CN109866894A - 适用于冰孔布放回收的冰下探测系统及其布放回收方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其能通过孔径有限的冰孔进入水下，包括承重电缆，用于悬挂于冰孔中进行冰下探测系统的上提和下放；转换及收放缆装置，与带动其移动的承重电缆固定连接，用于接驳ROV的水下收放；接驳ROV，与转换及收放缆装置连接组合成能在孔径有限的冰孔里移动的圆柱状的整体结构并于水下时能脱离转换及收放缆装置进行水样或沉积物采集和冰下探测AUV接驳；冰下探测AUV，用于水下时脱离接驳ROV进行水下探测或接驳于接驳ROV中进行充电续航和数据通信，并能固定于接驳ROV中随接驳ROV移动。本发明可以提高系统在冰下的探测时间和探测范围，提高探测效率。

Description

适用于冰孔布放回收的冰下探测系统及其布放回收方法

技术领域

本发明属于海洋技术工程领域，涉及一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统及其布放回收方法。

背景技术

地球的两极存在着浮冰区以及连接大洋和极地冰盖的冰架。对冰下环境的探测和取样，包括冰下海洋温盐环流观测、冰下海洋生态环境探测、冰下海水和沉积物取样等，是研究冰下海洋温盐环流、冰架与大洋相互作用的重要手段，具有重要的科学意义。目前主要有两种方式进行冰下环境的探测，一是通过在冰面上钻孔并将带缆的仪器设备放入其中，这种方式布放的仪器设备仅限于探测冰孔下十分有限的范围，不能进行冰下大范围的探测。二是通过在水下航行的自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)。这种方式下AUV通常是通过凿开冰层然后在较大的冰孔中进行布放和回收，但是AUV续航能力有限，导致探测时间和范围有限，此外，薄的冰层可以采取开冰孔布放的方式，但是对于厚的冰层，比如南极地区厚度达上千米的冰架，通常是通过极地热水钻机钻孔，开的冰孔通常直径有限(在35cm～80cm的量级)，因此无法在深且窄的冰孔内直接布放和回收AUV。

现有的冰下探测机器人，比如专利号为201710886568.1公布的一种冰下探测机器人，以及专利号为201810313651.4公布的一种冰下探测机器人，都是只能通过凿开冰层然后在较大的冰孔中进行布放和回收进而实现冰下探测，无法在深且窄的冰孔内直接布放和回收AUV。

发明内容

本发明提供了一种能够在孔径有限的冰孔布放回收的冰下探测系统，其中的自主探测机器人还可以自主返回到冰孔底部附近进行对接充电和数据传输，从而增加冰下探测的时间和范围。

本发明还提供了一种接驳更易实现、提高了系统在冰下的探测时间和探测范围的冰下探测系统布放回收方法。

本发明采用的技术方案是：

一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其能通过孔径有限的冰孔进入水下，其特征在于：包括

承重电缆，用于悬挂于冰孔中进行冰下探测系统的上提和下放；

转换及收放缆装置，与带动其移动的承重电缆固定连接，用于接驳ROV(RemotelyOperated Vehicle，缆控潜水器)的水下收放；

接驳ROV，与转换及收放缆装置连接组合成能在孔径有限的冰孔里移动的圆柱状的整体结构并于水下时能脱离转换及收放缆装置进行水样或沉积物采集，此外，还能主动捕捉冰下探测AUV，并与之接驳进行数据通信和对冰下探测AUV充电；；

冰下探测AUV，用于水下时脱离接驳ROV进行水下自主探测或接驳于接驳ROV中进行充电续航和数据通信，并能固定于接驳ROV中随接驳ROV移动；

在冰孔布放或回收过程中，转换及收放缆装置将缆完全收回，接驳ROV在缆的作用下与转换及收放缆装置同轴地贴合在一起，冰下探测AUV也被接驳ROV锁紧固定住，组合系统的整体形状为带阶梯的圆柱状。本发明的整体结构是圆柱状，不会与冰孔的壁面发生碰撞而损坏零部件。接驳ROV和冰下探测AUV之间利用水下回坞接驳的方式可以提高系统在冰下的探测时间和探测范围。接驳ROV和冰下探测AUV之间探测功能互补，提高探测效率。

