CN114212198B - 水面无人平台抗冲击自动对接机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水面无人平台自重构技术领域，具体公开一种水面无人平台抗冲击自动对接机构，包括水面平台，水面平台两侧均设置有对接公头模块和对接母头模块；水面平台上还设置有控制模块、推进器、通信传输模块和传感器模块；本发明提供了一种对接成功率高、对接牢靠、抗冲击和结构紧凑的水面无人平台抗冲击自动对接机构，还提供了一种水面无人平台抗冲击自动对接方法。

Description

水面无人平台抗冲击自动对接机构及方法

技术领域

本发明属于水面无人平台自重构技术领域，具体涉及一种水面无人平台抗冲击自动对接机构及方法。

背景技术

无人水面平台自重构技术是无人系统集群技术在军事装备工程背景下的应用技术演进。无人自重构技术不仅包含了无人航行器协同编队技术，还包含了分布式机器人编队协同作业有关技术。水面无人平台具有两个方面的军潜在应用价值，该技术的研究推进不仅可以提高无人水面平台用于作战的自主化水平，还可以为海上集群作战与物资输送打下技术基础。模块间的对接技术是模块自重构技术中的一项关键技术，其中，对接机构对模块与模块间的对接质量起到决定性作用，是保证自重构模块有效、稳定、安全工作的关键。

但是，传统的用于辅助登陆的无人水面平台装备多是在水况温和、人为遥控的形式下实现，所采用的对接机构一般结构和功能较为简单，能够完成对接功能，但若无人平台处于三级海浪以上环境下等恶劣条件下时，由于无人平台模块的垂荡、艏摇、俯仰等较静水条件下大很多，这种简单的对接机构很难完成对接。而人为对接不仅需要大量的其他设备进行支持与动态协作，比如驳船、舰艇等，还十分耗费人力和时间，不能在紧急情况下满足实际需求。目前国内外已有部分关于自重构模块的设计研究，但大都处于初步阶段，所采用到的无人对接机构及自重构技术还不能很好的应用于军事任务当中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对接成功率高、对接牢靠、抗冲击和结构紧凑的水面无人平台抗冲击自动对接机构，还提供了一种水面无人平台抗冲击自动对接方法。

基于上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种水面无人平台抗冲击自动对接机构，包括水面平台，水面平台两侧均设置有对接公头模块和对接母头模块；水面平台上还设置有控制模块、推进器、通信传输模块和传感器模块。

进一步的，对接公头模块包括与水面平台固连的对接公头安装箱体，还包括对接引导轴，对接引导轴后端固连有自定心椭圆台座；自定心椭圆台座后端固连有对接公头花键轴，对接公头花键轴上套设有花键轴套，花键轴套与对接公头安装箱体固连；对接公头花键轴后端连接有抗冲击缓震机构；对接母头模块包括与水面平台固连的对接母头安装箱体，对接母头安装箱体内设置有与对接引导轴相配合的引导头对接卡盘机构，还设置有与自定心椭圆台座相配合的椭圆形卡盘机构，椭圆形卡盘机构设置在引导头对接卡盘机构的前部。

进一步的，抗冲击缓震机构包括与对接公头花键轴后端固连的圆盘，圆盘的正后方设置有固定座，固定座上固连有三个或三个以上导轨，每个导轨均与对接公头花键轴相垂直；每个导轨上均套设有大刚度抗冲击弹簧，每个大刚度抗冲击弹簧的一端均与固定座固连，另一端均固连有第一滑块；每个第一滑块均与导轨滑动连接，每个第一滑块上均铰接有连接杆，每个连接杆远离第一滑块的一端均与圆盘铰接。

进一步的，对接引导轴的前端为圆锥状的引导件，引导件后端固连有与其同轴的连接轴；引导头对接卡盘机构包括与对接母头安装箱体固连的引导头对接卡盘基座，引导头对接卡盘基座包括圆筒状的连接环，连接环与对接母头安装箱体固连；连接环内固连有与引导件相配合的引导槽，引导槽为圆台状结构且为两端开口的筒状结构；引导槽的前端开设有三个或三个以上第一通孔，每个第一通孔均与引导槽的轴线相平行，每个第一通孔内均设置有引导头对接卡盘卡扣，每个引导头对接卡盘卡扣均包括与引导槽铰接的第一转动杆，每个第一转动杆的前端均设置有与引导件的底面相配合的第一卡勾，每个第一卡勾均设置在引导槽内；每个第一转动杆的后端均设置在引导槽外，每个第一转动杆的后端均固连有引导头对接卡扣弹簧，每个引导头对接卡扣弹簧远离第一转动杆的一端均与连接环的内弧面固连；每个第一转动杆上均设置有第一电磁铁，引导件上设置有与第一电磁铁相对的多个第二电磁铁。

