一种AUV水面自主回收系统及回收方法

摘要

本发明公开一种AUV水面自主回收系统及回收方法，其中，所述自主回收系统及方法包括AUV以及UAV，所述AUV设有存储舱室，所述存储舱室设有舱门和推出机构；所述UAV位于所述存储舱室内，所述UAV通过回收缆绳与所述存储舱室连接，所述推出机构用以在所述舱门打开后将所述UAV推出所述存储舱室。本发明的AUV水面自主回收系统及回收方法不需要进行水下/水面准确定位对接，且UAV具有较好的灵活性和机动性，能有效保证较高的回收成功率和回收效率。

说明书

技术领域

本发明涉及自主水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)回收技术领域，特别涉及一种无人机(Unmanned Aerial Vehicle，UAV)辅助船艇水面自主回收AUV的回收系统及回收方法。

背景技术

AUV是一种重要的水下无人作业设备，具有机动性强、隐蔽性好、智能性高等优点，在海洋石油、水下救援、军事侦察、海底打捞、海洋科考等领域得到了越来越广泛的应用。由于AUV作业任务完成后需要通过回收来实现能源补给、数据上传、设备检修等操作，因此AUV的回收技术是实现AUV安全连续作业的关键技术。目前回收AUV最常用的方法仍是通过船艇上操作人员手动挂缆绳或者使用缆枪将回收缆绳与AUV连接来实现AUV回收，该回收方式存在效率低、成功率低、自主性差以及人员伤亡风险高等诸多问题。严重制约了AUV在海洋工程领域中的作业效率和发展应用。

因此，如何克服AUV回收难度高、耗时长、成功率低的关键难题，实现AUV的高效自主回收是亟需解决的问题。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种AUV水面自主回收系统及回收方法，旨在实现AUV的高效自主回收。