进一步，所述转换及收放缆装置包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内安装有绞车卷筒，所述绞车卷筒的两侧分别安装有绞车驱动电机和绞车滑环，所述绞车卷筒上盘绕有零浮力缆，所述承重电缆连接于绞车滑环，所述承重电缆的电芯通过绞车滑环与零浮力缆连接，所述零浮力缆的自由端与接驳ROV连接。

进一步，所述接驳ROV包括ROV外筒，所述ROV外筒的后端安装有后盖板，所述后盖板的内侧固定有耐压密封的控制舱和若干个驱动接驳ROV水下运动的推进器，所述推进器均布在控制舱周围，所述控制舱内安装有主控电路板和推进器驱动电路板，所述推进器与推进器驱动电路板电性连接；

所述ROV外筒内安装有镂空的固定板，所述固定板的前侧安装有与冰下探测AUV对接的对接筒；所述对接筒的外围依次安装有用于检测冰下探测AUV是否完全进入到对接筒的位置传感器、用于冰下探测AUV完全进入对接筒后进行冰下探测AUV的锁紧固定的锁紧装置、用于冰下探测AUV充电续航和数据传输的充电和通信装置；

所述ROV外筒内侧靠近前端位置径向布置有用于水下定位冰下探测AUV位置和视觉导向冰下探测AUV接驳的前视摄像头、用于提供良好视觉效果的照明灯、用于冰下探测AUV返航时水声定位或水声通信的超短基线定位(Ultrashort Baseline，USBL)应答器和若干个用于采集冰下水样的采水器，所述前视摄像头、照明灯、超短基线定位应答器和采水器均与主控电路板电性连接。本发明的接驳ROV的包括推进器在内的所有零部件都设在接驳ROV外筒的内部，不会跟冰孔碰撞损坏零部件，ROV外筒中推进器与外部水流连通，提高推进效率，也起到减少接驳ROV前进阻力的作用。

进一步，所述ROV外筒的周面靠近推进器的位置开设有大圆孔，可以使外部水流能够很好的与推进器连通，提高推进效率。

进一步，所述对接筒为圆柱形导筒，其底部设有用于冰下探测AUV对接时限位和缓冲的锥形槽。

进一步，所述控制舱对应对接筒的锥形槽位置安装有接驳摄像头，所述接驳摄像头沿接驳ROV中心轴向设置。

进一步，所述对接筒的外部开口与ROV外筒的前端开口之间通过若干条沿径向辐条状均布的锥形导向条连接。锥形导向条在冰下探测AUV与接驳ROV对接时起到导向作用，同时锥形导向条之间具有空隙，不影响外部水流与推进器连通，也起到减少接驳ROV前进阻力的作用。

进一步，所述照明灯布置在前视摄像头的两边，所述采水器位于超短基线定位应答器的两侧，所述前视摄像头位于ROV外筒内侧正上方，所述超短基线定位应答器位于ROV外筒内侧正下方。

进一步，所述冰下探测AUV为外壳平滑的鱼雷状，其尾部设有矢量推进器，所述矢量推进器的最大外径小于冰下探测AUV的外壳外径；所述冰下探测AUV的前端设有摄像头和用于水声定位通信用的超短基线定位(USBL)收发器；所述冰下探测AUV的天线安装在外壳腔体内部。

上述适用于冰孔布放回收的冰下探测系统的布放回收方法，其步骤包括：

(1)在冰架上或者厚冰上进行钻孔，得到从冰面通到冰下水的冰孔；

(2)在冰孔上部架起绞车支架，通过冰面绞车将冰下探测系统吊起，冰面绞车逐步释放承重电缆，使冰下探测系统沿着冰孔下放，此时转换及收放缆装置内的零浮力缆是全部收回状态，接驳ROV与转换及收放缆装置紧密结合，冰下探测AUV锁紧固定于接驳ROV；

