专利名称：双智能水下机器人相互对接装置及对接方法
技术领域：
本发明涉及的是一种智能水下机器人相互对接的装置。本发明页涉及的是一种智能水下机器人相互对接方法
背景技术：
智能水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle-AUV)已经广泛用于海洋环境监测，海洋资源勘探等众多领域。智能水下机器人对接技术可用于水下机器人的回收，定点布放，进而实施采样信息回馈，更新任务，能源补给等操作。近年来，智能水下机器人对接技术被各国学者重视，经过多年来的努力，此技术水平不断提高。但在研究实验中仍存在一些问题。尤其在近距离对接时，由于洋流和对接机器人之间形成的海流变化均具有很强的不确定性，引起对接精度难以保证；近距离导航定位必须要满足很高的定位精度，否则无法保证成功完成对接；水下机器人在经过长距离航行后，海水侵蚀和海中杂质附着机器人表面机构，影响对接执行机构，因此要求对接机构简单，安全性高。目前近距离导航定位可采用电磁导航、光学导航、视觉导航等方式，这些方式因所用传感器不同而具有各自的特点，其相同点是导航距离一般小于30m，导航精度都能达到厘米级。不同点是电磁导航传感器容易受到本身和外磁场干扰，必须避免在变磁场区域实施对接；光学导航传感器会受到海水背景光、混浊度、折射、反射等客观因素的影响，定位距离受限；视觉导航传感器对目标分辨率要求较高，同时会限制智能水下机器人的航速。由于在对接技术中，一般机器人的对接安全性高于对航速的要求，视觉导航是较理想的导航方式。目前AUV具有各种各样的对接机构，大致可分为三类(1)以固定式绳索、杆类为对接目标(2)以固定式圆锥导向罩和笼箱类为对接目(3)坐落式对接以水中固定式平台为对接目标。以上对接方式存在对接平台不能自主移动或投放对接平台的载体体积大、隐蔽性差等应用局限性，不能满足距人工操作平台远距离的对接需求。现今为止还没有两个AUV自主相互对接的装置与方法的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能实现两个AUV自主相会、精准对接的双智能水下机器人相互对接装置。本发明的目的还在于提供一种双智能水下机器人相互对接方法。本发明的目的是这样实现的本发明的双智能水下机器人相互对接装置包括定位系统和对接系统；定位系统包括多普勒速度声纳、超短基线换能器、超短基线处理机、摄像头、光视觉引导处理计算机、控制导航计算机；对接系统包括滑动套筒、对接支杆、对接视觉定位发光器、对接支杆定位机构、滑筒滑道、滑筒滑动电机以及传动齿轮；多普勒速度声纳、超短基线换能器、摄像头作为传感器布置在智能水下机器人艏部，为处理器提供定位信息；超短基线处理机、光视觉引导处理计算机、控制导航计算机密封于水密外壳中，通过水密插头与传感器以及推进动力装置联接；滑动套筒安装在固结于水密外壳上的滑筒滑道上，滑筒滑动电机安装在水密外壳上，滑动套筒上有与滑筒滑动电机上的传动齿轮相啮合的齿条，对接支杆一端与滑动套筒铰接、另一端由固结于水密外壳上的对接支杆定位机构固定，对接支杆与滑动套筒铰接端设置弹簧和锁定装置，对接视觉定位发光器布置在对接支杆末端。基于本发明的双智能水下机器人相互对接装置的对接方法为两个组成构件相同的智能水下机器人进行对接时，一个作为主动智能水下机器人，另一个作为被动智能水下机器人；被动智能水下机器人(I)多普勒速度声纳测速，(2)控制导航计算机推算位置是否进入预定区域，如果否则继续由推进器向预定区域推进、如果是则推出滑动套筒打开对接杆，(3)多普勒速度声纳继续测速，(4)控制导航计算机推算位置是否到达目标位置，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则悬停等待对接；主动智能水下机器人(I)多普勒速度声纳测速，(2)控制导航计算机推算位置是否距目标位置小于I千米，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则超短基线换能器收发信号，(3)超短基线处理机判断距目标位置小于10米，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则开启摄像头，(4)由光视觉引导处理计算机进行光视觉导航，(5)由推进器向目标位置推进，(6)对接。两个相距数十公里的AUV，依靠多普勒速度声纳和罗经的船位推算导航，向对接区域靠近。