CN109460061A - 一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其包括如下步骤：(1)路径规划；(2)自主水下机器人探测作业；(3)超短基线定位；(4)地质取样并行作业；(5)设备回收。采用上述自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，可以获取海底矿产资源调查目标区域的全覆盖海底信息和水体参数精细探测数据，并同时取得代表性地质样品，此外还能实时监控自主水下机器人的状态，保障自主水下机器人的作业安全。本发明能够有效节省海底矿产资源调查的作业船时，极大提升海洋调查效率，具有良好的应用前景。

Description

一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法
技术领域
本发明涉及海洋矿产资源调查领域，具体涉及一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法。
背景技术
随着陆地矿产资源的逐步消耗，占地球表面积71％的海洋所蕴藏的丰富矿产资源开始进入人们的视线，世界各发达国家与部分发展中国家投入了大量的资金进行海洋矿产资源调查与开发。与陆地调查不同，海洋矿产资源调查受到海况的限制较大，特别是在宽阔的大洋海域，适宜的海况条件是进行调查的基本保障。千吨级的调查船在海上进行调查作业，每天消耗的燃油、人力成本和船舶的维护费用常在十万元以上。在海况允许的有限时间内，提升单位时间内的调查效率，是海洋矿产资源调查的迫切需求。
由于船舶条件的限制，目前我国的海洋矿产资源调查在同一时间内几乎都是只进行单项作业，例如单独开展自主水下机器人探测作业，调查船漂浮于海面对自主水下机器人进行水下定位和状态监控；或者调查船通过船艉的A型架布放地质取样设备，单独开展地质取样作业。海洋矿产资源调查缺乏有效的并行作业方法，为此本发明提出一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，可以获取调查目标区域的全覆盖海底信息和水体参数精细探测数据，并同时取得代表性地质样品，此外还能实时监控自主水下机器人的状态，保障自主水下机器人的作业安全，有效节省海上作业船时，极大提升海洋调查效率。
发明内容
本发明的目的在于针对现有海洋矿产资源调查效率的不足，提出一种高效的自主水下机器人和地质取样设备并行作业方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其包括如下具体步骤：
(1)路径规划：根据船载多波束系统获得的海底地形资料，对需要进行海底信息和水体参数精细探测的海底矿产资源调查区域进行规划，获取自主水下机器人探测作业的路径信息。
自主水下机器人探测作业的路径为梳形，包括声学探测路径和光学探测路径，声学探测路径覆盖全部海底矿产资源调查目标区域，光学探测路径覆盖重点关注区域。
声学探测路径相邻梳形线之间的距离为声呐单侧有效探测距离的1.6倍，该距离能够保证自主水下机器人在相邻两条梳形线上探测获得的声学海底信息有20％的交叉，既可以实现海底全覆盖的声学图像拼图，又可以避免声呐边缘波束引起的较大误差。
光学探测路径相邻梳形线之间的距离为水下相机照片横向覆盖距离的1.6倍，该距离能够保证自主水下机器人在相邻两条梳形线上探测获得的海底照片图像有20％的交叉，可以实现海底全覆盖的照片拼图。
自主水下机器人先进行声学探测，再进行光学探测，声学探测路径终点的经纬度与光学探测路径起点的经纬度相同；声学探测和光学探测均为定高航行。
进一步地，声学探测定高航行时离底距离为100m，光学探测定高航行时离底距离为5m。
进一步地，自主水下机器人声学探测作业的梳形测线方向与海底等深线方向尽可能保持一致。
(2)自主水下机器人探测作业：调查船驶抵步骤1规划的声学探测路径起点的正上方海面，将自主水下机器人布放至海面，其无动力下潜至声学探测路径起点位置，按照规划的路径进行探测作业；声学探测作业完成后，自主水下机器人无动力下潜至光学探测路径起点位置，开始光学探测作业。
