一种动基座条件下的UUV水下对接装置的制作方法

本发明属于水下对接领域，具体涉及一种动基座条件下的uuv水下对接装置。

背景技术：

无人水下航行器(unmannedunderwatervehicle，uuv)具有活动范围大、潜水深、机动性好、智能化、运行和维护费用低等优点，作为人类在海洋活动中，特别是深海活动中的重要替代者和执行者，已被广泛应用于科学考察，深海作业等领域。无人水下航行器虽然可自主航行，但需要一个基地或母船作为保障平台，以完成对无人水下航行器的投放、控制、回收和维护等工作。无人水下航行器吊放平台基本包括岸基固定式的、水面水下航行的机动平台以及人工或空中平台等形式。

目前的无人水下航行器布放和回收多以水面或水下平台为主。水面布放装置大致分为滑道型、甲板起重型、船坞型以及人工布放等。甲板起重型布放方式是目前采用最多的方法。其优点是布放碰撞相对较少，有利于保护无人水下航行器及内部设备。

现有技术中，无人水下航行器的布放及回收通常都采用人工挂钩脱钩的方式，布放和回收时，挂钩脱钩动作均需要潜水员下水来完成，这种人工方式布放和回收无人水下航行器，大大增加了潜水员的工作强度，工作效率也较低，尤其海况恶劣时，这种人工挂脱钩方式不仅效率低，而且很危险，容易对潜水员造成伤害。因此，智能水下机器人在应用的过程中，运用合理高效的回收方案将大大提高军用水下机器人的隐蔽性、安全性、自主性和操作的简单性。因此，在不同海况下，如何安全的对水下航行器尽心回收是研究uuv的同时不可忽略的一个重要环节。

航行器在水下工作时携带的能源量有限，进而导致了其续航能力的大小，为提高其工作时间，需要对水下机器人进行回收并补充能量、并进行维护。

目前uuv具体回收方式可以详细划分为以下三类：水面起吊方式是最早实施uuv回收作业的方式；水下对接回收方式；水下驮带回收方式。

分析国内外的各种水下对接装置，我们可以看出，各种对接装置结构形式差异较大，对接的目标也各具特点。对接装置需要完成的功能不同，其结构的复杂程度也不等。例如，韩国小型的“isimi”auv，只需要进行水下对接任务，因而对接装置只包括了圆锥导向罩和导向筒，只能实现导向、限位和定位功能；同样采用圆锥导向结构的“remus-100”回收装置由于需要完成充电及数据传输任务，因而增加了充电机构，并且通过充电机构的连接实现了在对接装置中的锁紧；“探索者号回收装置可在水中完成自身姿态的控制，由于回收的较大，且需要完成吊起和释放的任务，对接装置结构较为复杂；在各种可完成充电及数据传输功能的对接装置中，均可实现在对接装置中精确的定位及锁紧。

本文所研制的对接装置搭载在深海母艇上，为深海位置补充能源，是进行信息传输的桥梁。在参照国内外水下对接装置的基础上，结合课题的技术指标，通过分析与对接站的对接流程，确定回收装置的功能，然后研究相应的结构方案。考虑到在不同的任务中，深海位置所回收的在尺寸和结构上可能会有差异，并且回收后需完成的功能也可能不同，因此，将模块化的思想应用于对接装置的结构设计中，使对接装置可针对不同的情况进行功能模块的组合，以灵活的应对不同的回收目标，完成回收任务。

技术实现要素：

本发明的目的是为了排除水上回收的不安全性和对于深海情况下现有的水下对接装置处于水下某一固定位置较难实现的问题，通过将对接装置安装在母艇中进行动基座条件下的uuv对接，来提高水下对接的效率。

