一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置及方法与流程

本发明涉及一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置及方法，属于海洋无人系统技术领域。

背景技术：

作为一种先进的海洋探测平台，水下无人航行器已广泛应用于海洋科学考察、海底勘探、军事应用等多领域。水下无人航行器完成任务后，通常需要母船在海面对其进行回收，但受海上风浪及母船流场影响，水面回收水下无人航行器一直存在难以突破的技术瓶颈。

目前，水下无人航行器的回收主要有以下几种方式：

1.水面起吊回收，一般需要工作人员乘坐机动艇靠近水下无人航行器完成与回收机构的对接，该方式受风浪影响大，海况恶劣时容易出现设备损坏和人员安全危险。

2.母船采用升降滑道或水下接驳装置进行水下对接回收作业，但水下对接难度大、要求高，水下无人航行器需要与母船保持实时通讯，不断调整姿态瞄准对接装置，同时母船流场会影响水下无人航行器的运动，更增加了回收难度。

3.通过牵引水下无人航行器抛出的牵引绳，使用专用的对接起吊装置进行对接和回收，该方式需要水下无人航行器采用特定的抛绳机构，局限性大，对水下无人航行器而言存在适用性问题。

重要的是，以上的主要回收方式都只针对己方可控的水下无人航行器进行回收，目前尚未出现针对未知来源、不可控的水下无人航行器的主动捕获回收装置及方法。尤其是考虑到水下无人航行器在军事上的应用越来越广泛，主动捕获敌方水下无人航行器目标具有重要的军事价值，亟需一种适用性高、回收难度小、安全可靠、能对不可控水下无人航行器进行捕获的水面回收装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种通过无人船及其回收装置，在水面主动捕获不明水下无人航行器的装置及方法，无需水下无人航行器的配合即可进行强行回收，能够实现对未知来源、不可控的水下无人航行器的主动捕获，具有重要的军事应用价值。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，包括双体船型且船身中部设置有开口舱的水面无人船、用于捕获水下无人航行器的回收笼和集成在所述水面无人船船载计算机内的主动捕获控制系统；所述水面无人船的中部开口舱用于放置回收笼的，所述回收笼通过安装在船舱中的液压伸缩杆与水面无人船连接，所述液压伸缩杆与主动捕获控制系统相连接，并由所述主动捕获控制系统控制将回收笼放入水中或收入船舱内，且实现回收笼高度的精确调整；所述水面无人船的浮体内设置有前视声呐，用于对水面无人船的前方水域进行三维扫描成像，显示前方水域目标。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述回收笼包括回收筒、分别设置在回收筒两侧边下部且对称设置的两个回收网、设在在回收筒外围的外部框架以及对称设置在外部框架前端部的引导门；所述回收筒为前端和底部都开口的半封闭筒状结构，其筒宽大于现有的水下无人航行器的直径，其筒末端封闭，其筒内末端依次设置有阻挡水下无人航行器前进的缓冲机构和驱动缓冲机构的缓冲机构电机；所述缓冲机构内部设置有水下摄像机，并配备探照灯，能够对回收笼内进行实时拍摄与传输，所述缓冲机构末端设置有第一触觉传感器，当水下无人航行器接触到缓冲机构时发送信号给主动捕获控制系统；回收筒顶端设置有触觉单元，所述触觉单元包括第二触觉传感器和弹簧，当水下无人航行器接触到触觉单元时发送信号给主动捕获控制系统；所述回收网成对设置，其网面为弧形，两端部设置各有一曲柄，所述曲柄的一端与固定在回收筒内的旋转轴相连接，所述旋转轴通过设置在回收筒上的回收网电机带动，能够使回收网绕曲柄的一端的自由转动，通过两个所述回收网的转动实现筒底的开合；所述曲柄另一端与气弹簧连接，所述气弹簧的另一端与回收筒连接。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述外部框架分别与回收筒和液压伸缩杆相连接，外部框架前端部设置有由设置在外部框架上的导引门电机驱动且能够旋转的导引门，所述导引门下部安装有前视成像声呐，用以探测水下无人航行器与回收笼的相对位置。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述水面无人船的上甲板上设置有云台摄像机，能够360度旋转，并且将拍摄到的图像实时传输至主动捕获控制系统。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述主动捕获控制系统还分别与回收网电机、导引门电机、触觉单元、前视声呐相连接；所述回收网电机、导引门电机分别与主动捕获控制系统相连，是为了实现回收网的开合与导引门的开关控制；回收笼内的触觉单元将传感信息传至主动捕获控制系统，用于确定水下无人航行器是否完全进入回收笼；所述主动捕获控制系统与前视声呐连接，将前视声呐测绘得到的图像进行收集与处理，发送至岸站上位机，通过比对内置图像库，确定是否为水下无人航行器，实现水下无人航行器的自主搜索；所述主动捕获控制系统与前视成像声呐连接，是为了获取水下无人航行器与回收笼的相对位置，通过控制液压伸缩杆去不断调整回收笼高度，便于水下无人航行器能够水平入回收笼；所述主动捕获控制系统与气弹簧连接，是为了实现回收网在开启和关闭状态的位置锁定；所述主动捕获控制系统与水下摄影机连接，是为了在水下无人航行器入笼后，水下摄像机将继续观察到的水下无人航行器在回收笼中的位置信息传输给主动捕获控制系统，主动捕获系统控制液压伸缩杆不断调整回收笼高度，直至水下无人航行器完全进入回收笼；所述第一触觉传感器与主动捕获控制系统连接，为了将水下无人航行器接触到缓冲机构的信息发送给主动捕获控制系统。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述外部框架为金属钢管制成，其下部包裹有柔性缓冲材料制成的缓冲垫，用于防止水下无人航行器与外部框架发生碰撞而损坏。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述回收网为金属材料构制成的网面。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述缓冲机构为弹簧和柔性材料制成。