进一步的，引导槽的外壁上固连有多个安装台，每个安装台上均固连有拐杆，多个拐杆组成首尾相连的环形；每个拐杆均包括连接段，每个连接段的一端均设置有插入头，每个插入头上均开设有与其垂直的螺纹孔；每个连接段的另一端均固连有安装段，安装段均包括第一转动杆铰接的轴段，每个安装段靠近连接段的一端均设置有定位轴肩，每个定位轴肩均与轴段连接；每个连接段上均开设有与插入头上的螺纹孔同轴的螺纹孔，每个轴段均设置在螺纹孔与轴肩之间；每个安装段远离连接段的一端均开设有与其平行的插入槽，每个插入头均设置在和此拐杆相邻的拐杆的插入槽内；两个同轴的螺纹孔内螺接有一个紧固螺钉。

进一步的，自定心椭圆台座包括与连接轴后端固连的连接筒，连接筒为圆筒状结构；连接筒后端固连有连接盘，连接盘的横截面为椭圆；连接筒的外周面上均布有加强筋；椭圆形卡盘机构包括与对接母头安装箱固连的椭圆形卡盘基座，椭圆形卡盘基座为圆柱状结构，椭圆形卡盘基座上开设有与引导槽连通的引导孔，引导孔是与引导槽同轴的椭圆台状结构；椭圆形卡盘基座前端开设有三个或三个以上安装槽，每个安装槽均与引导孔连通，每个安装槽内均设置有椭圆卡盘卡扣，每个椭圆卡盘卡扣均包括与安装槽铰接的第二转动杆，每个第二转动杆的前端均设置有与连接盘的底面相配合的第二卡勾，每个第二转动杆的前端均固连有椭圆形卡盘弹簧，每个椭圆形卡盘弹簧远离第二转动杆的一端均与安装槽固连；连接盘上设置有与椭圆卡盘卡扣相配合的多个曲柄卡扣机构。

进一步的，曲柄卡扣机构包括在连接盘上开设的多个滑槽，每个滑槽内均设置有第二滑块，每个第二滑块上均固连有与滑槽相垂直的曲柄卡扣，每个曲柄卡扣均与第二转动杆的后端相配合；每个曲柄卡扣上均铰接有曲柄连杆，每个曲柄连杆均与连接盘平行；每个曲柄连杆远离曲柄卡扣的一端均连接有自锁电机，每个曲柄连杆均与自锁电机的轴铰接；每个自锁电机均与连接盘固连。

进一步的，水面平台为无人船。

上述水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，包括对接方法和释放方法；控制模块包括视线制导控制器，传感器模块包括视觉定位装置；对接方法包括以下步骤：

步骤101，将目标的位置与航向发送给通信传输模块，判断水面平台的当前位置，若当前位置满足接近最终航点的控制要求，则水面平台保持当前位置；若不满足控制要求，则将目标的位置信息传输给视线制导控制器，计算偏航角和相对于目标位置的距离，生成航行轨迹跟踪指令，水面平台根据航行轨迹跟踪指令进行巡航，直至到达目标点；

步骤102，水面平台达到目标点后，将水面平台的位置与偏航角送入动力定位控制，进行动力保持；启动水面平台侧向的推进器，推动水面平台向着目标移动，使对接公头模块与对接母头模块对接。

进一步的，在步骤102中，对接公头模块与对接母头模块对接的过程包括如下步骤：

(1)对接引导轴与引导头对接卡盘机构锁定：引导件进入到引导槽中，引导件的侧面挤压引导头对接卡盘卡扣的第一卡勾，将引导头对接卡盘卡扣打开，第一卡勾带动第一转动杆转动，第一转动杆的后端带动引导头对接卡扣弹簧拉伸；引导件完全进入引导槽后，引导头对接卡扣弹簧在弹力作用下缩短复位，引导头对接卡扣弹簧带动第一转动杆转动复位，第一转动杆带动第一卡勾转动至与其对接的引导件的后方，防止引导件退出，引导头对接卡盘卡扣收紧；

(2)自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构锁定：在引导件进入引导槽的同时，自定心椭圆台座进入引导孔中；自定心椭圆台座完全进入引导孔后，曲柄卡扣机构的自锁电机转动，自锁电机带动曲柄连杆与第二滑块向靠近第二转动杆的方向移动，第二滑块带动曲柄卡扣推动第二转动杆的后端向远离连接盘的方向转动，第二转动杆的前端向靠近连接盘的方向转动，第二转动杆前端的第二卡勾卡住连接盘的底面，椭圆卡盘卡扣收紧，第二转动杆带动椭圆形卡盘弹簧伸长，完成对接。

进一步的，释放方法包括以下步骤：

步骤201，自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构分离：自锁电机转动并带动曲柄连杆、第二滑块和曲柄卡扣向远离第二转动杆的方向移动，椭圆形卡盘弹簧在弹力作用下缩短复位，椭圆形卡盘弹簧带动第二转动杆的前端向远离连接盘的方向转动，第二转动杆前端的第二与连接盘脱离，对接公头模块的自定心椭圆台座被释放；

步骤202，自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构分离分离的同时，对接引导轴与引导头对接卡盘机构分离：第一转动杆上的第一电磁铁和和引导件上的第二电磁铁通电，第二电磁铁吸附第一电磁铁，第一电磁铁带动第一转动杆的后端向靠近第二电磁铁的方向转动，第一转动杆的前端与第一卡勾向远离引导件的方向转动，对接公头模块的对接引导轴被释放；