本发明的目的是这样实现的：

一种动基座条件下的uuv水下对接装置，主要包括圆锥形导向模块1、限位及定位模块2、支撑及连接模块3及附加模块；

所述圆锥形导向模块1由支撑及连接模块3支撑；

所述限位及定位模块2与圆锥形导向模块1通过收放装置10连接；

所述支撑及连接模块3由上部平台和底部支撑框架构成，上部平台与附加模块连接；

所述附加模块包括：垂直储存释放模块4、缓冲模块5、锁紧模块6、充电对接模块7、检测设备连接模块。

所述的圆锥形导向模块1由圆锥导向罩8构成一个圆锥形导向结构；所述的圆锥导向罩8采用铝合金管材焊接而成；圆锥导向罩8中大圆直径大于uuv直径和圆锥导向罩8的有效导向直径；所述的圆锥导向罩8中大圆端采用软性的耐腐蚀材料14；

在uuv进行回收时，圆锥导向罩8由支撑及连接模块3中的导向罩支撑体在竖直方向上支撑和液压装置15支撑。

所述的限位及定位模块2由限位板13、吊耳卡槽12、限位柱体20、触发限位开关装置17、导向筒16、弹簧装置22、触发限位开关18及信号控制中心19构成；

所述的两条限位板13组成uuv吊耳的滑道；uuv吊耳卡槽12焊接在限位柱体20上的弧形板上；所述的限位柱体20与触发限位开关装置17连接；所述的导向筒16铝管外套上聚四氟乙烯管；所述的导向罩21与弹簧装置22位于触发限位开关18前面；所述的限位板13、吊耳卡槽12、限位柱体20、触发限位开关装置17、导向筒16及信号控制中心19组成一体结构。

所述的支撑及连接模块3的上部平台安装有液压装置15、充电模块7和紧锁装置6；所述的支撑及连接模块3的底部支撑框架采用高强度耐腐蚀材料制成，与母艇中某位置连接；所述的底部支撑框架里安装有电缆及传输能源、信号的相关装置；

所述的附加模块中的垂直存储释放模块4主要由外置式大筒单管的垂直存储释放装置构成；所述的垂直存储释放装置安装在潜艇耐压壳体外部和舷部的耐压艇体与球形声呐之间；

所述的垂直存储释放装置主要由垂直座舱装置27、筒盖装置28及软支撑定位装置29组成。

所述的垂直座舱装置27是一个带底的圆柱筒；所述的垂直座舱装置27上部连接法兰；所述的垂直座舱装置27里面设置有uuv贮筒30，uuv贮筒30周围设置有气密环减震垫31；所述的垂直座舱装置27底部设置有软支撑定位装置29。

所述的筒盖装置28上涂有高强度凸膜32；所述的筒盖装置28主要由筒盖围栏、筒盖开关盖机构、筒盖旋松旋紧机构、筒盖锁定机构、筒盖和舱口盖组成；

所述的筒盖开关盖机构、筒盖旋松旋紧机构和筒盖锁定机构均采用液压油缸作为动力装置。

所述的附加模块中的缓冲模块5主要由盖体34、筒体35、密封盖36构成；所述的缓冲模块5是一个内部充满液压油的密封腔体，由密封圈41和橡胶圈42保持密封状态；筒体35与密封盖36之间采用o形圈37密封；密封盖36可沿着筒体35轴向移动。

所述的附加模块中的锁紧模块6主要由液压缸43、液压锁45、v形块44及导向装置46构成；所述的液压锁45采用机械式液压锁。

所述的附加模块中的充电对接模块7主要由定位筒54、双头球铰机构49、连接杆50、导向头51、弹簧53、滑动筒48、缆线47和充电接头52构成；

所述的定位筒54与固定框架采用固定连接，定位筒54与导向装置46相连；

所述的双头球铰机构49两端均为万向球铰接，有六个自由度，双头球铰机构49浮动端通过连接杆50固定连接导向头51；所述的导向头51是一个圆锥体结构，初始位置保持竖直状态；

