本實(shí)用新型涉及一種無人船加無人潛水器的組合系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

無人水下機(jī)器人常見有無人遙控潛水器(ROV)和自主水下機(jī)器人(AUV)兩種。ROV通過與水面相連的臍帶電纜獲取能源，動力充足，作業(yè)時間不受能源的限制，作業(yè)效率高。AUV依靠自身的自治能力來管理和控制自己以完成所賦予的使命，活動范圍大、機(jī)動性好、智能化程度高、自主性強(qiáng)。上述兩種水下機(jī)器人都有不足之處：其中ROV通常需要母船配套，母船以及一系列工作人員的開支巨大，活動范圍有限；AUV則受自身攜帶能源限制，續(xù)航能力有限；而且由于在水下不能進(jìn)行長距離的無線通信，AUV在水下探測得到的數(shù)據(jù)很難實(shí)時回傳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型提供了一種對接分離可靠快捷、活動范圍廣、續(xù)航能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)反饋及時的無人船加無人潛水器的組合系統(tǒng)。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種無人船加無人潛水器的組合系統(tǒng)，包括位于水面的無人船、位于水下的無人潛水器以及遙控操作控制設(shè)備，所述無人船和無人潛水器通過臍帶纜連接，所述臍帶纜內(nèi)含供電續(xù)航的電源雙絞線和傳輸控制信號和數(shù)據(jù)信號的信號線，其特征在于：所述無人船上設(shè)有自動收放臍帶纜的放線系統(tǒng)，所述放線系統(tǒng)包括纏繞臍帶纜用的放線絞盤、控制放線絞盤旋轉(zhuǎn)收放線的放線舵機(jī)、測量放線長度的編碼器，所述放線絞盤與放線舵機(jī)均設(shè)置在無人船的船艙內(nèi)并通過第一同步系統(tǒng)連接，所述臍帶纜的一端通過防臍帶纜打結(jié)的滑環(huán)與船艙內(nèi)的電子設(shè)備連接，其另一端繞過固定于無人船前端的船艏滑輪與無人潛水器內(nèi)的電子設(shè)備連接，所述編碼器通過第二同步系統(tǒng)與船艏滑輪連接，所述船艏滑輪上方安裝有防止臍帶纜脫離的安全防護(hù)罩；所述無人船與無人潛水器之間設(shè)有對接停靠裝置，所述對接?？垦b置包括設(shè)于無人船底部的向下突出的兩L型對接叉子和設(shè)于無水潛水器頂部內(nèi)的用于容納對接叉子的凹槽，所述凹槽內(nèi)設(shè)有保證吸附力的橡膠墊。本實(shí)用新型通過放線系統(tǒng)來收放臍帶纜，并通過編碼器能自動控制臍帶纜的釋放量，提高水下定位的準(zhǔn)確性；通過對接?？垦b置可以將無人潛水器與無人船對接穩(wěn)固由無人船帶動水面移動，提高航行效率；當(dāng)需要進(jìn)行水下觀測時，無人潛水器可以自動與無人船分離，通過放線系統(tǒng)來控制無人船的下水深度。

進(jìn)一步，所述無人潛水器包括主艙、推進(jìn)器和重心調(diào)節(jié)模塊，所述主艙為密封艙，其兩側(cè)連接有側(cè)面支撐板，內(nèi)部設(shè)有固定架，所述固定架上安裝有航行控制用的第一電子設(shè)備、第一電源控制設(shè)備、傳輸視頻信號給無人船的電力載波設(shè)備、控制推進(jìn)器速度的無刷電調(diào)、攝像頭及控制攝像頭方位的云臺、照明用的LED燈；所述推進(jìn)器包括分別固定在兩側(cè)面支撐板上水平放置的左螺旋槳推進(jìn)器和右螺旋槳推進(jìn)器、以及設(shè)置在無人潛水器重心處的豎直放置的中心螺旋槳推進(jìn)器；所述重心調(diào)節(jié)模塊包括設(shè)置在無人潛水器中心的兩重心調(diào)節(jié)軸，所述重心調(diào)節(jié)軸上套裝有改變固定位置調(diào)節(jié)橫向重心以及改變質(zhì)量來調(diào)節(jié)縱向重心的重心調(diào)節(jié)塊。