为实现上述目的，本发明提出一种AUV水面自主回收系统，包括：

AUV，所述AUV设有存储舱室，所述存储舱室设有舱门和推出机构；以及

UAV，位于所述存储舱室内，所述UAV通过回收缆绳与所述存储舱室连接，所述推出机构用以在所述舱门打开后将所述UAV推出所述存储舱室。

在一实施例中，所述舱门与所述存储舱室转动连接。

在一实施例中，所述存储舱室设有朝下开设的开口，所述舱门包括两个子门，两个所述子门分别朝向相反的方向转动，以打开所述开口。

在一实施例中，所述舱门呈弧形设置。

在一实施例中，所述UAV上设有夹持机构，所述夹持机构用以夹持或释放所述回收缆绳。

在一实施例中，所述水面自主回收系统还包括：

回收船艇，所述回收船艇上设有降落平台，以供所述UAV降落。

在一实施例中，所述回收船艇上设有绞盘机构，所述绞盘机构用以牵引所述回收缆绳，以将所述AUV回收至所述回收船艇上。

在一实施例中，所述绞盘机构上设有对接机构，所述对接机构用以与所述回收缆绳连接。

在一实施例中，所述回收船艇上设有正位机构，所述正位机构位于所述降落平台，用以将所述UAV调整至目标位置。

在一实施例中，所述回收船艇还设有回收架，所述回收架具有滑槽，所述滑槽用以导引和存放所述AUV。

在一实施例中，所述回收架可移动地安装于所述回收船艇上。

在一实施例中，所述UAV具有折叠状态和伸展状态，在所述UAV位于所述存储舱室内时，所述UAV处于所述折叠状态。

本发明还提出一种AUV水面自主回收方法，应用于上述AUV水面自主回收系统，所述AUV水面自主回收方法包括以下步骤：

控制携带回收绳缆的UAV从AUV的存储舱室向水下布放；

在所述UAV上浮至水面后，控制所述UAV起飞并降落在回收船艇的降落平台上；

控制所述回收绳缆与所述回收船艇上的绞盘机构连接；

控制所述绞盘机构牵引所述回收缆绳，以将所述AUV回收至所述回收船艇上。

本发明的AUV水面自主回收系统利用AUV所搭载的UAV辅助回收船艇自主回收AUV，以解决实际海洋复杂环境中AUV回收难度高、耗时长、回收成功率低、回收效率低等关键难题。回收过程中，UAV携带所述回收缆绳离开所述存储舱室，并上浮至水面，通过水面起飞并自主降落在回收船艇上，并使所述回收缆绳与回收船艇上的回收装置连接，以此实现对AUV的自主回收。该水面自主回收系统不需要进行水下/水面准确定位对接，且UAV具有较好的灵活性和机动性，能有效保证较高的回收成功率和回收效率。同时，该水面自主回收系统简单实用，适应性强，抗风浪流干扰能力强，适用于相对复杂海况下AUV的高效自主稳定回收。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明水面自主回收系统一实施例的结构示意图；

图2为图1中AUV的内部细节图；

图3为本发明水面自主回收系统的第一回收状态图，其中UAV被推出存储舱室；

图4为本发明水面自主回收系统的第二回收状态图，其中UAV携带回收缆绳飞至空中；

图5为本发明水面自主回收系统的第三回收状态图，其中AUV被回收至回收船艇上；

图6为图1中UAV一实施例的结构示意图；

图7为图6中UAV处于展开状态的示意图；

图8为图6中UAV处于折叠状态的示意图。

附图标号说明：

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

需要说明，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义为，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案，或B方案，或A和B同时满足的方案。

现有AUV自主回收技术中，对AUV与回收机构的对接精度要求较高，耗时较长且成功率较低，在实际海洋复杂环境风浪流干扰下，AUV和回收机构的运动控制精度远远无法满足高对接精度的需求，极易出现AUV在水面或水下无法与回收机构成功对接的情况，因而AUV与回收机构的对接成功率无法保证，导致回收过程耗时较长，尤其是在水质条件不好的环境中，水下对接成功率会大幅度下降。现有水面或水下自主回收技术仅适用于风浪流干扰较小的较理想水域条件下的回收作业。

鉴于此，本发明提出了一种回收成功率高和回收效率高的水面自主回收系统。

请参阅图1至图5，本发明提出的水面自主回收系统包括AUV100以及UAV200，所述AUV100设有存储舱室110，所述存储舱室110设有舱门120和推出机构130；所述UAV200位于所述存储舱室110内，所述UAV200通过回收缆绳220与所述存储舱室110连接，所述推出机构130用以在所述舱门120打开后将所述UAV200推出所述存储舱室110。

在本发明实施例中，所述AUV100设有供UAV200存储的存储舱室110，该存储舱室110可以设于所述AUV100的头部、中部或者尾部，不做具体限定。所述存储舱室110设有开口，所述UAV200能够从所述开口离开所述存储舱室110。可以理解地，所述舱门120安装于所述开口，以打开或关闭所述开口。关于所述舱门120安装于所述开口的方式有很多，例如，所述舱门120转动安装于所述开口，也即所述舱门120与所述存储舱室110转动连接；或者，所述舱门120滑动安装于所述开口，也即所述舱门120与所述存储舱室110滑动连接，在此不做具体限定。所述舱门120可以呈弧形设置，这样，在所述舱门120关闭时，所述舱门120与所述AUV100的外轮廓保持一致。另外，所述舱门120呈弧形设置，还可以减少所述舱门120在打开过程中受到的气流阻力。当然，所述舱门120也可呈平板状设置。

UAV是一种近年来得到快速发展的飞行器，具有成本较低、功能多样和使用方便等优点，被广泛应用于科研、工业、物流运输、农业、军事等多个领域，目前应用最为广泛的是多旋翼UAV，具有很好的机动性、自主性和悬停作业能力。但并不仅限于多旋翼UAV，还可以是固定翼UAV、垂直起降UAV、仿生扑翼UAV等多种类型的UAV。只要能够用来辅助回收船艇300回收AUV100的UAV200均在本发明保护范围之内。本发明实施例中，将以两栖UAV为例进行详细介绍，但并不限于此。所述UAV200通过回收缆绳220与所述存储舱室110连接，所述回收缆绳220还可以是柔性管或者绳网。所述UAV200在所述舱门120打开后能够携带所述回收缆绳220离开所述存储舱室110。在所述UAV200携带所述回收缆绳220降落在回收船艇300上时，所述回收缆绳220与所述UAV200可以发生分离，以便于将所述回收缆绳220与回收装置固定连接。当然，所述回收缆绳220与所述UAV200也可不发生分离，不做特殊限定。