(3)待接驳ROV刚好没入水中且转换及收放缆装置还在冰孔中时，冰面绞车停止下放，此时，转换及收放缆装置开始释放零浮力缆，让接驳ROV潜入水中进行摄像以及利用采水器采集水样；同时，冰下探测AUV能从接驳ROV脱离在水下自由地探测；

(4)当冰下探测AUV的电池电量不足或者需要回收AUV时，冰下探测AUV通过超短基线定位到自身相对于接驳ROV的位置，并与接驳ROV建立水声通信，冰下探测AUV通过超短基线定位的导引，回到接驳ROV附近；

(5)接驳ROV收到冰下探测AUV回到附近的信号，根据情况打开照明灯，通过前视摄像头定位到冰下探测AUV的位置，接驳ROV主动去接近冰下探测AUV，或接驳ROV利用视觉和水声定位信息主动智能地去捕捉冰下探测AUV，或操作人员通过远程遥控接驳ROV来捕捉冰下探测AUV；当冰下探测AUV在接驳摄像头的视野范围内时，在接驳摄像头的视觉导向下，接驳ROV将冰下探测AUV套入自身的对接筒内；

(6)冰下探测AUV完全进入到对接筒时，触发位置传感器，接着锁紧装置动作，将冰下探测AUV锁紧固定；如果任务是充电续航和传输数据，转步骤(7)；如果任务是回收冰下探测系统，转步骤(9)；

(7)开启充电和通信装置，通过非接触电能传输的方式对冰下探测AUV进行充电，同时冰下探测AUV将存储的探测数据传输给接驳ROV，并接收新的任务指令，接驳ROV可以通过电缆将数据传输到冰面上；

(8)完成充电和数据传输后，锁紧装置将冰下探测AUV释放，冰下探测AUV与接驳ROV脱离，执行新的任务；

(9)转换及收放缆装置开始收缆，将接驳ROV拉回，使之与转换及收放缆装置下端对齐并贴紧；

(10)冰面绞车动作，将冰下探测系统从冰孔中吊起，将冰下探测系统的回收。

本发明的有益效果：

1、冰下探测系统在冰孔布放或回收过程中，整体形状为圆柱状，且外围没有任何凸出的零部件，因此适合在孔径有限的冰孔进行布放回收，也不会跟冰孔碰撞损坏零部件。

2、冰下探测系统可以利用接驳ROV实现冰下探测AUV无法轻易实现的功能，比如采集水样和沉积物取样，实现探测功能互补。冰下探测系统中接驳ROV可以在自身缆长的范围内进行探测，比如摄像、采集水样等，假如缆长允许接驳ROV到达水底，还可以携带沉积物取样器对水底沉积物进行取样。

3、接驳ROV设有前视摄像头和接驳摄像头，可以用于视觉导引主动捕捉冰下探测AUV；接驳ROV设有跟冰下探测AUV接驳以及充电通信相关的结构，可以提高冰下探测AUV冰下的探测时间和探测范围，或者实现冰下探测AUV的回收。

4、接驳ROV包括推进器在内的所有零部件都设在接驳ROV外筒的内部，不会跟冰孔碰撞损坏零部件；ROV外筒接近推进器的位置分别挖了大圆孔，ROV内部的固定板是镂空的，以及锥形导向条沿着径向类似辐条状的均布，这些结构特点使得外部水流与推进器连通，提高推进效率，也起到减少接驳ROV前进阻力的作用。

5、利用回坞接驳的方式提高了系统在冰下的探测时间和探测范围，接驳ROV主动捕捉冰下探测AUV的方式使得接驳更易实现。冰下探测AUV释放后可以在水下自由探测，当电池电量不足或者需要回收AUV时，可以利用USBL声学导引下返航，然后在接驳ROV的主动捕捉下，实现接驳ROV和AUV的对接，从而实现充电续航和数据传输，进而提高冰下的探测时间和探测范围，或者实现冰下探测AUV的回收。接驳ROV主动捕捉AUV的方式，可以是操作人员遥控ROV捕捉AUV，相对于常规的AUV自主返航接驳的方式，更加简单易实现。将充电和通信功能设置在接驳ROV上，使得接驳ROV捕捉到AUV后马上就可以进行充电和通信，而不需要将接驳ROV拉回。