步骤203，对接公头模块被释放后，启动水面平台侧向的推进器，使水面平台与目标分离；

步骤204，水面平台与目标分离后，引导头对接卡盘机构内的第一电磁铁和第二电磁铁断电，完成释放。

与现有的技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的水面无人平台抗冲击自动对接机构，考虑到实际3级海况下船体不确定运动的纵荡偏差、垂荡偏差、横档偏差以及俯仰角的变化。因此设计了一种椭圆底面的漏斗式结构对接母头模块，同时对接公头模块也采用对应形式的锥形结构。这种锥形结构不仅方便对接，而且配合漏斗式的椭圆对接机构不仅能够补偿由于大风大浪所导致的船体实际位置或姿态偏差，同时还具有自定心功能，在对接过程中依靠椭圆漏斗面与锥面配合可以保证对接的可靠性。

(2)本发明设计的对接母头模块有两个卡扣卡盘机构：引导头对接卡盘机构和椭圆形卡盘机构。引导头对接卡盘机构可以在整个对接公头模块还未完全进入对接母头模块时，对引导件进行约束，避免因为自然环境所导致的对接失败。同时引导头对接卡盘机构在完全对接后虽然不再与引导件接触，但可以作为一道保险，避免因为椭圆卡盘机构失效而造成的无人平台异常分离。椭圆卡盘机构不仅可以通过其漏斗面完成自定心，还可以利用其上的椭圆卡盘卡扣与对接公头的曲柄卡扣机构进行对接和释放。引导头对接卡盘机构和椭圆形卡盘机构构成的双卡扣机构降低了对接失败率，同时较大地提高了对接的安全性、有效性、灵活性。

(3)本发明设计的自动对接机构具有抗冲击减震功能，相比于其他水面自重构对接机构，该对接机构能够在复杂海况条件下，有效减少对接过程中因为对接机构为对准而导致的碰撞冲击，减少对无人船船体和对接机构的损害。对接公头模块前端受到较大力或冲击时，对接引导轴可以向后伸缩，后端通过抗冲击缓震机构的圆盘向后压缩，在第一滑块和机构作用下，带动4个滑块沿着滑轨向远离固定座的方向运动，拉伸大刚度抗冲击弹簧。通过抗冲击缓震机构可避免突然的冲击对船体或者对接机构造成损伤。

(4)本发明的水面无人平台抗冲击自动对接机构能够有效克服复杂海况下，自重构模块对接困难的问题。同时所采用的对接机构大部分为机械结构，保证模块间对接的可靠性。而且对接机构较少的依赖控制方式，简化了控制流程，并且对接过程无需其他辅助设备，仅靠无人船自身推进系统和小部分对接控制系统就可以完成对接，方便军事人员在恶劣海况下的进行操作。

附图说明

图1是本发明实施例1的水面平台的示意图；

图2是本发明实施例1的水面平台的侧视图；

图3是本发明实施例1的水面平台的俯视图；

图4为本发明实施例1的对接公头模块半剖示意图；

图5为本发明实施例1的对接公头模块的示意图；

图6是图1的局部放大图；

图7是本发明实施例1的曲柄卡扣机构的俯视图；

图8是本发明实施例1的曲柄卡扣机构的侧视图；

图9是本发明实施例1的对接母头模块的剖视图；

图10是本发明实施例1的对接母头模块的前视图；

图11是本发明实施例1的椭圆形对接卡盘机构的前视图；

图12是本发明实施例1的椭圆形对接卡盘机构的示意图；

图13是本发明实施例1的引导头对接卡盘机构的前视图；

图14是本发明实施例1的引导头对接卡盘机构的示意图；

图15是本发明实施例1的引导头对接卡盘机构另一个角度的示意图；

图16是本发明实施例1的引导头对接卡盘机构的后视图；

图17是本发明实施例1的拐杆的示意图；

图18是本发明实施例1的引导头对接卡盘机构的剖视图；

图19是本发明实施例1的对接公头模块与对接母头模块连接的示意图；

图20是本发明实施例1的水面平台两两对接的示意图；

图21是本发明实施例1的水面平台两两对接的剖视图；

图22是本发明实施例1的对接公头模块与对接母头模块连接的局部剖视图；

图23是图22中C处的局部放大图；

图24是图22中D处的局部放大图。

图中：自定心椭圆台座1、对接引导轴2、对接公头花键轴3、花键轴套4、对接公头安装箱体5、固定座7、大刚度抗冲击弹簧8、导轨9、连接杆10、第一滑块11、转动副12、圆盘13、固定螺钉16、曲柄卡扣机构17、椭圆形卡盘安装螺钉18、椭圆形卡盘基座19、椭圆卡盘卡扣20、引导头对接卡盘卡扣21、引导头对接卡盘基座22、抓取机构环23、引导头对接卡扣弹簧25、引导头对接卡盘安装螺钉26、对接母头安装箱体27、椭圆形卡盘弹簧28、紧固螺钉29、拐杆30、第一电磁铁32、安装台33、第二电磁铁34、水面平台37、推进器38、能源模块39、控制模块40、传感器模块41、通信传输模块42、连接盘101、连接筒102、加强筋103、引导件201、连接轴202、曲柄卡扣1701、曲柄连杆1702、自锁电机安装钉1703、自锁电机1704、曲柄盘1705、第二滑块1706、引导孔1901、安装槽1902、第二转动杆2001、第二卡勾2002、第一转动杆2101、第一卡勾2102、连接环2201、引导槽2202、第一通孔2203、插入头3001、轴段3002、定位轴肩3003、螺纹段3004。