進(jìn)一步，所述主艙包括透明管罩和兩側(cè)端蓋，兩側(cè)端蓋使用雙O型密封圈，所述端蓋外圈上有螺紋孔，通過螺栓與側(cè)面支撐板連接，兩側(cè)面連接板之間通過螺紋桿固定連接，所述端蓋中心的通孔安裝有用于無刷電調(diào)與推進(jìn)器連接的水密連接器，所述端蓋內(nèi)圈通過連接件與固定架固定連接。

進(jìn)一步，所述主艙內(nèi)的第一電子設(shè)備包括實(shí)現(xiàn)信號采集及控制并與無人船通過信號線傳輸信號的第一主控電路板、用于測量外部水壓進(jìn)而換算得到無人潛水器所在深度的深度計(jì)、用于測量載體三軸加速度和角速度的第一慣性傳感器和用于實(shí)時測量運(yùn)動姿態(tài)和航向角的第一電子羅盤；所述第一電源控制設(shè)備包括備用的3S鋰電池組和第一電源控制板。

進(jìn)一步，所述攝像頭安裝在云臺上與控制其開關(guān)的主控電路板連接，所述云臺包括在安裝在固定架上的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)、連接板和固定在連接板上的俯仰舵機(jī)。

進(jìn)一步，所述無人船包括船體，所述船體是由中心的船艙和兩側(cè)的片體連接組成的雙體船結(jié)構(gòu)，所述船艙內(nèi)安裝有航行控制用的第二電子設(shè)備、無線通訊設(shè)備、第二電源控制設(shè)備以及視頻圖像傳輸設(shè)備，所述片體的船艉兩側(cè)分別安裝有左螺旋槳航行推進(jìn)器和右螺旋槳航行推進(jìn)器，所述船體甲板上安裝有增加續(xù)航時間的太陽能電池板，所述太陽能電池板通過船艙內(nèi)的光伏電壓控制器與供電電源連接，所述船艙的船艏安裝有船載攝像頭。

進(jìn)一步，所述船艙內(nèi)的第二電子設(shè)備包括第二主控電路板、第二慣性傳感器、第二電子羅盤，所述無線通訊設(shè)備包括數(shù)據(jù)傳輸器，所述第二電源控制設(shè)備包括主用3S鋰電池組和第二電源控制板，所述視頻圖像傳輸設(shè)備包括信號解調(diào)器、圖傳發(fā)射器和水密天線，所述信號解調(diào)器與無人潛水器連接將視頻信號傳給圖傳發(fā)射器，水密天線由底部固定件、天線罩子和安裝其內(nèi)部的無線通信天線、天線頂部蓋子和安裝其內(nèi)部的GPS天線組成。。

進(jìn)一步，所述第一主控電路板和第二主控電路板均采用超低功耗的

STM32L152處理器作為主控芯片，各個模塊采用由相應(yīng)電源控制板控制的分區(qū)供電模式，根據(jù)相應(yīng)功能的需要，對其進(jìn)行供電。當(dāng)設(shè)備不需要工作時，處于低功耗模式以節(jié)約電量，增加續(xù)航時間，所述的電源控制板實(shí)現(xiàn)控制各個模塊設(shè)備的通斷電以及無人船上的主用電源和無人潛水器上的備用電源切換，當(dāng)無人船上的主電源電量低于一定值時啟用備用電源，當(dāng)船上主用電源電量恢復(fù)時重新啟用，同時為備用電源充電。傳感器數(shù)據(jù)的反饋采用中斷請求機(jī)制。

