一种海洋移动捕获装置及其工作方法

1.本发明涉及海上无人系统回收领域，具体地说是涉及一种用于海上无人系统回收的海洋移动捕获装置，以及该捕获装置的工作方法。


背景技术：

2.随着科学技术的迅速发展和对无人系统认识的不断深入，海洋观测与探测越来越多的以海上无人系统为主。目前的海上无人系统主要分为有动力型和无动力型，其中有动力型搭载螺旋桨等动力装置，可以自由移动，例如无人船艇、水下航行器、机器人等；无动力型没有动力单元，自身没有自主运动的能力，例如水面浮标、潜标、表面漂流设备等。
3.虽然海上无人系统在海洋观测与探测领域应用越来越广泛，但与海上无人系统相匹配的布放回收技术却处于相对滞后的状态。目前已有的布放回收技术主要有人工回收、吊放式回收和滑道式回收技术。
4.人工回收就是水面母船靠近海上无人系统，进行人工打捞，在实际工作中，母船靠近海上无人系统是非常困难的，对海况要求极高，另外，人工进行打捞效率极低。吊放式回收类似人工，是将系缆直接作用在海上无人系统上，对海况要求高，母船平台必须停船静止，需要多人协助、人工解挂钩等操作，自主化程度低，比较费时/难度大，效率低，安全性较低，不适用于复杂海况下无人系统的回收等。滑道式是在母船平台的艉部设置较长的斜坡滑道，在对接引导过程中，需人工辅助遥控操作以克服尾流和海浪的影响，高海况下母船剧烈运动，艉部升起离开水面，无人系统很难进入滑道，自主性较弱。另外，滑道式不适合无动力型海上无人系统。
5.如何在动态环境中快速、高效、自主布放回收海上无人系统，尤其是无动力型的海上无人系统，是要解决的关键技术问题。


技术实现要素：

6.基于上述技术问题，本发明提出一种海洋移动捕获装置，以及该捕获装置的工作方法。
7.本发明所采用的技术解决方案是：一种海洋移动捕获装置，包括浮体和固定夹具，浮体的一端与固定夹具转动连接，在固定夹具上还设置有用于推动浮体转动的电动推杆；所述浮体共设置两个，分别为第一浮体和第二浮体，在第一浮体和第二浮体之间形成有用于夹持固定海上无人系统的接口。
8.优选的，所述固定夹具包括顶部夹板和底部夹板，顶部夹板和底部夹板呈平行布置；在顶部夹板和底部夹板的两端之间连接有固定杆，固定杆垂直于顶部夹板和底部夹板布置；所述浮体的一端插入顶部夹板和底部夹板之间的空隙，该端称为固定端，在浮体的固定端设置有第一通孔，在顶部夹板和底部夹板之间设置有销轴，销轴从第一通孔中穿
过。
9.优选的，所述电动推杆包括杆体和用于带动杆体直线伸缩的缸体，杆体与缸体连接，缸体的末端与固定杆转动连接，杆体的末端与浮体的另一端固定连接。
10.优选的，所述缸体的末端连接有固定块，在固定块上设置有第二通孔，所述固定杆从第二通孔中穿过；所述杆体的末端通过固定环与浮体相连接，所述固定环包括圆环体，圆环体套在浮体上，在圆环体的外侧设置连接柄，圆环体与连接柄为一体式结构，连接柄与杆体相连接；所述浮体呈柱状，浮体的轴线与电动推杆的轴线相平行；第一浮体的固定端和第二浮体的固定端分别安装在固定夹具的左右两端。
11.优选的，在浮体和固定夹具的底部均设置有全回转推进器；所述全回转推进器包括推进器本体，推进器本体的尾部设置有桨叶，推进器本体上设置有电机，电机的转轴竖直向上，在电机的转轴末端设置有固定盘，固定盘与浮体或固定夹具相连接。
12.优选的，在第一浮体和第二浮体之间还设置有柔性连接件。
13.优选的，在顶部夹板的中心上方设置有伸缩杆，伸缩杆呈竖直布置，伸缩杆的底端与顶部夹板固定连接，伸缩杆的顶端连接用于对海上无人系统进行顶部限位的水平压杆或水平压板。
14.优选的，在顶部夹板的上方设置有光源、电源、天线和控制装置，控制装置分别与全回转推进器、电机和电动推杆相连接。
