水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法；包括固定光源和設置有四象限光電探測器的航行器；步驟如下：通過光源發(fā)出光線；光源發(fā)出光線照射到航行器的四象限光電探測器上，形成光斑；根據(jù)光斑在四象限光電探測器上所在的位置進行航行器的航向姿態(tài)調整。
【專利說明】水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及涉及海洋工程領域，尤其是一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置。
【背景技術】
[0002]近年來，人類對海洋的探索不斷深入，逐步發(fā)展了一批用于海洋湖泊探測研究用的設備。水下航行器就是其中最具代表性的一種海洋探測裝置，廣泛應用于國防、海岸警衛(wèi)、海事、海關、核電、水電、海洋石油、漁業(yè)、海上救助、管線探測和海洋科學研究等領域。自主水下航行器作為一種低成本、又便捷的自主探測裝置，在工作時與母艦沒有任何線纜連接。同時，導致自主水下航行器需要與基站對接進行能源補給，與基站對接進行信息批量數(shù)據(jù)的傳輸，開發(fā)自主水下航行器與基站的對接技術，是延長自主水下航行器在海底連續(xù)工作時間的有效手段，也是擴充自主水下航行器信息采集能力的有效手段，可以大大減少自主水下航行器的布放和回收次數(shù)，節(jié)約人力物力。
[0003]我國在海洋工程領域的研究開發(fā)起步較晚，水下對接技術的相關研究做得還比較少。專利CN 103057679 A公布了雙智能水下機器人相互對接裝置及對接方法，包括定位系統(tǒng)和對接系統(tǒng)兩大系統(tǒng)，借用了多普勒測速聲吶、水聲換能器、攝像頭等一系列器件，算法和機械結構都相對復雜，同時是用于兩個智能水下機器人的對接，不能很好地為自主水下機器人補給能源；專利CN 102320362 A公布了一套自主水下航行器與海底觀測網(wǎng)對接裝置，用一個大喇叭口做機械式的引導，將自主水下航行器與海底觀測網(wǎng)進行對接，進行無線傳能和信息交換。
[0004]在光伏太陽能發(fā)電領域，研究發(fā)現(xiàn):當太陽能發(fā)電板正對太陽光時，發(fā)電效率最高。工程師采用了光電四象限探測器感知太陽光的角度，調節(jié)太陽能電池板，使之隨太陽的移動而移動。正是從這得到啟發(fā)，本發(fā)明將太陽光跟蹤技術用到水下光引導的對接技術上。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置。
[0006]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法；包括固定光源和設置有四象限光電探測器的航行器；步驟如下:通過光源發(fā)出光線；光源發(fā)出光線照射到航行器的四象限光電探測器上，形成光斑；根據(jù)光斑在四象限光電探測器上所在的位置進行航行器的航向姿態(tài)調整。
[0007]作為對本發(fā)明所述的的水下航行器與基站的光引導自動對接方法的改進:所述光線通過凸透鏡形成光斑。
[0008]作為對本發(fā)明所述的的水下航行器與基站的光引導自動對接方法的進一步改進:根據(jù)四象限光電探測器上光斑所在的位置判斷光源與航行器之間的角度偏差，再根據(jù)角度偏差調整航行器的航向姿態(tài)。[0009]作為對本發(fā)明所述的的水下航行器與基站的光引導自動對接方法的進一步改進:所述光斑在四象限光電探測器中時，航行器的航向姿態(tài)調整如下:當光斑在第一象限的時候，航行器左偏下潛；當光斑在第二象限的時候，航行器右偏下潛；當光斑在第三象限的時候，航行器右偏抬艏；當光斑在第四象限的時候，航行器左偏抬艏；當光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中間的時候，航行器保持向前。
[0010]作為對本發(fā)明所述的的水下航行器與基站的光引導自動對接方法的進一步改進:所述光斑在四象限光電探測器中的象限判斷方法如下:Λ X為光斑在四象限光電探測器的X軸的移動Y為光斑在四象限光電探測器的Y軸的移動；Α為光斑在第一象限內的感光面積；Β為光斑在第二象限內的感光面積；C為光斑在第三象限內的感光面積；D為光斑在第四象限內的感光面積，通過以下公式進行光斑的位置判斷；AX=(A+D)-(B+C)；Δ Y=(A+B)-(C+D) ；Δ X=O ；Δ Y=O時，光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中間，航行器向前運動；ΛΧ>0 ；ΔΥ>0時，光斑在第一象限，航行器左偏下潛；ΛΧ〈0 ；Λ Υ>0時，光斑在第二象限，航行器右偏下潛;ΔΧ<0 ;ΛΥ〈0時，光斑在第三象限，航行器右偏抬艏；Λ Χ>0 ;Λ Υ〈0時，光斑在第四象限，航行器左偏抬艏。