進(jìn)一步，所述遙控操作控制設(shè)備是一智能電子設(shè)備或是遙控操作器和顯示設(shè)備組合的結(jié)構(gòu)，智能電子設(shè)備優(yōu)選安卓手機(jī)。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、無人船加無人潛水器組合系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的ROV，成本更低，活動范圍更大；

2、相比于傳統(tǒng)的AUV，由于無人船加無人潛水器組合系統(tǒng)可以利用太陽能供電，增加了續(xù)航時間。

3、實(shí)現(xiàn)水下探測器數(shù)據(jù)的實(shí)時回傳；

4、實(shí)現(xiàn)無人潛水器的自動收放，自動控制臍帶纜的釋放量，提高水下定位的準(zhǔn)確性；

5、可以自動回收無人潛水器。在不需要水下探測的情況下，無人潛水器附在無人船船底，兩者為一整體，可以在水面航行，待航行到目標(biāo)區(qū)域時，再將無人潛水器下放，進(jìn)行水下探測。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本實(shí)用新型的無人潛水器的立體圖。

圖3是本實(shí)用新型的無人潛水器的后視圖。

圖4是本實(shí)用新型的無人潛水器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。

圖5是本實(shí)用新型的無人潛水器的重心調(diào)節(jié)模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是本實(shí)用新型的無人船的正視立體圖。

圖7是本實(shí)用新型的無人船的仰視立體圖。

圖8是本實(shí)用新型的無人船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9是本實(shí)用新型的無人船的放線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖10是本實(shí)用新型的對接停靠裝置的結(jié)構(gòu)示意圖一。

圖11是本實(shí)用新型的對接停靠裝置的結(jié)構(gòu)示意圖二。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例來對本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說明，但并不將本實(shí)用新型局限于這些具體實(shí)施方式。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，本實(shí)用新型涵蓋了權(quán)利要求書范圍內(nèi)所可能包括的所有備選方案、改進(jìn)方案和等效方案。

參見圖1，一種無人船加無人潛水器的組合系統(tǒng)，包括位于水面的無人船70、位于水下的無人潛水器80以及遙控操作控制設(shè)備，無人船70和無人潛水器80之間通過臍帶纜35連接。無人船70上安裝有太陽能電池板44，可以充分利用能源，大幅提高續(xù)航時間；無人潛水器80的水下視頻和水下探測數(shù)據(jù)可以通過臍帶纜35傳輸至水面上的無人船80，并由無人船80通過無線通信的方式傳輸至岸基。臍帶纜35內(nèi)包含電源雙絞線和信號線，電源雙絞線傳輸調(diào)制在一起視頻信號和供電電流，信號線傳輸狀態(tài)信號、傳感器信號和控制信號。無人船與無人潛水器可以協(xié)同運(yùn)動，也可以分別單獨(dú)運(yùn)動。組合系統(tǒng)由遙控操作控制設(shè)備控制，遙控操作控制設(shè)備是一智能電子設(shè)備或是遙控操作器和顯示設(shè)備組合的結(jié)構(gòu)，智能電子設(shè)備優(yōu)選安卓手機(jī)。

如圖2-4所示，本實(shí)用新型所述無人潛水器80包括主艙3、推進(jìn)器、頂部對接裝置12和重心調(diào)節(jié)模塊10，主艙為密封艙，包括透明管罩、左側(cè)端蓋5和右側(cè)端蓋4，兩側(cè)端蓋使用雙O型密封圈13，端蓋外圈上有通孔，通過螺栓與側(cè)面支撐板連接1，端蓋中心的通孔安裝水密連接器7，端蓋內(nèi)圈通過連接件來固定固定架18，兩側(cè)面支撐板通過螺紋桿2連接固定，無人潛水器80整體為一個扁平的形狀；推進(jìn)器包括：無人潛水器80兩側(cè)有水平放置的左螺旋槳推進(jìn)器9和右螺旋槳推進(jìn)器11進(jìn)行前進(jìn)后退、拐彎及原地轉(zhuǎn)向的運(yùn)動；無人潛水器80重心處有一個豎直放置的中心螺旋槳推進(jìn)器6進(jìn)行潛浮運(yùn)動。