15.优选的，所述固定夹具通过系缆与提升吊机相连接，提升吊机安装在母船平台上。
16.如上所述海洋移动捕获装置的工作方法，包括以下步骤：a1通过提升吊机将海洋移动捕获装置布放到水面；a2通过控制装置启动全回转推进器，海洋移动捕获装置在全回转推进器的推力作用下驶入靠近海上无人系统的位置；a3海洋移动捕获装置对海上无人系统进行精准对接捕获；a4通过提升吊机将海洋移动捕获装置回收到母船平台；步骤a3包括以下步骤：a31控制第一浮体和第二浮体之间的接口打开通过控制装置控制电动推杆的杆体收缩，在杆体收缩时，拉动第一浮体和第二浮体向外运动；与此同时，通过控制电机转动，使第一浮体和第二浮体底部的两个全回转推进器调整方向，推力向内，实现接口的打开；a32对海洋移动捕获装置进行动力定位通过控制装置实时调整每个全回转推进器上电机的转动角度，以及全回转推进器的桨叶旋转速度，实现海洋移动捕获装置的动力定位，并使得海上无人系统进入第一浮体和第二浮体之间的接口；a33控制第一浮体和第二浮体之间的接口关闭通过控制装置控制电动推杆的杆体伸出，在杆体伸出时，推动第一浮体和第二浮体向里运动；与此同时，通过控制电机转动，使第一浮体和第二浮体底部的两个全回转推进器调整方向，推力向外，实现接口的合并，并将海上无人系统夹紧。
17.本发明的有益技术效果是：（1）本发明设计了一种可自主移动、可动力定位、可变形的海上无人系统捕获式收放装置，该装置机动性强，可实现海上无人系统尤其是无动力无人系统的回收，自主化程度高，无需操作人员的介入。
18.（2）本发明海洋移动捕获装置具有自主航行接驳能力，可自主实现动力定位，可实现远程无人系统的捕获，母船平台不需要停船，能够适应更高航速和复杂海况、迅速高效、适应性强，极大降低应用成本，回收海上无人系统快速、效率高。
19.（3）本发明装置可以变形，以适应不同大小和结构的海上无人系统应用，满足多种类海上无人系统的自主布放与回收，另外通过变形展开结构，该装置可以在有波浪扰动的水中稳定自身，同时收缩之后，又具有较好的机动性和通过性。
20.（4）该装置可在母船平台上同时配置多个，实现多个无人系统的同步回收。
附图说明
21.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：图1为本发明海洋移动捕获装置的结构原理示意图；图2为图1的正视结构示意图；图3为图1的侧视结构示意图；图4为图1的俯视结构示意图；图5为图1的仰视结构示意图；图6为本发明中全回转推进器的结构原理示意图；图7为本发明中第一浮体和第二浮体之间接口合并状态示意图；图8为本发明中第一浮体和第二浮体之间接口打开状态示意图；图9示出本发明中第一浮体和第二浮体之间接口打开时，全回转推进器的推力方向；图10示出本发明中第一浮体和第二浮体之间接口合并时，全回转推进器的推力方向；图11为本发明海洋移动捕获装置通过系缆与母船平台相连接的结构原理示意图；图12为本发明海洋移动捕获装置回收到母船平台上的结构示意图；图13为本发明海洋移动捕获装置在母船平台上配置多个的结构示意图；图14为本发明海洋移动捕获装置工作方法的流程示意图。
22.图中：1-固定夹具，2-电动推杆，3-第一浮体，4-第二浮体，5-海上无人系统，6-接口，7-全回转推进器，8-柔性连接件，9-电源，10-天线，11-控制装置，12-系缆，13-提升吊机，14-母船平台，15-光源；101-顶部夹板，102-底部夹板，103-固定杆，104-销轴，105-伸缩杆，106-水平压杆；201-杆体，202-缸体，203-固定块，204-固定环；701-推进器本体，702-桨叶，703-电机，704-转轴，705-固定盘。
