一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统

摘要

一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统，属于UUV自主避碰技术领域。为了解决UUV在避碰能力训演过程中容易出现碰撞受损的问题。所述系统包括：收放式安全气囊、五元测距声纳、避碰计算机、充放气系统和阀门组；五元测距声纳用于探测UUV前方、上方、下方、左方、右方方向的障碍物及与该障碍物的距离；避碰计算机，根据探测到的与障碍物的距离是否在安全极限距离内，对阀门组进行闭合控制，使充放气系统对收放式安全气囊进行充气或放气，进而利用收放式安全气囊对UUV进行防护，不受障碍物碰撞。本发明既解决了UUV碰撞受损问题，还实现安全气囊的可回收利用，有效地提高了UUV避碰能力的训演效率。

说明书

技术领域

本发明属于UUV自主避碰技术领域，具体涉及一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能 力训演系统。

背景技术

随着UUV技术的不断发展，UUV在海洋工程、海洋开发、军事应用等领域的应用逐渐 扩大。由于海洋环境的复杂性，要求UUV具备较高的自主避碰能力；但是，UUV具有无人 现场特性，其自主避碰能力只能在不断的试验训演下逐步培养与提升。在UUV的自主避碰 能力训演过程中，与障碍物、环境等发生碰撞不可避免，如何安全、高效地开展UUV避碰 能力训演一直是UUV工程领域极具挑战的问题。

查阅国内外相关文献，UUV的自主避碰相关问题研究多集中在自主避碰系统组成、 智能避碰算法、声纳数据滤波等方面。如周兰凤在文献《未知环境下分布式多机器人避 碰协作算法》(计算机工程，第36卷，第5期，P179-180)中针对多机器人协作问题， 提出了一种未知环境下分布式多机器人协作避碰算法，待该算法并不涉及给UUV提供任 何防碰保护装置的问题，容易出现UUV碰撞损伤导致避碰能力训演任务中断。戴树龙在 文献《全封闭式救生艇中引入安全气囊系统》(船舶与人员安全，第36卷，第12期，P39-41) 中提出将安全气囊系统应用于全封闭式救生艇，对安全气囊设置的位置和各个操纵系统 的初步设计进行了描述，以达到减少人员伤亡的目的，但是该装置的充气过程是靠气囊 内物质的化学反应来完成的，其过程具有不可逆性，不利于安全气囊回收再利用的实现。

发明内容

本发明的目的是为了解决UUV在避碰能力训演过程中容易出现碰撞受损的问题，本发 明提供一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统。

本发明的一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统，所述系统包括：

收放式安全气囊、五元测距声纳、避碰计算机、充放气系统和阀门组；

五元测距声纳用于探测UUV前方、上方、下方、左方、右方方向的障碍物及与该障碍 物的距离；

避碰计算机，根据探测到的与障碍物的距离是否在安全极限距离内，对阀门组进行闭 合控制，使充放气系统对收放式安全气囊进行充气或放气，进而利用收放式安全气囊对 UUV进行防护，不受障碍物碰撞。

所述收放式安全气囊包括收放式左安全气囊前部、收放式右安全气囊前部、收放式 上安全气囊前部、收放式下安全气囊前部、收放式下安全气囊后部、收放式左安全气囊后 部、收放式右安全气囊后部和收放式上安全气囊后部；

收放式左安全气囊前部、收放式右安全气囊前部、收放式上安全气囊前部和收放式 下安全气囊前部分别安装在UUV左侧、右侧、上侧和下侧外表面的前部；

收放式下安全气囊后部、收放式左安全气囊后部、收放式右安全气囊后部和收放式上 安全气囊后部分别安装在UUV下侧、左侧、右侧和上侧外表面的后部。

充放气系统包括充气气瓶和气泵；

充气气瓶，用于对收放式安全气囊充气；

气泵，用于将收放式安全气囊内的气体抽入至充气气瓶内。

所述阀门组包括阀门K1-K10；

充气气瓶的出入口同时与阀门K1的一端和阀门K2的一端连通，阀门K2的另一端与 气泵的出气口连通，气泵的入气口、阀门K1的另一端和阀门K1-K10的一端同时连通，阀 门K1-K10的另一端分别与收放式左安全气囊前部、收放式左安全气囊后部、收放式右安 全气囊前部、收放式右安全气囊后部、收放式上安全气囊前部、收放式上安全气囊后部、 收放式下安全气囊前部、收放式下安全气囊后部连通。

