一种拖体自动收放系统和方法与流程

本发明属于船舶自动化领域，具体涉及一种拖体自动收放系统和方法。

背景技术：

随着船舶自动化的发展，无人收放系统初期是以提高船舶自动化水平，减速人员岗位，提高作业效率为目的的，在无人艇出现后对无人收放系统提出了更高的要求。现有的无人艇系统普遍具有尺寸小巧，作业环境恶劣，电磁环境复杂，远程通讯稳定性较差等特点，急需研制一种能在无人艇上作业的收放系统。

本发明是拖体自动收放系统，在无人工干预的工作状态下，可自动完成拖体释放入水与拖体回收等工作。

技术实现要素：

本发明提供了一种拖体自动收放系统和方法，不仅实现了拖体自动收放，而且结构简单紧凑，运行稳定，使用方便，并且能很好适应作业环境恶劣、电磁环境复杂、远程通讯稳定性较差等特点下的无人艇系统，使用该系统可以提高效率，减低人工成本，提高用工安全。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明的其中一个目的在于提供一种拖体自动收放系统，包括：收放绞车、滑车底座、收放滑车、导引头组件、脐带缆和拖体；

所述的收放滑车位于收放绞车的后端，收放滑车的底部与固定的滑车底座通过第一导轨副滑动连接；所述的收放滑车上还设有第二导轨副，导引头组件与第二导轨副滑动连接；所述的脐带缆的首端连接收放绞车，尾端端绕经导引头组件之后与拖体连接；

所述的滑车底座为多段式结构，相邻两段之间设有角度调节机构；所述第一导轨副和第二导轨副的首尾两端设有安全限位机构；

所述的导引头组件包括滑块、安装支架、导引头、缆绳第一导向滑轮和辅助导向滚轮，所述的导引头固定在安装支架上，滑块位于安装支架的下端，通过滑块与第二导轨副滑动连接；所述的缆绳第一导向滑轮和辅助导向滚轮安装在导引头上，脐带缆绕经第一导向滑轮后与拖体连接；辅助导向滚轮用于扶正拖体动作方向。

本发明的另一个目的在于提供一种上述拖体自动收放系统的自动收放方法，包括：

a.在拖体释放过程中，拖体状态变化依次为：

拖体存储状态--拖体随收放滑车同步释放状态--拖体随导引头同步释放状态--拖体自由释放状态--拖体拖曳状态；

b.在拖体回收过程中，拖体状态变化依次为：

拖体自由回收状态-拖体随导引头同步回收状态--拖体随收放滑车同步回收状态--拖体存储状态。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1、本发明可在无人工干预的工作状态下，可自动完成拖体释放入水与拖体回收，而且设备主体均在甲板上便于甲板维护；在自动收放的过程中，将释放和回收分为多个阶段，在拖体释放过程中，拖体状态变化依次为：拖体存储状态--拖体随收放滑车同步释放状态--拖体随导引头同步释放状态--拖体自由释放状态--拖体拖曳状态；在拖体回收过程中，拖体状态变化依次为：拖体自由回收状态-拖体随导引头同步回收状态--拖体随收放滑车同步回收状态--拖体存储状态。

每一个状态阶段均可自动切换并调整放、收缆的速度与缆拉力，实现在保障缆拉力的同时兼顾速度，控制收放绞车、收放滑车、导引头协同动作，实现拖体平稳的入水释放与回收。

2、本发明的采用导引头组件进行拖体导向，在导引头的两侧安装辅助导向滚轮，实现导引头在收放滑车上移动的同时，拖体通过喇叭口状的导引头准确自动捕捉定位，且可以通过辅助导向滚轮来初步扶正拖体动作方向，便于导引头进一步准确捕捉；导引头和辅助导向滚轮组合作业可降低捕捉拖体的控制精度要求，在拖体接触部分采用缓冲材质，防止损伤拖体。