进一步地，调查船使用绞车通过滑轮带动钢缆起吊自主水下机器人，随后船艉A型架朝海面方向摆出，并将钢缆缓慢放出，释放钢缆期间始终关注自主水下机器人与水面的距离，待自主水下机器人没入海面后，将钢缆的起吊钩脱钩，自主水下机器人无动力下潜至预定位置，按照规划的路径进行探测作业。自主水下机器人携带的电池容量决定了单次下潜探测作业的最大时长，一般情况下能够达到30小时以上。
进一步地，自主水下机器人在布放时与调查船的艏向保持一致。
进一步地，自主水下机器人从起吊到无动力下潜的过程中，调查船须顶流，即艏向与海流方向相反，避免自主水下机器人与调查船螺旋桨发生碰撞。
(3)超短基线定位：在自主水下机器人开始无动力下潜以后，调查船下放船底的超短基线基阵，然后开启超短基线定位系统，船底的超短基线基阵与自主水下机器人上安装的超短基线应答器进行声学通讯，获得自主水下机器人的水下定位与状态信息。
进一步地，调查船与自主水下机器人之间的直线距离小于超短基线定位系统的最大作用距离。
(4)地质取样并行作业：调查船缓慢驶离自主水下机器人探测作业的区域，停船后布放地质取样设备进行海底地质取样，整个过程中调查船持续获取自主水下机器人的水下定位与状态信息。
进一步地，调查船缓慢驶离自主水下机器人探测作业的区域，到达地质取样的作业区域后，使用绞车通过滑轮带动钢缆起吊地质取样设备，随后船艉A型架朝海面方向摆出，并将钢缆放出，直到地质取样设备到达海底进行地质取样作业。
进一步地，地质取样设备可以是抓斗、重力取样器、箱式取样器、多管取样器、地质拖网和海底钻机等设备中的一种或几种，并可以根据调查需求进行多次地质取样。
进一步地，调查船行驶时的对流速度不超过4kn，以保证超短基线基阵的安全性。
进一步地，调查船与自主水下机器人之间的直线距离小于超短基线定位系统的最大作用距离。
(5)设备回收：调查船在取样结束后回收地质取样设备，并缓慢驶回自主水下机器人探测作业的区域，回收自主水下机器人，关闭超短基线定位系统。
进一步地，调查船使用绞车通过滑轮带动钢缆回收地质取样设备到甲板，自主水下机器人在完成探测作业任务后，自行抛弃压载铁获得正浮力上浮。调查船缓慢驶回自主水下机器人探测作业的区域，并持续获取正在上浮的自主水下机器人的定位与状态信息，确认其与调查船的相对位置，在距离自主水下机器人出水位置100-200米处停船，操控调查船使其艏向与海流方向相反。随后遥控自主水下机器人从调查船的后方向船艉靠近，将起吊钩挂上自主水下机器人，使用绞车通过滑轮带动钢缆回收到甲板，最后关闭超短基线定位系统。
进一步地，调查船行驶时的对流速度不超过4kn，以保证超短基线基阵的安全性。
进一步地，调查船与自主水下机器人之间的直线距离小于超短基线定位系统的最大作用距离。
进一步地，调查船布放、回收自主水下机器人和地质取样设备时使用尼龙绳进行止荡。
本发明的有益效果是：
1.自主水下机器人声学探测获得的数据能够覆盖全部海底矿产资源调查目标区域，并避免声呐边缘波束引起的较大误差，经过声学图像拼图可以得到海底的精细地形地貌信息。
2.自主水下机器人光学探测获得的海底照片能够覆盖海底矿产资源调查重点关注区域，明确该区域海底底质、表层矿产资源分布和生物群落等情况。
3.在进行地质取样作业的同时，能够获取自主水下机器人的水下定位与状态信息，保障了自主水下机器人探测作业的安全性。
4.能够在自主水下机器人探测海底信息和水体参数的同时获取地质样品，并在整个作业过程中实时监控自主水下机器人的状态，有效节省海上作业船时，极大提升海洋调查效率，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为实施本发明布放自主水下机器人进行探测作业的示意图；
图2为实施本发明自主水下机器人和地质取样设备并行作业的示意图；
图中，1-调查船、2-自主水下机器人、3-起吊钩、4-钢缆、5-滑轮、6-A型架、7-绞车、8-超短基线应答器、9-超短基线基阵、10-海面、11-声学探测路径起点、12-声学探测路径、13-声学探测路径终点、14-光学探测路径起点、15-光学探测路径终点、16-光学探测路径、17-海底、18-地质取样设备。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，但保护范围不被此限制。
实施例
