1.本发明涉及智能水下航行器回收技术领域，更具体的说是涉及一种基于环流动量矩的动态回收平台。


背景技术：

2.智能水下航行器(autonomous underwater vehicle
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auv)广泛用于各类海洋工程中，在水文探测、海底管线巡检、热液区勘测、水下救援、水下情报侦察等方面发挥了重要作用，已成为水下无人系统中重要一环。由于auv无缆线的设计模式，需要回收进行充电以及数据交换后，才能继续执行下一任务。因此，快速安全精确的auv回收作业是亟待解决的问题。
3.对于auv回收问题，主要的解决方案利用水底固定布放的回收装置进行auv的回收。这种方案首先对海洋环境有一定要求，需要海底地形平整；此外，对接位置是固定的，对于进行大面积勘测任务的auv来说灵活性较差；最后，auv易受侧向流影响，固定回收装置不能调节自身艏向角，可能降低auv回收的成功率。
4.另一种方案是利用水下动态回收平台对auv进行回收，回收平台保持悬停或缓慢定常运动，通过auv调整位姿完成对接。但是传统的水下动态回收平台具有一定缺陷：首先，缓慢运动的水下平台在恶劣海况下缺乏有效的减摇措施，降低了回收的成功率；其次，仅依赖auv本身的动态性能进行回收，缺乏灵活性。
5.因此，如何提高auv动态回收平台的回收成功率和灵活性是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了一种基于环流动量矩的动态回收平台，通过设计的控制系统、对接系统、执行机构、通信系统以及定位传感器系统完成auv回收任务，提高了动态回收平台的灵活性和回收成功率。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种基于环流动量矩的动态回收平台，包括，回收平台本体、通信系统以及控制系统，所述回收平台本体通过通信系统与控制系统连接；其中，所述回收平台本体包括对接系统、执行机构、定位传感器系统；
9.所述对接系统包括对接装置，所述对接装置包括固定在对接装置上的视觉摄像机、led标识光源以及安装在对接装置内部的auv锁紧机构；
10.所述执行机构包括用于稳定回收平台运行姿态的流体动量环及用于为回收平台本体提供动力的动力推进器，所述流体动量环内部镶嵌有无轴轮缘驱动泵；所述动力推进器包括安装于所述回收平台本体顶端的垂直推进器及安装于所述回收平台本体侧面的水平推进器；
11.所述定位传感器系统用于对回收平台进行定位并获取回收平台的运行状态信息
及运行环境信息；
12.所述控制系统用于处理数据并生成控制指令发送给所述回收平台本体。
13.优选的，所述对接装置包括镂空式喇叭口形对接装置，镂空式喇叭口形对接装置的设计，进一步减少了auv回收时的阻力。
14.优选的，所述动力推进器还用于对回收平台本体进行姿态调整，包括回收艏向角的调整。
15.优选的，所述定位传感器系统包括惯导、多普勒测速仪、磁罗经、深度计、高度计、auv定位用usbl信标，所述多普勒测速仪用于获取回收装置附近水流信息，所述深度计和高度计用于与auv同步深度，所述usbl信标用于辅助auv完成远距离阶段回收平台与auv的相对定位。
16.优选的，所述对接系统还包括无线信息交互模块，对接系统通过所述无线信息交互模块与auv进行数据传输。
17.优选的，所述控制系统包括上位机控制系统以及下位机控制系统，上位机控制系统和下位机控制系统通过脐带缆进行通信。
18.优选的，所述上位机控制系统负责视觉图像处理及回收运动控制算法解算，并生成抽象命令传输给下位机控制系统；所述下位机控制系统对抽象命令进行编码，通过da接口直接驱动平台执行机构及auv锁紧机构。
19.优选的，所述上位机控制系统还包括电压转换装置，所述上位机控制系统通过所述电压转换装置将380v/220v交流电置换成300v直流电。
20.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于环流动量矩的动态回收平台，通过环流动量矩效应产生的陀螺力矩稳定动态回收平台低速状态的姿态，有效降低了动态回收平台在低速运动时的晃动，同时通过执行机构不断对动态回收平台进行姿态调整，提高了动态回收平台的回收成功率和灵活性。
附图说明
21.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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
22.图1是本发明实施例中动态回收平台的总体结构示意图；
23.图2是本发明实施例中镂空式喇叭口形对接装置结构示意图；
24.图3是本发明实施例中环路动量环总体结构示意图；
25.图4是本发明实施例中环路动量环与无轴推进器局部剖面结构示意图；
26.图5是本发明实施例中动态回收平台第三层布置图；
27.图6是本发明实施例中控制系统体系构架图；
28.图7是本发明实施例中auv回收对接作业流程示意图；
29.图中，1垂直推进器、2水平推进器、3对接装置、4视觉摄像机、5 led光源、6深度计、7流体动量环、8无轴轮缘驱动泵、9水密控制舱、10 dvl、11高度计、12抛载。
具体实施方式
30.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做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。