附图说明

图1是本发明的冰下探测系统在冰孔中下放的状态示意图。

图2是本发明的接驳ROV脱离转换及收放缆装置的状态示意图。

图3是本发明的接驳ROV的后视结构示意图。

图4是本发明的接驳ROV的前视结构示意图。

图5是本发明的布放回收方法示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

实施例一

参见图1，本实施例提供了一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其能通过孔径有限的冰孔2进入水3下，包括

承重电缆1，用于悬挂于冰孔2中进行冰下探测系统的上提和下放；

转换及收放缆装置10，与带动其移动的承重电缆1固定连接，用于接驳ROV20(Remotely Operated Vehicle，缆控潜水器)的水下收放；

接驳ROV20，与转换及收放缆装置10连接组合成能在孔径有限的冰孔2里移动的圆柱状的整体结构并于水3下时能脱离转换及收放缆装置10进行水样或沉积物采集，此外，还能主动捕捉冰下探测AUV50，并与之接驳进行数据通信和对冰下探测AUV50充电；转换及收放缆装置将缆完全收回时，接驳ROV在缆的作用下与转换及收放缆装置同轴地贴合在一起，从而组合成了一个圆柱状的整体结构。

冰下探测AUV50，用于水3下时脱离接驳ROV20进行水下探测或接驳于接驳ROV20中进行充电续航和数据通信，并能固定于接驳ROV20中随接驳ROV20移动，在冰孔布放或回收过程中，转换及收放缆装置10将缆完全收回，接驳ROV20在缆的作用下与转换及收放缆装置10同轴地贴合在一起，冰下探测AUV50也被接驳ROV20锁紧固定住，组合系统的整体形状为带阶梯的圆柱状。本发明的整体结构是圆柱状，不会与冰孔的壁面发生碰撞而损坏零部件。接驳ROV20和冰下探测AUV50之间利用水下回坞接驳的方式可以提高系统在冰下的探测时间和探测范围。接驳ROV20和冰下探测AUV50之间探测功能互补，提高探测效率。

参见图2，本实施例所述转换及收放缆装置20包括圆柱形壳体110，所述圆柱形壳体110内安装有绞车卷筒101，所述绞车卷筒101的两侧分别安装有绞车驱动电机103和绞车滑环102，所述绞车卷筒101上盘绕有零浮力缆104，所述绞车卷筒101由所述绞车驱动电机103驱动转动来回收零浮力缆104或排放零浮力缆104；所述承重电缆1穿过转换及收放缆装置10上部中心设置的通孔进入，并与绞车滑环102连接，承重电缆1上的电芯通过绞车滑环102连接到盘在绞车卷筒101上的零浮力缆104；所述零浮力缆104的自由端与接驳ROV20连接。本实施例中的零浮力缆104在制作过程中，通过调节发泡层的厚度和密度，使电缆整体密度与海水密度相同，既不下沉，也不上浮，降低对设备操作的影响。材料组成如下：绝缘：防海水混合原料；抗拉结构：聚酯纱纤维/高强度抗拉凯夫拉丝；内护套：改性低粘度强力挤压内护套可定制；屏蔽层：镀锡铜网编织屏蔽，密度80％以上，铝箔绕包，密度100％(可选)；绕包材料：无纺布；外护套：防海水聚氨酯零浮力发泡料。