其中一个预先到达指定目标点，通过控制系统发出指令，使滑筒滑动电机开始工作，带动传动齿轮，从而使滑动套筒向AUV艏部滑动，对接支杆脱离其定位机构，并弹开成对接杆罩形状。依靠动力定位系统悬停在预定对接位置，等待另一 AUV对接；另一 AUV航行到目标点附近(千米以内)，变更为超短基线引导航行，航行至悬停AUV前方，摄像头感应到对方的对接视觉定位发光器发出的光源，开始进行光视觉导航，在其引导下进行精准对接。最后由滑动套筒固定两个AUV，使其保持相对静止，进而进行信息交互等动作。本发明定位系统可根据不同距离选择不同传感器对水下机器人进行定位。远距离(>1千米)应用多普勒速度声纳和罗经的船位推算导航。中距离(千米-10米)应用超短基线定位。由于收发机上安装有多个(3个以上)水听器，通过交汇测量，可以确定水下目标相对于收发换能器的位置(相对距离和相对角度)。由于超短基线定位系统的定位精度很高，所以可以确保对接AUV能够进入光视觉定位区，进行下一阶段定位对接。近距离(〈10米)应用光视觉定位，引导水下机器人精准对接。由于在较深海域，背景光极弱，以及在近距离对接时，对接安全性的要求远大于对航速的要求，依靠光视觉定位进行近距离精确定位是目前为止最优的选择。本发明对接系统，在航行过程中对接支杆处于收起状态可大大减少对接系统带来的航行阻力；滑动套筒在预定对接位置滑出，自身起到固定对接AUV的作用，而且带动对接 支杆脱离其固定机构，使其成杆罩形状，起到对接导向作用，可大大增加对接成功率。与已有技术相比本发明首次提出两个AUV进行对接；AUV自身具有对接系统，且对 接支杆收放机构设计可较少航行时阻力，增大对接时成功率；对接与被对接AUV具有相同 的机构设计，有利于批量加工生产；定位系统为分距离采用不同定位传感器，充分利用各传 感器的优点，实现精确对接。
图1是本发明的定位系统结构示意图；图2是传动齿轮和滑筒滑道的齿轮齿条传动机构示意图；图3a是对接系统结构示意图，图3b是图3a的左视图；图4a是钢质弹簧侧视图，图4b是钢质弹簧位置俯视图；图5a是钢质弹簧构件示意图，图5b-图5c是锁定装置构件示意图；图6使钢质弹簧、锁定装置构件相对位置侧视图；图7是对接支杆与其固定结构示意图；图8是悬停AUV状态示意图；图9是AUV对接示意图；图10是被动对接机器人对接控制流程图；图11是主动对接机器人对接控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
应用于智能水下机器人对接的组成包括定位系统和对接系统。结合图1，定位系 统包括多普勒速度声纳1、超短基线换能器2、摄像头3、光视觉引导处理计算机4、超短基线 处理机5、控制导航计算机6 ;结合图1和图3对接系统包括滑动套筒7、对接支杆8、对接 视觉定位发光器9、对接支杆定位机构10、滑筒滑道11、滑筒滑动电机以及传动齿轮12。另 夕卜，对接系统中的钢质弹簧13、锁定装置14的细节在图4、图5、和图6中表示。结合图1， 多普勒速度声纳1、超短基线换能器2、摄像头3等传感器布置在智能水下机器人艏部，为处 理器提供定位信息；光视觉引导处理计算机4、超短基线处理机5、控制导航计算机6密封于 水密外壳中，通过水密插头与传感器以及推进动力装置联接。滑动套筒7固定在固结于水 密外壳的滑筒滑道11上，通过滑筒滑动电机带动传动齿轮12使其沿机器人轴向滑动(传动 齿轮12和滑筒滑道7的齿轮齿条传动机构如图2所示);对接支杆8 一端与滑动套筒铰接， 另一端由固结于水密外壳上的对接支杆定位机构10固定；当对接支杆8脱离对接支杆定位 机构10时，对接支杆在钢质弹簧13的作用下弹出到预定位置，并由锁定装置14对其限定 位置；对接视觉定位发光器9布置在对接支杆末端。本发明选用多普勒速度声纳1、超短基线2、摄像头3作为AUV定位系统的传感器。 多普勒声纳1是根据多普勒效应研制的一种利用水下声波来测速的精密仪器，通过测速推 算AUV当前位置，适用于远距离航行，对位置误差要求不高的情况下使用。超短基线定位系 统2的基本原理是收发换能器向对面航行过来的AUV发送询问信号，对面AUV上安装有声学应答器，应答器收到超短基线收发换能器的信号后发送应答信号。收发换能器通过测量声学信号的来回时间来测定目标离收发换能器的距离。由于收发机上安装有多个(3个以上)水听器，通过交汇测量，可以确定水下目标相对于收发换能器的位置(相对距离和相对角度)。