可搭载和回收无人机的自主水下航行器及无人机回收方法与流程

本发明涉及海洋技术观测设备领域，具体涉及一种可搭载和回收无人机的自主水下航行器及无人机回收方法。

背景技术：

随着国家海洋开发战略地位的提出，海上人、财、物的流动急剧增加，海上犯罪活动非常突出，严重危害了海上治安秩序。同时，随着国际形势的日趋严峻，我国需要加强对海域的保护和监测。此外，海洋武器在水中战场中的作用已经发生了明显的改变，被越来越多地应用于近海海域来支援联合作战，然而对于常规海洋武器来说，体积大等特点导致其很容易被对方发现和攻击，这无疑增加了成本昂贵的海洋武器的风险。

因此我们需要无人驾驶系统到传统海上力量无法到达的地方收集信息，无人水下航行器和无人机就此脱颖而出。而目前，国内外尚未有关于针对海空通用观测器成熟应用的报道。在现有的系列无人水下航行器中，传统水下航行器在市面上的占比较高，如自主式水下航行器、遥控水下航行器。但传统的水下航行器存在着对水上环境观测能力不足、观测范围局限、对环境扰动大、运动灵活性较差等问题，这些问题限制了水下航行器的应用范围。而两栖无人机在国内外都处于最初的研究阶段，存在着制造难度高、续航能力严重不足、不能完成多点观测等物体，这些问题限制了无人机的应用范围。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：为解决上述难题，本发明提供了一种可搭载和回收无人机的自主水下航行器及回收无人机的方法，将水下航行器与无人机结合。水下航行器(搭载无人机)到达指定区域，实现无人机定点投放，无人机探测完毕后，水下航行器进行定点回收，由此实现水下自主潜行和水面上自主收放无人机的功能。然后水下航行器可以继续接收指令，执行下一个探测任务。这样实现了多范围探测、多域探测，以便全面、高效地执行探测任务。另外，考虑到无人机的续航能力，为此在水下航行器回收舱内部设有无线充电区域，保证无人机有足够的续航能力，从而能够在一定时间内完成多次任务。

本发明的技术方案是：可搭载和回收无人机的自主水下航行器，包括头段1、第一电池舱2、前辅推段3、控制舱8、后辅推段7、电池舱8、天线9和主推段10；其特征在于，还包括回收舱4，且回收舱4位于前辅推段3和控制舱8之间；

所述回收舱4包括前舱11、中舱12、后舱14、舱门机构、抽水设备16、浮力件17、电子密封舱结构、无线充电装置24和识别模块；前舱11与前辅推段3连接，后舱14与控制舱8连接，前舱11和后舱14中装有舱门机构；中舱12内部为空腔，电子密封舱结构位于空腔底部，电子密封舱结构上设有浮力件17，浮力件17上设有无线充电装置和识别模块；电子密封舱结构两侧和中舱12侧壁之间隔有浮力件17；抽水设备16位于中舱12外侧；无人机位于无线充电装置和识别模块上，完成投放、回收和充电。

本发明进一步的技术方案是：所述舱门机构包括防水电机20和减速器22，由防水电机20带动减速器22，再由减速器22带动回收舱的舱门，实现舱门开合。

本发明进一步的技术方案是：所述无线充电装置24包括无线充电器和环状电磁铁，其中环状电磁铁用于无人机的固定装置吸附。

本发明进一步的技术方案是：所述识别模块包括信号灯19和二维码薄片18，信号灯19与浮力件17固连，二维码塑料薄片与无线充电器固连。

本发明进一步的技术方案是：所述信号灯19通过现有视觉识别技术，进行无人机方向定位；当摄像头识别到四个信号灯时，计算信号灯与提前设定好的信号灯的位置的角度的偏差，通过计算出的角度差，从而控制无人机的方向。

