一种无人船与AUV的对接系统及对接方法技术方案

一种无人船与AUV的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的AUV，还包括用于实现无人船与AUV之间定位和初步对接的超短基线定位系统、用于实现无人船与AUV之间非接触式充电的无线充电模块；所述无人船底部设有用于夹持AUV和实现对接位置微调的多自由度的机械手。本发明专利技术通过超短基线定位系统、机器视觉和机械手实现无人船与AUV的对接，提高对接的可靠性和成功率，并在对接后进行充电续航和数据传输，提高AUV的续航能力。

【技术实现步骤摘要】
一种无人船与AUV的对接系统及对接方法
本专利技术属于海洋技术工程领域，涉及一种无人船与AUV的对接系统及对接方法。
技术介绍
无人水下机器人常见有无人遥控潜水器(ROV)和自主水下机器人(AUV)两种。ROV通过与水面相连的脐带电缆获取能源，动力充足，作业时间不受能源的限制，作业效率高。AUV依靠自身的自治能力来管理和控制自己以完成所赋予的使命，活动范围大、机动性好、智能化程度高、自主性强。上述两种水下机器人都有不足之处：其中ROV通常需要母船配套，母船以及一系列工作人员的开支巨大，活动范围有限；AUV则受自身携带能源限制，续航能力有限；而且由于在水下不能进行长距离的无线通信，AUV在水下探测得到的数据很难实时回传。设计无人船与水下机器人的有缆组合系统，可以克服上述不足，但是由于缆的存在，水下机器人的活动范围受到了一定的限制。因此，本专利技术提供了一种无人船与AUV的对接系统，AUV与无人船之间没有脐带缆连接，活动范围不像有缆系统那样受到限制，此外，AUV可以通过与无人船对接进行充电续航和传输数据，克服了AUV续航能力有限的不足。现有无人船与水下机器人的对接方式有如下几种：1、如CN105329418A公开的一种无人船载水下机器人混合系统是通过线缆回收直接将水下机器人拉回设于船载挂舱内的停放平台，不用对接，需要设置排水系统。2、如CN103213662A公开的子母式海洋环境检测智慧机器人是通过水面支持母船底部的对接夹持器与无人潜水器的夹持端口对接，由于夹持端口只是一个点，属于定点夹持，这对夹持精度要求非常高。这种定点夹持的对接方式在理想无干扰的情况下能够成功，而实际情况是，连接脐缆只能限制潜水器高度方向上的一个自由度，无法限制其他自由度，比如潜水器的旋转、俯仰等，众所周知海况是十分复杂的，无人潜水器在拉到水面对接时难免会受到干扰晃动，加上对接是起捞时在水面上进行的，潜水器无法主动进行调整，这样夹持到目标点的成功率将会很低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种结构简单、对接成功率高、降低对接的难度的无人船与AUV的对接系统。本专利技术还提供了一种对接成功率高、降低对接的难度的无人船与AUV的对接方法。本专利技术采用的技术方案是：一种无人船与AUV的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的AUV(自主水下机器人)，其特征在于：还包括用于实现无人船与AUV之间定位和初步对接的超短基线定位系统、用于实现无人船与AUV之间非接触式充电的无线充电模块；所述无人船底部设有用于夹持AUV和实现对接位置微调的多自由度的机械手。本专利技术通过超短基线定位系统和机械手实现无人船与AUV的对接，提高对接的可靠性和成功率，并在对接后进行充电续航和数据传输，提高AUV的续航能力。进一步，所述超短基线定位系统包括定位组件和应答器，所述定位组件能升降的安装于无人船船舱的尾部，所述定位组件包括发射换能器和接收矩阵，所述应答器安装于AUV的顶部并与接收矩阵配合定位和水声通信，所述定位组件通过升降模块连接于无人船船舱，所述升降模块包括驱动模块和由其驱动旋转的摆臂，所述定位组件安装于摆臂的端部由其带动伸入水中与应答器配合定位和水声通信，所述摆臂伸入水中时能对AUV进行限位实现初步对接。