水下机器人布放回收装置、布放方法、回收方法、无人船

摘要

本发明实施例提供了一种水下机器人的布放回收装置和布放方法、回收方法，解决了无人船上多个水下机器人的自动布放和回收的问题。所述水下机器人的布放回收装置包括：充电方舱、机械臂、绞车和对接装置；其中，所述充电方舱用于存放水下机器人并为水下机器人充电；所述机械臂用于回收时抓取水下机器人至所述充电方舱，以及布放时抓取水下机器人至布放点位；所述对接装置与所述绞车可拆卸连接，所述对接装置用于回收时与水下机器人进行对接，所述绞车用于将与水下机器人对接成功的所述对接装置拖回至指定位置。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种水下机器人布放回收装置、布放方法、回收方法及无人船。

背景技术

无人自主水下机器人(Autonomous underwater vehicle，AUV)作为一种无人无缆的水下系统平台，可用于海底地形测绘、目标搜救、资源勘探、科学考察等多种任务。单个AUV超远距离作业时，容易发生通信或控制故障，导致丢失风险较大，且作业数据无法发送回指挥中心，作业效率低。采用多AUV协同作业，相互连接的方式，可以很好的克服上述不足。采用无人船搭载多个AUV进行水下探测作业可以实现无人化运营的超视距水下探测作业，能降低运营成本，提高水下探测作业效率。但是，目前AUV主要通过人工的方式进行布放和回收，对操作人员的人身安全威胁大、成本高、效率低，因此实现无人船上多个AUV的自动布放和回收无疑是现在亟需突破的关键技术问题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种水下机器人布放回收装置、布放方法、回收方法及无人船，解决了无人船上多个水下机器人的自动布放和回收的问题。

本发明一实施例提供的一种水下机器人布放回收装置包括：

充电方舱、机械臂、绞车和对接装置；其中，所述充电方舱用于存放水下机器人并为水下机器人充电；所述机械臂用于回收时抓取水下机器人至所述充电方舱，以及布放时抓取水下机器人至布放点位；所述对接装置与所述绞车可拆卸连接，所述对接装置用于回收时与水下机器人进行对接，所述绞车用于将与水下机器人对接成功的所述对接装置拖回至指定位置。

在一种实施方式中，所述水下机器人布放回收装置还包括：布放回收控制器；所述布放回收控制器用于：控制所述机械臂抓取水下机器人至所述布放点位并布放到水中；控制所述对接装置与水下机器人对接；控制所述绞车将与所述水下机器人对接成功的对接装置拖回至指定位置；以及控制所述机械臂将所述对接装置拖回的水下机器人抓取到所述充电方舱。