具体实施方式

实施例1

一种水面无人平台抗冲击自动对接机构，如图1-24所示，包括水面平台37，水面平台37为水面无人自重构平台，如图1-3所示，水面平台37两侧均设置有对接公头模块和对接母头模块；水面平台37上还设置有控制模块40、推进器38、通信传输模块42、能源模块39和传感器模块41。

如图1-4、图9所示，对接公头模块包括与水面平台37固连的对接公头安装箱体5，对接公头安装箱体5为阶梯的圆筒状结构，对接公头安装箱体5前端较小，后端较大。对接公头模块还包括对接引导轴2，对接引导轴2后端固连有自定心椭圆台座1，对接引导轴2通过法兰盘和固定螺钉16与自定心椭圆台座1固连；自定心椭圆台座1后端固连有对接公头花键轴3，对接公头花键轴3上套设有花键轴套4，对接公头花键轴3与花键轴套4滑动连接；花键轴套4通过固定螺钉16与对接公头安装箱体5固连。对接公头安装箱体5、对接引导轴2、自定心椭圆台座1均为同轴的回转体结构，花键轴与花键轴套4也与对接引导轴2同轴。对接公头花键轴3后端连接有抗冲击缓震机构；对接母头模块包括与水面平台37固连的对接母头安装箱体27，对接母头安装箱体27为阶梯形的圆筒状结构，对接母头安装箱体27前端大，后端小；对接母头安装箱体27内设置有与对接引导轴2相配合的引导头对接卡盘机构，还设置有与自定心椭圆台座1相配合的椭圆形卡盘机构，椭圆形卡盘机构设置在引导头对接卡盘机构的前部。

如图4-5所示，抗冲击缓震机构包括与对接公头花键轴3后端固连的圆盘13，圆盘13正后方设置有固定座7，固定座7上固连有四个导轨9，四个导轨9呈十字形设置，每个导轨9均与对接公头花键轴3相垂直。固定座7与导轨9均与水面平台37的侧面固连。每个导轨9上均套设有大刚度抗冲击弹簧8，每个大刚度抗冲击弹簧8的一端均与固定座7固连，另一端均固连有第一滑块11；每个第一滑块11均与导轨9滑动连接，每个第一滑块11上均铰接有连接杆10，每个连接杆10远离第一滑块11的一端均与圆盘13铰接，每个连接杆10均通过转动副12与圆盘13铰接。

对接引导轴2的前端为圆锥状的引导件201，引导件201后端固连有与其同轴的连接轴202；如图9、图13-18、图19-23所示，引导头对接卡盘机构包括与对接母头安装箱体27固连的引导头对接卡盘基座22，引导头对接卡盘基座22包括与对接母头安装箱体27同轴的圆筒状的连接环2201，连接环2201与对接母头安装箱体27通过引导头对接卡盘安装螺钉26固连；连接环2201内固连有与引导件201相配合的引导槽2202，引导槽2202为圆台状结构且为两端开口的筒状结构，引导槽2202与连接环2201同轴。引导槽2202的前端均布有四个第一通孔2203，每个第一通孔2203均与引导槽2202的轴线相平行，每个第一通孔2203内均设置有引导头对接卡盘卡扣21，每个引导头对接卡盘卡扣21均包括与引导槽2202铰接的第一转动杆2101，每个第一转动杆2101的前端均设置有与引导件201的底面相配合的第一卡勾2102，每个第一卡勾2102均设置在引导槽2202内；每个第一转动杆2101的后端均设置在引导槽2202外，每个第一转动杆2101的后端均设置在引导槽2202和连接环2201之间；每个第一转动杆2101的后端均固连有引导头对接卡扣弹簧25，每个引导头对接卡扣弹簧25远离第一转动杆2101的一端均与连接环2201的内弧面固连；每个第一转动杆2101的后端均设置有第一电磁铁32，引导件201上设置有与第一电磁铁32相对的多个第二电磁铁34。

引导槽2202的外壁上固连有四个安装台33，每个安装台33均包括一对安装座，每个安装座上均开设有截面为半圆的弧形槽，一对安装座的两个弧形槽组成一个圆管状的安装孔，异地安装座通过螺钉连接。每个安装台33上均固连有拐杆30，四个拐杆30组成首尾相连的环状的抓取机构环23；每个拐杆30均包括圆柱状的连接段，每个连接段均被紧固在安装孔内，每个连接段的一端均设置有与其同轴的插入头3001，每个插入头3001上均开设有与其垂直的螺纹孔3004；每个连接段的另一端均固连有安装段，安装段比连接段短，安装段与连接段之间的夹角为钝角。安装段均包括第一转动杆2101铰接的轴段3002，第一转动杆2101和轴段3002形成转动副12，每个安装段靠近连接段的一端均设置有定位轴肩3003，每个定位轴肩3003均与轴段3002连接；每个连接段上均开设有与插入头3001上的螺纹孔3004同轴的螺纹孔3004，每个轴段3002均设置在螺纹孔3004与轴肩之间；每个安装段远离连接段的一端均开设有与其同轴的插入槽，每个拐杆30的插入头3001均设置在和此拐杆30相邻的拐杆30的插入槽内；两个同轴的螺纹孔3004内螺接有一个紧固螺钉29。

