[发明专利]一种自主水下航行器的回收方法

摘要

本发明为一种自主水下航行器的回收方法，该自主水下航行器包括耐压壳体、海底地震检波模块和多自由度推进模块；该自主水下航行器在接收到水面母船的水声返回信号后抵抗海床土壤的吸附力起飞并上浮，在上浮过程中通过海底地震检波模块和多自由度推进模块的配合作用自主调整航向，最后航行至指定区域后借助遥控潜水器(ROV)通过浸没式回收装置回到水面母船；该方法具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在回收过程中既可以自主控制运行航向，又可以自动检测出水面母船位置从而通过浸没式回收装置回到水面母船，所以该项目的探索研究对于海洋技术的进一步发展具有重要意义。

主权项

1.一种自主水下航行器的回收方法，其特征在于：所述方法分为四个过程，分别为所述自主水下航行器结构设定、所述自主水下航行器抵抗海床土壤的吸附力起飞、所述自主水下航行器自主调节航态上浮和所述自主水下航行器航行至指定区域后借助遥控潜水器(ROV)通过浸没式回收装置回到水面母船；过程一、所述自主水下航行器结构设定：所述自主水下航行器包括耐压壳体、海底地震检波模块和多自由度推进模块；所述耐压壳体由高密度耐压材料构成，为所述自主水下航行器的主体支撑部分；所述海底地震检波模块包括三分量加速度检波器、水听器和姿态传感器，所述三分量加速度检波器封装于所述耐压壳体中，并与所述耐压壳体刚性固连，提高了所述三分量加速度检波器与海底的耦合性；所述水听器固定于所述自主水下航行器的凹槽中与海水直接接触，从而确保所述水听器的声学耦合性；所述姿态传感器封装于所述耐压壳体中，用以记录所述自主水下航行器的姿态信息，即所述自主水下航行器相对于地球参考系的坐标位置；所述多自由度推进模块包括4个垂向的槽道螺旋桨推进器、4个作动器和2个纵向的槽道螺旋桨推进器，所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器按矩形四个顶点的规则布置于所述自主水下航行器的四周，提供正反双向的推力用以保持所述自主水下航行器运行的稳定性，必要时可改变所述自主水下航行器的运动姿态；所述4个作动器分别安装在所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器上，用以在所述自主水下航行器改变运动姿态时产生动作控制所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器；所述2个纵向的槽道螺旋桨推进器布置于所述自主水下航行器的两侧内部，提供纵向的推力用以推动所述自主水下航行器前进，也可通过所述2个纵向的槽道螺旋桨推进器的差速旋转提供转向力矩，推动所述自主水下航行器的转向；过程二、所述自主水下航行器抵抗海床土壤的吸附力起飞：所述自主水下航行器通过搭载的所述海底地震检波模块的所述水听器接收所述水面母船发出的水声返回信号后，所述2个纵向槽道螺旋桨推进器反向转动，产生的扭转力矩松动附着在所述自主水下航行器周围的海床土壤；同时，所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器工作产生垂向推力，使所述自主水下航行器从海床上起飞；过程三、所述自主水下航行器自主调节航态上浮：所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器工作，使所述自主水下航行器改变为竖直航态，即一种低阻力航行姿态，所述自主水下航行器在所述2个纵向的槽道螺旋桨推进器推力的作用下克服重力上浮；同时，所述海底地震检波模块的所述姿态传感器检测所述自主水下航行器的当前姿态，当所述自主水下航行器受到海流等外力影响偏离竖直状态时，通过所述4个垂向的槽道推进器的短促微调将所述自主水下航行器修正到竖直航态，具体修正航态方法如下：(1)所述海底地震检波模块的所述姿态传感器检测所述自主水下航行器的当前姿态，得到所述自主水下航行器当前姿态数据集，令所述自主水下航行器当前姿态数据集为P＝{x,y,z,α