本发明进一步的技术方案是：所述电子密封舱结构包括电子密封舱端盖25和电子密封舱舱体26，电子密封舱端盖25置于电子密封舱舱体26上，二者之间形成空腔，内部装有gps和控制电路板，gps用来和无人机进行相互定位，辅助水下航行器对无人机13进行回收；控制电路板用于控制无人机的运动。

本发明进一步的技术方案是：所述中舱12中放置的无人机包括无刷电机及螺旋浆27、电子密封舱25、机身本体29、无人机电子密封舱30、通讯模块30和观测机构28；机身本体26下方设有无人机电子密封舱30，无人机电子密封舱30下方设有电磁铁33和充电机构34，电磁铁33吸附于充电装置的环状电磁铁上，充电机构34和无线充电器相配合进行充电；四角各连有无刷电机及螺旋浆27，机身本体29上方设有通讯模块30，通讯模块由gps和无线装置组成，gps用于无人机的定位，无线装置负责将无人机执行任务时收集到的信息发送到航行器上，侧面设有观测机构28，由微型摄像头构成，当无人机起飞执行任务时，摄像头负责监测水面上的情况；当无人机进行回收时，摄像头负责识别航行器回收舱中的信号灯和二维码；当无人机降落回航行器回收舱内时，通讯模块的无线装置将记录到水面上的信息发送到航行器上。

本发明进一步的技术方案是：所述头段1、第一电池舱2、前辅推段3、回收舱5、控制舱8、后辅推段7、第二电池舱8、天线9和主推段10依次连接，且前辅推段3和后辅推段7内设有推进器4。

本发明进一步的技术方案是：一种可搭载和回收无人机的自主水下航行器的无人机回收方法，包括以下步骤：

步骤1：自主水下航行器搭载无人机航行至指定地点，水下航行器导航系统产生电信号1发送至航行器控制舱中的主控制机构，控制机构接收电信号1后，控制推进器将航行器浮至水面；

步骤2：控制机构检测到航行器此时深度为0，控制舱门机构将舱门打开，控制机构再向无人机发出无线信号1；

步骤3：无人机接收到无线信号1，无人机启动，飞出回收舱，由无人机观测装置测量高度，当高度满足后无人机向航行器无线接收器发出无线信号2；无线接收器接收到无线信号2后，向航行器控制机构发送电信号2；

步骤4：控制机构接收电信号2后，控制舱门机构将舱门闭合并控制推进器将航行器下潜至水面以下；

步骤5：水下航行器和无人机同时在规定区域执行探测任务，任务执行完毕后，在指定地点进行回收。当航行器到达该地点，航行器导航系统产生电信号3，发送到航行器控制机构，控制机构接收电信号3后，控制推进器将航行器浮至水面，此时控制机构检测到此时深度为0，控制舱门机构将舱门打开；无人机利用视觉技术和gps回到航行器回收舱上方，再利用航行器的信号模块进行精确定位，从而实现无人机的回收；回收后，充电板进行充电，电磁铁吸附后会产生电信号4发送给航行器控制机构；

步骤6：航行器控制机构接收到电信号4，控制舱门机构和推进器：将舱门关闭，航行器下潜，然后向下一个任务点前进，执行下一个探测任务。

发明效果

本发明的技术效果在于：

1、本发明采用水下航行器与无人机组合探测的方式，将水下航行器作为无人机的搭载平台。传统的水下航行器无法有效的同时观测到水上和水下的动态，而两栖无人机无法在短时间内进行多点探测且续航能力严重不足。本发明将两者合二为一，利用水下航行器自主航行无人机空中飞行的灵活性实现水陆两栖的大范围探测，机动性能强，便于随时探测，满足测绘等领域的及时性需求。

2、本发明利用gps定位和视觉识别技术，无人机可自主回到航行器平台。先利用gps定位技术将两者的位置规划至一定的范围内，再利用视觉识别技术，无人机准确的置于水下航行器回收舱停机台的正上方，从而进行降落。