如圖4所示，主艙3內(nèi)安裝有航行器控制用的第一電子設(shè)備，第一電子設(shè)備包括第一主控電路板26、深度計(jì)14、第一慣性傳感器22和第一電子羅盤27，所述深度計(jì)14用于測量外部水壓進(jìn)而換算得到航行器所在的深度，第一主控電路板26實(shí)現(xiàn)無人潛水器80的信號采集及控制，通過臍帶纜35中的信號線將信號傳輸?shù)綗o人船70上，第一電子羅盤27采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速地對無人潛水器80的實(shí)時運(yùn)動姿態(tài)和航向角進(jìn)行測量，第一慣性傳感器22用于測量載體三軸加速度和角速度，用于導(dǎo)航、定位和運(yùn)動載體控制；主艙3內(nèi)安裝有第一電源控制設(shè)備，第一電源控制設(shè)備包括固定在固定架18上的備用3S鋰電池組16和第一電源控制板24；主艙3內(nèi)安裝有傳輸視頻信號的電力載波設(shè)備20，將視頻信號和電信號混合通過電源雙絞線傳輸?shù)綗o人船70上，由無人船70上的圖傳發(fā)射器到上位機(jī)方向進(jìn)行單向傳輸，而控制信號、狀態(tài)信號和傳感器信號在無人潛水器80和無人船70之間通過信號線來進(jìn)行雙向傳輸，在無人船70和上位機(jī)之間通過無人船上的數(shù)據(jù)傳輸裝置進(jìn)行雙向傳輸，狀態(tài)信號和傳感器信號在傳回上位機(jī)的同時，無人船70上第二主控電路板64接收由上位機(jī)發(fā)出的控制信號；主艙3內(nèi)安裝有無刷電調(diào)19，電調(diào)通過水密連接器7與推進(jìn)器連接；主艙3中部安裝云臺及攝像頭21，云臺包括在固定架18上的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)17、連接板23和固定在連接板上的俯仰舵機(jī)25，攝像頭21固定在云臺上，由第一主控電路板26控制攝像頭21開關(guān)；主艙3中裝有LED燈15進(jìn)行照明，由主控電路板控制26控制燈的開閉和亮度，LED燈的亮度可以四級調(diào)節(jié)；

如圖5所示，重心調(diào)節(jié)模塊10包括設(shè)置在無人潛水器80中心的兩重心調(diào)節(jié)軸29、31，所述重心調(diào)節(jié)軸29、31上均套裝有改變固定位置調(diào)節(jié)橫向重心以及改變質(zhì)量來調(diào)節(jié)縱向重心的重心調(diào)節(jié)塊。橫向重心位置通過改變前重心調(diào)節(jié)塊28固定位置來調(diào)節(jié)，前重心調(diào)節(jié)塊28套在一根橫向布置的重心調(diào)節(jié)軸29上，前重心調(diào)節(jié)塊28可以在軸上移動，通過緊定螺釘固定，縱向重心位置通過調(diào)節(jié)前后兩根軸上的重心調(diào)節(jié)塊28或30的質(zhì)量來改變。