上述的一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，所述引导门为船用高密度泡沫材料制成。

一种无人船在水面主动捕获水下无人航行器的方法，利用上述无人船在水面主动捕获不明水下无人航行器的装置，包括以下步骤：

步骤a：水面无人船在水面航行，浮体内的前视声呐保持开启，扫描水面无人船前方水域，主动捕获控制系统通过对比图像库中水下无人航行器的图像，判断是否出现水下无人航行器，同时将扫描图像实时传输给岸站；当发现疑似水下无人航行器时，水面无人船发送警告给岸站，岸站工作人员通过观察前视声呐扫描图像与实时视频图像进行确定，若确定为水下无人航行器则发送指令给水面无人船，开启水面捕获过程；

步骤b：水面无人船根据与水下无人航行器的相对位置自主规划回收路径，从后方追捕或迎面回收，水面无人船不断靠近水下无人航行器，在接近水下无人航行器后进一步修改航线，使得水下无人航行器尽量与水面无人船中心重合，同时水面无人船通过液压伸缩杆将回收笼放入水中；

步骤c：回收笼入水后，打开前端的导引门与回收网，同时开启前视成像声呐，获取水下无人航行器与回收笼的相对位置，经主动不捕获控制系统处理，通过控制液压伸缩杆不断调整回收笼高度，便于水下无人航行器能够水平入回收笼；水面无人船持续靠近水下无人航行器，使水下无人航行器进入回收笼，水下无人航行器入笼后，通过水下摄像机继续观察水下无人航行器，不断调整回收笼直至其完全进入，当水下无人航行器同时触碰到安装在回收筒内的触觉单元时，判断水下无人航行器入笼成功，主动捕获控制系统关闭回收网与导引门，将水下无人航行器捕获至回收笼中；

步骤d：水面无人船将回收笼收入船身舱内，完成水下无人航行器捕获回收成功并返航。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明无需对水下无人航行器做任何改动即可完成回收，可适用于多种尺寸型号水下无人航行器，相比于传统回收方式，具有广泛的适用性；

(2)本发明采用水面捕捞的回收方式，无人船直接行驶至水下无人航行器上方，通过回收笼将航行器捕获，无需复杂的水下对接和吊放作业，水下无人航行器与无人船也无需实时通讯，回收难度大大降低，极大地提升了回收成功率；

