一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收UUV装置及方法与流程

本发明涉及一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置及方法，属于海洋无人系统协同作业技术领域。

背景技术：

水面无人艇(unmannedsurfacevehicle，简称usv)具备自主航行和超视距操作的功能，军事上是水面防卫、反恐、扫雷、搜救和救援的重要平台，也可服务于海洋环境监测、航道测量、水文调查、水面监视、污染源追踪等诸多民用领域。无人水下航行器(underwaterunmannedvehicle，简称uuv)作为一种无人无缆的水下系统平台，在军事上可用于支持两栖作战、反潜作战、探测水雷和其它海中危险品、承担快速战场评估以及水文测量等任务，民用上可开展海洋环境监测、科学研究、地形测绘以及水下搜索和救援等多种任务，具有其它系统无法替代的作用。

随着各国对海洋战略的重视及海洋开发力度的加大，usv和uuv都将扮演越来越重要的角色，对人类水上工程应用、海洋军事活动及海洋开发利用等产生深远影响。通过usv和uuv这两种平台进行组合运用，来执行一系列不能由其中单个系统独立实现的任务，提高水上/水下空间的立体高效利用能力、环境信息融合能力，优化综合作业效率将是未来发展的重要方向。其中，usv对uuv的回收无疑是两者协同中亟需突破的关键技术问题之一，由于海洋环境复杂，usv和uuv在近距离接近时存在水动力耦合与相互干扰，因此uuv的自主回收一直是研究人员的热点方向和重要难题。

将水面无人船(usv)和无人水下航行器(uuv)编组的海上无人体系可大幅提高水上/水下立体空间的感知能力与信息收集能力，解决uuv的通讯、导航和续航能力受限技术瓶颈，显著提升综合作业效能，已成为未来海上无人系统的一个重要发展方向。

uuv的对接回收从基本上可以分为水面回收和水下回收。水下回收方面，世界上目前存在的对接方式有以下几种：1)以绳索、杆类为对接目标的对接方式；2)以圆锥导向罩和笼箱类为对接目标的对接方式；3)以水中平台为对接目标的落座式对接方式等。但水面回收目前还没有相应先进技术，更多采取人工打捞，回收风险大又耗费人力物力。

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，提供一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置及方法，对接简便牢靠，大大提高回收效率与成功率。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置，回收控制模块、旋转摆臂装置、悬挂伸缩杆、液压传动装置、弹簧和电磁啮合器，所述回收控制模块设置在usv的船仓内，与岸站能够远程通讯，所述旋转摆臂装置的底座通过螺丝固定在usv上甲板上，旋转摆臂装置的顶部通过连杆套将旋转摆臂装置和悬挂伸缩杆的一端固定在一起，所述悬挂伸缩杆内设置有一套液压传动装置用于控制悬臂伸缩杆的伸缩，所述悬臂伸缩杆的方向由旋转摆臂装置通过自身的旋转带动调整，所述悬臂伸缩杆的另一端和电磁啮合器通过弹簧焊接连接在一起，所述电磁啮合器包括上对接头和下对接头，所述上对接头为主动对接头，上对接头内设置有电磁铁，所述下对接头固定设置在uuv正上部，所述电磁啮合器的下对接头的顶部预埋了与电磁铁能够配合使用的铁块；所述回收控制模块还分别与旋转摆臂装置、液压传动装置、电磁啮合器相连接，所述回收控制模块与旋转摆臂装置的连接，用于控制旋转摆臂装置的旋转，进而带动悬挂伸缩杆的方向调整；所述回收控制模块与液压传动装置的连接，用于控制悬臂伸缩杆的伸缩；所述回收控制模块与电磁啮合器的连接，用于控制给电磁啮合器通电或断电。

上述的一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置，所述电磁啮合器为电磁蘑菇头啮合器，其上对接头和下对接头为外形同步的蘑菇头形状，蘑菇头啮合器前小后大，便于对接过程中的对准且能够导向，对接后再退出为先大后小，能够卡住，不会轻易脱落。

上述的一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置，回收时，给电磁啮合器内的电磁铁通电，电磁啮合器的上对接头通过电磁铁拉伸弹簧并与下对接头啮合；回收完毕后，给电磁啮合器内的电磁铁断电，依靠弹簧的回弹性能与下对接头断开。

上述的一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv装置，所述usv的航速高于uuv的航速，且usv具有原地回转功能。

一种基于电磁蘑菇头啮合器的水面回收uuv的方法，利用上述的装置，其包括以下步骤：

步骤一：当usv发现uuv后，usv进行uuv运动状态估计，规划usv运动指令，以高于uuv航速1-2节的期望速度和与uuv同艏向的期望航向进入uuv回收作业圆区域，所述回收作业圆区域的半径为旋转摆臂装置能够伸长的最大长度；根据水面流速流向确定切入uuv的左侧半圆或右侧半圆，流速低于0.5kn时忽略流速的影响；当流速由uuv左侧流向右侧时，usv切入uuv的左侧半圆；当流速由uuv右侧流向左侧时，usv切入uuv的右侧半圆；

步骤二：usv进入回收作业圆区域后逐渐减速至与uuv速度同步，将旋转摆臂装置旋转至靠近uuv一侧，usv保持航向、航速，回收控制模块通过控制旋转摆臂装置和液压传动装置将电磁啮合器上对接头调整到uuv上的下对接头的正上方；