3、本发明在收放绞车缆绳与拖体连接处装有定深装置，如定深块组件，每一个定深块作为一个重量单元，不同的重量在水中的浮力是不一样的，采用不同数量的定深块组合即可形成不同的重量，从而可以通过调整定深块的排布方式与安装的数量来预设拖体入水的深度。

附图说明

图1为本发明实施例中的拖体存储状态图；

图2为本发明实施例中的拖体释放过程状态图，此时已完成一级同步释放；

图3为本发明实施例中的拖体释放过程状态图，此时已完成二级同步释放；

图4是本发明实施例中的拖体释放过程状态图，此时处于拖体自由释放状态；

图5为本发明实施例中的导引头组件的正视图；

图6为本发明实施例中的导引头组件的俯视图；

图7为本发明实施例中的远程无人控制流程；

图8为本发明实施例中的手动控制流程；

图中：1-收放绞车，2-控制柜，3-滑车底座，4-导引头组件，401-滑块，402-安装支架，403-导引头，404-缆绳第一导向滑轮，405-辅助导向滚轮，5-收放滑车，6-拖体，7-定深块组件，8-脐带缆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释说明。

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提出的拖体自动收放系统包括：收放绞车1、滑车底座3、收放滑车5、导引头4、脐带缆8、拖体6；其中滑车底座用于支撑收放滑车，并能驱动收放滑车在滑车轨道上滑动。

所述的收放滑车5位于收放绞车1的后端，收放滑车5的底部与固定的滑车底座3通过第一导轨副滑动连接；所述的收放滑车5上还设有第二导轨副，导引头4与第二导轨副滑动连接上；所述的脐带缆8的首端连接收放绞车1，尾端端绕经导引头4之后与拖体6连接；

所述的滑车底座3为多段式结构，相邻两段之间设有角度调节机构；所述第一导轨副和第二导轨副的首尾两端设有安全限位机构。

在本实施例中，导引头用于使拖体自适应找到合适位置，因此导引头与拖体的外轮廓需要相适应。本实施例中，如图5-6所示，导引头组件包括滑块401、安装支架402、导引头403、缆绳第一导向滑轮404和辅助导向滚轮405，所述的导引头固定在安装支架上，滑块位于安装支架的下端，通过滑块与第二导轨副滑动连接；所述的缆绳第一导向滑轮和辅助导向滚轮安装在导引头上，脐带缆绕经第一导向滑轮后与拖体6连接；辅助导向滚轮用于扶正拖体动作方向。例如，导引头可以呈喇叭状，喇叭口一侧朝向拖体6，与拖体的外轮廓相适应；所述的辅助导向滚轮分布在喇叭口的两侧。

在本实施例中，如图2-4所示，收放绞车能够实现脐带缆的释放与回收、拖曳功能；收放滑车能够实现自身向靠近水边的方向滑行，其多段式结构能够适应水边的坡度，实现拖体与收放滑车一级同步移动；导引头能够实现在收放滑车上运动，并带动拖体同步运动，实现拖体与导引头二级同步移动。为了实现上述功能，本实施例给出一种具体的实现方式，但不局限于这种结构方式。

所述的收放绞车1包括第一驱动单元、回转卷筒、排缆机构、第一传动机构和控制柜；所述的排缆机构位于回转卷筒与收放滑车5之间，排缆机构与回转卷筒通过第一传动机构连接；第一驱动单元与回转卷筒连接，由控制柜控制；

所述的排缆机构上设置排缆滑轮，所述的脐带缆8缠绕在回转卷筒上，脐带缆8的首端与回转卷筒固定连接，脐带缆8的尾端依次经过排缆机构上的排缆滑轮、收放滑车5上的导引头4之后与拖体6连接；