(3)本发明采用双体船型，回收过程在无人船浮体中进行，减小了母船流场对水下无人航行器运动的影响；

(4)本发明除可对己方可控的水下无人航行器进行回收外，也可捕获未知来源的不可控水下无人航行器，具有军事应用前景；

(5)本发明以水面无人船替代传统有人布放回收方式，避免人员下水，降低了布放和回收过程中的危险性，使得回收布放作业更高效、安全、便捷。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为图1中回收笼2的结构示意图；

图3为图2中回收笼2的中纵剖面示意图；

图4为水面无人船1搜索水下无人航行器3的示意图；

图5为水面无人船1捕获回收水下无人航行器3的示意图。

图中附图标记的含义：

1、水面无人船，11、上甲板，12、浮体，13、云台摄像机，14、液压伸缩杆，2、回收笼，21、回收筒，22、缓冲机构，23、水下摄像机，24、回收网电机，25、触觉单元，26、回收网，27、曲柄，28、气弹簧，29、外部框架，210、导引门电机，211、导引门，212、前视成像声呐，213、缓冲垫，3、水下无人航行器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1至图5，本发明的无人船在水面主动捕获水下无人航行器的装置，包括双体船型且船身中部设置有开口舱的水面无人船1、用于捕获水下无人航行器3的回收笼2和集成在水面无人船1船载计算机内的主动捕获控制系统；水面无人船1的中部开口舱用于放置回收笼2的，回收笼2通过安装在船舱中的液压伸缩杆14与水面无人船1连接，液压伸缩杆14与主动捕获控制系统相连接，并由主动捕获控制系统控制将回收笼2放入水中或收入船舱内，且实现回收笼2高度的精确调整；水面无人船1的浮体12内设置有前视声呐，用于对水面无人船1的前方水域进行三维扫描成像，显示前方水域目标。

进一步地，回收笼2包括回收筒21、分别设置在回收筒21两侧边下部且对称设置的两个回收网26、设在在回收筒21外围的外部框架29以及对称设置在外部框架29前端部的引导门；回收筒21为前端和底部都开口的半封闭筒状结构，其筒宽大于现有的水下无人航行器3的直径，可使水下无人航行器3自由地从回收筒21的前端和底部进入筒内(本发明申请中的前、后(末)位置对应于图2中左、后)，其筒末端封闭，其筒内末端依次设置有阻挡水下无人航行器3前进的缓冲机构22和驱动缓冲机构22的缓冲机构电机；缓冲机构22内部设置有水下摄像机23，并配备探照灯，能够对回收笼2内进行实时拍摄与传输，缓冲机构22末端设置有第一触觉传感器，当水下无人航行器3接触到缓冲机构22时发送信号给主动捕获控制系统；回收筒21顶端设置有触觉单元25，触觉单元25包括第二触觉传感器和弹簧，当水下无人航行器3接触到触觉单元25时发送信号给主动捕获控制系统；回收网26成对设置，其网面为弧形，两端部设置各有一曲柄27，曲柄27的一端与固定在回收筒21内的旋转轴相连接，旋转轴通过设置在回收筒21上的回收网电机24带动，能够使回收网26绕曲柄27的一端的自由转动，通过两个回收网26的转动实现筒底的开合；曲柄27另一端与气弹簧28连接，气弹簧28的另一端与回收筒21连接，气弹簧28与释放机构连接，可以在行程中的任意位置停止，并具有较大锁紧力，可实现回收网26在开启和关闭状态的位置锁定，并在回收网26关闭后承受水下无人航行器3的重量。

进一步地，外部框架29分别与回收筒21和液压伸缩杆14相连接，外部框架29前端部设置有由设置在外部框架29上的导引门电机210驱动且能够旋转的导引门211，回收笼2入水后导引门211开启，用以引导水下无人航行器3进入回收筒21，避免卡在回收笼2与浮体12间的空隙中；当回收网26闭合后导引门211随之关闭，以防水下无人航行器3从回收筒21内滑出；导引门211下部安装有前视成像声呐212，用以探测水下无人航行器3与回收笼2的相对位置。

进一步地，水面无人船1的上甲板11上设置有云台摄像机13，能够360度旋转，并且将拍摄到的图像实时传输至主动捕获控制系统，云台摄像机13在水面发现水下无人航行器3，引导水面无人船1航行，达到的回收状态为：水下无人航行器3与水面无人船1的中纵轴线一致，水下无人航行器3位于水面无人船1的双体之间。