如图4-12、图19-22、图24所示，自定心椭圆台座1包括与连接轴202后端固连的连接筒102，连接筒102为圆筒状结构；连接筒102后端固连有连接盘101，连接盘101的横截面为椭圆；连接盘101的横截面与连接筒102的横截面平行。连接筒102的外周面上均布有加强筋103；加强筋103与连接盘101和连接筒102固连。椭圆形卡盘机构包括与对接母头安装箱体27固连的椭圆形卡盘基座19，椭圆形卡盘基座19与对接母头安装箱体27通过椭圆形卡盘安装螺钉18固连。椭圆形卡盘基座19为圆柱状结构，椭圆形卡盘基座19上开设有与引导槽2202连通的引导孔1901，引导孔1901是与引导槽2202同轴的椭圆台状结构；引导孔1901的后端小于前端；引导孔1901的前端为椭圆形，后端为圆形，引导孔1901为椭圆漏斗状结构。椭圆形卡盘基座19前端均布有四个安装槽1902，每个安装槽1902均与引导孔1901的轴线平行，每个安装槽1902均与引导孔1901连通，每个安装槽1902内均设置有椭圆卡盘卡扣20，每个椭圆卡盘卡扣20均包括与安装槽1902铰接的第二转动杆2001，每个第二转动杆2001的前端均设置有与连接盘101的底面相配合的第二卡勾2002，每个第二转动杆2001的前端均固连有椭圆形卡盘弹簧28，每个椭圆形卡盘弹簧28远离第二转动杆2001的一端均与安装槽1902固连；连接盘101上设置有与椭圆卡盘卡扣20相配合的四个曲柄卡扣1701机构17。

每个曲柄卡扣1701机构17均包括在连接盘101上开设的多个滑槽，每个滑槽内均设置有第二滑块1706，每个第二滑块1706上均固连有与滑槽相垂直的曲柄卡扣1701，每个曲柄卡扣1701均与第二转动杆2001的后端相配合；每个曲柄卡扣1701上均铰接有曲柄连杆1702，每个曲柄连杆1702均与连接盘101平行；每个曲柄连杆1702远离曲柄卡扣1701的一端均连接有自锁电机1704，每个曲柄连杆1702均与自锁电机1704的轴铰接；每个自锁电机1704均与连接盘101固连。每个自锁电机1704均垂直连接盘101设置；每个自锁电机1704均通过自锁电机安装钉1703与连接盘101固连。每个曲柄连杆1702均包括与自锁电机1704的轴固连的曲柄盘1705和与曲柄盘1705连接的连杆。曲柄盘1705是与自锁电机1704不同轴的圆饼状结构，曲柄盘1705上开有铰链孔，通过铰链孔与连杆一端转动接，连杆另一端与曲柄卡扣1701铰接，曲柄卡扣1701为一斜三角型结构，曲柄卡扣1701与第二滑块1706组成T型结构，置于连接盘101前端开设的T型轨道槽中。第二滑块1706与旋转电机、曲柄盘1705、连杆构成曲柄滑块机构，在自锁电机1704的带动下，曲柄卡扣1701与滑块可做往复周期运动，当自锁电机1704停转时，曲柄卡扣1701将锁死，不会发生移动，一般情况下，通过自锁电机1704将曲柄卡扣1701位置置于距离自锁电机1704最远处。

实施例2

本实施例是实施例1中水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，包括对接方法和释放方法；控制模块40包括视线制导控制器，传感器模块41包括视觉定位装置；对接方法包括以下步骤：

步骤101，将目标的位置与航向发送给通信传输模块42，判断水面平台37的当前位置，若当前位置满足接近最终航点的控制要求，则执行动力定位控制，使水面平台37保持当前位置；若不满足控制要求，则将目标的位置信息传输给控制模块40中的视线制导控制器，进行运动规划，计算偏航角和相对于目标位置的距离(LOS制导控制律可以计算出模块的期望偏航角)，生成航行轨迹跟踪指令(包括路径上每个航点的位置、航向、巡航速度等)，水面平台37根据航行轨迹跟踪指令进行巡航，直至到达目标点。位置跟踪控制器将驱动水面平台37到目标位置，模型预测控制器基于制导律提供的跟踪指令进行巡航，直至到达目标点。

步骤102，通常情况下，最终对接时水面平台37的偏航角会与目标向不一致，此时基于对接头的控制接受率执行偏航角、位置调整，确保可以进入对接控制模式。在开启对接前，将水面平台37的位置与偏航角送入动力定位控制，进行动力保持。保持水面平台37姿态到对接机构可工作范围内后，启动水面平台37侧向的推进器38，推动水面平台37向着目标移动，使对接公头模块与对接母头模块对接。在此过程中，水面平台37的姿态和速度控制器始终维持水面平台37处于对接机构可对接范围内。当对接公头模块进入对接母头模块后，对接工作开始，此时侧向推进器38仍然保持推力。