所述的双头球铰机构49浮动端通过四根弹簧53与滑动筒48连接；所述的双头球铰机构中各零件内部联通布置有缆线47。

本发明具有以下效果：

本发明可以实现在动基座条件下，采用对接装置自动调节姿态，配合uuv与母艇进行对接，与现有技术设计方案不同，具有先进性以及针对性；适合于小型uuv的布放回收；具有较好的实用性。

附图说明

图1为对接装置在uuv对接及释放过程中动作流程图。

图2为对接装置的示意图。

图3为组装后对接装置上部分的示意图。

图4为限位及定位模块的示意图。

图5为垂直存储释放模块的示意图。

图6为缓冲模块二维示意图。

图7为锁紧模块二维示意图。

图8为充电对接模块二维示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1

本发明提供了一种动基座条件下的uuv水下对接装置，属于水下对接领域。本发明目的是为了排除水上回收的不安全性和现有的水下对接装置处于水下某一固定位置，对于深海情况下较难实现的问题，通过将对接装置安装在母艇中进行动基座条件下的uuv对接，来提高水下对接的效率。

一种动基座条件下的uuv水下对接装置，对接装置包括导向、限位、定位等基本功能和转动、缓冲、锁紧、充电接口连接等附加功能，对接装置主要包括圆锥形导向模块1、限位及定位模块包括回收导向筒、限位定位结构等、缓冲模块、锁紧模块、对接装置的支撑及连接模块、液压及控制系统。进入对接装置，当吊耳触碰吊耳卡槽推动其向前运动时，缓冲模块的设计为其减轻撞击带来的损伤，其此时触发控制中心开关，按照之前的设定，锥型导向罩会有一系列的动作。移动吊耳卡槽上升，固定uuv的前进方向，再利用液压装置向上推动uuv，使其在z轴方向上都固定，于此同时，锥型导向罩通过控制中心发出的信号控制液压装置及卡槽收缩来使锥型导向罩收起。在一切工作完毕后，支撑杆上的液压装置驱动，使导向罩装置达到预定姿态，回收到设计好的对接圆筒装置当中，完成对接回收工作。对接装置的对接及释放流程结合图1所示。

本发明可以实现在动基座条件下，该对接装置自动调节姿态，配合uuv与母艇进行对接，较他人的设计方案不同，具有跟好的先进性以及针对性。适合于小型uuv的布放回收，具有较好的实用性。

结合图1至图8所示，本发明一种动基座条件下的uuv水下对接装置，其特征在于：对接装置主要包括圆锥形导向模块1、限位及定位模块2、对接装置的支撑及连接模块3、附加模块包括：垂直储存释放模块4、缓冲模块5、锁紧模块6、充电对接模块7、检测设备连接模块。圆锥型导向罩8中配有液压控制系统。

所述的圆锥形导向模块1采用圆锥形导向结构，结合图3所示，实现对uuv对接时的导向。圆锥导向罩8采用铝合金管材焊接而成，导向罩大圆直径约为uuv直径的四倍，远大于圆锥形罩导向罩8的有效导向直径，主要目的是为扩大其上布置的声纳基阵各个单元之间的距离，提高声纳基阵测量精度。当进行uuv回收时，导向罩支撑体在竖直方向上支撑起导向罩，再由液压装置15支撑，使导向罩保持水平，限位定位板13上的液压装置9牵引圆锥型导向罩8收放装置10至如图所示位置，并由卡槽11固定，完成uuv的回收准备工作，uuv顺着导向筒16前进，回收完毕时，uuv吊耳被uuv吊耳卡槽12停止运动，带动触发开关装置17触发限位开关18，信号控制中心19发出一系列命令，其中包括卡槽11的收起，及限位定位板13上的液压装置9推动锥型导向罩8收放装置向前运动至两卡槽11之间，完成锥形罩8的收缩工作，锥形罩8的大圆端采用软性的耐腐蚀材料14。