所述的第一驱动单元带动回转卷筒转动，回转卷筒的转动力经第一传动机构传递至排缆机构，带动排缆机构上的排缆滑轮沿回转卷筒的长度方向往复运动，实现排缆功能。

除了上述的实现方式之外，排缆机构还可以通过另一单独的驱动单元驱动，动作与第一驱动单元动作协同，在不改变第一驱动单元驱动方向的前提下，排缆机构能在卷筒排满缆一层后自动换向继续排缆。

所述的收放滑车5包括滑车车体、第二驱动单元、第二传动机构和缆绳第二导向滑轮，所述的缆绳第二导向滑轮固定在滑车车体靠近收放绞车1的一侧，位于排缆滑轮和导引头4之间；第二驱动单元输出的驱动力经第二传动机构带动滑车车体沿着滑车底座3上的第一导轨副往复运动，实现滑车车体的收放。

所述的收放滑车5上设有用于驱动导引头4沿着第二导轨副往复运动的第三驱动单元。

所述的第一驱动单元、第二驱动单元、第三驱动单元可以采用液压驱动或电机驱动，第一驱动安装可安装在收放绞车上，第二驱动单元可安装在滑车底座上，第三驱动单元可安装在收放滑车上，能够实现其具体的驱动功能即可；收放绞车的放、收缆的速度与缆拉力受控制柜控制，可切换速度控制模式与力矩控制模式，此外，第二驱动单元和第三驱动单元也具备速度控制模式与力矩控制模式。

所述的第一传动机构、第二传动机构可采用链传动、带传动、齿轮齿条传动、回转收卷缆绳等实现方式。

为了实现对拖体的定深投放，本系统还设置了定深块组件，由若干定深块构成；如图1-4所示，所述的定深块安装在脐带缆上，会随着脐带缆下放到水中。以1个定深块的重量为1个单元，不同的定深块在水中的浮力是不一样的，通过采用不同数量的定深块组合，形成不同的重量，从而影响拖体入水的深度，因此可以通过定深块组件的排布方式与安装的数量预设拖体入水后的深度。

为了实现对拖体结构的保护，设计了所述的安全限位机构，在预先设置在收放滑车及导引头同步移动的的起、止末端，保护收放滑车与导引头极限位置，安全限位机构限制保护设备上、下，前、后、左、右均在安全范围，在安全限位机构的外部包覆有缓冲材质，当拖体或其他移动的结构在触碰到极限位置时，能够保护设备，避免过冲。

收放系统的收、放轨迹不做限制，可以是多角度、多曲线的完成拖体的从存储位置到入水释放位置，或是从捕捉位置回收到存储位置。

在上述系统结构的基础上，还可以进一步设置控制柜根据前期的工作指令和现有环境状态变量，进行自我感知预测，自我判断是否需要收放工作，以及是否进入安全保护模式，可通过自主决策算法实现，例如，通过收集当前自身状态信息：绞车收放的速度、收放状态、收放的缆长信息、卷筒圈数、排缆状态、拖体位置等，在对感知到的周边物体的预测状态的基础上，结合收放系统的任务意图和当前状态，对收放系统做出最合理的决策和控制。采用的控制器可以是plc、单片机等。

本发明还提出了一种上述拖体自动收放系统的收放方法，在拖体释放过程中，拖体状态变化依次为：拖体存储状态--拖体随收放滑车同步释放状态--拖体随导引头同步释放状态--拖体自由释放状态--拖体拖曳状态；

在拖体回收过程中，拖体状态变化依次为：拖体自由回收状态-拖体随导引头同步回收状态--拖体随收放滑车同步回收状态--拖体存储状态。

如图7所示，给出了一种自动实现上述状态变换的实现方法，通过远程通讯发送启动、停止、急停、收缆、放缆、调速指令实现无线无人自动收放缆，具体为：

一、释放步骤：

系统上电，通过控制柜控制收放绞车1的第一驱动单元带动回转卷筒沿着释放方向转动，同时排缆机构工作，回转卷筒上缠绕的脐带缆8经排缆滑轮释放，所述的第一驱动单元采用力矩控制方式；