在本发明实施例中，推出机构130用以在所述舱门120打开后将所述UAV200推出所述存储舱室110。所述推出机构130的结构有很多，例如，所述推出机构130包括伸缩杆及驱动所述伸缩杆移动的驱动件。所述驱动件可驱动所述伸缩杆移动，以将所述UAV200推出所述存储舱室110。又例如，所述推出机构130包括弹射装置，所述弹射装置用以将所述UAV200弹射出所述存储舱室110。再例如，所述推出机构130包括喷射装置，所述喷射装置用以将所述UAV200喷射出所述存储舱室110。这里，需要说明的是，所述推出机构130可以将所述UAV200布放在水下，也可以将所述UAV200弹射或喷射至空中。

本发明的水面自主回收系统利用AUV所搭载的UAV辅助回收船艇自主回收AUV，以解决实际海洋复杂环境中AUV回收难度高、耗时长、回收成功率低、回收效率低等关键难题。回收过程中，UAV200携带所述回收缆绳220离开所述存储舱室110，并上浮至水面，通过水面起飞并自主降落在回收船艇300上，并使所述回收缆绳220与回收船艇300上的对回收装置连接，以此实现对AUV的自主回收。该水面自主回收系统不需要进行水下/水面准确定位对接，且UAV具有较好的灵活性和机动性，能有效保证较高的回收成功率和回收效率。同时，该水面自主回收系统简单实用，适应性强，抗风浪流干扰能力强，适用于相对复杂海况下AUV的高效自主稳定回收。

请参阅图1和图2，在一实施例中，所述存储舱室110设有朝下开设的开口。所述舱门120包括两个子门121，两个所述子门121分别朝向相反的方向转动，以打开所述开口。例如，其中一所述子门121向左转动打开所述开口，另一所述子门121向右转动打开所述开口。如此，通过设置两个子门121，以便于快速地将所述子门121转动打开。可以理解地，所述存储舱室110内还设有两个驱动机构，两个所述驱动机构分别驱动两个所述子门121转动。在其他实施例中，所述存储舱室110也可设有朝上开设的开口。在此，关于所述开口的位置也不做具体限定。

请参阅图7，在一实施例中，所述UAV200上设有夹持机构210，所述夹持机构210用以夹持或释放所述回收缆绳220。在所述UAV200位于所述存储舱室110时，所述夹持机构210夹持所述回收缆绳220，使得所述UAV200离开所述存储舱室110时，能够携带所述回收缆绳220一起离开，并携带所述回收缆绳220一起降落在回收船艇300上。在所述UAV200降落在所述回收船艇300上后，所述夹持机构210释放所述回收缆绳220，从而使得所述回收缆绳220与所述UAV200分离，便于所述回收船艇300上的回收装置对所述回收缆绳220进行连接固定，以拉紧回收所述AUV100。关于所述夹持机构210的结构也有很多，例如，所述夹持机构210可以是电动推杆、直线电机，也可以曲柄滑块机构，还可以是机械手，只要可以实现夹持回收缆绳的功能即可，在此不做具体限定。