本实施例所述接驳ROV20包括ROV外筒201，ROV外筒201由金属筒和包覆在外侧的浮力材料组成，本实施例的浮力材料可以是空心微珠填充高强度树脂制成的增强复合泡沫。所述ROV外筒201的后端螺纹固定有后盖板203，后盖板203的外侧中心位置设置有吊环204，零浮力缆104与吊环204连接；所述后盖板203的内侧中心位置固定有控制舱202，控制舱202为耐压密封舱，内部安装有推进器驱动电路板、接驳ROV主控电路板等电子电路，控制舱202的前方沿着接驳ROV20中心轴方向安装有接驳摄像头206。后盖板203上沿着ROV外筒201的内部均匀固定着4个推进器205，如图3所示，通过推进器驱动电路板控制所述4个推进器205的转速和转向，可以实现接驳ROV20的前进、后退、俯仰和偏航运动，从而控制接驳ROV20在水3下的运动。所述ROV外筒201的周面靠近推进器205的位置开设有大圆孔217，可以使外部水流能够很好的与推进器205连通，提高推进效率。

本实施例所述ROV外筒201内安装有镂空的固定板214，所述固定板214的前侧中心位置安装有与冰下探测AUV50对接后容纳冰下探测AUV50的对接筒213；所述对接筒213为圆柱形导筒，其底部设有用于冰下探测AUV50对接时限位和缓冲的锥形槽。所述对接筒213的外围依次安装有位置传感器207、锁紧装置208、充电和通信装置212。所述位置传感器207优选电感式接近开关或者霍尔式传感器，用于检测冰下探测AUV50是否完全进入到对接筒。当冰下探测AUV50完全进入到对接筒，即冰下探测AUV50头部触碰到对接筒213底部锥形槽时，冰下探测AUV50头部也同时与位置传感器207接触，触发位置传感器207。所述锁紧装置208在对接筒213外部环形布置，用于冰下探测AUV50完全进入对接筒后冰下探测AUV50的锁紧固定。该锁紧装置208优先采用三爪卡盘式，或者两个夹头相对夹紧的方式，这样可以保持冰下探测AUV50固定时不会偏心，锁紧装置208的驱动优先采用电磁或者电机驱动。所述充电和通信装置212位于对接筒213下方，通过非接触电能传输的方式对冰下探测AUV进行充电，接驳ROV20与冰下探测AUV50之间的信号传输优先采用基于WiFi的短距离通信。本实施例非接触电能传输的方式可以是基于磁场耦合的非接触电能传输。

本实施例所述对接筒213的外部开口与ROV外筒201的前端开口之间通过若干条沿径向辐条状均布的锥形导向条210连接，见图4所示。锥形导向条210在冰下探测AUV50与接驳ROV20对接时起到导向作用，同时锥形导向条210之间具有空隙，不影响外部水流与推进器205连通，也起到减少接驳ROV20前进阻力的作用。

本实施例在所述ROV外筒201的内侧靠近前端的位置，径向布置有前视摄像头209、照明灯215、超短基线定位(Ultrashort Baseline,USBL)应答器211和采水器216。所述前视摄像头209位于正上方，根据需要可以在其左右两边分别布置照明灯215。所述USBL应答器位于正下方，用于冰下探测AUV50返航时的水声定位，同时也带有水声通信功能，可以实现接驳ROV20和冰下探测AUV50的相互水声通信。所述USBL应答器的两侧分别布置有采水器216，用于冰下水样的采集，根据实际需要，可以沿着径向多布置一些采水器。所述前视摄像头、照明灯、超短基线定位应答器和采水器均与主控电路板电性连接。具体的，所述USBL应答器通过RS-232串口与主控电路板连接；照明灯和采水器通过RS-485串行总线与主控电路板连接，主控电路板通过RS-485总线可以控制照明灯的开关和调节亮度，可以触发采水器采样；主控电路板通过以太网接口或者USB接口与前视摄像头和接驳摄像头连接。

本实施例所述冰下探测AUV50为鱼雷状，不带有露在AUV外壳外的操控舵，尾部的推进器最大外径小于AUV的外壳外径，所述尾部推进器为矢量推进器，即推进器自身可以摆动，从而在推进AUV的同时控制AUV的俯仰和航向。冰下探测AUV的前端设有摄像头和用于水声定位通信用的USBL收发器。所述冰下探测AUV不带有露在AUV外壳外的天线和其他附件，AUV的天线安装在腔体内部。

