一种用于船舶救援的水面水下机器人系统及其使用方法与流程

1.本发明属于水面水下机器人设计领域，是一种用于船舶救援的水面水下机器人系统及其使用方法。
技术背景
2.海上交通运输是我国社会经济发展的重要领域，海上救援则是国家应急保障体系的重要组成部分，承担着我国海上交通运输安全保障的重要职责。海难大都出现在恶劣气候条件下，现有船只、直升机、无人机等装备在此海况下难以满足使用要求。
3.对于遇险船只，常用的救助手段是拖航救助。拖航救助是在无法靠近待救船情况下保证人员及财产同时获救的最有效方法，约占救助作业的90％以上。传统的拖航救助采用通过抛绳器向待救船投送缆绳的方法，该方法具有以下局限性：1)风大浪急时无法准确抛缆绳，抛绳落到待救船上的概率低；2)若缆绳落点不佳会很快被海浪带走；3)待救船人员行动受限，捕获缆绳概率很低。
4.现有的海上救援机器人一般采用伺服驱动设备释放救援机器人与施救船之间的脐带缆，伺服系统虽能实现精准的位置和速度控制，但在恶劣海况下，受浪和海流的强烈干扰，救援机器人脐带缆难以正常释放。另外，为接近待救援船舶，救援机器人一般装有磁性履带等装置，期望吸附在待救援船侧壁上，但船体外表面多为曲面，磁性履带即使贴合在待救船体上，也易受浪和流的作用而脱离。
5.综上所述，有必要寻求一种更加可靠、安全、高效的海上救援方式。