控制第二驱动单元工作，所述的第二驱动单元采用速度控制方式，带动滑车车体沿滑车底座3上的第一导轨副朝着排缆方向运动，位于滑车车体上的拖体与滑车车体同步运动，实现一级同步释放；在此过程中，由拖体存储状态转换为拖体随收放滑车同步释放状态，对应于由图1到图2的释放过程；

当收放滑车5运动至第一导轨副上的安全限位装置处时，关闭第二驱动单元，将第一驱动单元的工作方式切换至速度控制，并控制第三驱动单元以力矩控制方式开始工作；导引头组件4在第三驱动单元的驱动下沿收放滑车5上的第二导轨副朝着排缆方向运动，带动拖体同步运动，实现二级同步释放；在此过程中，处于拖体随导引头同步释放状态，对应于由图2到图3的释放过程；

当导引头组件4运动至第二导轨副上的安全限位装置处时，关闭第三驱动单元，第一驱动单元根据预设的释放速度和释放缆长继续工作，直至释放结束，将拖体释放至水下的预设位置；在此过程中，处于拖体自由释放状态，对应于图4的释放过程；

释放结束后，关闭第一驱动单元，控制第二驱动单元带动滑车车体沿滑车底座3上的第一导轨副朝着收缆方向运动，将滑车收回至拖曳位；在此过程中，处于拖体拖曳状态。

二、回收步骤：

系统上电，控制第一驱动单元工作，拖体沿收揽方向运动，回收至一定长度后减速，并控制第二驱动单元工作，带动滑车车体沿滑车底座3上的第一导轨副朝着排缆方向运动，直至运动至第一导轨副上的安全限位装置处，继续低速回收拖体至安全限位装置处；在此过程中，处于拖体自由回收状态；

控制第三驱动单元以力矩控制方式开始工作，第一驱动单元持续低速回收；导引头4在第三驱动单元的驱动下沿收放滑车5上的第二导轨副朝着收揽方向运动，带动拖体同步运动，实现一级同步回收；在此过程中，处于拖体随导引头同步回收状态；

当导引头4运动至第二导轨副上的安全限位装置处时，关闭第三驱动单元，将第一驱动单元的工作方式切换至力矩控制，同时控制第二驱动单元以速度控制方式开始工作，带动滑车车体沿滑车底座3上的第一导轨副朝着收揽方向运动，位于滑车车体上的拖体与滑车车体同步运动，实现二级同步回收；在此过程中，处于拖体随收放滑车同步回收状态；

当收放滑车5运动至第一导轨副上的安全限位装置处时，拖体回收归位，系统停机，此时处于拖体存储状态。

除了自动控制模式外，本系统还设有手动操作模式，控制柜接收手动操作盒、或操作手柄、或按钮等控制终端发送的回收、释放、推出、收回、急停等功能指令，启动、停止、正转、反转，进而控制收放绞车的回收与释放，在绞车回收释放的同时，收放滑车、导引头配合收放绞车同步动作。如图8所示，通过手动操作盒发出控制指令，控制切换第一驱动单元、第二驱动单元和第三驱动单元的工作模式、速度、急停等指令。

此外，在拖体收放过程中，可以实时获取绞车收放的速度、拖体状态、收放缆长、排缆机构状态信息，若采集到的信息达到了预设的报警阈值，则立即进入安全保护模式，经人工排查后继续工作。

本发明的拖体收放方法可以通过改变放、收缆的速度与缆拉力，切换速度控制模式与力矩控制模式，使得收放绞车的放、收缆动作可同步配合拖体的同步回收与同步释放作业，并有拖曳与回收时的拉力，并通过两级同步移动的设计：收放滑车在滑车底座上移动实现拖体的一级同步移动，导引头在收放滑车上实现拖体的二级同步移动，实现了拖体平稳的入水释放与回收。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。