31.本发明实施例公开了一种基于环流动量矩的动态回收平台，包括，回收平台本体、通信系统以及控制系统，所述回收平台本体通过通信系统与控制系统连接；其中，所述回收平台本体包括对接系统、执行机构、定位传感器系统；
32.所述对接系统包括对接装置，所述对接装置包括固定在对接装置上的视觉摄像机、led标识光源以及安装在对接装置内部的auv锁紧机构；
33.所述执行机构包括用于稳定回收平台运行姿态的流体动量环及用于为回收平台本体提供动力的动力推进器，所述流体动量环内部镶嵌有无轴轮缘驱动泵；所述动力推进器包括安装于所述回收平台本体顶端的垂直推进器及安装于所述回收平台本体侧面的水平推进器；
34.所述定位传感器系统用于对回收平台进行定位并获取回收平台的运行状态信息及运行环境信息；
35.所述控制系统用于处理数据并生成控制指令发送给所述回收平台本体。
36.如图1所示，回收平台本体主体尺度为2000mmx1200mmx1100mm，主体分三层，第一层为浮力材，浮力材内部嵌入两组垂直推进器1，作为控制回收平台本体垂向运动的动力，在喇叭口形对接装置3敞开端到狭长段的过渡区域附近的第一层位置安装有视觉摄像机4，该视觉摄像机为双目摄像机，用以供平台感知auv的运动；在回收平台本体主体第一层与第二层之间侧面位置均匀布置了四个呈x型布置的水平推进器2，为回收平台主体水平方向提供动力。
37.水平推进器2通过转动轴安装在回收平台主体的侧面，另一方面还可以调整回收平台主体的运动姿态，如对回收艏向角进行调整，使得回收平台在回收auv时得以快速的调整回收平台，保障回收准确度。
38.主体第二层为对接装置3，为减小阻力，喇叭口形对接装置3进行了镂空化设计，在第二层对接装置的高度上布置了深度计6用于回收时的auv与回收平台的深度同步校正，第二层反面安装固定了了流体动量环7，动量环外尺寸1850mmx950mm，环路内径为150mm。
39.如图2所示，镂空化喇叭口对接装置敞开端直径为1500mm，狭长段直径400mm，总长度2m。对接装置喇叭口处装有四个led光源5，供auv近距离回收时作信标用。
40.回收装置上同时布置了锁紧装置、usbl信标、水声通信装置以及无线传输设备，其中锁紧装置用于auv的锁紧，水下usbl信标用以帮助auv进行相对定位，水声通信装置用于回收平台与auv之间进行简单通信，无线传输设备用于auv与岸基通信的无线传输设备。
41.如图3所示，流体动量环7外观呈矩形，内部充满水，以水作为流体介质。
42.如图4所示，流体动量环7内部镶嵌无轴轮缘驱动泵8驱动流体介质沿回收平台水平面高速回转。根据陀螺力学特性可知，高速回转的流体能够抵御水平面内任意方向的干扰力矩，从而实现水下减摇。动态回收平台一般以低速的形式完成回收任务，而传统减摇装置需要平台达到一定航速才能实现减摇功能，本发明实施例中的动量环路产生的陀螺力矩
不依赖于平台的航速，因此可以实现低航速情况下的减摇。此外，矩形动量轮以水作为动力源介质，获取更为便捷。最后，较大的截面面积可产生更大的减摇力矩，更适合高海况回收。因此利用矩形动量环进行减摇更加符合auv回收任务的需求。
43.如图5所示，回收平台本体主体第三层布置了水密控制舱9及定位传感器系统中的多普勒测速仪dvl 10以及高度计11。dvl和高度计均为水声设备，不能受到其他板材或设备的干涉。dvl一方面用于校正惯导，另一反面根据回收平台附近的水流信息并在水平推进器2的作用下调整回收平台的艏向，减弱近距离回收阶段auv受侧向流的影响。高度计11用于辅助深度计6进行垂直面定位。同时在第三层还安装有抛载12，抛载12用于回收平台危险状态的紧急上浮。
44.水密控制舱直径为316mm，长800mm，电池舱高度为1600mm。控制舱内部需还安装控制系统中的下位机控制系统以及惯导、电压转换模块、光端机、漏水报警、固态继电器、电压隔离板等设备。
45.如图6所示，平台控制系统分以水面工控机为核心的上位机控制系统以及以水密控制舱9内以pc104为核心的下位机控制系统，从信息交互角度上看，上位机控制系统通过脐带缆内光纤与下位机控制系统进行网络连接，两控制系统形成闭环完成自主对接作业任务。水面工控机分为运动控制工控机和环境感知工控机，前者显示控制交互界面及传感器数据，进行路径规划、对接算法解算等任务；后者根据水下摄像机图像输入进行图像处理，输出平台对接过程中的期望位姿。舱内pc104通过cpu、串口等模块实现一系列传感器及执行机构的具体解码编码任务，并将信息通过网络传输给位于水面的上位机控制系统。从供能角度上看，水面母船上的上位机控制系统的380v/220v交流电在水面直接转换为300v直流电，然后通过脐带缆供应到舱内。由于平台推进器的工作电压为300v且占据平台总功率的较大份额，因此舱内其他的电源转换模块无需过大功率，这种做法大幅减小回收平台的体积和重量，舱内其他元器件，如pc104等再通过小功率电源转换模块将高压直流电转换为低压直流电进行作业。
46.如图7所示，auv在距离回收平台500m距离处开始回收，在远距离接近阶段，基于回收平台附近水流方向，水下动态平台调整自身位姿确定回收姿态；auv根据usbl信号接近回收平台。在两者间距10米左右时，auv进入到近距离回收阶段，此时auv进入到回收平台视觉范围内，回收平台也进入auv视觉范围内，两者根据双目视觉定位算法调整各自位姿，实现快速精确回收对接。回收装置中的锁紧机构固定住auv，通过无线信息交互模块进行auv与岸基的数据传输和，另一方面还可以通过无线信息交互模块对auv的进行无线充电。
47.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
48.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。