在一种实施方式中，所述对接装置上设置有声学定位系统。

在一种实施方式中，所述对接装置上设置有光学定位系统。

在一种实施方式中，所述装置还包括：限位结构，用于对所述对接装置进行限位和锁定。

在一种实施方式中，所述充电方舱包括至少一个储存格，每个所述存储格内设置有一个充电装置。

在一种实施方式中，所述装置还包括图像采集设备，用于采集水下机器人的图像。

一种水下机器人布放方法，使用上述所述的水下机器人的布放回收装置进行布放，包括：

接收布放指令；

获取所述水下机器人的图像，基于所述水下机器人的图像获取水下机器人的位置；

基于所述水下机器人的位置取出所述水下机器人，并将所述水下机器人运送至第一位置；

判断所述第一位置是否为目标位置，若否，则将所述水下机器人调整至所述目标位置；若是，则将所述水下机器人运送至水下。

在一种实施方式中，所述获取所述水下机器人的图像，基于所述水下机器人的图像获取水下机器人的位置的步骤包括：

获取水下机器人的图像，从所述水下机器人的图像中检测所述水下机器人；

基于检测到的所述水下机器人得到所述水下机器人的中心在所述水下机器人的图像中的像素坐标。

在一种实施方式中，所述基于所述水下机器人的位置取出所述水下机器人，并将所述水下机器人运送至第一位置的步骤包括：

将所述水下机器人的中心在所述水下机器人的图像中的像素坐标转换成相对机械臂基座坐标系下的坐标；

机械臂基于所述相对机械臂基座坐标系下的坐标规划路径，并按照规划好的路径运动到所述水下机器人的中心位置；

所述机械臂取出所述水下机器人，并运送至所述第一位置。

一种水下机器人回收方法，使用上述所述的水下机器人的布放回收装置进行回收，包括：

接收回收指令；

基于所述回收指令移动至第二位置，并释放对接装置；

所述对接装置发出定位声源；

所述对接装置判断是否对接成功，若是，回收所述对接装置；

识别所述水下机器人的当前位置，并获取放置位置，将所述水下机器人从所述当前位置运送至所述放置位置。

一种无人船，包括：船体及上述所述的水下机器人的布放回收装置；其中，所述水下机器人的布放回收装置设置在所述船体上。

在一种实施方式中，所述船体的甲板上开设有月池，所述月池直通水下用作水下机器人布放和回收的通道。

本发明实施例提供的一种水下机器人布放回收装置、布放方法、回收方法及无人船，水下机器人布放回收装置设置有充电方舱、机械臂、绞车和对接装置；其中，所述充电方舱用于存放水下机器人并为水下机器人充电；所述机械臂用于回收时抓取水下机器人至所述充电方舱，以及布放时抓取水下机器人至布放点位；所述对接装置与所述绞车可拆卸连接，所述对接装置用于回收时与水下机器人进行对接，所述绞车用于将与水下机器人对接成功的所述对接装置拖回至指定位置。所述水下机器人的布放回收装置有效的解决了多水下机器人作业中布放和回收的技术难题，与人工的方式进行水下机器人的布放和回收相比，减少了对操作人员的人身安全的威胁、降低成本且提高了工作效率。

附图说明

图1所示为本发明一实施例提供的一种水下机器人的布放回收装置的结构图。

图2所示为本发明另一实施例提供的一种水下机器人的布放回收装置的结构图。

图3所示为本发明一实施例提供的一种水下机器人的布放方法的流程示意图。

图4所示为本发明一实施例提供的一种水下机器人的回收方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供一种无人船，如图1～图2所示，所述无人船包括船体1及水下机器人的布放回收装置；其中，所述水下机器人的布放回收装置设置在所述船体1上，用于实现水下机器人的布放和回收。船体1的甲板上开设有月池7，所述月池7直通水下用作水下机器人布放和回收的通道。

本实施例提供一种水下机器人布放回收装置，如图1～图2所示，所述水下机器人的布放回收装置包括：充电方舱2、机械臂5、绞车8和对接装置6。所述充电方舱用于存放水下机器人并为水下机器人充电；所述机械臂用于回收时抓取水下机器人至所述充电方舱，以及布放时抓取水下机器人至布放点位；所述对接装置与所述绞车可拆卸连接，所述对接装置用于回收时与水下机器人进行对接，所述绞车用于将与水下机器人对接成功的所述对接装置拖回至指定位置。其中，船体1具有宽大的甲板面积，在船体1的甲板上开设有月池7，月池7直通水下用作水下机器人3布放和回收通道；机械臂5，设置在月池7的一侧；绞车8，设置在船体1的甲板上。可选地，绞车8为电动绞车；对接装置6，与绞车8可拆卸连接。

在本发明一实施例中，所述水下机器人布放回收装置还包括：布放回收控制器；所述布放回收控制器用于：控制所述机械臂5抓取水下机器人3至所述布放点位并布放到水中；控制所述对接装置6与水下机器人3对接；控制所述绞车8将与所述水下机器人3对接成功的对接装置6拖回至所述无人船的指定位置；以及控制所述机械臂5将所述对接装置6拖回的水下机器人3抓取到所述充电方舱2。

在本发明一实施例中，对接装置6上设置有声学定位系统。可选地，声学定位系统为超短基线换能器。在回收水下机器人3时，声学定位系统发出定位声源，水下机器人3能够接收并反射声波从而确定水下机器人3与对接装置6的相对位置。

在本发明一实施例中，对接装置6上设置有光学定位系统，设置在对接装置6的对接位置处。当水下机器人3自动航行至对接装置6喇叭口的位置，对接装置6的光学定位系统能够提供准确的相对位置。

在本发明一实施例中，水下机器人的布放回收装置还包括：限位结构9，设置在所述船体1的底部，用于对对接装置6进行限位和锁定，使对接装置6与船体1相对固定。可选地，限位结构9，设置在船体1底部的中间位置；限位结构9为流线型。

在本发明一实施例中，水下机器人的布放回收装置包括至少一个充电方舱2，设置在所述月池7的一侧；其中，所述充电方舱2包括至少一个储存格，每个存储格内设置有一个充电装置。可选地，充电方舱2为无线充电方舱2。可选地，水下机器人的布放回收装置包括2个充电方舱2，分别布置在月池7的两侧；每个充电方舱2由4个水下机器人3储存格组成，每个储存格中布置一个圆弧形的无线充电线圈，采用电磁波的形式，实现对水下机器人3的能源补给和数据交互。

在本发明一实施例中，所述装置还包括图像采集设备4，设置在所述船体1的顶部，用于采集水下机器人3的图像。可选地，图像采集设备4为双目相机。

本实施例提供一种水下机器人的布放方法，如图3所示，基于上述实施例中的水下机器人的布放回收装置实现。所述水下机器人的布放方法包括：

步骤01:接收布放指令。水下机器人3初始存放在充电方舱2中，充电方舱2位于船体1主甲板月池7的两侧，每个充电方舱2可以放置多个水下机器人3。无人船会与岸基指挥中心进行通信，岸基指挥中心发送布放指令，无人船接受岸基指挥中心发送布放指令。