所述的限位及定位模块的回收对接筒中限位板13、导向筒16共同完成uuv的限位及定位。结构结合图4所示，两条限位板13组成吊耳的滑道，与之垂直的限位板13负责限制其前进方向的运动，吊耳卡槽是焊接在限位柱体上的弧形板。当uuv进入导向筒中时，吊耳被吊耳卡槽12限制在了滑道内运动，此时uuv在竖直方向及前进方向自由度没被限制，uuv继续前进，当uuv吊耳碰到uuv吊耳卡槽12时，其前进方向也受到限制，uuv完成定位，限位柱体20带动触发限位开关装置17前进，其前进方向受导向罩21的限制，与弹簧装置22共同保护触限位开关18，触发限位开关18可将定位完成的信号传递给控制中心19，液压装置23推动移动吊耳卡槽24，将uuv吊耳卡在限位锯齿25中，用液压锁26固定uuv，完成uuv的回收以后，弹簧装置22可以将触发开关装置17远离开关18，防止其持续触发。为了减小uuv本体与导向筒16之间的摩擦受损几率，在导向筒16铝管外套上聚四氟乙烯管。吊耳卡槽12、限位板14、限位柱体20、触发限位开关装置17、导向筒16及信号控制中心19上的其它装置组成一体，构成独立模块，当回收的uuv直径大小发生变化时，只需要更换对接导向筒16直径及uuv吊耳卡槽12直径即可。

所述的支撑连接模块3与现有设计的支撑连接模块3不同，该结构可分为上部平台和底部支撑框架两部分，上部平台安装液压动力源、充电模块7和紧锁装置6等，平台中间配有较大型液压锁15，负责锥型导向罩装置整体的水平、竖直方向转变。底部支撑框架3采用高强度耐腐蚀材料制成，与母艇中某位置相连，能够完成带动回收装置的起落等基本工作，其中配有电缆等传输能源、信号等的相关配置。

所述的附加模块中的垂直存储释放模块是外置式通用垂直存储释放装置4布置在潜艇耐压壳体外，在舷部的耐压艇体与球形声呐之间。外置式大筒单管垂直存储释放装置主要由垂直座舱系统、电气液压控制系统及保障系统等三大部分组成。

垂直座舱系统主要由垂直座舱装置27、筒盖装置28及软支撑定位装置29等组成。当回收装置处于贮存状态时，它为uuv及其它设备提供能承受潜艇极限下潜深度下的外压强度及密封性要求的容器；释放uuv时，它为uuv及导向罩16等提供通道。

垂直座舱装置的上部有连接法兰，以便安装筒盖装置。其本体是一个带底的加强肋的圆柱筒(大筒)，与潜艇耐压壳体等强度，其大小依需求而改变。其底部设置有软支撑定位装置29，贮uuv筒30周围有气密环减震垫31，以及筒盖装置上的高强度凸膜32保护uuv的完好。筒盖装置28主要由筒盖围栏、筒盖开关盖机构、筒盖旋松旋紧机构、筒盖锁定机构、筒盖和舱口盖等组成。筒盖的旋松旋紧机构、开关盖机构和筒盖开盖到位后的锁定机构均采用液压油缸作为动力装置。液压装置33负责uuv的升起及降落。

所述的附加模块中的缓冲模块，由于陆上的液压缓冲器压力、米并行海水的腐蚀性等原因无法在海水中使用，一般的密封属于“单向”密封，只能防止液压油的外泄，处于压力较大的深海环境时时，密封会失效导致海水侵入。本文设计的缓冲模块5将压力补偿的原理应用于缓冲器中，在非碰撞时刻，液压缓冲器内压与外界海水压力保持平衡，从而解决海水侵入的问题，缓冲器内的液压油与液压系统独立，使缓冲器5成为独立模块。缓冲器的结构如图6所示，盖体34、筒体35、密封盖36构成密封腔体，腔体内充满液压油，由密封圈41和橡胶圈42等保持密封状态，当海水深度变化时，海水压力作用在密封盖36端面，将压力传递给腔体内液压油，实现内外压力的平衡；密封盖36与筒体35之间采用o形圈37密封，密封盖36可沿着筒体35轴向移动，以补偿压力变化引起的液压油体积变化。