本发明的冰下探测系统在冰孔布放或回收过程中，整体形状为圆柱状，且外围没有任何凸出的零部件，因此适合在孔径有限的冰孔进行布放回收，也不会跟冰孔碰撞损坏零部件。冰下探测系统可以利用接驳ROV实现冰下探测AUV无法轻易实现的功能，比如采集水样和沉积物取样，实现探测功能互补。冰下探测系统中接驳ROV可以在自身缆长的范围内进行探测，比如摄像、采集水样等，假如缆长允许接驳ROV到达水底，还可以携带沉积物取样器对水底沉积物进行取样。接驳ROV设有前视摄像头和接驳摄像头，可以用于视觉导引主动捕捉冰下探测AUV；接驳ROV设有跟冰下探测AUV接驳以及充电通信相关的结构，可以提高冰下探测AUV冰下的探测时间和探测范围，或者实现冰下探测AUV的回收。接驳ROV包括推进器在内的所有零部件都设在接驳ROV外筒的内部，不会跟冰孔碰撞损坏零部件；ROV外筒接近推进器的位置分别挖了大圆孔，ROV内部的固定板是镂空的，以及锥形导向条沿着径向类似辐条状的均布，这些结构特点使得外部水流与推进器连通，提高推进效率，也起到减少接驳ROV前进阻力的作用。

实施例二

参见图5，本实施例提供了实施例一所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统的布放回收方法，其步骤包括：

(1)在冰架上或者厚冰上采用冰架热水钻机等技术手段进行钻孔，得到从冰面通到冰下水的冰孔2。

(2)在冰孔2上部架起绞车支架，通过冰面绞车将冰下探测系统吊起，冰面绞车逐步释放承重电缆1，使冰下探测系统沿着冰孔2下放。此时转换及收放缆装置10内的零浮力缆104是全部收回状态，接驳ROV20与转换及收放缆装置10紧密结合，接驳ROV20通过锁紧装置将冰下探测AUV50完全固定住。

(3)待接驳ROV20刚好没入水3中且转换及收放缆装置10还在冰孔2中时，冰面绞车停止下放。让转换及收放缆装置10留在冰孔2中的目的是利用冰孔2对其起到限位作用，使之不会随着水流横向晃动，这样稳定住了零浮力缆104的源头，更有利于接驳ROV20在水下的运动控制，同时也有利于整个冰下探测系统的回收。此时，转换及收放缆装置10开始释放零浮力缆104，让接驳ROV20潜入水3中，可以在零浮力缆104的长度范围内进行摄像以及利用采水器采集水样。同时，接驳ROV20中的锁紧装置释放，冰下探测AUV50的推进器反转。在反向推力的作用下，冰下探测AUV50与接驳ROV20脱离，从而在水3下自由地探测。

(4)当冰下探测AUV50的电池电量不足或者需要回冰下探测AUV50时，冰下探测AUV50通过超短基线USBL定位到自身相对于接驳ROV20的位置，并与接驳ROV20建立水声通信，冰下探测AUV50通过USBL的导引，回到接驳ROV20附近。

(5)接驳ROV20收到冰下探测AUV50回到附近的信号，根据情况打开照明灯，通过前视摄像头定位到冰下探测AUV50的位置，接驳ROV20主动去接近冰下探测AUV50。当冰下探测AUV50在接驳摄像头的视野范围内时，利用接驳摄像头更为精确的视觉导向作用(因为接驳摄像头位于对接筒中轴位置，当冰下探测AUV50在接驳摄像头视野中心时，也意味着冰下探测AUV50与对接筒是对中的)，接驳ROV20将冰下探测AUV50套入自身的对接筒内。接驳ROV20主动寻找接近冰下探测AUV50的过程，可以是接驳ROV20利用视觉和水声定位信息主动智能地去捕捉冰下探测AUV50，也可以是操作人员通过远程遥控接驳ROV20来捕捉冰下探测AUV50。其中操作人员远程遥控接驳ROV20的方式会更简单易实现。

(6)冰下探测AUV50完全进入到对接筒时，触发位置传感器，接着锁紧装置动作，将冰下探测AUV50锁紧固定。如果任务是充电续航和传输数据，转步骤(7)；如果任务是回收冰下探测系统，转步骤(9)。