技术实现要素：

6.本发明给出一种用于船舶救援的水面水下机器人系统及其使用方法，解决当前遇难船只拖缆救助存在的缆绳在高海况下不易到达待救船只的问题。
7.为了达到本发明的目的，本发明提供的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统，所述救援机器人包括载荷段、电池段、导航控制段、细缆释放段、推进段和通信模块，所述细缆释放段包括舱壳和其内部的细缆释放机构，细缆释放机构固定于舱壳内壁上，所述细缆释放机构包括细缆绳，所述细缆绳由芳纶材料制成，表面涂覆特种反光材料，所述细缆绳的一端经推进段后，从尾部的中孔引出。
8.进一步的，上述细缆绳由外向内绕制，释放过程中细缆从中孔抽出，双向释放，可实现无阻力缆绳投送。
9.进一步的，上述可拖曳细缆绳的长度绕待救船只至少一圈，便于从待救船只上打捞细缆绳。
10.进一步的，上述一种用于船舶救援的水面水下机器人系统的使用方法，其一是：救援船只配备水下救援机器人，救援机器人由救援船只投放，驶向待救援船只并绕行至少一圈，由待救援船只人员打捞救援机器人尾部细缆，再由细缆牵引出粗缆，用粗缆连接救援船只与待救船只。
11.进一步的，上述一种用于船舶救援的水面水下机器人系统的使用方法，其二是：待救援船只配备水下救援机器人，待救援船只遇险时投放救援机器人驶向救援船只，由救援船只人员打捞救援机器人尾部细缆，并实施随后的救援工作。
12.进一步的，上述水下救援机器人执行任务前，先设定驶向目标的方位。
13.本发明采用可在水下导航定位并自主航行的救援机器人，通过机器人拖曳细缆绕行待救援船只，并由细缆牵引出连接救援船和待救船的承重缆绳的方法，开展对遇险船只的救援。
14.相比现有技术手段，本发明具有以下优点：
15.1、本发明的救援机器人工作过程中主要运行于水下，可适用于恶劣海况条件下的救援。
16.2、承重缆绳的重量很大，通常的救援中，当其拉出尺寸很长时，其自重已经较大，易沉入海中，很难到达目标地，或者因位置固定，离船体较远时，很难被打捞，而本发明创造性的提出先采用具有一定正浮力的细缆，这样受海流的影响小，同时由于其重量轻，因此本发明的救援机器人可拖曳细缆绕行待救船只至少一周，可保证待救援船上的人员从任意方位打捞到细缆。
17.3、本发明的细缆释放机构中的细缆采用由外向内的绕制方案，其一端接头与承重缆连接，救援机器人驶离运载船救援船只或者失事船只，由内向外放出细缆，细缆释放过程中不承受拉力，可实现高海况下细缆绳的无阻力高可靠性释放和投送。
18.4、本发明的救援机器人不仅可以从施救船只上投放，也可配置于待救船只，从待救船只上布放，因此提高了抢险的主动性。
19.5、本发明能有效解决现有船只、直升机、无人机等海上救助装备在恶劣气候条件下难以满足船舶救助，尤其是准确抛缆绳的问题；可使施救力量迅速准确地接近目标并递送拖船缆绳或其它救援物品。
附图说明：
20.图1为本发明的船舶救援机器人结构示意图；
21.图2为本发明的从救援船只投放的船舶救援机器人的工作流程图；其中：a为救援机器人驶向遇险船；b为救援机器人绕行遇险船一周；c为导引细缆拖出承重缆；d为救援船实施拖带式救助；
22.图3为本发明的从待救船只投放的船舶救援机器人的工作流程图；a为救援机器人驶向救援船；b为救援机器人将导引细缆带回救援船；c为救援人员通过导引细缆拖出承重缆；d为救援船实施拖带式救助。
具体实施方式：
23.下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。
24.如图1所示，一种用于船舶救援的水面水下机器人系统，由救援机器人及操控终端组成。所述救援机器人包括载荷段、电池段、导航控制段、细缆释放段、推进段和通信模块。
25.所述载荷段内可设置前视声呐、光学摄像机、光源和红外相机等设备，前视声呐用于探测前方目标，光学摄像机及红外相机用于在近水面或水面航行时探测水面目标，光源
用于夜间或者大雾天气照明使用。电池段内置蓄电池及电源管理系统，为救援机器人内部设备供电，蓄电池的容量应能满足救援机器人航行至待援救船只、绕行及返回情况下对能耗的需求。推进段设置推进电机及螺旋桨，提供救援机器人航行的动力。用于救援机器人姿态控制的舵机也安装在推进段内。所述导航控制段内设置有控制计算机、导航定位模块及通信模块，控制计算机接收操控终端的指令及内置传感器采集的数据，处理后生成推进电机的转速指令及操舵指令，实现救援机器人的自主航行。
26.所述细缆释放段包括舱壳和内部的细缆释放机构，细缆释放机构固定于舱壳内壁上，所述细缆释放机构包括预先绕制的长距离细缆绳，可通过水下自主导航到达待救援船舶所在区域，且可拖曳细缆绳的长度绕待救船只至少一圈，便于从待救船只上打捞细缆绳。所述细缆绳由具有微弱正浮力的芳纶材料制成，表面涂覆特种反光材料，以便辨识，其直径不超过1mm，长度不小于5km，所述细缆绳的一端经推进段后，由推进段尾部的中轴引出，细缆的另一端与粗缆连接。围绕待救船只的细缆被打捞后，可进一步牵引出连接待救船只和救援船之间的粗缆。
27.所述细缆绳由外向内绕制，释放过程中细缆从中孔抽出，双向释放，可实现无阻力缆绳投送。具体地说，细缆绳的端部从航行器尾部中轴出线和释放，采用随行放线技术实现船舶救援机器人的无阻力缆绳投送。细缆绳在救援船的一端与救援船上的承重缆绳相连，通过细缆可以拖出救援船的承重缆绳。承重缆绳具有微弱正浮力，可连接救援船和待救援船，承受两船之间的作用力。
28.所述导航控制段内置惯性测量单元(imu)、北斗定位模块、磁罗盘、深度计和通信模块，用于确定救援机器人的位置和姿态。在水面航行时，采用北斗定位；在水下航行时，采用惯性测量单元、深度计及磁罗盘组合的方式进行水下定位。