进一步，所述机械手包括机械手臂和由机械手臂带动升降的机械手抓，所述机械手臂可绕Y轴旋转的连接于无人船船舱，所述机械手抓包括支板，所述支板两侧安装有可相对移动实现夹紧或放松的抓指，所述抓指上安装有带动抓指沿X轴方向移动的水平移动机构，所述支板上安装有保持机械手抓水平姿态的姿态调节模块；所述机械手抓的顶部内侧和侧面内侧均设有保护用的橡胶垫和用于确定机械手抓夹紧AUV的压力传感器。进一步，所述支板上安装有带动抓指相对运动的夹紧模块，所述夹紧模块包括双出轴丝杠电机，所述双出轴丝杠电机分别通过张紧丝杆副与抓指连接，所述双出轴丝杠电机的两端出轴的螺纹旋向相反。进一步，所述姿态调节模块包括用于检测机械手抓俯仰角的水平姿态传感器，和根据水平姿态传感器的输出信号调整机械手抓与无人船船舱底部平行度的姿态调节电机。进一步，所述无线充电模块包括电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块，所述电能输出发射线圈模块设置在无人船船舱的底部，所述电能传输接收线圈模块设置在AUV的顶部。本专利技术通过机械手调整对接位置，使得电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块对齐即可进行对AUV无线充电。进一步，所述无人船包括密封的船舱和设于船舱两侧的片体，所述片体的底部设有浮体，所述浮体的前端设有导流罩，后端设有螺旋桨航行推进器；所述船舱内设置有航行控制用的第一电子设备、第一无线通讯设备、第一电源控制设备以及第一视频采集传输设备；所述第一电子设备包括第一主控电路板、惯性测量单元和第一电子罗盘，所述第一无线通讯设备包括外置于甲板上的无人船水密天线，所述第一电源控制设备包括第一锂电池组、第一电源控制板，所述电能输出发射线圈模块与第一电源控制板连接，所述第一视频采集设备包括第一摄像头模块、第一图像传输模块以及第一视频控制设备，第一摄像头模块包括设于船舱前方的用于引导无人船航行至初步对接位置的前视摄像头和设于船舱下方的用于确定AUV是否到位的下方摄像头；所述船舱的底部设有使得电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块对齐的限位块。进一步，所述AUV的外型采用流线型，密封舱内安装有航行控制用的第二电子设备、第二无线通讯设备、第二电源控制设备、重力调节设备、第二视频采集传输设备以及航行推进设备；所述第二电子设备包括第二主控电路板、深度计、惯性传感器和第二电子罗盘，所述第二无线通讯设备包括设于AUV顶部的AUV水密天线，所述第二电源控制设备包括第二锂电池组、第二电源控制板，所述电能传输接收线圈模块与第二电源控制板连接；所述重力调节设备包括位于AUV中心的丝杆滑动平台、配重块和驱动模块；所述第二视频采集设备包括设于AUV前方的第二摄像头模块、第二图像传输模块以及第二视频控制设备；所述航行推进设备包括设于AUV后方的螺旋桨推进装置以及控制舵。一种无人船与AUV的对接方法，其使用了上述无人船与AUV的对接系统，具体步骤如下：1)AUV与无人船通过超短基线定位系统保持通信，需要AUV回收时，无人船检测AUV的位置；2)根据无人船和AUV的会合策略，选择无人船主动接近AUV的正上方或者AUV主动沿着无人船的位置运动或者两者都移动至某个会合地点会合，当两者会合后，AUV在无人船的水面附近；3)无人船通过视觉识别主动航行至AUV前方，并与AUV朝向相对航行，当AUV触碰到无人船尾部的摆臂后完成了初步的对接，此时AUV停靠在无人船两侧的浮体之间；4)无人船通过视觉识别确定AUV的位置是否到位，若是则进入步骤5)，若否，无人船或AUV进行位置调整，重复步骤3)和4)；5)无人船驱动机械手抓取AUV并提升至无人船下方，在此过程中，姿态调整电机通过水平姿态传感器调节机械手抓姿态，使机械手抓保持水平姿态下降和上升，之后根据无线充电模块的充电电流大小判断无人船与AUV之间的充电线圈模块是否对齐，若对齐则对接完成，进入步骤7)，若不对齐则进入步骤6)；6)无人船通过机械手上的水平移动机构前后移动AUV，调节无人船与AUV之间的轴向相对位置，通过无人船下方的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无人船与AUV的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的AUV，其特征在于：还包括用于实现无人船与AUV之间定位和初步对接的超短基线定位系统、用于实现无人船与AUV之间非接触式充电的无线充电模块；所述无人船底部设有用于夹持AUV和实现对接位置微调的多自由度的机械手。