请参阅图3、图4及图5，在上述各实施例的基础上，所述水面自主回收系统还包括回收船艇300，所述回收船艇300上设有降落平台310，以供所述UAV200降落。

在所述AUV100完成水下作业后上浮至水面，通过无线通信与所述回收船艇300连接，从而将自身位置信息发送给回收船艇300，以使所述回收船艇300抵达所述AUV100的附近。此时，所述存储舱室110的舱门120打开，使得AUV100离开所述存储舱室110，完成向水下布放UAV200；该UAV200携带回收缆绳220自动上浮至水面后，从水面飞起；随后，该UAV200通过视觉导航定位，自主降落在回收船艇300的降落平台310上，此时回收船艇300上的回收装置将回收缆绳220固定，通过拉紧所述回收缆绳220将所述AUV100回收至回收船艇300上。回收任务完成后，回收船艇300上的机库将UAV200回收并装填至AUV100的存储舱室110中，以为下一次的回收任务做准备。由于该水面自主回收系统不需要水下/水面准确定位对接，且UAV200具有较好的灵活性和机动性，能有效保证较高的回收成功率和回收效率，该水面自主回收系统和方法简单实用，适应性强，抗风浪流干扰能力强，适用于相对复杂海况下AUV100的高效自主稳定回收。

请参阅图3、图4及图5，在一实施例中，所述回收装置包括设于所述回收船艇300上的绞盘机构320，所述绞盘机构320用以牵引所述回收缆绳220，以将所述AUV100回收至所述回收船艇300上。

在所述UAV200携带回收缆绳220降落在回收船艇300的降落平台310后，所述UAV200上的夹持机构210释放所述回收缆绳220，以使所述回收缆绳220与所述UAV200分离。此时，可以通过对接机构将所述回收缆绳220连接固定至所述绞盘机构320上，通过所述绞盘机构320牵引所述回收缆绳220以将所述AUV回收至所述回收船艇300上。其中，所述对接机构可以是但不限于电磁吸合机构，当电磁吸合机构通电时，所述回收缆绳220与所述绞盘机构320固定连接，当电磁吸合机构断电时，所述回收缆绳220与所述UAV130断开连接。当然，所述绞盘机构320也可通过其他方式与回收缆绳220自动连接。

可选地，所述回收船艇300上设有正位机构，所述正位机构位于所述降落平台310，用以将所述UAV200调整至目标位置。可以理解地，所述目标位置可以是所述降落平台310的正中确定位置。一般而言，所述降落平台310的尺寸大于所述UAV200的外形轮廓尺寸，所以UAV200自主降落在所述降落平台310时，不一定恰好位于所述降落平台310的正中确定位置。所以，需要设置所述正位机构，以将所述UAV200调整至所述降落平台310的正中确定位置。所述正中机构可参照现有技术，在此不再进行赘述。

请参阅图3、图4及图5，为了便于将所述AUV100回收至所述回收船艇300上，在一实施例中，所述回收船艇300还设有回收架330，所述回收架330具有滑槽331，所述滑槽331用以导引和存放所述AUV100。

在该实施例中，所述回收架330为长条形结构，所述滑槽331的形状与所述AUV100形状为仿形设计。一方面便于所述AUV100滑动至所述滑槽331内，另一方面便于对所述AUV100的存放。可选地，所述回收架330可移动地安装于所述回收船艇300上。也即，所述回收架330可以在所述回收船艇300上滑动和倾转。

在上述各实施例中，所述回收船艇300可以是有人船艇，也可以是无人船艇，只要是通过UAV200辅助回收船艇300、移动平台或其他近水面航行器进行水面回收AUV的方法，均在本发明的保护范围内。

另外，请参阅图6、图7及图8，在上述各实施例的基础上，为了使所述UAV200能够完全收纳至所述UAV200的存储舱室110内，且使得所述AUV100的整体体积较小，可以使所述UAV200设计为可折叠式UAV200。具体地，可折叠式UAV200具有折叠状态和伸展状态，在所述UAV200位于所述存储舱室110内时，所述UAV200处于所述折叠状态，以便于使所述UAV200能够完全收纳至所述存储舱室110内。在所述UAV200位于所述存储舱室110内时，所述UAV200处于伸展状态，以便于所述UAV200起飞。本实施例中，可折叠式UAV200通过旋转旋翼臂到机身内来实现折叠收装，但不限于该折叠方案，还可以通过将旋翼臂旋转、伸缩、伞状折叠、多段式折叠等多种方式实现旋翼臂的折叠收装，只要是通过折叠的方式将UAV200收装至AUV100的存储舱室110的设计方案，均在本发明权利保护范围之内。