对接公头模块与对接母头模块对接的过程包括如下步骤：

(1)对接引导轴2与引导头对接卡盘机构锁定：引导件201进入到引导槽2202中，由于引导件201呈圆锥状，引导件201的侧面挤压引导头对接卡盘卡扣21的第一卡勾2102，将引导头对接卡盘卡扣21打开，第一卡勾2102带动第一转动杆2101转动，第一转动杆2101的后端带动引导头对接卡扣弹簧25拉伸；引导件201完全进入引导槽2202后，引导头对接卡扣弹簧25在弹力作用下缩短复位，引导头对接卡扣弹簧25带动第一转动杆2101转动复位，第一转动杆2101带动第一卡勾2102转动至与其对接的引导件201的后方，防止引导件201退出引导槽2202，引导头对接卡盘卡扣21收紧。

(2)自定心椭圆台座1与椭圆形卡盘机构锁定：在引导件201进入引导槽2202的同时，自定心椭圆台座1进入引导孔1901中；自定心椭圆台座1完全进入引导孔1901后，曲柄卡扣1701机构17的自锁电机1704转动，自锁电机1704带动曲柄连杆1702与第二滑块1706向靠近第二转动杆2001的方向移动，第二滑块1706带动曲柄卡扣1701推动第二转动杆2001的后端向远离连接盘101的方向转动，第二转动杆2001的前端向靠近连接盘101的方向转动，第二转动杆2001前端的第二卡勾2002卡住连接盘101的底面，椭圆卡盘卡扣20收紧，第二转动杆2001带动椭圆形卡盘弹簧28伸长，完成对接。

对接过程中对接公头模块与对接母头模块若未完全对准，水面平台37与目标之间产生碰撞，碰撞对水面平台37产生的冲击传递到引导件201上，引导件201带动连接轴202、自定心椭圆台座1和对接公头花键轴3、圆盘13向后移动，圆盘13带动连接杆10与其连接的一端向后移动，连接杆10另一端带动第一滑块11延导轨9向远离固定座7的方向滑动，第一滑块11带动大刚度抗冲击弹簧8拉伸，由大刚度抗冲击弹簧8缓冲对接时的冲击力，减少对水面平台37和对接机构的损害。

释放方法包括以下步骤：

步骤201，自定心椭圆台座1与椭圆形卡盘机构分离：控制模块40发出控制指令控制自锁电机1704转动，自锁电机1704转动并带动曲柄连杆1702、第二滑块1706和曲柄卡扣1701向远离第二转动杆2001的方向移动，椭圆形卡盘弹簧28在弹力作用下缩短复位，椭圆形卡盘弹簧28带动第二转动杆2001的前端向远离连接盘101的方向转动，第二转动杆2001前端的第二与连接盘101脱离，对接公头模块的自定心椭圆台座1被释放。

步骤202，自定心椭圆台座1与椭圆形卡盘机构分离的同时，对接引导轴2与引导头对接卡盘机构分离：控制模块40控制第一转动杆2101上的第一电磁铁32和和引导件201上的第二电磁铁34通电，第二电磁铁34吸附第一电磁铁32，第一电磁铁32带动第一转动杆2101的后端向靠近第二电磁铁34的方向转动，第一转动杆2101的前端与第一卡勾2102向远离引导件201的方向转动，对接公头模块的对接引导轴2被释放。

步骤203，对接公头模块被释放后，启动水面平台37侧向的推进器38，使水面平台37与目标分离。

步骤204，水面平台37与目标分离后，控制模块40控制自锁电机1704旋转使得曲柄卡扣1701与第二滑块1706沿着滑槽移动到离旋转电机最远处。同时控制模块40使引导头对接卡盘机构内的第一电磁铁32和第二电磁铁34断电；引导头对接机构恢复收紧状态，完成释放。

实施例3

一种采用实施例1中的水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，主要步骤如下：

步骤301，基于离散化的多目标指令序列生成：水面平台37组成的集群队形编队接收到的是“一”字队形指令，在项目实施的过程中，需要该队形指令分配到特定集群编队上；对于具有多个模块(本实施例中的模块是指水面平台37)的集群，需要基于“一”字队形指令转化成多个目标指令；首先，“一”字队形的左右两端具有对应的经纬度数据，基于该数据可以获得队形的数据方程以及自变量区域；通过使用等均分离散化方法，可以获得队形上多个等分点的经纬度、艏向角指令数据(x,y,θ)；通过将这多个目标指令数据写入程序List序列中，可以辅助后续协同编队控制。

步骤302，基于欧几里得距离评估的目标位置序列匹配：我们提出使用欧几里得距离来实现指令序列与集群各模块的优化匹配；首先，编辑一个欧几里得距离计算函数，该函数的输入分别是指令数据List与无人集群模型List；其次，通过分别求解各个目标指令点到各个模块的欧几里德距离，通过不断迭代计算，可以获得一个欧几里得距离序列；然后在将目标指令点与无人模块对应时，需要选择距离值较小的，一旦选择就将该模块从待分配序列List中移除；第四步，经过多次距离比对，可以获得无人模块与指令点的匹配；第五步，当编队规划的过程中，为每个无人模块更新匹配指令，以确保自主编队控制最优。