3、本发明的自主水下航行器的回收舱可以对无人机进行无线充电。传统的两栖无人机一般采用太阳能充电，充电效率低且受环境影响大。本发明利用回收舱无线充电的方式对无人机进行充电，充电效率高，受环境影响小，并且可在短时间内执行多次任务，提高了任务执行率。

4、本发明的无人机可在近水面区域通过wifi近距离向水下航行器进行数据传输，再由水下航行器向外将数据传出，可减少无人机的载重，降低能耗。

5、本发明的无人机回收后，水下航行器的回收舱使用电磁铁吸附，能够很好地增加无线充电的效率和无人机在舱内的稳定性。

6、本发明隐蔽性较强，水下的自主航行保证了行动的隐蔽，无人机随时起降满足了即时探测信息的需求，可以实现单点投放、多点测量，扩大了两栖无人机的应用范围，在远洋监测有广阔的应用前景。

7、本发明轻巧的设计、灵活的用途和多样性的功能使其可满足多个领域的需要，为其他发明和设计提供新思路。

附图说明

图1自主水下航行器的三维结构示意图

图2自主水下航行器的主视示意图

图3自主水下航行器(搭载无人机)的回收舱(舱门打开)的三维结构示意图

图4自主水下航行器回收舱(舱门打开)的三维结构示意图

图5自主水下航行器回收舱(舱门打开)的正视半剖示意图

图6自主水下航行器回收舱(舱门打开)的俯视示意图

图7自主水下航行器回收舱(舱门打开)的右视半剖示意图

图8减速器结构示意图

图9舱门机构结构示意图

图10无人机的三维结构示意图

图11无人机的右视示意图

图12无人机的仰视示意图

图13本发明方法步骤1示意图

图14本发明方法步骤2示意图

图15本发明方法步骤3示意图

图16本发明方法步骤4示意图

图17本发明方法步骤5示意图

图18本发明方法步骤6示意图

附图标记说明：1-头段；2-电池舱1；3-前辅推段；4-推进器；5-回收舱；6-控制舱7-后辅推段；8-电池舱2；9-天线；10-主推段；11-前舱；12-中舱；13-无人机14-后舱；15-舱门；16-抽水设备；17-浮力件；18-二维码塑料薄片；19-信号灯；20-防水电机；21-电机固定板；22-减速器；23-减速轴固定板；24-无线充电装置；25-电子密封舱端盖26-电子密封舱舱体；27-无刷电机及螺旋桨；28-观测机构；29-机身本体；30-通讯模块；31-电子密封舱(无人机)端盖32-电子密封舱(无人机)舱体33-电磁铁；34-充电机构

具体实施方式

参见图1—图18，所述水下航行器是在本发明人团队自主研发的水下航行器“鱼小雷”基础上改进的一款水下航行器，主要由头段、前辅推段、回收舱、电池舱、后辅推段、控制段、天线、主推段组成。由于该水下航行器的头段、主推段、辅推段、电池舱、控制段以及天线都为公知部件且连接方式较为普遍。