具体实施方式
23.结合附图，一种海洋移动捕获装置，包括浮体和固定夹具1，浮体的一端与固定夹具1转动连接，在固定夹具1上还设置有用于推动浮体转动的电动推杆2。所述浮体共设置两个，分别为第一浮体3和第二浮体4，在第一浮体3和第二浮体4之间形成有用于夹持固定海上无人系统5的接口6，接口6呈v型。
24.上述固定夹具1包括顶部夹板101和底部夹板102，顶部夹板101和底部夹板102呈平行布置。在顶部夹板101和底部夹板102的两端之间连接有固定杆103，固定杆103垂直于顶部夹板101和底部夹板102布置。所述浮体的一端插入顶部夹板和底部夹板之间的空隙，该端称为固定端，在浮体的固定端设置有第一通孔，在顶部夹板101和底部夹板102之间设置有销轴104，销轴104从第一通孔中穿过。该结构设置方式一方面使得浮体的端部与固定夹具连接，另一方面使得浮体能够相对于固定夹具上的销轴104在水平面内转动。
25.上述电动推杆2包括杆体201和用于带动杆体直线伸缩的缸体202，杆体201与缸体202连接，缸体202的末端与固定杆103转动连接，杆体201的末端与浮体的另一端固定连接。具体地，所述缸体202的末端连接有固定块203，在固定块203上设置有第二通孔，所述固定杆103从第二通孔中穿过。所述杆体201的末端通过固定环204与浮体相连接，所述固定环204包括圆环体，圆环体套在浮体上，在圆环体的外侧设置连接柄，圆环体与连接柄为一体式结构，连接柄与杆体201的末端相连接。所述浮体呈柱状，浮体的轴线与电动推杆2的轴线相平行。第一浮体3的固定端和第二浮体4的固定端分别安装在固定夹具1的左右两端。第一浮体3和第二浮体4之间的v型接口可通过电动推杆2控制进行开合。
26.在浮体和固定夹具的底部均设置有全回转推进器7。所述全回转推进器7包括推进器本体701，推进器本体701的尾部设置有桨叶702，推进器本体701上设置有电机703，电机703的转轴704竖直向上。在电机的转轴704末端设置有固定盘705，固定盘705与浮体或固定夹具相连接。电机703和桨叶702固定在一起，可绕转轴704进行360度旋转。更为具体地设计，全回转推进器7共设置三个，其中两个全回转推进器分别安装在第一浮体3和第二浮体4的末端部下方，另一个全回转推进器安装在固定夹具的底部夹板102下方中间位置处。上述三个全回转推进器整体布局在一个圆周上。
27.本发明中第一浮体3和第二浮体4提供浮力，前端通过固定夹具1固定，后端可以打开和关闭，呈现v字型，v型开口有多个功能，一是方便引导海上无人系统5进入；二是提供方向稳定性；三是v型开口可以变形，可以实现海上无人系统的夹紧，提高安全回收能力。固定夹具1包括顶部夹板101和底部夹板102，上下固定住浮体的前端。
28.本发明海洋移动捕获装置中的电动推杆可实现伸缩，伸缩的目的是实现浮体的打开和关闭。电动推杆伸出，使两侧浮体向里运动，实现合并；电动推杆收缩，拉动固定环204，实现浮体打开。
29.全回转推进器7能够以任意角度施出大小可变的力，实现海洋移动捕获装置在任意方向内的自由移动。还可实现海洋移动捕获装置的自动动力定位，即控制海洋移动捕获装置逐渐靠近对接目标位置，然后保持住位置和航向，控制精度高。
30.动力定位的实现方法是实时调整每个全回转推进器7的角度和旋转速度。如图5所示，要实现o点的动力定位，此时检测到海洋移动捕获装置向y轴正方向产生了偏移，则应该将全回转推进器轴线旋转至与y轴平行，推力方向朝y轴正方向，并设置相应的桨叶转速，使