缓冲物体碰到活塞杆后，活塞杆向左运动，压迫液压油从节流套的节流口流向外腔，实现能量的消耗，流出的低压油通过活塞39右侧的节流口流回节流套40内，实现液压油的循环运动；活塞杆撞击力失去后，弹簧38推动活塞39复位。

缓冲模块的设计中，密封盖36的移动形成的空间变化必须大于液压油体积的最大压缩量，否则密封盖36会压坏节流套40。密封盖36移动的距离由缓冲器5的工作深度决定。在结构的设计中应尽量扩大节流套40的直径即活塞39直径，使通过节流孔的流量增加，提高缓冲器5吸能量效果。

所述的附加模块中的锁紧模块，uuv在对接装置中完成定位后，信号控制中心19控制液压缸43驱动v形块44沿导向装置46向上运动，使吊耳卡入移动吊耳卡槽24中的限位锯齿25即可实现对uuv的锁紧。由于充电过程可能持续时间较长，若采用传统形式的液压锁45会因泄漏导致锁紧效果变差，因而采用了德国汉臣公司生产的机械式液压锁45，其可对活塞杆长久、可靠地锁紧。液压缸43、液压锁45、v形块44及导向槽构成的锁紧模块结构结合图7所示。

所述的附加模块中的充电对接模块，对接装置上设计了可被动调节位置和角度的充电机构7，用来与uuv上圆锥形接口进行连接，充电机构结构7结合图8所示，。定位筒连接在固定框架上，起导向作用，不可动；液压缸连接杆与液压缸活塞杆连接，活塞杆运动可带动液压缸连接杆、缆线47、滑动筒48、双头球铰机构49、连接杆50、导向头51和充电接头52做直线运动；双头球铰机构49两端均为万向球铰接，有六个自由度，双头球铰机构49浮动端通过连接杆固连在圆锥体导向头上；导向头可实现位置和角度的调整，其调整的范围由滑动筒48的内径及连接杆的长度限制；为了保证导向头的初始位置保持竖直状态，采用了四根弹簧53将球铰机构浮动端49与滑动筒48连接，同时弹簧53也限制了球铰机构浮动端绕z轴的转动；机构中各零件内部联通，用于布置缆线47。固定筒54与导向装置相连。

所述的附加模块中的检测设备连接模块，进行检测、观测等任务的专用设备，如水下摄像头、水下灯、海流计、声纳等，一般都是独立设备，具备耐压、防腐能力，只需要考虑与对接装置的连接问题。由于此类设备大多为圆柱体，采用v形锁紧装置固定，而钢带锁紧的方式可适应直径在较大范围内变化的设备的联接，并且其结构简单，连接方便快捷。

对对接装置设计完毕后，具体的实施方式有：进入对接装置，当吊耳触碰吊耳卡槽推动其向前运动时，缓冲模块的设计为其减轻撞击带来的损伤，其此时触发控制中心开关，按照之前的设定，锥型导向罩会有一系列的动作。移动吊耳卡槽上升，固定uuv的前进方向，再利用液压装置向上推动uuv，使其在z轴方向上都固定，于此同时，锥型导向罩通过控制中心发出的信号控制液压装置及卡槽收缩来使锥型导向罩收起。在一切工作完毕后，支撑杆上的液压装置驱动，使导向罩装置达到预定姿态，回收到设计好的对接圆筒装置当中，完成对接回收工作。

这里必须指出的是，本发明给出的其他未说明的结构因为都是本领域的公知结构，根据本发明所述的名称或功能，本领域技术人员就能够找到相关记载的文献，因此未做进一步说明。本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。