述底部基座D(312)上的夹爪D(304)，所述夹爪D(304)上设置有沿沟槽B(14)方向的梯形开孔D(308)，梯形开孔C(307)和所述梯形开孔D(308)相对设置，所述夹爪C(303)和所述夹爪D(304)上部的爪齿在轴向上相互交错设置。

5.根据权利要求4所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述电机驱动装置(9)包括两套：

第一套包括：

通过所述基座A(903)设置在所述对接平台底座(10)上的丝杠A(905)，所述丝杠A(905)包括旋向相反的两段；

和所述丝杠A(905)一端固定连接的电机A(901)；

以及设置在所述丝杠A(905)上分别和所述丝杠A(905)旋向相反的两段配合的梯形螺母A(907)和梯形螺母B(908)，所述梯形螺母A(907)和所述梯形开孔A(305)固定连接，所述梯形螺母B(908)和所述梯形开孔B(306)固定连接；

第一套包括：

通过所述基座B(904)设置在所述对接平台底座(10)上的丝杠B(906)，所述丝杠B(906)包括旋向相反的两段；

和所述丝杠B(906)一端固定连接的电机B(902)；

以及设置在所述丝杠B(906)上分别和所述丝杠B(906)旋向相反的两段配合的梯形螺母C(909)和梯形螺母D(910)，所述梯形螺母C(909)和所述梯形开孔C(307)固定连接，所述梯形螺母D(910)和所述梯形开孔D(308)固定连接。

6.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述USBL装置(7)包括包括声头(701)和应答器(702)，所述声头(701)安装在对接平台底座(10)上，应答器(702)安装在AUV主体(1)艏段的底部。

7.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述水下无线充电装置(8)包括：

安装在AUV主体(1)底部的充电次级模组(801)；

安装在对接平台底座(10)上的充电基座(803)；

以及安装在充电基座(803)内的充电初级模组(802)；充电初级模组(802)与充电次级模组(801)配套。

8.根据权利要求1所述的一种坐落式AUV水下对接平台，其特征在于，所述水下摄像机(6)包括摄像头和补光灯。

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