得海洋移动捕获装置向y轴反方向移动，实现动力定位。
31.第一浮体3和第二浮体4之间的v型接口具有打开和合并变形的功能，即v型接口的开合角度可以任意变化，以适应不同海上无人系统。v型接口变形也可通过电动推杆2和全回转推进器7共同作用实现。当需要v型接口打开时，两个电动推杆2收缩，分别拉动第一浮体3和第二浮体4向外扩展运动，此时，第一浮体3和第二浮体4下面的两个全回转推进器7调整方向，如图9所示，实现两个浮体相对运动，v型接口打开。当需要v型接口合并时，电动推杆2伸出，推动第一浮体3和第二浮体4向里合并运动，此时，第一浮体3和第二浮体4下面的两个全回转推进器7调整方向，推力向外，如图10所示，实现两个浮体相对运动， v型接口合并。
32.作为对本发明的进一步设计，在第一浮体3和第二浮体4的固定端之间还设置有柔性连接件8。柔性连接件8可采用柔性橡胶杆等结构，一方面可实现第一浮体3和第二浮体4之间的连接，另一方面可对海上无人系统5插入v型接口时起到限位缓冲的作用。
33.更进一步的，在顶部夹板101的中心上方设置有伸缩杆105，伸缩杆105呈竖直布置，具有伸缩功能，伸缩杆105的底端与顶部夹板101固定连接，伸缩杆105的顶端连接用于对海上无人系统进行顶部限位的水平压杆106。通过伸缩杆105的上下伸缩，可实现海上无人系统5的上下固定夹紧。具体来说，海上无人系统5进入接口6中，并被两侧的第一浮体3和第二浮体4夹持住后，第一浮体3和第二浮体4处于海上无人系统5的中下部，此时再通过水平压杆106对海上无人系统5的顶部进行限位固定，从而可实现海上无人系统5的稳固夹持，完成海上无人系统5的捕获。
34.进一步的，在顶部夹板101的上方设置有光源15、电源9、天线10和控制装置11，控制装置11分别与全回转推进器7、电机703和电动推杆2相连接。光源15可为高能见度光源，通过电源9提供电能。高能见度光源可提供引导信号，以实现海洋移动捕获装置与海上无人系统远距离对接引导，也可满足夜间作业。
35.更进一步的，所述固定夹具1通过系缆12与提升吊机13相连接，提升吊机13安装在母船平台14上。如图11-13所示，海洋移动捕获装置与母船平台配合工作，其中，母船平台14是作业支持母船；提升吊机13通过系缆12连接海洋移动捕获装置，起到拉升和布放的功能。系缆需要具有一定的承载能力，中性浮力或正浮力，可以是固定长度、可变长度，也可以通过自张紧绞车展开。海洋移动捕获装置具备自主移动能力，可以按照一定的航向运动，远离母船，运动到海上无人系统附近，实现与无人系统的对接捕获，这种解决方案的优点是定位实际布放和回收位置超出母船平台的扰动区域。另外，该海洋移动捕获装置具有动力定位、可变形等功能，可以在母船平台上布放多个，实现多个海上无人系统的同步回收，大大提升作业效率。
36.本发明设计了一种可自主移动、可动力定位、可变形的海上无人系统捕获式收放装置，该装置配合母船作业，对海上无人系统进行远程捕获，并实现多种类海上无人系统的快速高效、自主化、无人化的布放与回收。与传统的布放回收方式相比，本发明装置尤其适用于无动力海上无人系统的回收，自主化程度高、无需操作人员的介入，应用范围广；母船平台不需要停船，能够适应更高航速和复杂海况、迅速高效、适应性强极大降低应用成本；该装置具有自主航行接驳能力，可以捕获远离母船平台的海上无人系统。该装置可以配合电动推杆2和全回转推进器7进行结构变形，以适应不同大小和结构的海上无人系统应用，
通过扩展结构，该装置可以在有波浪扰动的水中稳定自身，同时收缩之后，又具有较好的机动性和通过性；该装置还可实现多个同时应用，配合母船平台，实现多个无人系统的同步回收。