步骤303，基于人工势场法的障碍物直线检测：人工势场法将无人设备(指水面平台37)所处的环境抽象成虚拟力场，无人设备的起点和障碍物位于较高的区域，目标点位于较低的区域，无人设备视为一个球体。通过构建目标点对无人设备的引力和障碍物对无人设备的斥力函数，在合力的作用下，实现无人设备向目标点的运动。但是人工势场法存在陷入局部最优的问题，可以通过将多个障碍物连接成为一个大的障碍物，增大设备受到来自障碍物的斥力，以此避免陷入局部最优。

步骤304，基于宽度优先方法的多模块动态避障：无人设备航行区域内可能会出现动态障碍，而全局规划器进行轨迹规划时需要计算一定的次数方可给出最优解。为改善路径规划辅助系统的决策能力，借鉴迪杰斯特拉最短路径算法，用于计算上一个航行节点到其他节点的最短路径。通过以无人设备的当前位置为中心向外层层扩展，直到扩展到规划路径集合内的航行节点为止。如此，可以为无人设备航行添加避障路径，引导无人设备到达预期目标点。

步骤305，按照实施例2中的对接方法与释放方法进行水面平台37间的自动对接和释放。完成水面无人平台的自动对接以及模块自重构。

Claims (8)

1.水面无人平台抗冲击自动对接机构，其特征在于，包括水面平台，所述水面平台两侧均设置有对接公头模块和对接母头模块；所述水面平台上还设置有控制模块、推进器、通信传输模块和传感器模块；所述对接公头模块包括与水面平台固连的对接公头安装箱体，还包括对接引导轴，所述对接引导轴后端固连有自定心椭圆台座；所述自定心椭圆台座后端固连有对接公头花键轴，所述对接公头花键轴上套设有花键轴套，所述花键轴套与对接公头安装箱体固连；所述对接公头花键轴后端连接有抗冲击缓震机构；所述对接母头模块包括与水面平台固连的对接母头安装箱体，所述对接母头安装箱体内设置有与对接引导轴相配合的引导头对接卡盘机构，还设置有与自定心椭圆台座相配合的椭圆形卡盘机构，所述椭圆形卡盘机构设置在引导头对接卡盘机构的前部；所述对接引导轴的前端为圆锥状的引导件，所述引导件后端固连有与其同轴的连接轴；所述引导头对接卡盘机构包括与对接母头安装箱体固连的引导头对接卡盘基座，所述引导头对接卡盘基座包括圆筒状的连接环，所述连接环与对接母头安装箱体固连；所述连接环内固连有与引导件相配合的引导槽，所述引导槽为圆台状结构且为两端开口的筒状结构；所述引导槽的前端开设有三个或三个以上第一通孔，每个所述第一通孔均与引导槽的轴线相平行，每个所述第一通孔内均设置有引导头对接卡盘卡扣，每个所述引导头对接卡盘卡扣均包括与引导槽铰接的第一转动杆，每个所述第一转动杆的前端均设置有与引导件的底面相配合的第一卡勾，每个所述第一卡勾均设置在引导槽内；每个所述第一转动杆的后端均设置在引导槽外，每个所述第一转动杆的后端均固连有引导头对接卡扣弹簧，每个所述引导头对接卡扣弹簧远离第一转动杆的一端均与连接环的内弧面固连；每个所述第一转动杆上均设置有第一电磁铁，所述引导件上设置有与第一电磁铁相对的多个第二电磁铁。

2.如权利要求1所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构，其特征在于，所述抗冲击缓震机构包括与对接公头花键轴后端固连的圆盘，所述圆盘的后方设置有固定座，所述固定座上固连有三个或三个以上导轨，每个所述导轨均与对接公头花键轴相垂直；每个所述导轨上均套设有大刚度抗冲击弹簧，每个所述大刚度抗冲击弹簧的一端均与固定座固连，另一端均固连有第一滑块；每个所述第一滑块均与导轨滑动连接，每个所述第一滑块上均铰接有连接杆，每个所述连接杆远离第一滑块的一端均与圆盘铰接。

3.如权利要求2所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构，其特征在于，所述引导槽的外壁上固连有多个安装台，每个所述安装台上均固连有拐杆，多个拐杆组成首尾相连的环形；每个所述拐杆均包括连接段，每个所述连接段的一端均设置有插入头，每个插入头上均开设有与其垂直的螺纹孔；每个连接段的另一端均固连有安装段，所述安装段均包括第一转动杆铰接的轴段，每个安装段靠近连接段的一端均设置有定位轴肩，每个所述定位轴肩均与轴段连接；每个连接段上均开设有与插入头上的螺纹孔同轴的螺纹孔，每个轴段均设置在螺纹孔与轴肩之间；每个所述安装段远离连接段的一端均开设有与其平行的插入槽，每个插入头均设置在和此拐杆相邻的拐杆的插入槽内；两个同轴的螺纹孔内螺接有一个紧固螺钉。