如圖6-9所示，本實(shí)用新型所述無人船70包括船體、推進(jìn)器、放線絞盤66、編碼器43、船載攝像頭33、水密天線62和太陽能電池板44；船體采用雙體船結(jié)構(gòu)，包括中心的船艙和兩側(cè)的片體40，以及船底對接裝置50，船上甲板與船底之間用橡膠墊片39，通過螺釘固定，對接裝置采用卡位連接，與無人潛水器80對接時，無人潛水器頂部對接裝置12的凹槽和在無人船底部對接叉子對接，凹槽內(nèi)橡膠墊可以吸住對接叉子，前進(jìn)時對接更牢固，分離時只需一定力量就可以分開；片體40船艉兩側(cè)，水線以下布置船用左螺旋槳航行推進(jìn)器45和右螺旋槳航行推進(jìn)器32控制前進(jìn)后退和拐彎運(yùn)動；船甲板上安裝太陽能電池板44，利用太陽能為電池充電，增加續(xù)航時間；船艏安裝編碼器43，船載攝像頭33，滑輪軸51通過軸系軸承38與船體連接，編碼器43通過第二同步帶37和第二同步輪42與船艏滑輪軸51連接，測量放線長度，船載攝像頭33用來觀察水面情況；船艉安裝水密天線62，水密天線62由底部固定件46，天線罩子47和安裝其內(nèi)部的無線通信天線，天線頂部蓋子48和安裝其內(nèi)部的GPS天線49組成。

如圖8所示，放線絞盤66與滑環(huán)67連接，滑環(huán)67用于放線絞盤連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，旋轉(zhuǎn)的放線絞盤和固定的船艙之間電源與數(shù)據(jù)信號的傳輸，船艙內(nèi)安裝光伏電壓控制器56，控制太陽能輸入電壓，與船艙內(nèi)的主用3S鋰電池組52連接；船艙內(nèi)安裝航行器控制用的第二電子設(shè)備、無線通訊設(shè)備、第二電源控制設(shè)備以及視頻圖像傳輸設(shè)備，第二電子設(shè)備包括第二主控電路板64、第二慣性傳感器59和第二電子羅盤57，無線通訊設(shè)備包括數(shù)據(jù)傳輸器63，第二電源控制設(shè)備包括主用3S鋰電池組52和第二電源控制板61，視頻圖像傳輸設(shè)備包括信號解調(diào)器60、圖傳發(fā)射器58和GPS天線62，信號解調(diào)器60與無人潛水器80連接，將視頻信號傳給圖傳發(fā)射器58，GPS天線62安裝在船尾。

如圖8、圖9所示，本實(shí)用新型自動收放臍帶纜的放線系統(tǒng)包括纏繞臍帶纜35用的放線絞盤66、控制放線絞盤旋轉(zhuǎn)收放線的放線舵機(jī)54、測量放線長度的編碼器43，本實(shí)用新型所述的放線絞盤66通過第一同步帶53和第一同步輪55和放線舵機(jī)54連接，通過編碼器43反饋的滑輪軸51轉(zhuǎn)動角度的信號控制放線舵機(jī)54工作，通過放線舵機(jī)54控制放線絞盤66旋轉(zhuǎn)，所述臍帶纜35的一端通過滑環(huán)67與船艙內(nèi)的第二電子設(shè)備連接，其另一端繞過固定于無人船70前端的船艏滑輪36與無人潛水器80內(nèi)的第一電子設(shè)備連接，編碼器43裝在船艏，放線絞盤66與放線舵機(jī)54均在船艙內(nèi)，臍帶纜35通過小孔伸出，小孔裝有O型密封圈進(jìn)行動密封，上方裝有遮雨板41，船艏滑輪36上的安全防護(hù)罩34固定在船艏，防止臍帶纜35脫離，船艏貼有橡膠墊，減小磨損。

如圖10、11所示，本實(shí)用新型所述的對接?？垦b置，由無人船70船底對接裝置50的兩個L型對接叉子和無人潛水器80頂部對接裝置12的凹槽組成，當(dāng)無人船70和無人潛水器80對接時，系統(tǒng)收到對接指令，通過放線系統(tǒng)將臍帶纜35收回，使無人潛水器80頂部對接裝置12達(dá)到一定高度，此時，再配合臍帶纜35的收放和無人潛水器80的運(yùn)動，利用無人船70底部L型對接叉子的導(dǎo)向性，實(shí)現(xiàn)無人潛水器80頂部對接裝置12卡進(jìn)無人船70底部L型對接叉子，并由無人潛水器80凹槽內(nèi)的橡膠墊69保證對接穩(wěn)固，從而實(shí)現(xiàn)無人潛水器80依附于無人船70的下方，兩者形成一個整體可以一起移動。無人潛水器80相對無人船70向前移動，掙脫橡膠墊69的吸附力便可離開L型對接叉子，自由移動。