(7)开启充电和通信装置，通过非接触电能传输的方式对冰下探测AUV50进行充电，同时冰下探测AUV50将存储的探测数据传输给接驳ROV20，并接收新的任务指令。接驳ROV20可以通过电缆将数据传输到冰面上。

(8)完成充电和数据传输后，锁紧装置将冰下探测AUV50释放，冰下探测AUV50的推进器反转。在反向推力的作用下，冰下探测AUV50与接驳ROV20脱离，从而执行新的任务。

(9)转换及收放缆装置10开始收缆，将接驳ROV20拉回，使之与转换及收放缆装置10下端对齐并贴紧。

(10)冰面绞车动作，将冰下探测系统从冰孔2中吊起，实现冰下探测系统的回收。

本发明利用回坞接驳的方式提高了系统在冰下的探测时间和探测范围，接驳ROV主动捕捉冰下探测AUV的方式使得接驳更易实现。冰下探测AUV释放后可以在水下自由探测，当电池电量不足或者需要回收AUV时，可以利用USBL声学导引下返航，然后在接驳ROV的主动捕捉下，实现接驳ROV和AUV的对接，从而实现充电续航和数据传输，进而提高冰下的探测时间和探测范围，或者实现冰下探测AUV的回收。接驳ROV主动捕捉AUV的方式，可以是操作人员遥控ROV捕捉AUV，相对于常规的AUV自主返航接驳的方式，更加简单易实现。

Claims (10)

1.一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其能通过孔径有限的冰孔进入水下，其特征在于：包括

承重电缆，用于悬挂于冰孔中进行冰下探测系统的上提和下放；

转换及收放缆装置，与带动其移动的承重电缆固定连接，用于接驳ROV的水下收放；

接驳ROV，与转换及收放缆装置连接组合成能在孔径有限的冰孔里移动的圆柱状的整体结构并于水下时能脱离转换及收放缆装置进行水样或沉积物采集，此外，还能主动捕捉冰下探测AUV，并与之接驳进行数据通信和对冰下探测AUV充电；

冰下探测AUV，用于水下时脱离接驳ROV进行水下自主探测或接驳于接驳ROV中进行充电续航和数据通信，并能固定于接驳ROV中随接驳ROV移动；

在冰孔布放或回收过程中，转换及收放缆装置将缆完全收回，接驳ROV在缆的作用下与转换及收放缆装置同轴地贴合在一起，冰下探测AUV也被接驳ROV锁紧固定住，组合系统的整体形状为带阶梯的圆柱状。

2.如权利要求1所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述转换及收放缆装置包括圆柱形壳体，所述圆柱形壳体内安装有绞车卷筒，所述绞车卷筒的两侧分别安装有绞车驱动电机和绞车滑环，所述绞车卷筒上盘绕有零浮力缆，所述承重电缆连接于绞车滑环，所述承重电缆的电芯通过绞车滑环与零浮力缆连接，所述零浮力缆的自由端与接驳ROV连接。

3.如权利要求1或2所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述接驳ROV包括ROV外筒，所述ROV外筒的后端安装有后盖板，所述后盖板的内侧固定有耐压密封的控制舱和若干个驱动接驳ROV水下运动的推进器，所述推进器均布在控制舱周围，所述控制舱内安装有主控电路板和推进器驱动电路板，所述推进器与推进器驱动电路板电性连接；

所述ROV外筒内安装有镂空的固定板，所述固定板的前侧安装有与冰下探测AUV对接的对接筒；所述对接筒的外围依次安装有用于检测冰下探测AUV是否完全进入到对接筒的位置传感器、用于冰下探测AUV完全进入对接筒后进行冰下探测AUV的锁紧固定的锁紧装置、用于冰下探测AUV充电续航和数据传输的充电和通信装置；

