[发明专利]一种水下航行器与接驳站的对接方法

说明书

本发明公开了一种水下航行器与接驳站的对接方法，其采用了融合惯性导航、声学传感器、视觉传感器为一体的技术，不但保留了惯性导航的工作范围远等特点，并且能通过声学导航去除惯性导航的累计误差，同时通过视觉传感器提高精度，最终极大的提升了回坞成功率。此外本发明针对水下航行器入坞前航行过程中可能出现的各种突发情况进行了处理，避免对航行器本身和接驳站造成损坏。接驳系统按本发明流程的机制运行，可以保证系统较高的对接成功率、安全性和对接可靠性，提升了对接流程的鲁棒性。

技术领域

本发明属于水下智能机器人导航控制技术领域，具体涉及一种水下航行器与接驳站的对接方法。

背景技术

海洋占地球表面的71％，蕴藏着丰富的海洋生物资源、矿物资源和能源，是人类社会可持续发展的重要财富。现代海洋开发为人类带来巨大经济效益的同时，也带来了各种生态环境的问题，因此对海洋环境进行长期、及时、可靠的观测，是极其重要的。

目前海洋观测的手段主要有以下几种：(1)是基于遥感卫星的观测，该方式可以长时间、大范围且实时的对海洋表面进行观测，但无法观测海洋内部环境。(2)是基于舰船上吊放仪器进行海洋观测，该方式效率低、耗费大、安全性差且覆盖范围极小，但是精度较高。(3)是基于海底观测网进行静态观测，该方式能对部分海域进行长期、实时的观测，但是由于观测网中节点是静止不动的，因此观测范围有限。

水下无人航行器(Unmanned Underwater Vehicle，以下简称UUV)集传感、通信、导航、控制、能源、推进等技术于一体，是近二十年来国际海洋工程领域发展的尖端技术之一。目前常见的UUV有：AUV、ROV、混合型等等，其可以通过搭载各种探测传感器，可以在海洋三维空间内进行动态数据采集，包括盐度、温度、深度，浊度、海流、叶绿素、溶解氧浓度等。但是UUV受到自身携带能量(电量、燃料量等)的限制，使得其无法进行长时间、大范围的水下观测。同时，由于目前尚无可靠的水下远距离高速数据传输技术，UUV的观测得到的数据通常需要在回收后才能获得，上述的问题极大的限制了UUV的应用范围。此外，布放和回收UUV也需要消耗大量的人力物力，使得其应用成本和安全风险大大增加。

UUV作业后自主回到接驳站进行能源补充、交互数据、接受新的任务或进行检查维护、避险，正是解决这问题的有效方案，成为国内外UUV研究的重要方向之一，接驳站可以坐底接在海底观测网上、也可以是安装在运动平台上(比如深海空间站、潜艇/舰船等)，通过UUV与接驳站对接，可以提升海洋观测、作业/作战系统的立体高时空作业或协同作战的能力。

水下对接技术是一个综合性非常强的技术，包括了从接驳站的技术方案、航行器的配套设计方案、自动化导航控制方案技术、对接流程等一系列技术；对接流程主要包括了航行器回到接驳站进行对接的回坞过程、航行器离开接驳站的出坞过程等方面。

目前主流的接驳站设计有开口状的接驳系统，而对接导航技术主要有三类：(1)惯性导航/航位推算，优点为工作范围长、数据连续，缺点是随时间增加累计误差会越大。(2)声学导航，优点为不存在时间累计误差，但是数据更新慢、作用距离有限。(3)地球物理导航又称即时定位于地图构建(简称SLAM)方法，优点为精度高、更新速度快，缺点为作用距离太短。而对接导航的传感器主要有三种：声学传感器、光学传感器、电磁传感器。

UUV通常是个欠驱动系统，因此运动是受限的，如何在这样的运动模式下合理规划对接流程、提高对接成功率是非常重要的。同时由于海洋环境复杂多变，航行器在自动化对接过程中可能会遇到各种突发情况，如惯性导航累计误差过大、声学导航失效、SLAM作用距离不够、海水深度变化等导致对接失败，对UUV和接驳站都有可能造成物理损伤。

发明内容

鉴于上述，本发明提出了一种水下航行器与接驳站的对接方法，接驳系统按该流程的机制运行，可以保证系统较高的对接成功率、安全性和对接可靠性，同时该流程考虑了各种突发情况与异常情况，提升了对接流程的鲁棒性。