【技术特征摘要】
1.一种无人船与AUV的对接系统，包括位于水面的无人船、位于水下的AUV，其特征在于：还包括用于实现无人船与AUV之间定位和初步对接的超短基线定位系统、用于实现无人船与AUV之间非接触式充电的无线充电模块；所述无人船底部设有用于夹持AUV和实现对接位置微调的多自由度的机械手。2.如权利要求1所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述超短基线定位系统包括定位组件和应答器，所述定位组件能升降的安装于无人船船舱的尾部，所述定位组件包括发射换能器和接收矩阵，所述应答器安装于AUV的顶部并与接收矩阵配合定位和水声通信；所述定位组件通过升降模块连接于无人船船舱，所述升降模块包括驱动模块和由其驱动旋转的摆臂，所述定位组件安装于摆臂的端部由其带动伸入水中与应答器配合进行定位和水声通信，所述摆臂伸入水中时能对AUV进行限位实现初步对接。3.如权利要求1或2所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述机械手包括机械手臂和由机械手臂带动升降的机械手抓，所述机械手臂可绕Y轴旋转的连接于无人船船舱，所述机械手抓包括支板，所述支板两侧安装有可相对移动实现夹紧或放松的抓指，所述抓指上安装有带动抓指沿X轴方向移动的水平移动机构，所述支板上安装有保持机械手抓水平姿态的姿态调节模块；所述机械手抓的顶部内侧和侧面内侧均设有保护用的橡胶垫和用于确定机械手抓夹紧AUV的压力传感器。4.如权利要求3所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述支板上安装有带动抓指相对运动的夹紧模块，所述夹紧模块包括双出轴丝杠电机，所述双出轴丝杠电机分别通过张紧丝杆副与抓指连接，所述双出轴丝杠电机的两端出轴的螺纹旋向相反。5.如权利要求3所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述姿态调节模块包括用于检测机械手抓俯仰角的水平姿态传感器，和根据水平姿态传感器的输出信号调整机械手抓与无人船船舱底部平行度的姿态调节电机。6.如权利要求1所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述无线充电模块包括电能输出发射线圈模块和电能传输接收线圈模块，所述电能输出发射线圈模块设置在无人船船舱的底部，所述电能传输接收线圈模块设置在AUV的顶部。7.如权利要求1所述的一种无人船与AUV的对接系统，其特征在于：所述无人船包括密封的船舱和设于船舱两侧的片体，所述片体的底部设有浮体，所述浮体的前端设有导流罩，后端设有螺旋桨航行推进器；所述船舱内设置有航行控制用的第一电子设备、第一无线通讯设备、第一电源控制设备以及第一视频采集传输设备；所述第一电子设备包括第一主控电路板、惯性测量单元和第一电子罗盘，所述第一无线通讯设备包括外置于甲板上的无人船水密天线，所述第一电源控制设备包括第一锂电池组、第一电源控制板，所述电能输出发射线圈模块与第一电源控制板连接，所述第一视频采集设备包括第一摄像头模块、第一图像传输模块以及第一视频控制设备，第一摄像头模块包括设于船舱前方的用于引导无人船航行至初步对接位置的前视摄像头和设于船舱下方的用于确定AUV是否到位的下方...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭时林，陈登豪，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33