所述避碰计算机的工作过程包括如下步骤：

步骤一：UUV进入避碰能力训演状态，接收五元测距声纳测的障碍物及障碍物的距离， 判断是否有障碍物，且障碍物是否小于安全极限距离，若是，则转入步骤二，若否，则重 复该步骤；

步骤二：继续接收五元测距声纳测的障碍物及障碍物的距离，判断障碍物是否在做趋 近UUV运动，若否，则转入步骤一，若是，则根据障碍物的位置，弹出UUV外表面相应位 置的收放式安全气囊，并控制UUV的各个推进器协调动作，使UUV保持深度不变且姿态平 衡，转入步骤三；

步骤三：继续接收五元测距声纳测的障碍物及障碍物的距离，判断UUV是否已退到极 限安全距离以外，若是，则将弹出的收放式安全气囊收回，同时将UUV各个推进器的相应 推力撤销，使UUV恢复至碰撞防护之前的运动状态，转入步骤一，若否，则收放式安全气 囊继续保持弹出状态。

所述步骤二中，根据障碍物的位置，弹出UUV外表面相应位置的收放式安全气囊具体 为：

当UUV的一个方向出现障碍物时，则UUV相应侧的收放式安全气囊弹出；

当UUV的多个方向出现障碍物时，则UUV多个相应侧的收放式安全气囊同时弹出。

所述步骤二中，控制UUV的各个推进器协调动作的方法具体为：

根据预先设定的深度姿态推力对照表的数据来控制UUV的各个推进器协调动作；

所述步骤三中，将UUV各个推进器的相应推力撤销的方法具体为：

根据所述深度姿态推力对照表将UUV各个推进器的相应推力撤销。

本发明的有益效果在于，本发明设置的收放式安全气囊及利用避碰计算机的控制，既 解决了UUV避碰能力训演过程中容易出现的UUV碰撞受损问题，还能实现安全气囊的 可回收利用，进一步保证了UUV在遇见碰撞威胁时训演过程不被中断，使避碰能力训演 任务可以连续有序地进行；不仅提升了UUV的自身安全，还有效地提高了UUV避碰能 力的训演效率。

附图说明

图1为具体实施方式中一种带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统的主视图。

图2为图1的左视图；

图3为图2的俯视图；

图4为具体实施方式中避碰计算机的原理示意图；

图5为具体实施方式中充气气瓶和气泵通过阀门组对收放式安全气囊控制的原理示 意图。

具体实施方式

结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式的一种带安全防护气囊的UUV多向避碰 能力训演系统，包括收放式安全气囊、五元测距声纳、避碰计算机103、充放气系统12 和阀门K1-K10；

如图1至图3，收放式安全气囊包括收放式左安全气囊前部7、收放式右安全气囊前 部8、收放式上安全气囊前部9、收放式下安全气囊前部10、收放式下安全气囊后部11、 收放式左安全气囊后部13、收放式右安全气囊后部14和收放式上安全气囊后部15；

收放式左安全气囊前部7、收放式右安全气囊前部8、收放式上安全气囊前部9和收 放式下安全气囊前部10分别安装在UUV前部的左、右、上和下的外表面；

收放式下安全气囊后部11、收放式左安全气囊后部13、收放式右安全气囊后部14 和收放式上安全气囊后部15分别安装在UUV后部的下、左、右和上的外表面；

五元测距声纳包括前测距声纳4、上测距声纳5、下测距声纳6、左测距声纳2和右 测距声纳3；

五元测距声纳用于探测UUV前方、上方、下方、左方、右方这五个方向是否有障碍物；

充放气系统12包括充气气瓶101和气泵102；

避碰计算机103用于阀门K1和阀门K2，进而实现充气气瓶101和气泵102对收放式 安全气囊充气或放气；

避碰计算机103用于控制阀门K3-K10，进而实现对收放式左安全气囊前部7、收放 式右安全气囊前部8、收放式上安全气囊前部9、收放式下安全气囊前部10、收放式下安 全气囊后部11、收放式左安全气囊后部13、收放式右安全气囊后部14和收放式上安全气 囊后部15的充气或放气；