所述ROV外筒内侧靠近前端位置径向布置有用于水下定位冰下探测AUV位置和视觉导向冰下探测AUV接驳的前视摄像头、用于提供良好视觉效果的照明灯、用于冰下探测AUV返航时水声定位或水声通信的超短基线定位应答器和若干个用于采集冰下水样的采水器，所述前视摄像头、照明灯、超短基线定位应答器和采水器均与主控电路板电性连接。

4.如权利要求3所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述ROV外筒的周面靠近推进器的位置开设有大圆孔。

5.如权利要求3所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述对接筒为圆柱形导筒，其底部设有用于冰下探测AUV对接时限位和缓冲的锥形槽。

6.如权利要求3所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述控制舱对应对接筒的锥形槽位置安装有接驳摄像头，所述接驳摄像头沿接驳ROV中心轴向设置。

7.如权利要求3所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述对接筒的外部开口与ROV外筒的前端开口之间通过若干条沿径向辐条状均布的锥形导向条连接。

8.如权利要求3所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述照明灯布置在前视摄像头的两边，所述采水器位于超短基线定位应答器的两侧，所述前视摄像头位于ROV外筒内侧正上方，所述超短基线定位应答器位于ROV外筒内侧正下方。

9.如权利要求1所述的一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统，其特征在于：所述冰下探测AUV为外壳平滑的鱼雷状，其尾部设有矢量推进器，所述矢量推进器的最大外径小于冰下探测AUV的外壳外径；所述冰下探测AUV的前端设有摄像头和用于水声定位通信用的超短基线定位收发器；所述冰下探测AUV的天线安装在外壳腔体内部。

10.一种适用于冰孔布放回收的冰下探测系统的布放回收方法，其步骤包括：

(1)在冰架上或者厚冰上进行钻孔，得到从冰面通到冰下水的冰孔；

(2)在冰孔上部架起绞车支架，通过冰面绞车将冰下探测系统吊起，冰面绞车逐步释放承重电缆，使冰下探测系统沿着冰孔下放，此时转换及收放缆装置内的零浮力缆是全部收回状态，接驳ROV与转换及收放缆装置紧密结合，冰下探测AUV锁紧固定于接驳ROV；

(3)待接驳ROV刚好没入水中且转换及收放缆装置还在冰孔中时，冰面绞车停止下放，此时，转换及收放缆装置开始释放零浮力缆，让接驳ROV潜入水中进行摄像以及利用采水器采集水样；同时，冰下探测AUV能从接驳ROV脱离在水下自由地探测；

(4)当冰下探测AUV的电池电量不足或者需要回收AUV时，冰下探测AUV通过超短基线定位到自身相对于接驳ROV的位置，并与接驳ROV建立水声通信，冰下探测AUV通过超短基线定位的导引，回到接驳ROV附近；

(5)接驳ROV收到冰下探测AUV回到附近的信号，根据情况打开照明灯，通过前视摄像头定位到冰下探测AUV的位置，接驳ROV主动去接近冰下探测AUV，或接驳ROV利用视觉和水声定位信息主动智能地去捕捉冰下探测AUV，或操作人员通过远程遥控接驳ROV来捕捉冰下探测AUV；当冰下探测AUV在接驳摄像头的视野范围内时，在接驳摄像头的视觉导向下，接驳ROV将冰下探测AUV套入自身的对接筒内；

(6)冰下探测AUV完全进入到对接筒时，触发位置传感器，接着锁紧装置动作，将冰下探测AUV锁紧固定；如果任务是充电续航和传输数据，转步骤(7)；如果任务是回收冰下探测系统，转步骤(9)；

(7)开启充电和通信装置，通过非接触电能传输的方式对冰下探测AUV进行充电，同时冰下探测AUV将存储的探测数据传输给接驳ROV，并接收新的任务指令；

(8)完成充电和数据传输后，锁紧装置将冰下探测AUV释放，冰下探测AUV与接驳ROV脱离，执行新的任务；

(9)转换及收放缆装置开始收缆，将接驳ROV拉回，使之与转换及收放缆装置下端对齐并贴紧；

(10)冰面绞车动作，将冰下探测系统从冰孔中吊起，将冰下探测系统的回收。