通过调查船在南海多金属结核试采区进行“潜龙三号”自主水下机器人和地质取样设备(箱式取样器和多管取样器)的并行作业，作业方法如下：
(1)路径规划：对南海多金属结核试采区需要进行海底信息和水体参数探测的水下区域共30km2进行规划，如图1所示，声学探测路径12覆盖全部30km2的水下区域，探测作业的路径为梳形，梳形线共15条，图中仅给出部分示意，起始的14条线长5km，最后一条线长2.5km，相邻梳形线之间的距离为400m，距离海底17的高度为100m，用于获取海底和水体参数信息。光学探测路径16覆盖重点关注区域，每条梳形线长7km，相邻梳形线之间的距离为10m，距离海底17的高度为5m，用于获取海底照片和近底水体参数信息。其中，自主水下机器人2声学探测路径终点13的经纬度与光学探测路径起点14的经纬度相同，距离海底17高度不同，分别为100m和5m。自主水下机器人2声学探测作业的梳形测线方向与海底17等深线方向尽可能保持一致，先进行声学探测，再进行光学探测。
(2)自主水下机器人探测作业：调查船1到达声学探测路径起点11的正上方海面，如图1所示，使用绞车7通过滑轮5带动钢缆4起吊自主水下机器人2，自主水下机器人2在布放时与调查船1的艏向保持一致，并使用尼龙绳进行止荡，避免自主水下机器人2与船上物体碰撞。随后船艉A型架6朝海面10方向摆出，并将钢缆4缓慢放出，释放钢缆4期间始终关注自主水下机器人2与海面10的距离，待自主水下机器人2没入海面10后，将钢缆2的起吊钩3脱钩，自主水下机器人2无动力下潜至声学探测路径起点11位置，按照规划的路径进行声学探测作业，该起点水深约1500m。声学探测作业完成后，自主水下机器人2位于声学探测路径终点13位置，然后无动力下潜至光学探测路径起点14位置，开始光学探测作业，完成全部探测后位于光学探测路径终点15位置。自主水下机器人2携带的电池容量决定了单次下潜探测作业的最大时间，该次探测作业总时间约为38小时。自主水下机器人2从起吊到无动力下潜的过程中，调查船1须顶流，即艏向与海流方向相反，避免自主水下机器人2与调查船1的螺旋桨发生碰撞。
(3)超短基线定位：在自主水下机器人2开始无动力下潜以后，调查船1下放船底的超短基线基阵9至船底以下1.5m，然后开启超短基线定位系统，船底的超短基线基阵9与自主水下机器人2上安装的超短基线应答器8进行声学通讯，获取自主水下机器人2的水下定位与状态信息。调查船1与自主水下机器人2之间的直线距离小于超短基线定位系统的最大作用距离，本实施例采用“大洋一号”船，其超短基线定位系统最大作用距离约为9000m。
(4)地质取样并行作业：调查船1缓慢驶离自主水下机器人2探测作业的区域，行驶时船的对流速度不超过4kn，避免因船舶相对水速度过快损坏船底的超短基线基阵9。如图2所示，调查船1到达地质取样的作业区域后，使用绞车7通过滑轮5带动钢缆4起吊地质取样设备18，并使用尼龙绳进行止荡，避免地质取样设备18与船上物体碰撞。随后船艉A型架6朝海面10方向摆出，并将钢缆4放出，直到地质取样设备18到达海底17进行地质取样作业，整个过程中调查船1通过超短基线定位系统持续获取自主水下机器人2的水下定位与状态信息。地质取样设备18可以是抓斗、重力取样器、箱式取样器、多管取样器、地质拖网和海底钻机等设备中的一种或几种，可以进行多次地质取样。在进行自主水下机器人探测的同时开展3站箱式取样器和2站多管取样器作业，获得多金属结核、沉积物、结壳等样品，节约了宝贵的海上调查时间。
(5)设备回收：调查船1使用绞车7通过滑轮5带动钢缆4回收地质取样设备18到甲板，回收时使用尼龙绳进行止荡。自主水下机器人2在完成探测作业任务后，位于光学探测路径终点15位置，自行抛弃压载铁获得正浮力上浮。调查船1缓慢驶回自主水下机器人2探测作业的区域，并通过超短基线定位系统持续获取正在上浮的自主水下机器人2的定位与状态信息，确认其与调查船1的相对位置，在距离自主水下机器人2出水位置100-200米处停船，操控调查船1使其艏向与海流方向相反。随后遥控自主水下机器人2从调查船1的后方向船艉靠近，将起吊钩3挂上自主水下机器人2，使用绞车7通过滑轮5带动钢缆4回收到甲板，回收时使用尼龙绳进行止荡，最后关闭超短基线定位系统。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)路径规划：根据船载多波束系统获得的海底地形资料，对需要进行海底信息和水体参数精细探测的海底矿产资源调查区域进行规划，获取自主水下机器人探测作业的路径信息；