本實(shí)用新型所述無人潛水器80和無人船70的主控電路板均采用超低功耗的STM32L152處理器作為主控芯片，各個模塊分區(qū)供電，根據(jù)相應(yīng)功能的需要，對其進(jìn)行供電。當(dāng)設(shè)備不需要工作時，處于低功耗模式以節(jié)約電量，增加續(xù)航時間。所述的電源控制板實(shí)現(xiàn)控制各個模塊設(shè)備的通斷電以及無人船70上的主用電源和無人潛水器80上的備用電源切換，當(dāng)無人船70上的主電源電量低于一定值時啟用備用電源，當(dāng)船上主用電源電量恢復(fù)時重新啟用，同時為備用電源充電。傳感器數(shù)據(jù)的反饋采用中斷請求機(jī)制。

本實(shí)用新型工作時通過一個帶有深度計(jì)、慣性傳感器、電子羅盤和攝像頭等的無人潛水器80下潛到要求深度，通過航位推算來定位到工作地點(diǎn)，用攝像頭21把水下圖像信息傳給水面無人船70，無人船70再通過無線傳輸模塊將視頻傳輸?shù)桨痘系目刂葡到y(tǒng)，并通過回傳的圖像信息及狀態(tài)參數(shù)作為反饋，通過人機(jī)交互界面遠(yuǎn)程操控?zé)o人船及無人潛水器來觀測目標(biāo)。無人船70與無人潛水器80之間通過臍帶纜35連接，臍帶纜35內(nèi)包含電源雙絞線和信號線。

本實(shí)用新型無人船70與無人潛水器80可以協(xié)同運(yùn)動，也可以分別單獨(dú)運(yùn)動。組合系統(tǒng)由手機(jī)遙控時，手機(jī)遙控可以通過兩種模式實(shí)現(xiàn)控制，一是通過手機(jī)上控制軟件的界面上的按鈕控制無人船70和無人潛水器80的運(yùn)動，其各個控制按鈕可以分別控制無人潛水器80在水下前后移動和上浮下潛等運(yùn)動、燈光亮度以及攝像頭角度的調(diào)整，切換界面可以控制無人船的前后轉(zhuǎn)向等運(yùn)動。通過Wi-Fi遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)，可以在界面上實(shí)時監(jiān)控顯示無人潛水器80的狀態(tài)，比如無人潛水器80的位置、姿態(tài)、電池電量等；顯示自身傳感器的信息，比如實(shí)時顯示三軸加速度和角度，顯示磁力計(jì)等傳感器的讀數(shù)等；可以將監(jiān)控信息以txt或者excel格式保存，監(jiān)控信息包含了采樣時刻的時間戳；可以接收無人潛水器80上傳的視頻信息，并顯示出無人潛水器80拍攝視頻；二是通過手機(jī)軟件界面了解組合系統(tǒng)的位置情況，包括無人潛水器80位置、無人船70位置、水下畫面以及水下狀態(tài)信息等，進(jìn)行定位導(dǎo)航，組合系統(tǒng)可以自動前往目的地。控制軟件是基于socket網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，利用Android Studio編寫的。整個通信流程主要包括下位機(jī)通訊模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和上位機(jī)通訊模塊，進(jìn)行雙向通信。

組合系統(tǒng)也可以由傳統(tǒng)遙控器加顯示屏控制。顯示屏顯示無人潛水器80位置、無人船70位置、水下畫面以及水下狀態(tài)信息等，通過遙控器上的操縱桿比例調(diào)節(jié)組合系統(tǒng)的運(yùn)動。