,β,γ}，其中x为所述自主水下航行器当前横向坐标值，y为所述自主水下航行器当前纵向坐标值，z为所述自主水下航行器当前垂向坐标值，α为所述自主水下航行器当前绕横向旋转的角度值，β为所述自主水下航行器当前绕纵向旋转的角度值，γ为所述自主水下航行器当前绕垂向旋转的角度值，所述自主水下航行器当前姿态数据集中的所述坐标值与所述角度值都是以地球为参考系，所述自主水下航行器当前姿态数据集与自身内置的所述自主水下航行器设定姿态数据集进行数值比较，令所述自主水下航行器设定姿态数据集为其中a为所述自主水下航行器设定横向坐标值，b为所述自主水下航行器设定纵向坐标值，c为所述自主水下航行器设定垂向坐标值，θ为所述自主水下航行器设定绕横向旋转的角度值，φ为所述自主水下航行器设定绕纵向旋转的角度值，为所述自主水下航行器设定绕垂向旋转的角度值，所述自主水下航行器设定姿态数据集中的所述坐标值与所述角度值也都是以地球为参考系，从而得出平移姿态修正因子和旋转姿态修正因子，分别用于修正所述自主水下航行器航态的平移偏差和旋转偏差，所述平移姿态修正因子的计算公式如下：其中，i＝1，2，3为所述数据集内平移数据的个数，P所述自主水下航行器当前姿态数据集，P_i为所述自主水下航行器当前姿态数据集中第i个数据的值，Q所述自主水下航行器设定姿态数据集，Q_i为所述自主水下航行器设定姿态数据集中第i个数据的值，λ为拉格朗日乘子，一般取值为0.4～0.6，T为矩阵转置符号，为所述自主水下航行器当前姿态数据集中所述自主水下航行器当前横向坐标值x、所述自主水下航行器当前纵向坐标值y和所述自主水下航行器当前垂向坐标值z的平均值，为所述自主水下航行器设定姿态数据集中所述自主水下航行器设定横向坐标值a、所述自主水下航行器设定纵向坐标值b和所述自主水下航行器设定垂向坐标值c的平均值，m为所述平移姿态修正因子；所述旋转姿态修正因子的计算公式如下：其中，i＝4，5，6为所述数据集内旋转数据的个数，P所述自主水下航行器当前姿态数据集，P_i为所述自主水下航行器当前姿态数据集中第i个数据的值，Q所述自主水下航行器设定姿态数据集，Q_i为所述自主水下航行器设定姿态数据集中第i个数据的值，λ为拉格朗日乘子，一般取值为0.4～0.6，T为矩阵转置符号，为所述自主水下航行器当前姿态数据集中所述自主水下航行器当前绕横向旋转的角度值α、所述自主水下航行器当前绕纵向旋转的角度值β和所述自主水下航行器当前绕垂向旋转的角度值γ的平均值，为所述自主水下航行器设定姿态数据集中所述自主水下航行器设定绕横向旋转的角度值θ、所述自主水下航行器设定绕纵向旋转的角度值φ和所述自主水下航行器设定绕垂向旋转的角度值的平均值，n为所述旋转姿态修正因子；(2)所述姿态传感器将所述平移姿态修正因子m和所述旋转姿态修正因子n通过综合加权计算得到4个姿态修正子因子，分别为和其中ω为修正权值系数，一般取值为0.2～0.4，所述4个姿态修正子因子通过无线通讯传给所述(前、后、左、右)4个垂向的槽道螺旋桨推进器的所述4个作动器，所述4个姿态修正子因子分别与所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器的推力呈线性关系，所以所述4个作动器接收到所述姿态修正子因子后发生动作，改变所述4个垂向的槽道螺旋桨推进器的推力，从而调整所述自主水下航行器当前姿态，使其回到所述竖直航态；过程四、所述自主水下航行器航行至指定区域后借助遥控潜水器(ROV)通过浸没式回收装置回到所述水面母船：所述水面母船发出所述水声返回信号来对所述自主水下航行器进行引导，所述自主水下航行器通过所述海底地震检波模块的所述三分量加速度检波器检测出所述水声返回信号的波形频段，然后计算出与所述水面母船之间的马氏距离，所述2个纵向槽道螺旋桨推进器根据所述马氏距离开始工作，使得所述自主水下航行器航行至所述浸没式回收装置前方的检索范围内，所述遥控潜水器(ROV)在所述水面母船工作人员的操作下将所述自主水下航行器逐个推入所述浸没式回收装置，然后将含有所述自主水下航行器的所述浸没式回收装置从水中提升至所述水面母船的甲板上。