再请参阅图3、图4及图5，本发明的水面自主回收系统，待回收的AUV100完成水下作业后上浮至水面，通过无线通信与所述回收船艇300连接，从而将自身位置信息发送给回收船艇300，以使所述回收船艇300抵达所述AUV100的附近。此时，所述存储舱室110的舱门120打开，顶出机构130将UAV200推出存储舱室110，UAV200携带回收缆绳220依靠自身浮力浮至水面后展开多个旋翼臂从水面飞起；随后，该UAV200通过视觉导航定位，自主降落在回收船艇300的降落平台310上，此时回收船艇300上的对接机构将回收缆绳220连接固定，通过牵引所述回收缆绳220将所述AUV100回收至回收船艇300上。回收任务完成后，回收船艇300上的机库将UAV200回收并装填至AUV100的存储舱室110中，以为下一次的回收任务做准备。

本发明的水面自主回收系统充分利用UAV200机动灵活的特点，回收过程中UAV200携带回收缆绳220从AUV100的存储舱室110向水下布放并上浮至水面，通过水面起飞并自主降落在回收船艇300的降落平台310上，实现回收缆绳220与回收船艇300上的对接机构连接，进而实现AUV100的自主回收。该回收系统对AUV100、回收船艇300的位置和对接朝向的要求较低，可大幅提高回收过程回收缆绳220与AUV100连接的成功率和连接效率。

由于该回收方案为近距离水面回收，且UAV200运动速度较快，通过UAV200自主着艇降落的方式将回收缆绳220与回收船艇300上对接机构连接的对接方式简单可靠，可大幅缩短回收所需时间，该水面自主回收系统中UAV200和回收船艇300均具有较强的抗风浪能力，可有效实现复杂海况下AUV100的高效自主稳定回收。

该水面自主回收系统中的UAV200可以实现模块化设计，可拓展性好，通过对搭载UAV200的模块化舱室进行简单设计调整，可以实现船艇对多种不同尺寸及型号AUV100的自主回收。该水面自主回收系统设计和实施操作简单实用，可拓展性好，抗干扰能力强，适用于多种场景下复杂干扰环境中AUV100的高效自主稳定回收。

本发明还提出一种AUV水面自主回收方法，该AUV水面自主回收方法可应用于上述AUV水面自主回收系统。其中，所述AUV水面自主回收方法包括以下步骤：

步骤S10，控制携带回收绳缆的UAV从AUV的存储舱室向水下布放；

步骤S20，在所述UAV上浮至水面后，控制所述UAV起飞并降落在回收船艇的降落平台上；

步骤S30，控制所述回收绳缆与所述回收船艇上的绞盘机构连接；

步骤S40，控制所述绞盘机构牵引所述回收缆绳，以将所述AUV回收至所述回收船艇上。

在该AUV水面自主回收方法中，待回收AUV100完成水下作业后上浮至水面，通过无线通信将自身位置发送给回收船艇300，使回收船艇300抵达AUV100附近；此时，AUV100从靠近艏部的存储舱室110向水下布放所搭载的UAV200；该UAV100携带回收缆绳220自动上浮至水面后，从水面起飞；随后UAV100通过视觉导航定位，在回收船艇300的降落平台310自主着艇降落，回收船艇310上的对接机构将回收缆绳220与回收船艇300上的绞盘机构连接，通过回收缆绳220牵引将AUV100回收至回收船艇300上。回收任务完成后，回收船艇300上的机库将UAV200回收并装填至AUV100的存储舱室110中，以便下一次回收。

由于该AUV水面自主回收方法不需要水下/水面准确定位对接，且UAV200具有较好的灵活性和机动性，能有效保证较高的回收成功率和回收效率，该回收方法简单实用，适应性强，抗风浪流干扰能力强，适用于相对复杂海况下AUV100的高效自主稳定回收。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。