本实施方式的UUV在多向避碰能力训演时，如图4和图5所示，工作流程如下：

当UUV遇到障碍物时，由于工作状态类似，通过UUV左测距声纳2和收放式左安全气 囊前部7收放式左安全气囊后部13进行举例说明。在UUV进入避碰能力训演状态后，本 实施方式的带安全防护气囊的UUV多向避碰能力训演系统也进入工作状态，通过五元测距 声纳不断探测UUV前方、上方、下方、左方、右方这五个方向是否有障碍物；当UUV左测 距声纳2的某一拍信息探测到UUV与障碍物之间的距离小于安全极限距离时，则避碰计算 机103紧接着通过UUV左测距声纳2的下一拍信息来判断UUV此时相对障碍物的运动状态。

当UUV相对于左边障碍物做趋近运动时，则此时避碰计算机103会立刻控制充气气瓶 101工作，并且控制阀门K1、阀门K3和阀门K4打开，将充气气瓶101中的气体充入收放 式左安全气囊前部7和收放式左安全气囊后部13内，使收放式左安全气囊前部7收放式 左安全气囊后部13弹出，避碰能力训演系统进入UUV碰撞防护状态；并且避碰计算机103 根据预先设定的深度姿态推力对照表的数据来控制UUV的各个推进器协调动作，使UUV 保持深度不变且姿态平衡，抵消气囊展开产生的浮力。随后，避碰计算机103根据障碍物 所在方向控制UUV向右方向运动，直至UUV已退到极限安全距离以外。当UUV左测距声纳 2探测到的信息均显示UUV已不再受左侧障碍物的碰撞威胁时，则避碰计算机103下达将 收放式左安全气囊前部7和收放式左安全气囊后部13收回命令；控制气泵102抽气工作， 打开阀门K2、阀门K3、和阀门K4，将收放式左安全气囊前部7收放式左安全气囊后部13 中的气体吸入充气气瓶101内，收放式左安全气囊前部7和收放式左安全气囊后部13也 随之收回至UUV壳体内；同时避碰计算机103根据深度姿态推力对照表将UUV各个推进器 的相应推力撤销，使UUV恢复至碰撞防护之前的运动状态，将避碰能力训演任务继续进行 下去，即在不中断训演过程的条件下保护了UUV不受障碍物碰撞的威胁。

当UUV相对于左侧障碍物做远离运动时，此时避碰计算机103会控制充气气瓶101、 阀门K1、阀门K3和阀门K4不动作，将收放式左安全气囊前部7和收放式左安全气囊后 部13继续隐藏在UUV壳体内，使避碰能力训演系统不进入安全防护状态，UUV继续进行 避碰能力训演任务。

当出现在UUV的多个方向上均有障碍物的情况时，因为工作状态类似，所以此处通过 UUV左方和上方出现障碍物的情况进行举例说明。在UUV避碰能力训演系统进入状态后， 当UUV左测距声纳2和UUV上测距声纳5均探测到有障碍物时；即表明UUV在左方和上方 与障碍物之间的相对距离都小于安全极限距离，则避碰计算机103紧接着会通过UUV左测 距声纳2和UUV上测距声纳5的下一拍信息来判断在相应方向上此时UUV相对障碍物的运 动状态。