所述水下航行器回收舱主要由舱身本体、浮力件、电子密封舱(auv)、舱门机构、无人机识别模块、充电装置以及抽水装置组成。舱身本体，所述舱身本体采用铝合金材料，分为前、中、后三个舱体，三个舱体外型为圆柱体，并且同轴心，前、后舱主要负责舱门的打开和闭合，中舱负责无人机的投放、回收和充电；浮力件，采用聚氨酯材料，可通过所需填充的空间自行打磨，聚氨酯材料密度小，浮力大，同时在舱内起到填充和固定其他装置的作用；舱门机构，包括舱门、减速器、电机、减速器固定板组成，减速器通过减速器固定板固定在前舱/后舱，减速器一端连接电机，另一端连接舱门，由电机带动减速器，再由减速器带动舱门实现舱门开合；舱门采用尼龙材质，电机采用防水电机，由于电机转速较高，用电机直接控制舱门开合较为困难，因此通过减速器将电机和舱门连接起来，能够更好的控制舱门的开合；无人机识别模块，包括信号灯和二维码薄片，当无人机识别二维码时，通过现有视觉识别技术，会识别出二维码的尺寸大小和二维码的位置，通过与实验数据进行比对，可大致估算出当前无人机的高度和位置，然后计算出当前的高度和位置与提前设定好无的高度和位置之间的高度差和位置差，从而控制无人机的高度和位置。信号灯直接粘贴在浮力件上即可，四个信号灯分别位于正方形的四个顶点，颜色为一蓝三绿，通过现有视觉识别技术，进行无人机方向定位，二维码塑料薄片直接粘贴在无线充电器正上方，通过无人机识别二维码来计算无人机的高度和位置；电子密封舱(auv)，电子密封舱(auv)端盖动密封安装橡胶o形圈国家标准密封，采用铝合金材料，可以浸泡在水下工作，里面装有gps、电路板，gps用来和无人机进行相互定位，辅助无人机的回收；充电装置，包括无线充电器和环状电磁铁，电磁铁内部套着无线充电器，本装置采用无线充电器充电的方式，和无人机的充电模块近距离接触进行充电，无线充电器采用市面可购买到的无线充电器即可，充电装置外圈设有电磁铁，电磁铁和无人机的固定装置吸附，起到固定无人机的作用，增加无人机在回收舱内的稳定性；抽水装置，采用市面上可购买到的小型抽水机，抽出舱体内进入的海水，使舱体内的水保持在一定刻度以下。

所述无人机由机身本体、无人机部、电子密封舱(无人机)、控制机构、电源机构、观测机构、通讯模块、充电机构、充电固定机构组成。机身本体，所述机身本体为圆形碳纤维板，碳纤维板前端固定连接观测机构；无人机部，所述机身本体碳纤维板圆周四等分点固定连接碳纤维机臂，所述碳纤维机臂固定连接无人机部；电子密封舱(无人机)，所述电子密封舱(无人机)采用铝合金材料，外型为圆柱体，固定在碳纤维板下方，内部用于放置控制机构、电源机构，电子密封舱(无人机)端盖动密封安装橡胶o形圈国家标准密封；控制机构，所述控制机构固定内置于所属电子密封舱(无人机)的上部；电源机构，所述电源机构固定内置于所属电子密封舱(无人机)的下部；观测机构，所述观测机构通过螺丝固定连接于圆形碳纤维板前端；通讯模块，所述通讯模块粘贴固定连接于圆形碳纤维板中心，连接所述控制机构和所述电源机构；充电机构，所述充电机构直接粘贴在电源机构底部，直接和水下航行器回收舱充电板接触，进行充电；充电固定机构，所述充电固定机构置于电子密封舱底部，与充电机构同轴心，直接和水下航行器回收舱电磁铁接触，起到固定无人机的作用，增加无人机在舱内的稳定性。

所述水下航行器回收舱主要由舱身本体11/12/14、浮力件17、电子密封舱(auv)25/26、舱门机构15(图9)、识别模块18/19、无线充电装置24以及抽水设备16组成。舱身本体采用铝合金材料由前舱11、中舱12、后舱14组成，三个舱体通过螺丝连接，三个舱体外型均为圆柱体；前舱11与后舱14内部装有舱门机构15(图9)，后舱正下方放置抽水装置16；中舱12内部放置浮力件17、无线充电装置24、无人机识别模块18/19、电子密封舱(auv)25/26；抽水装置16采用小型抽水机，抽出中舱12内进去的海水，使舱体内的水分保持在一定的刻度以下；浮力件17外形呈不规则形状，其主要材料为聚氨酯，可通过所需填充的空间自行打磨，在舱内起到填充和固定电子密封舱的作用；舱门机构主要是由防水电机20、减速器22配合控制，由电机带动减速器，再由减速器带动舱门实现舱门开合；充电装置24，包括无线充电器和环状电磁铁，电磁铁内部套着无线充电器，本装置采用无线充电器充电的方式，和无人机的充电模块近距离接触进行充电，无线充电器采用市面可购买到的无线充电器即可，充电装置外圈设有电磁铁，电磁铁和无人机的固定装置吸附，起到固定无人机的作用，增加无人机在回收舱内的稳定性；电子密封舱(auv)25/26，采用铝合金材料，电子密封舱(auv)端盖动密封安装橡胶o形圈国家标准密封采用铝合金材料，可以浸泡在水下工作，里面装有gps、电路板，gps用来和无人机进行相互定位，辅助水下航行器对无人机13进行回收。