[0011]一種水下航行器與基站的光引導自動對接裝置，包括信號源與信號接收調整裝置；所述信號源為固定的光源；所述信號接收調整裝置為固定在航行器上的四象限光電探測器；所述光源包括燈殼，所述燈殼上從內到外依次設置有反光鏡、高亮光源以及濾光片；所述四象限光電探測器包括凸透鏡和控制器，所述控制器上依次連接有A/D采樣電路、前置放大電路以及四象限信號線；所述凸透鏡設置在四象限信號線的一側。
[0012]作為對本發(fā)明所述的水下航行器與基站的光引導自動對接裝置的改進:所述光源發(fā)出錐形發(fā)散的單色光，所述單色光為波長在850納米的近紅外光，錐角范圍在15°?30。。
[0013]本發(fā)明的水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置采用的是一種光照的方式進行引導，通過這種方式進行的引導過程中，受到外界的影響十分的小，引導的準確率十分的高。而適用于本發(fā)明的方法的引導裝置結構也可以十分的簡單，所以通過本發(fā)明，可以達到無需復雜的結構就能達到高精度的引導結果的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0015]圖1基站光源不意圖；
[0016]圖2四象限光電探測器光路圖；
[0017]圖3四象限光電探測器信號采集圖；
圖4光斑在四象限光電探測器中的位置一；
圖5光斑在四象限光電探測器中的位置二；
圖6光斑在四象限光電探測器中的位置三；
圖7光斑在四象限光電探測器中的位置四；
圖8光斑在四象限光電探測器中的位置五。
【具體實施方式】
[0018]圖1到圖3給出了一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法及裝置。[0019]實施例1、一種水下航行器與基站的光引導自動對接裝置，包括信號源與信號接收調整裝置；信號源為固定的光源，在對接目標上固定光源，再通過光源引導需要對接的航行器與對接目標進行對接，再進行無線充電、數(shù)據(jù)傳輸、指令傳輸或者收回等作業(yè)任務。信號接收調整裝置為固定在航行器上的四象限光電探測器，通過固定的光源的光線在四象限光電探測器上的位置，對航行器進行相應的航線調整，使得航行器一直是對著對接目標航線，直到最終對接目標與航行器進行對接。
[0020]光源包括燈殼11，燈殼11上從內到外依次設置有反光鏡12、高亮光源13以及濾光片14;反光鏡12為錐形的反光鏡，通過反光鏡12形成錐角范圍在15°~30°錐形發(fā)散的單色光。
[0021]四象限光電探測器包括凸透鏡20和控制器24 ;控制器24上依次連接有A/D采樣電路23、前置放大電路22以及四象限信號線21 ;凸透鏡20設置在四象限信號線21的一側，通過凸透鏡20對光源發(fā)散的單色光進行聚光，通過聚光后的光線形成光斑，而通過光斑在四象限信號線21上的照射面積，四象限信號線21可以獲得相應的電流，再根據(jù)此時產(chǎn)生的電流就可以判斷此時光斑的位置；如，在四個象限內，光斑偏向第一象限，則設置在第一象限的四象限信號線21產(chǎn)生的電流量偏大，就可以判定此時光斑的位置在第一象限。控制器24上還連接有俯仰角和航向角調節(jié)25 (模塊)，俯仰角和航向角調節(jié)25 (模塊)與水下航行器的動力系統(tǒng)相互信號連接；控制器24通過凸透鏡20、四象限信號線21、前置放大電路22以及A/D采樣電路23獲得光斑的數(shù)據(jù)，再通過控制器24發(fā)出航向姿態(tài)調整指令，航向姿態(tài)調整指令發(fā)送到俯仰角和航向角調節(jié)25 (模塊)后，由俯仰角和航向角調節(jié)25 (模塊)控制水下航行器執(zhí)行指令。
[0022]水下航行器與基站的光引導自動對接方法，包括如下的步驟:
[0023]第一步:通過光源發(fā)出錐角范圍在15°~30°錐形發(fā)散的單色光(單色光為波長在850納米的近紅外光)；
[0024]第二步:單色光照射到航行器的四象限光電探測器上，通過凸透鏡20聚光后，形成光斑；
[0025]第三步:根據(jù)光斑在四象限光電探測器上所在的位置進行航行器的航線調整，此處的航線調整根據(jù)四象限光電探測器上光斑所在的位置判斷光源與航行器之間的角度偏差，再根據(jù)角度偏差調整航行器的航線。
[0026]光斑在四象限光電探測器中時，航行器的航向姿態(tài)調整如下:
[0027]當光斑在第一象限的時候，Λ X>0，Λ Y>0，判斷光源從左下方射入，航行器向左下方運動；
