用于海面漂流态UUV回收的柔性捕获装置与方法

本发明涉及uuv回收，尤其涉及一种用于海面漂流态uuv回收的柔性捕获装置与方法。

背景技术：

1、无人潜航器(unmanned underwater vehicle，uuv)是无人驾驶、靠遥控或自动控制在水下航行的器具。常见的uuv类型主要有自主式水下航行器(auv)、水下滑翔机、剖面机器人、浮标、鱼雷等，它们能够在水下水平、倾斜甚至垂直运动。

2、开展uuv海上作业任务，需要将uuv进行布放与回收。通过布置水下坞站来自主导引uuv回收是目前一种较为成熟的方法，然而大多数工况下，人们无法设置水下坞站，这要求舰船在海面直接对uuv进行捕获回收，并需要船员或者蛙人离开甲板到海里进行套绳、挂锁等操作，在3级及以上海况下十分危险，人员的安全难以保证。

3、除了安全风险外，如何给uuv套绳亦是一个技术难题。首先，许多uuv的外部结构没有挂钩，绳子没有打结点；其次，对于浮标等垂直态机器人，它们在正浮力作用下仅露出水面几厘米至十几厘米，大部分结构位于水下，这一特性使得人员必须潜到水下开展套绳和挂钩等动作，操作难度极大；此外，在白天亮光较强时，uuv顶部的信号灯难以识别，仅靠肉眼无法识别寻找uuv，卫星或电台定位受海况、距离、天气等因素影响，可靠性无法保证；像浮标、滑翔机、剖面仪等水下机器人通常无推进器，上浮到海面后就处于漂流态，一旦没有及时打捞，就有可能漂至几公里外，极大降低了海上回收作业效率。

4、公开号为cn 109911124 a的中国专利问下公开了基于柔性臂的usv水面回收uuv的回收装置，包括回收控制模块、油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带和悬挂摆臂装置，所述回收控制模块设置在usv的船仓内，所述悬挂摆臂装置一端设置在usv上甲板上，另一端与液压充油装置连接，所述液压充油装置中心位置设置有一辊轮，所述柔性捕获带卷曲在辊轮上，所述油路控制单元设置在液压充油装置上；所述回收控制模块与油路控制单元、液压充油装置、柔性捕获带依次连接，同时，所述回收控制模块还与悬挂摆臂装置连接。该回收装置仅适用于回转体型uuv的回收。

5、综合上述背景分析可知，目前亟需一种能够适用于海面漂浮态、多姿态uuv的海面捕获回收装置及方法。

技术实现思路

1、本发明提供了一种用于海面漂流态uuv回收的柔性捕获装置与方法，该柔性捕获装置能够进行姿态翻转、远程操控、移动，并且能够捕获抓取不同姿态的uuv，确保在海上实现uuv可靠回收，确保人员的安全。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种用于海面漂流态uuv回收的柔性捕获装置，包括：

4、底板；

5、柔性限位单元，安装于底板上，用于缓冲uuv的冲击并对捕获的uuv进行限位；

6、锁定单元，用于固定捕获的uuv，包括两相对设置的柔性固定爪，所述的柔性固定爪与安装于底板上的底座转动连接，由驱动电机调节柔性固定爪与底座之间的转动角度；

7、监控单元，用于监控各部件运动状态以及uuv回收情况，并传输给控制单元；

8、探测单元，用于探测uuv的方位，并传输给控制单元；

9、推进单元，包含水平方向推进器和垂直方向推进器；

10、姿态调整单元，用于装置的姿态调整；

11、控制单元，设置在母船上，通过水密通信电缆连接柔性捕获装置的各部件，用于响应控制指令，根据监控单元和探测单元的信号驱动各部件执行动作，完成uuv回收。

12、优选的，所述的底板上设置有吊环。所述吊环用于装置在海上工作时的布放和回收。吊环最高点高于装置张开柔性抱爪后的重心位置。

13、所述的吊环有多个，沿底板长度方向的两侧对称均匀分布。

14、所述的柔性捕获装置还包括至少两套吊装绳系，一套绳系与水密通信电缆捆绑，绳索上分布安装有浮球；另一套绳系安装在所述的吊环上，绳索上安装有浮球，浮球底部通过电磁铁吸附一次性重块，可远程操控电磁铁释放重块。

15、至少两套吊装绳系，一套与水密通信电缆捆绑，作为通信电缆的安全绳避免通信缆受力，绳上分布式安置浮球，确保通信缆和安全绳浮于水面。另一套绳索用于安装在装置的吊环上，并且绳索上安装有浮球，浮球底部通过电磁铁吸附一次性重块，可以远程操控电磁铁控制重块的释放。

16、优选的，所述的柔性捕获装置还包括：

17、捕获单元，包括两相对设置的柔性抱爪，所述的柔性抱爪与安装于底板上的底座转动连接，由驱动电机调节柔性抱爪与底座之间的转动角度。

18、捕获单元与锁定单元结构相似，所述的柔性抱爪和柔性固定爪包括外侧的刚性折弯支撑结构与内侧的柔性气囊，柔性抱爪和柔性固定爪均向内侧弯曲，柔性抱爪尺寸大于柔性固定爪的尺寸，工作时柔性抱爪在驱动电机驱动下将uuv环抱至柔性固定爪的锁定范围，便于柔性固定爪锁定捕获的uuv。