步骤三：速度同步连续保持1分钟后启动回收程序，给上对接头顶部的电磁铁通电，弹簧被拉伸，蘑菇头状的上对接头挤开铜片，与啮合器的下对接头啮合；

步骤四：usv完成捕捉uuv，之后usv牵引uuv前往回收地点进行回收。

本发明所达到的有益效果：

(1)本发明申请的装置及方法使得水面无人船usv在远程控制下实现对uuv的水面无人回收，有效解决目前uuv回收中捕获困难、回收装置复杂的技术难题，为usv和uuv的编队体系化奠定技术基础；

(2)本发明着眼于水面usv和水下uuv两种平台的系统融合，特别是在需要建立水下uuv和水面usv之间联系的某些场合；

(3)本发明提出的uuv水面自主回收方法不影响uuv总体性能，对接可调范围较大，回收步骤简洁，回收成功率高，而且对环境无任何污染。

附图说明

图1为携带uuv回收装置的usv的结构示意图；

图2为图1中usv将旋转摆臂装置3移至舷侧的结构示意图；

图3为图1中usv抵近uuv，准备自主回收的结构示意图；

图4为图3中伸长usv的旋转摆臂装置3并回收uuv的结构示意图；

图5为本发明中电磁啮合器4的结构示意图。

图中附图标记的含义：

1、usv，2、液压传动装置，3、旋转摆臂装置，4、电磁啮合器，5、弹簧，6、uuv，7、悬挂伸缩臂。

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，本发明的水面回收uuv6装置，回收控制模块、旋转摆臂装置3、液压传动装置2、弹簧5和电磁啮合器4，回收控制模块设置在usv1的船仓内，与岸站能够远程通讯，旋转摆臂装置3一端设置在usv上甲板上，另一端连接有液压传动装置2和弹簧5，液压传动装置2的另一端与电磁啮合器4连接；电磁啮合器4包括上对接头和下对接头，上对接头为主动对接头，上对接头顶部设置有电磁铁，电磁铁通过弹簧5与旋转摆臂装置3连接，下对接头固定设置在uuv正上部；回收控制模块还与液压传动装置2相连接。

旋转摆臂装置3的底座通过螺丝固定在usv上甲板上，旋转摆臂装置3的顶部通过连杆套将旋转摆臂装置和3悬挂伸缩杆7的一端固定在一起，悬挂伸缩杆7内设置有一套液压传动装置2用于控制悬臂伸缩杆7的伸缩，悬臂伸缩杆7的方向由旋转摆臂装置3通过自身的旋转带动调整，悬臂伸缩杆7的另一端和电磁啮合器4通过弹簧5焊接连接在一起，电磁啮合器4包括上对接头和下对接头，上对接头为主动对接头，上对接头内设置有电磁铁，下对接头固定设置在uuv正上部，电磁啮合器4的下对接头的顶部预埋了与电磁铁能够配合使用的铁块，用于电磁吸附，产生磁力；回收控制模块还分别与旋转摆臂装置3、液压传动装置2、电磁啮合器4相连接，回收控制模块与旋转摆臂装置3的连接，用于控制旋转摆臂装置3的旋转，进而带动悬挂伸缩杆7的方向调整；回收控制模块与液压传动装置2的连接，用于控制悬臂伸缩杆7的伸缩；回收控制模块与电磁啮合器4的连接，用于控制给电磁啮合器4通电或断电；回收时，给电磁啮合器4内的电磁铁通电，电磁啮合器4的上对接头通过电磁铁拉伸弹簧5并与下对接头啮合；回收完毕后，给电磁啮合器4内的电磁铁断电，依靠弹簧5的回弹性能与下对接头断开。

进一步地，因蘑菇头前小后大，类似于锥头，好处是便于对准，可以导向；对接后再退出又相当于先大后小，可以卡住，不会轻易脱落，电磁啮合器4为电磁蘑菇头啮合器，其上对接头和下对接头为外形同步的蘑菇头形状。

再进一步地，usv1的航速高于uuv6的航速，且usv1具有原地回转功能。

本发明的水面回收uuv6的方法，利用本发明的装置，包括以下步骤：

步骤一：当usv1发现uuv6后，usv1进行uuv6运动状态估计，规划usv1运动指令，以高于uuv6航速1-2节的期望速度和与uuv6同艏向的期望航向进入uuv6回收作业圆区域，回收作业圆区域的半径为旋转摆臂装置3能够伸长的最大长度；根据水面流速流向确定切入uuv6的左侧半圆或右侧半圆，流速低于0.5kn时忽略流速的影响；当流速由uuv6左侧流向右侧时，usv1切入uuv6的左侧半圆；当流速由uuv6右侧流向左侧时，usv1切入uuv6的右侧半圆；

步骤二：usv1进入回收作业圆区域后逐渐减速至与uuv6速度同步，将旋转摆臂装置3旋转至靠近uuv一侧，usv1保持航向、航速，回收控制模块通过控制旋转摆臂装置3和液压传动装置2将电磁啮合器4上对接头调整到uuv6上的下对接头的正上方；

步骤三：速度同步连续保持1分钟后启动回收程序，给上对接头顶部的电磁铁通电，弹簧5被拉伸，蘑菇头状的上对接头挤开铜片，与啮合器的下对接头啮合；

步骤四：usv1完成捕捉uuv6，之后usv1牵引uuv6前往回收地点进行回收。

至于回收控制模块、液压传动装置2、旋转摆臂装置3、电磁啮合器4都为现有技术模块或装置。

需要说明的是，步骤一中记载的当usv1发现uuv6后，usv1如何进行uuv6运动状态估计，如何规划usv1运动指令，为现有技术，具体在专利文献【申请号：201710347631.4，专利名称：一种usv水面动态自主回收uuv的方法201710347631.4，申请人：哈尔滨工程大学】中有记载。

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。