步骤02:获取所述水下机器人的图像，基于所述水下机器人的图像获取水下机器人3的位置。包括：

步骤021:获取水下机器人的图像，从所述水下机器人的图像中检测所述水下机器人3。位于无人船顶部的双目相机会拍摄水下机器人的图像，并从水下机器人图像中检测水下机器人3的位置，得到每个水下机器人3的中心在图像中的像素坐标。

步骤022:基于检测到的所述水下机器人3得到所述水下机器人3的中心在所述水下机器人3的图像中的像素坐标。基于双目相机的内参矩阵和外参矩阵，可以将水下机器人3中心的像素坐标转换成相对于机械臂基座坐标系下的坐标，如下式所示：

式中，s为深度信息，(u,v)代表像素坐标，(x,y,z)代表机械臂基座下的坐标，等式右边的两个矩阵分别是双目相机的内参矩阵和外参矩阵。

步骤03:基于所述水下机器人3的位置取出所述水下机器人3，并将所述水下机器人3运送至第一位置。包括，

步骤031:将所述水下机器人3的中心在所述水下机器人3的图像中的像素坐标转换成相对机械臂基座坐标系下的坐标；

步骤032:机械臂5基于所述相对机械臂基座坐标系下的坐标规划路径，并按照规划好的路径运动到所述水下机器人3的中心位置；

步骤033:所述机械臂5取出所述水下机器人3，并运送至所述第一位置。获取到每个水下机器人3在机械臂基坐标系下的坐标后，机械臂5会自动规划路径运动到水下机器人3的中心位置，然后利用安装在机械臂5末端的夹持器夹紧水下机器人3，夹持器具有力反馈功能，能判断是否夹紧水下机器人3。机械臂5取出水下机器人3运行到第一位置。可选地，第一位置为月池7的上空。

步骤04:判断所述第一位置是否为目标位置，若否，则将所述水下机器人3调整至所述目标位置；若是，则将所述水下机器人3运送至水下。机械臂5取出水下机器人3运行到月池7上空，采用双目相机识别此时水下机器人3的实际位置并判断与目标投放位置是否一致，如果不一致则机械臂5会自主微调位置，如果一致，则机械臂5夹持水下机器人3运动到水下，松开夹持器，水下机器人3遇水会自启动，然后水下机器人3下沉到指定深度开始作业，这样便完成了水下机器人3的布放。

本实施例提供了一种水下机器人的回收方法基于上述实施例中的水下机器人的布放回收装置实现。如图4所示，所述水下机器人的回收方法包括：

步骤11:接收回收指令。当水下机器人3完成作业任务或电量不足时，会自动上浮到回收深度，并自动发送回收指令，水下机器人3的布放回收装置接收水下机器人3发送的回收指令。

步骤12:基于所述回收指令移动至第二位置，并释放对接装置6。无人船接收到回收指令后会自动行驶到水下机器人3附近位置，然后启动绞车8释放对接装置6。

步骤13:所述对接装置6发出定位声源。对接装置6依靠自身重力下潜到对接深度，对接装置6上的超短基线换能器发出定位声源，水下机器人3上的超短基线应答器接收并反射声波从而确定水下机器人3与对接装置6的相对位置。

步骤14:所述对接装置6判断是否对接成功，若是，回收所述对接装置6。水下机器人3自动航行至对接装置6喇叭口位置，对接装置6的光学定位系统提供准确的相对位置，如果不满足对接位置精度，则水下机器人3会自动微调位置，如果满足对接位置精度，则水下机器人3会加速冲撞进入对接装置6喇叭口，如果对接失败，水下机器人3会继续自动微调位置，然后重新判断对接位置精度，如果对接成功会触发对接装置6中的接触传感器，自动锁紧水下机器人3，然后绞车8回收对接装置6，对接装置6与无人船的限位结构9相配合，使得水下机器人3相对于无人船保持位置固定，然后绞车8自动锁紧。

步骤15:识别所述水下机器人3的当前位置，并获取放置位置，将所述水下机器人3从所述当前位置运送至所述放置位置。无人船自动下发回收水下机器人3指令，图像采集设备4识别水下机器人3的位置，机械臂5自主规划运动路径运行到月池7水下机器人3位置，打开夹持器，夹紧水下机器人3，将夹紧水下机器人3的信号反馈给对接装置6的锁紧机构以打开锁紧机构，图像采集设备4识别无线充电方舱2中未放置水下机器人3的存储格的位置，然后机械臂5夹紧水下机器人3并运送到该存储格中，完成水下机器人3的自动回收。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、顶、底……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

另外，在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。