自主水下机器人探测作业的路径为梳形，包括声学探测路径和光学探测路径，声学探测路径覆盖全部海底矿产资源调查目标区域，光学探测路径覆盖重点关注区域；声学探测路径相邻梳形线之间的距离为声呐单侧有效探测距离的1.6倍；光学探测路径相邻梳形线之间的距离为水下相机照片横向覆盖距离的1.6倍；
自主水下机器人先进行声学探测，再进行光学探测，声学探测路径终点的经纬度与光学探测路径起点的经纬度相同；声学探测和光学探测均为定高航行；
(2)自主水下机器人探测作业：调查船驶抵步骤1规划的声学探测路径起点的正上方海面，将自主水下机器人布放至海面，其无动力下潜至声学探测路径起点位置，按照规划的路径进行探测作业；声学探测作业完成后，自主水下机器人无动力下潜至光学探测路径起点位置，开始光学探测作业；
(3)超短基线定位：在自主水下机器人开始无动力下潜后，调查船开启超短基线定位系统，对自主水下机器人进行水下定位与状态监控；
所述超短基线定位系统包括安装在船底的超短基线基阵与安装在自主水下机器人上的超短基线应答器；
(4)地质取样并行作业：调查船缓慢驶离自主水下机器人探测作业的区域，停船后布放地质取样设备进行海底地质取样，整个过程中调查船持续获取自主水下机器人的水下定位与状态信息；
(5)设备回收：调查船在取样结束后回收地质取样设备，并缓慢驶回自主水下机器人探测作业的区域，回收自主水下机器人，关闭超短基线定位系统。
2.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤3、步骤4和步骤5中，调查船与自主水下机器人之间的直线距离小于超短基线定位系统的最大作用距离。
3.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤4中，地质取样设备可以是抓斗、重力取样器、箱式取样器、多管取样器、地质拖网和海底钻机等设备中的一种或几种，并可以根据调查需求进行多次地质取样。
4.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤4和步骤5中，调查船行驶时的对流速度不超过4kn，以保证超短基线基阵的安全性。
5.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤1中，声学探测定高航行时离底距离为100m，光学探测定高航行时离底距离为5m。
6.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤1中，自主水下机器人声学探测作业的梳形测线方向与海底等深线方向尽可能保持一致。
7.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤2中，自主水下机器人在布放时与调查船的艏向保持一致。
8.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤2中，自主水下机器人从起吊到无动力下潜的过程中，调查船须顶流，即艏向与海流方向相反，避免自主水下机器人与调查船螺旋桨发生碰撞。
9.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤5中，自主水下机器人在完成探测作业任务后，自行抛弃压载铁获得正浮力上浮；调查船缓慢驶回自主水下机器人探测作业的区域，并持续获取正在上浮的自主水下机器人的定位与状态信息，确认其与调查船的相对位置，在距离自主水下机器人出水位置100-200米处停船，操控调查船使其艏向与海流方向相反；随后遥控自主水下机器人从调查船的后方向船艉靠近，将起吊钩挂上自主水下机器人，使用绞车通过滑轮带动钢缆回收到甲板，最后关闭超短基线定位系统。
10.根据权利要求1所述的一种自主水下机器人和地质取样设备的并行作业方法，其特征在于，所述步骤2、步骤4和步骤5中，调查船布放、回收自主水下机器人和地质取样设备时使用尼龙绳进行止荡。
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