由于超短基线2定位系统的定位精度很高，可以确保对接AUV能够进入光视觉定位区，进行下一阶段定位对接。进入光视觉定位区后，由悬停AUV张开的对接支杆8上的对接视觉定位发光器9照明，对接AUV的摄像头3探测到光源及其位置。控制导航计算机6通过对其位置的分析处理，推算出对接距离和角度，输出推进电压控制AUV调整到合适位置和姿态进行精准对接。对接系统在预定悬停AUV到达目标位置附近开始工作。达到距目标位置约10米时，控制系统发出指令，AUV减速航行，滑筒滑动电机以及传动齿轮12开始工作，带动滑动套筒7在滑筒滑道11上向艏部移动。同时，对接支杆8脱离对接支杆定位机构10的束缚，由钢质弹簧13弹出。其中，钢质弹簧具有两个支出部分，一个与滑动套筒7侧壁固结，另一个与对接支杆8固结，这样在钢制弹簧13自身弹力作用下，可将对接支杆弹出。锁定装置是内嵌于滑动套筒7的侧壁，当钢质弹簧13带动对接支杆8弹出时，锁定装置的内置弹簧将钢块弹出(由图5右侧图所示)，用于对接支杆8限位。对接支杆8和对接支杆定位机构
10的位置关系如图7所示。在滑动套筒7滑动到位后，依靠动力定位系统悬停在预定对接位置(被动对接机器人对接控制流程图如图10所示)。准备工作完成，如图8所示。在定位系统的引导下，进行AUV对接(主动对接机器人对接控制流程图如图11所示)，对接成功如图9所示。
权利要求
1.一种双智能水下机器人相互对接装置，包括定位系统和对接系统；其特征是定位系统包括多普勒速度声纳、超短基线换能器、超短基线处理机、摄像头、光视觉引导处理计算机、控制导航计算机；对接系统包括滑动套筒、对接支杆、对接视觉定位发光器、对接支杆定位机构、滑筒滑道、滑筒滑动电机以及传动齿轮；多普勒速度声纳、超短基线换能器、摄像头作为传感器布置在智能水下机器人艏部，为处理器提供定位信息；超短基线处理机、光视觉引导处理计算机、控制导航计算机密封于水密外壳中，通过水密插头与传感器以及推进动力装置联接；滑动套筒安装在固结于水密外壳上的滑筒滑道上，滑筒滑动电机安装在水密外壳上，滑动套筒上有与滑筒滑动电机上的传动齿轮相啮合的齿条，对接支杆一端与滑动套筒铰接、另一端由固结于水密外壳上的对接支杆定位机构固定，对接支杆与滑动套筒铰接端设置弹簧和锁定装置，对接视觉定位发光器布置在对接支杆末端。
2.基于权利要求1所述的双智能水下机器人相互对接装置的对接方法，其特征是两个组成构件相同的智能水下机器人进行对接时，一个作为主动智能水下机器人，另一个作为被动智能水下机器人；被动智能水下机器人(1)多普勒速度声纳测速，(2)控制导航计算机推算位置是否进入预定区域，如果否则继续由推进器向预定区域推进、如果是则推出滑动套筒打开对接杆，(3)多普勒速度声纳继续测速，(4)控制导航计算机推算位置是否到达目标位置，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则悬停等待对接；主动智能水下机器人(1)多普勒速度声纳测速，(2)控制导航计算机推算位置是否距目标位置小于I千米，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则超短基线换能器收发信号，(3)超短基线处理机判断距目标位置小于10米，如果否则继续由推进器向目标位置推进、如果是则开启摄像头，(4)由光视觉引导处理计算机进行光视觉导航，(5)由推进器向目标位置推进，(6)对接。
全文摘要
本发明提供的是一种双智能水下机器人相互对接装置及对接方法。包括定位系统和对接系统；定位系统包括多普勒速度声纳、超短基线换能器、超短基线处理机、摄像头、光视觉引导处理计算机、控制导航计算机；对接系统包括滑动套筒、对接支杆、对接视觉定位发光器、对接支杆定位机构、滑筒滑道、滑筒滑动电机以及传动齿轮。根据两个对接智能水下机器人相互距离的不同，控制导航计算机采用不同传感器信息进行定位。被对接机器人在距目标位置约10米时，控制系统发出指令，使滑动套筒滑出，对接支杆张开，航行至目标位置，依靠动力定位悬停，等待对接机器人的精准对接。智能水下机器人对接位置可远离人工操作平台。
文档编号B63C11/00GK103057679SQ20131001094
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者李晔, 庞永杰, 李一鸣, 吴琪, 苏清磊, 陈鹏云, 姜言清 申请人:哈尔滨工程大学