所述无人机13由机身本体29、无人机部、电子密封舱(无人机)31/32、控制机构、电源机构、观测机构28、通讯模块30、充电机构34、充电固定机构磁铁33组成。机身本体，所述机身本体为圆形碳纤维板，碳纤维板前端固定连接观测机构；无人机部，所述机身本体碳纤维板圆周四等分点固定连接碳纤维机臂，所述碳纤维机臂固定连接无人机部；电子密封舱31/32采用铝合金材料，外型为圆柱体，固定在碳纤维板下方，用于放置控制机构、电源机构(将控制机构与电源机构放在一起，减少密封舱的数量，有效的降低了无人机的载重)，电子密封舱端盖动密封安装橡胶o形圈国家标准密封；控制机构固定内置于所述电子密封舱上部；电源机构固定内置于所述电子密封舱下部，装有动力电池；观测机构28固定连接于圆形碳纤维板前端，用于探测和识别；通讯模块30固定连接于圆形碳纤维板中心，内置gps和无线装置，gps用于无人机的探测与定位，无线装置负责将无人机执行任务时收集到的信息发送到航行器上，通讯模块30连接所述控制机构和所述电源机构；充电机构3直接粘贴与电子密封舱31/32底部圆形槽内，直接和水下航行器回收舱充电装置24接触，进行充电；充电固定机构磁铁33粘贴于电子密封舱31/32底部沟槽内，直接和水下航行器回收舱电磁铁接触，起到固定无人机13的作用，增加无人机13在舱内的稳定性。

附图13-图18介绍了本发明中自主水下航行器(搭载无人机)的工作流程，以下对附图13-图18进行详细讲述：图13：自主水下航行器搭载无人机航行至指定地点，水下航行器导航系统产生电信号1发送至航行器控制舱中的主控制机构，控制机构接收电信号1后，控制推进器将航行器浮至水面；图14：控制机构检测到航行器此时深度为0，控制舱门机构将舱门打开，控制机构再向无人机发出无线信号1；图15：无人机接收到无线信号1，无人机启动，飞出回收舱，由无人机观测装置测量高度，当高度满足后无人机向航行器无线接收器发出无线信号2；无线接收器接收到无线信号2后，向航行器控制机构发送电信号2；图16：控制机构接收电信号2后，控制舱门机构将舱门闭合并控制推进器将航行器下潜至水面以下；图17：水下航行器和无人机同时在规定区域执行探测任务，任务执行完毕后，在指定地点进行回收。当航行器到达该地点，航行器导航系统产生电信号3，发送到航行器控制机构，控制机构接收电信号3后，控制推进器将航行器浮至水面，此时控制机构检测到此时深度为0，控制舱门机构将舱门打开；无人机利用视觉技术和gps回到航行器回收舱上方，再利用航行器的信号模块进行精确定位，从而实现无人机的回收；回收后，充电板进行充电，电磁铁吸附后会产生电信号4发送给航行器控制机构；图18：航行器控制机构接收到电信号4，控制舱门机构和推进器：将舱门关闭，航行器下潜，然后向下一个任务点前进，执行下一个探测任务。

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