[0028]當光斑在第二象限的時候，Λ Χ〈0，Λ Υ>0，判斷光源從右下方射入，航行器向右下方運動；
[0029]當光斑在第三象限的時候，Λ Χ〈0，ΛΥ〈0，判斷光源從右上方射入，航行器向右上方運動；
[0030]當光斑在第四象限的時候，Λ Χ>0，Λ Υ〈0，判斷光源從左上方射入，航行器向左上
。
[0031]以上所述的步驟中，單色光通過凸透鏡20聚光后形成光斑，光斑通過四象限信號線21產(chǎn)生電流，而電流依次通過前置放大電路22和A/D采樣電路23的信號方法以及A/D轉換后，就以數(shù)字信號的模式被控制器24讀取，而控制器24則推算光源和航行器之間的角度偏差，并向航行器發(fā)出俯仰角和航向角調節(jié)信號，使自主水下航行器保持向著對接目標的航向。
[0032]光源和航行器之間的角度偏差計算方法如下表(Λ X為光斑在四象限光電探測器的X軸的移動；ΛΥ為光斑在四象限光電探測器的Y軸的移動；Α為光斑在第一象限內的感光面積；Β為光斑在第二象限內的感光面積；C為光斑在第三象限內的感光面積；D為光斑
在第四象限內的感光面積):
[0033]
【權利要求】
1.一種水下航行器與基站的光引導自動對接方法；包括固定光源和設置有四象限光電探測器的航行器；其特征是:步驟如下: 通過光源發(fā)出光線； 光源發(fā)出光線照射到航行器的四象限光電探測器上，形成光斑； 根據(jù)光斑在四象限光電探測器上所在的位置進行航行器的航向姿態(tài)調整。
2.根據(jù)權利要求1所述的水下航行器與基站的光引導自動對接方法，其特征是:所述光線通過凸透鏡形成光斑。
3.根據(jù)權利要求2所述的水下航行器與基站的光引導自動對接方法，其特征是:根據(jù)四象限光電探測器上光斑所在的位置判斷光源與航行器之間的角度偏差，再根據(jù)角度偏差調整航行器的航向姿態(tài)。
4.根據(jù)權利要求3所述的水下航行器與基站的光引導自動對接方法，其特征是:所述光斑在四象限光電探測器中時，航行器的航向姿態(tài)調整如下: 當光斑在第一象限的時候，航行器左偏下潛； 當光斑在第二象限的時候，航行器右偏下潛； 當光斑在第三象限的時候， 航行器右偏抬艏； 當光斑在第四象限的時候，航行器左偏抬艏； 當光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中間的時候，航行器保持向N /.刖。
5.根據(jù)權利要求4所述的水下航行器與基站的光引導自動對接方法，其特征是:所述光斑在四象限光電探測器中的象限判斷方法如下: Δ X為光斑在四象限光電探測器的X軸的移動；Λ Y為光斑在四象限光電探測器的Y軸的移動；Α為光斑在第一象限內的感光面積；Β為光斑在第二象限內的感光面積；C為光斑在第三象限內的感光面積；D為光斑在第四象限內的感光面積，通過以下公式進行光斑的位置判斷；
Δ X= (A+D) - (B+C)；
Δ Y=(A+B)-(C+D)； Λ X=O ;Λ Y=O時，光斑在第一象限、第二象限、第三象限以及第四象限正中間，航行器向前運動； ΔΧ>0 ；Δ Υ>0時，光斑在第一象限，航行器左偏下潛； Δ Χ〈0 ；Δ Υ>0時，光斑在第二象限，航行器右偏下潛； ΔΧ<0 ；Δ Υ〈0時，光斑在第三象限，航行器右偏抬艏； Δ Χ>0 ；Δ Υ〈0時，光斑在第四象限，航行器左偏抬艏。
6.水下航行器與基站的光引導自動對接裝置，包括信號源與信號接收調整裝置；其特征是:所述信號源為固定的光源；所述信號接收調整裝置為固定在航行器上的四象限光電探測器； 所述光源包括燈殼(11 )，所述燈殼(11)上從內到外依次設置有反光鏡(12 )、高亮光源(13)以及濾光片(14)； 所述四象限光電探測器包括凸透鏡(20)和控制器(24)，所述控制器(24)上依次連接有A/D采樣電路(23)、前置放大電路(22)以及四象限信號線(21)；所述凸透鏡(20)設置在四象限信號線(21)的一側； 控制器(24)還連接有俯仰角和航向角調節(jié)(25 )，所述俯仰角和航向角調節(jié)(25 )與水下航行器的動力系統(tǒng)相互連接。
7.根據(jù)權利要求6所述的水下航行器與基站的光引導自動對接裝置，其特征是:所述光源發(fā)出錐形發(fā)散的單色光，所述單色光為波長在850納米的近紅外光，錐角范圍在.15。~30°。
【文檔編號】B63C11/52GK103963947SQ201410029681
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月22日 優(yōu)先權日:2014年1月22日
【發(fā)明者】唐建中, 余有芳, 徐建國, 蔣珀, 華光 申請人:浙江大學, 上海南華蘭陵電氣有限公司