37.本发明还提供一种海洋移动捕获装置的工作方法，海洋移动捕获装置对海上无人系统回收时，首先将海洋移动捕获装置布放到水面，海洋移动捕获装置启动工作；然后，海洋移动捕获装置驶入海上无人系统位置，完成精准对接捕获；之后，控制人员控制提升吊机13，将系缆12收卷，进而使得海洋移动捕获装置携带海上无人系统进行提升；最后，完成回收，将整个系统放置到母船。
38.具体地，该工作方法包括以下步骤：a1通过提升吊机13将海洋移动捕获装置布放到水面。
39.a2通过控制装置启动全回转推进器7，海洋移动捕获装置在全回转推进器7的推力作用下驶入靠近海上无人系统5的位置。
40.a3海洋移动捕获装置对海上无人系统5进行精准对接捕获。
41.a4通过提升吊机13将海洋移动捕获装置回收到母船平台14。
42.步骤a3包括以下步骤：a31控制第一浮体和第二浮体之间的接口打开通过控制装置11控制电动推杆2的杆体收缩，在杆体收缩时，拉动第一浮体3和第二浮体4向外运动。与此同时，通过控制电机703转动，使第一浮体3和第二浮体4底部的两个全回转推进器调整方向，推力向内，实现接口的打开。
43.a32对海洋移动捕获装置进行动力定位通过控制装置实时调整每个全回转推进器7上电机703的转动角度，以及全回转推进器的桨叶702旋转速度，实现海洋移动捕获装置的动力定位，并使得海上无人系统5进入第一浮体3和第二浮体4之间的接口。
44.a33控制第一浮体和第二浮体之间的接口关闭通过控制装置控制电动推杆2的杆体伸出，在杆体伸出时，推动第一浮体3和第二浮体4向里运动。与此同时，通过控制电机703转动，使第一浮体3和第二浮体4底部的两个全回转推进器7调整方向，推力向外，实现接口的合并，并将海上无人系统夹紧。
45.上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
46.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种海洋移动捕获装置，其特征在于：包括浮体和固定夹具，浮体的一端与固定夹具转动连接，在固定夹具上还设置有用于推动浮体转动的电动推杆；所述浮体共设置两个，分别为第一浮体和第二浮体，在第一浮体和第二浮体之间形成有用于夹持固定海上无人系统的接口。2.根据权利要求1所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：所述固定夹具包括顶部夹板和底部夹板，顶部夹板和底部夹板呈平行布置；在顶部夹板和底部夹板的两端之间连接有固定杆，固定杆垂直于顶部夹板和底部夹板布置；所述浮体的一端插入顶部夹板和底部夹板之间的空隙，该端称为固定端，在浮体的固定端设置有第一通孔，在顶部夹板和底部夹板之间设置有销轴，销轴从第一通孔中穿过。3.根据权利要求2所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：所述电动推杆包括杆体和用于带动杆体直线伸缩的缸体，杆体与缸体连接，缸体的末端与固定杆转动连接，杆体的末端与浮体的另一端固定连接。4.根据权利要求3所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：所述缸体的末端连接有固定块，在固定块上设置有第二通孔，所述固定杆从第二通孔中穿过；所述杆体的末端通过固定环与浮体相连接，所述固定环包括圆环体，圆环体套在浮体上，在圆环体的外侧设置连接柄，圆环体与连接柄为一体式结构，连接柄与杆体相连接；所述浮体呈柱状，浮体的轴线与电动推杆的轴线相平行；第一浮体的固定端和第二浮体的固定端分别安装在固定夹具的左右两端。