29.所述通信模块用于救援机器人与操控终端之间的通信，通信模块的天线伸出导航控制段的舱壳外部，设置于非屏蔽的匣体内，能保证救援机器人与救援船上的操控终端通信。救援机器人既可以按规划的路径自主航行，又可通过操控终端进行遥控，其中设置时，可以将遥控指令的优先级设置为更高，保证操控人员随时介入对机器人的控制。
30.所述操控终端包括操控计算机、通信设备和电源。布放之前，操控计算机向救援机器人发送任务设定指令，设定驶向目标的方位、船舶救援机器人的航深、航行速度等参数。救援机器人在航行过程中向操控终端发送自身状态信息及收到的目标信息，便于操控人员干预救援作业。
31.如图2所示，救援机器人从救援船投放入水后，沿设定方位自主搜索待救援船只，发现并识别待救援船只后在近水面驶向待救船只，接近待救船只后绕行待救船至少一圈，实现细缆绳在待救援船周围缠绕。待救船人员通过简易装置即可打捞细缆绳，再拖出施救船的承重缆，实现对待救船的救助。
32.以船舶救援机器人从救援船上投放为例，典型的工作流程为：
33.1)见图2a，遇到险情，救援船只到达预定海域，船舶救援机器人处于自检后待命状态。获取待救船只方位后，救援人员在操控终端上进行救援任务信息设置。
34.2)将救援机器人投放至水中，操控人员使用操控终端对其进行遥控，使船舶救援机器人朝目标方向驶向待救船只(遇险船)。随后切换至自主航行模式，在较长一段距离内，救援机器人在水下或近水面稳定航行。见图2b，当救援机器人接近目标所在区域，或当其前
视声呐探测到待救援船时，转为水面航行模式，识别出待救船后绕行一周，并在待救船临近位置待命。
35.3)救援机器人航行至目标的过程中，以及搜索目标的过程中，会定时上浮并与操控终端通信。如有必要，救援船上的操控人员可以通过无线通信或卫星通信手段干预其任务执行的进程，通过遥控引导救援机器人接近待救援船。
36.4)见图2c,待救援船上的人员打捞细缆，拖出救援船的承重缆绳，实施救援。
37.5)见图2d,救援船上的操作人员通过操控终端控制救援机器人返航至救援船附近并进行打捞回收。
38.如图3所示，
39.见图a,救援机器人也可配置在待救援船只上，从待救援船只上投放，驶向救援船只。见图b,救援船人员能够采用通用操控频率和指令，操控待救援船投放的救援机器人驶向己方，在较长一段距离内，救援机器人导引细缆在水下或近水面稳定航行。当救援机器人接近己方所在区域，或当其前视声呐探测到待救援船时，定位在救援船侧壁。见图c,救援船上的人员通过导引细拖出被救援船的承重缆，实施救援。见图d,救援船上的操作人员通过操控终端控制救援机器人并进行打捞回收。救援船成功实施拖带式救助。
40.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于船舶救援的水面水下机器人系统，由救援机器人及操控终端组成，其特征在于：所述救援机器人包括载荷段、电池段、导航控制段、细缆释放段、推进段和通信模块，所述细缆释放段包括舱壳和其内部的细缆释放机构，细缆释放机构固定于舱壳内壁上，所述细缆释放机构包括细缆绳，所述细缆绳由芳纶材料制成，表面涂覆特种反光材料，所述细缆绳的一端经推进段后，从尾部的中孔引出。2.根据权利要求1所述的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统，其特征在于：所述细缆绳由外向内绕制，释放过程中细缆从中孔抽出，双向释放，可实现无阻力缆绳投送。3.根据权利要求1或2所述的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统，其特征在于：可拖曳细缆绳的长度绕待救船只至少一圈，便于从待救船只上打捞细缆绳。4.根据权利要求1所述的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统的使用方法，其特征在于：救援船只配备水下救援机器人，救援机器人由救援船只投放，驶向待救援船只并绕行至少一圈，由待救援船只人员打捞救援机器人尾部细缆，再由细缆牵引出粗缆，用粗缆连接救援船只与待救船只。5.根据权利要求1所述的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统的使用方法，其特征在于：待救援船只配备水下救援机器人，待救援船只遇险时投放救援机器人驶向救援船只，由救援船只人员打捞救援机器人尾部细缆，并实施随后的救援工作。6.根据权利要求4或5所述的一种用于船舶救援的水面水下机器人系统的使用方法，其特征在于：水下救援机器人执行任务前，先设定驶向目标的方位。

技术总结
本发明属于水面水下机器人设计领域，具体涉及是一种船舶救援机器人系统及其使用方法。由机器人及操控终端组成，所述机器人包括载荷段、电池段、导航控制段、细缆释放段、推进段和通信模块。所述述细缆释放段包含细缆释放机构，细缆释放机构中的细缆绳从救援机器人尾部中孔引出。使用时，可以从施救船只上投放，也可配置于待救船只，从待救船只上布放。本发明通过船舶救援机器人水下自主航行，并拖曳细缆围绕被救船只至少一周，确保细缆可被投送到目标船只并被打捞，细缆牵引出承重缆绳。本发明能有效解决现有海上救助装备在恶劣气候条件下难以满足船舶救助，无法准确抛缆绳的问题；可使施救力量迅速准确地接近目标并递送拖船缆绳或其它救援物品。绳或其它救援物品。绳或其它救援物品。


技术研发人员：陈建峰 王锋辉 张凯源 徐珂 王英 顾春林 惠东兴 丁自立 张朋 胡江 高佳文
受保护的技术使用者：浙江海呐科技有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/6/28