进一步地，外部框架29为金属钢管制成，其下部包裹有柔性缓冲材料制成的缓冲垫213，用于防止水下无人航行器3与外部框架29发生碰撞而损坏。

再进一步地，主动捕获控制系统还分别与还分别与回收网电机24、导引门电机210、触觉单元25、前视声呐、前视成像声呐212、水下摄影机23、气弹簧28、第一触觉传感器相连接；主动捕获控制系统为现有技术，；同时，对回收笼2内各传感器(例如，第一触觉传感器、第二触觉传感器)数据进行处理，并通过调节液压伸缩杆14、开合回收网26与导引门211进行响应，实现对回收笼2的自主控制，具体的为：主动捕获控制系统还分别与回收网电机24、导引门电机210、触觉单元25、前视声呐相连接；回收网电机24、导引门电机210分别与主动捕获控制系统相连，是为了实现回收网26的开合与导引门211的开关控制；回收笼2内的触觉单元25将传感信息传至主动捕获控制系统，用于确定水下无人航行器3是否完全进入回收笼2；主动捕获控制系统与前视声呐连接，将前视声呐测绘得到的图像进行收集与处理，发送至岸站上位机，通过比对内置图像库，确定是否为水下无人航行器3，实现水下无人航行器3的自主搜索；主动捕获控制系统与前视成像声呐连接，是为了获取水下无人航行器3与回收笼2的相对位置，通过控制液压伸缩杆14去不断调整回收笼2的高度，便于水下无人航行器3能够水平入回收笼2；主动捕获控制系统与气弹簧28连接，是为了实现回收网26在开启和关闭状态的位置锁定；主动捕获控制系统与水下摄影机23连接，是为了在水下无人航行器3入笼后，水下摄像机23将继续观察到的水下无人航行器3在回收笼2中的位置信息传输给主动捕获控制系统，主动捕获系统控制液压伸缩杆14不断调整回收笼2高度，直至水下无人航行器3完全进入回收笼2；第一触觉传感器与主动捕获控制系统连接，为了将水下无人航行器3接触到缓冲机构22的信息发送给主动捕获控制系统。

优选地，回收网26为金属材料构制成的网面；缓冲机构22为弹簧和柔性材料制成；引导门为船用高密度泡沫材料制成。

一种无人船在水面主动捕获不明水下无人航行器的方法，利用本发明申请中的装置，包括以下步骤：

步骤a：水面无人船1在水面航行，浮体12内的前视声呐保持开启，扫描水面无人船1前方水域，主动捕获控制系统通过对比图像库中水下无人航行器3的图像，判断是否出现水下无人航行器3，同时将扫描图像实时传输给岸站；当发现疑似水下无人航行器3时，水面无人船1发送警告给岸站，岸站工作人员通过观察前视声呐扫描图像与实时视频图像进行确定，若确定为水下无人航行器3则发送指令给水面无人船1，开启水面捕获过程；

步骤b：水面无人船1根据与水下无人航行器3的相对位置自主规划回收路径，从后方追捕或迎面回收，水面无人船1不断靠近水下无人航行器3，在接近水下无人航行器3后进一步修改航线，使得水下无人航行器3尽量与水面无人船1中心重合，同时水面无人船1通过液压伸缩杆14将回收笼2放入水中；

步骤c：回收笼2入水后，打开前端的导引门211与回收网26，同时开启前视成像声呐212，获取水下无人航行器3与回收笼2的相对位置，经主动捕获控制系统处理，通过控制液压伸缩杆14不断调整回收笼2高度，便于水下无人航行器3能够水平入回收笼2；水面无人船1持续靠近水下无人航行器3，使水下无人航行器3进入回收笼2，水下无人航行器3入笼后，通过水下摄像机23继续观察水下无人航行器3，不断调整回收笼2直至其完全进入，当水下无人航行器3同时触碰到安装在回收筒21内的触觉单元25时，判断水下无人航行器3入笼成功，主动捕获控制系统关闭回收网26与导引门211，将水下无人航行器3捕获至回收笼2中；

步骤d：水面无人船1将回收笼2收入船身舱内，完成水下无人航行器3捕获回收成功并返航。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。