5.根据权利要求1所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：在浮体和固定夹具的底部均设置有全回转推进器；所述全回转推进器包括推进器本体，推进器本体的尾部设置有桨叶，推进器本体上设置有电机，电机的转轴竖直向上，在电机的转轴末端设置有固定盘，固定盘与浮体或固定夹具相连接。6.根据权利要求1所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：在第一浮体和第二浮体之间还设置有柔性连接件。7.根据权利要求2所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：在顶部夹板的中心上方设置有伸缩杆，伸缩杆呈竖直布置，伸缩杆的底端与顶部夹板固定连接，伸缩杆的顶端连接用于对海上无人系统进行顶部限位的水平压杆或水平压板。8.根据权利要求2所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：在顶部夹板的上方设置有光源、电源、天线和控制装置，控制装置分别与全回转推进器、电机和电动推杆相连接。9.根据权利要求1所述的一种海洋移动捕获装置，其特征在于：所述固定夹具通过系缆与提升吊机相连接，提升吊机安装在母船平台上。10.如权利要求1-9中任一权利要求所述海洋移动捕获装置的工作方法，其特征在于包括以下步骤：a1通过提升吊机将海洋移动捕获装置布放到水面；a2通过控制装置启动全回转推进器，海洋移动捕获装置在全回转推进器的推力作用下驶入靠近海上无人系统的位置；a3海洋移动捕获装置对海上无人系统进行精准对接捕获；a4通过提升吊机将海洋移动捕获装置回收到母船平台；步骤a3包括以下步骤：
a31控制第一浮体和第二浮体之间的接口打开通过控制装置控制电动推杆的杆体收缩，在杆体收缩时，拉动第一浮体和第二浮体向外运动；与此同时，通过控制电机转动，使第一浮体和第二浮体底部的两个全回转推进器调整方向，推力向内，实现接口的打开；a32对海洋移动捕获装置进行动力定位通过控制装置实时调整每个全回转推进器上电机的转动角度，以及全回转推进器的桨叶旋转速度，实现海洋移动捕获装置的动力定位，并使得海上无人系统进入第一浮体和第二浮体之间的接口；a33控制第一浮体和第二浮体之间的接口关闭通过控制装置控制电动推杆的杆体伸出，在杆体伸出时，推动第一浮体和第二浮体向里运动；与此同时，通过控制电机转动，使第一浮体和第二浮体底部的两个全回转推进器调整方向，推力向外，实现接口的合并，并将海上无人系统夹紧。

技术总结
本发明公开一种海洋移动捕获装置及其工作方法，属于海上无人系统回收领域。本发明能够解决海上无人系统的自主化回收问题，本发明海洋移动捕获装置包括浮体和固定夹具，浮体的一端与固定夹具转动连接，在固定夹具上还设置有用于推动浮体转动的电动推杆；所述浮体共设置两个，分别为第一浮体和第二浮体，在第一浮体和第二浮体之间形成有用于夹持固定海上无人系统的接口。在浮体和固定夹具的底部均设置有全回转推进器。本发明海洋移动捕获装置机动性强，可实现海上无人系统尤其是无动力无人系统的回收，自主化程度高，无需操作人员的介入。本发明海洋移动捕获装置还具有自主航行接驳能力，可自主实现动力定位，并可实现远程无人系统的捕获。系统的捕获。系统的捕获。


技术研发人员：乜云利 刘琦 杜立彬 崔志建 李正宝
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/6/28