4.如权利要求3所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构，其特征在于，所述自定心椭圆台座包括与连接轴后端固连的连接筒，所述连接筒为圆筒状结构；所述连接筒后端固连有连接盘，所述连接盘的横截面为椭圆；所述连接筒的外周面上均布有加强筋；所述椭圆形卡盘机构包括与对接母头安装箱固连的椭圆形卡盘基座，所述椭圆形卡盘基座为圆柱状结构，所述椭圆形卡盘基座上开设有与引导槽连通的引导孔，所述引导孔是与引导槽同轴的椭圆台状结构；所述椭圆形卡盘基座前端开设有三个或三个以上安装槽，每个所述安装槽均与引导孔连通，每个所述安装槽内均设置有椭圆卡盘卡扣，每个所述椭圆卡盘卡扣均包括与安装槽铰接的第二转动杆，每个所述第二转动杆的前端均设置有与连接盘的底面相配合的第二卡勾，每个所述第二转动杆的前端均固连有椭圆形卡盘弹簧，每个所述椭圆形卡盘弹簧远离第二转动杆的一端均与安装槽固连；所述连接盘上设置有与椭圆卡盘卡扣相配合的多个曲柄卡扣机构。

5.如权利要求4所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构，其特征在于，所述曲柄卡扣机构包括在连接盘上开设的多个滑槽，每个所述滑槽内均设置有第二滑块，每个所述第二滑块上均固连有与滑槽相垂直的曲柄卡扣，每个所述曲柄卡扣均与第二转动杆的后端相配合；每个所述曲柄卡扣上均铰接有曲柄连杆，每个所述曲柄连杆均与连接盘平行；每个所述曲柄连杆远离曲柄卡扣的一端均连接有自锁电机，每个所述曲柄连杆均与自锁电机的轴铰接；每个所述自锁电机均与连接盘固连。

6.如权利要求1-5任一所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，其特征在于，包括对接方法和释放方法；所述控制模块包括视线制导控制器，所述传感器模块包括视觉定位装置；对接方法包括以下步骤：

步骤101，将目标的位置与航向发送给通信传输模块，判断水面平台的当前位置，若当前位置满足接近最终航点的控制要求，则水面平台保持当前位置；若不满足控制要求，则将目标的位置信息传输给视线制导控制器，计算偏航角和相对于目标位置的距离，生成航行轨迹跟踪指令，水面平台根据航行轨迹跟踪指令进行巡航，直至到达目标点；

步骤102，水面平台到达目标点后，将水面平台的位置与偏航角送入动力定位控制，进行动力保持；启动水面平台侧向的推进器，推动水面平台向着目标移动，使对接公头模块与对接母头模块对接。

7.如权利要求6所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，其特征在于，在步骤102中，对接公头模块与对接母头模块对接的过程包括如下步骤：

（1）对接引导轴与引导头对接卡盘机构锁定：引导件进入到引导槽中，引导件的侧面挤压引导头对接卡盘卡扣的第一卡勾，将引导头对接卡盘卡扣打开，第一卡勾带动第一转动杆转动，第一转动杆的后端带动引导头对接卡扣弹簧拉伸；引导件完全进入引导槽后，引导头对接卡扣弹簧在弹力作用下缩短复位，引导头对接卡扣弹簧带动第一转动杆转动复位，第一转动杆带动第一卡勾转动至与其对接的引导件的后方，引导头对接卡盘卡扣收紧；

（2）自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构锁定：在引导件进入引导槽的同时，自定心椭圆台座进入引导孔中；自定心椭圆台座完全进入引导孔后，曲柄卡扣机构的自锁电机转动，自锁电机带动曲柄连杆与第二滑块向靠近第二转动杆的方向移动，第二滑块带动曲柄卡扣推动第二转动杆的后端向远离连接盘的方向转动，第二转动杆的前端向靠近连接盘的方向转动，第二转动杆前端的第二卡勾卡住连接盘的底面，椭圆卡盘卡扣收紧，第二转动杆带动椭圆形卡盘弹簧伸长，完成对接。

8.如权利要求6所述的水面无人平台抗冲击自动对接机构的方法，其特征在于，释放方法包括以下步骤：

步骤201，自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构分离：自锁电机转动并带动曲柄连杆、第二滑块和曲柄卡扣向远离第二转动杆的方向移动，椭圆形卡盘弹簧在弹力作用下缩短复位，椭圆形卡盘弹簧带动第二转动杆的前端向远离连接盘的方向转动，第二转动杆前端的第二与连接盘脱离，对接公头模块的自定心椭圆台座被释放；

步骤202，自定心椭圆台座与椭圆形卡盘机构分离的同时，对接引导轴与引导头对接卡盘机构分离：第一转动杆上的第一电磁铁和引导件上的第二电磁铁通电，第二电磁铁吸附第一电磁铁，第一电磁铁带动第一转动杆的后端向靠近第二电磁铁的方向转动，第一转动杆的前端与第一卡勾向远离引导件的方向转动，对接公头模块的对接引导轴被释放；

步骤203，对接公头模块被释放后，启动水面平台侧向的推进器，使水面平台与目标分离；

步骤204，水面平台与目标分离后，引导头对接卡盘机构内的第一电磁铁和第二电磁铁断电，完成释放。

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