当UUV在左方和上方相对于障碍物均属于趋近运动时，则此时避碰计算机103会立刻 控制充气气瓶101工作，并且控制阀门K1、阀门K3、阀门K4、阀门K7和阀门K8打开， 给安全气囊充气，使收放式左安全气囊前部7、收放式左安全气囊后部13、收放式上安全 气囊前部9和收放式上安全气囊后部15弹出，保护UUV不受障碍物碰撞损伤，使避碰能 力训演系统进入UUV碰撞防护状态；同时为了避免UUV因受收放式左安全气囊前部7、收 放式左安全气囊后部13、收放式上安全气囊前部9和收放式上安全气囊后部15的浮力影 响而导致姿态失衡，避碰计算机103还会根据预先设定的深度姿态推力对照表使UUV各个 推进器协调动作，保证UUV的深度不变且姿态平衡，抵消气囊展开产生的浮力。然后避碰 计算机103根据障碍物所在方向控制UUV向无障碍物方向运动，直至UUV已退到极限安全 距离以外。

当UUV在左方和上方相对于障碍物均属于远离运动时，此时避碰计算机103会控制充 气气瓶101、气阀K1、气阀K3、气阀K4、气阀K7和气阀K8不动作，使收放式左安全气 囊前部7、收放式左安全气囊后部13、收放式上安全气囊前部9和收放式上安全气囊后部 15继续隐藏在UUV壳体内，避碰能力训演系统不进入安全防护状态，确保UUV的避碰能 力训演任务继续进行。

在UUV进入避碰能力训演状态后，本实施方式的带安全防护气囊的UUV多向避碰能力 训演系统也进入工作状态，通过五元测距声纳不断探测UUV前方、上方、下方、左方、右 方这五个方向是否有障碍物；当UUV前测距声纳4的某一拍信息探测到UUV与障碍物之间 的距离小于安全极限距离时，则避碰计算机103紧接着通过UUV前测距声纳4的下一拍信 息来判断UUV此时相对障碍物的运动状态。

当UUV相对于前方障碍物做趋近运动时，则此时避碰计算机103会立刻控制充气气瓶 101工作，并且控制阀门K1、阀门K3、阀门K5、阀门K7和阀门K9打开，将充气气瓶101 中的气体充入收放式上安全气囊前部7、收放式下安全气囊前部8、收放式左安全气囊前 部9和收放式右安全气囊前部10，使气囊弹出，避碰能力训演系统进入UUV碰撞防护状 态；并且避碰计算机103根据预先设定的深度姿态推力对照表的数据来控制UUV的各个推 进器协调动作，使UUV保持深度不变且姿态平衡，抵消气囊展开产生的浮力。随后，避碰 计算机103根据障碍物所在方向控制UUV向后方运动，直至UUV已退到极限安全距离以外。 当UUV前测距声纳4探测到的信息均显示UUV已不再受左侧障碍物的碰撞威胁时，则避碰 计算机103下达将收放式安全气囊收回命令；控制气泵102抽气工作，打开阀门K2、阀 门K3、阀门K5、阀门K7和阀门K9，将气囊中的气体吸入充气气瓶101内，气囊也随之 收回至UUV壳体内；同时避碰计算机103根据深度姿态推力对照表将UUV各个推进器的相 应推力撤销，使UUV恢复至碰撞防护之前的运动状态，将避碰能力训演任务继续进行下去， 即在不中断训演过程的条件下保护了UUV不受障碍物碰撞的威胁。

当UUV相对于前向障碍物做远离运动时，此时避碰计算机103会控制充气气瓶101、 阀门K1、阀门K3、阀门K5、阀门K7和阀门K9不动作，将收放式安全气囊继续隐藏在UUV 壳体内，使避碰能力训演系统不进入安全防护状态，UUV继续进行避碰能力训演任务。

当UUV的五个方向上均有障碍物出现时，则避碰计算机103会控制各个推进器协调动 作使UUV倒车，直至UUV退到极限安全距离以外。当UUV各方向的测距声纳探测到的信息 均显示UUV已不再受障碍物碰撞的威胁时，则避碰计算机103下达安全气囊回收命令；气 泵102工作、阀门打开，开始将相应方向的安全气囊中气体吸入充气气瓶101内，安全气 囊也随之收回至UUV壳体内；同时避碰计算机103根据深度姿态推力对照表将各个推进器 的相应推力撤销，使UUV恢复至碰撞防护之前的运动状态，将避碰能力训演任务继续进行 下去，即在不中断训演过程的条件下保护了UUV不受碰撞的威胁。