19、所述的柔性限位单元为柔性网，用于缓冲uuv在垂直网面方向上的冲击，并对uuv进行限位，配合柔性抱爪进行uuv捕获。

20、优选的，在底板的长度方向上至少设置两组锁定单元。

21、优选的，在底板的长度方向上至少设置两组捕获单元。

22、优选的，所述的底座为v型块。v型块可适应不同直径的uuv，便于uuv的固定，具有一机多用的优势。v型块与uuv接触的一侧均设置有柔性材料。所述的柔性材料可以为泡沫海绵、柔性气囊等。

23、所述的监控单元为摄像机。

24、所述的探测单元为多波束成像声呐，用于探测uuv的方位，辅助母船上操作人员搜索uuv，提升浑浊海域装置的探测能力。根据所需捕获的uuv姿态，布放前调整声呐的成像方位。

25、所述的推进单元包含水平方向推进器和垂直方向推进器两种，分别用于装置水平和垂直状态时的推进运动；在倾斜状态时，亦可进行两个方向推进器的联动控制。

26、优选的，所述的姿态调整单元包括：

27、滑轨，沿底板长度方向布置；

28、重心调整块，滑动安装在滑轨上；

29、电子罗盘，实时检测装置的姿态信息并传输给控制单元；

30、驱动机构，用于驱动重心调整块在滑轨上滑动；

31、控制单元根据电子罗盘获取的姿态信息，通过驱动机构调整重心调整块的位置，从而调整装置的姿态。

32、重心调整块安装于装置底部的滑轨上，通过驱动机构调整重心调整块的位置实现装置整体质心的调节，最终在浮力和重力的弯矩作用下，装置完成姿态调整。

33、优选的，驱动机构通过滚珠丝杆传动。

34、所述的柔性捕获装置还包括电源，为各部件供电。

35、装置的电路、电源设置在重心调整块的密封腔体内。

36、本发明还提供了基于所述的柔性捕获装置回收海面漂流态uuv的方法，包括：

37、(1)通过水密电缆连接母船上的控制单元和柔性捕获装置的各部件，通过吊装绳系将柔性捕获装置布放至海面作业区域；

38、(2)监控单元和探测单元向母船操作人员实时反馈柔性捕获装置的监控信号和uuv的探测信号，母船操作人员根据待捕获uuv的姿态对柔性捕获装置的姿态进行调整；

39、(3)调整姿态后，向估计的uuv方位航行，同时通过监控单元和探测单元联合搜寻uuv；在uuv前方约10-30m处时张开柔性抱爪和柔性固定爪，做好捕获准备；

40、(4)当uuv进入柔性抱爪可捕获范围内时，闭合柔性抱爪对uuv进行限位，并将柔性抱爪逐渐收拢直至uuv进入柔性固定爪可捕获范围，再驱动柔性固定爪锁紧uuv，完成uuv捕获；

41、(5)将柔性捕获装置的姿态调整至水平状态，拉回母船边；通过吊装绳系将柔性捕获装置和捕获的uuv回收至母船。

42、步骤(1)中，通过吊装绳系将柔性捕获装置布放至海面作业区域包括：在母船甲板上，预先将一根绳索穿过装置一侧的吊环孔，绳头打结形成打结孔，在打结处捆绑一个末端带浮球的绳子，该浮球底部安装有吸附着重块的电磁铁；装置另一侧进行同样的操作；母船通过一根吊绳穿过两个打结孔，将吊绳挂在吊机上进行装置布放，装置布放到水面后，抽走吊绳。

43、浮球在重块的作用下沉于装置的下方，避免浮球的绳子干涉抱爪和固定爪的翻转动作。

44、步骤(3)中，张开柔性抱爪和柔性固定爪后，进一步调整装置姿态，将柔性捕获装置和uuv的姿态偏差保持在20°的范围内。

45、步骤(5)包括：将柔性捕获装置的姿态调整至水平状态，通过水密通信电缆的安全绳将装置拉回母船边，接着通过指令将浮球底部的重块释放，浮球浮上水面，通过工装将浮球勾至母船甲板上，并将浮球绳捆绑于母船吊机，进而通过吊机将柔性捕获装置与uuv联合回收至母船甲板。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

47、(1)本发明的柔性捕获装置能够调整自身的质量分布，进而变化自身姿态来适应不同姿态uuv的捕获；

48、(2)本发明的柔性捕获装置能够通过抱爪、柔性网的联合作用，在海面波浪影响下进行uuv捕获，同时能适应较大的位置偏差。并且，通过固定爪可锁紧不同直径的uuv，克服了uuv外部无挂钩难以捕获的难题；

49、(3)本发明的海面uuv捕获回收方法，不需要人员离开母船就可完成，提高了海上作业效率，降低了人员的安全风险。