CN111221051A - 海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法 - Google Patents

海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法，其中，所述集群自巡航方法包括：在勘探区域顶部水面位置布放多个所述海洋自主探矿潜器；控制多个所述水面支持航行器之间开启通信组网，形成用于给所述水下探矿航行器提供导航定位的声学基阵；控制所述水下探矿航行器从所述水面支持航行器上分离，使所述水下探矿航行器下潜至预设位置，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像；接收所述水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。本发明旨在解决目前海洋探矿效率低下的技术问题。

Description

海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法
技术领域
本发明涉及深海探测领域，具体涉及一种海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法。
背景技术
勘探海底矿产资源是国家战略需求，同时深海探矿也是一场时间与智慧的双重较量。无动力拖曳和载人深潜是目前主要的深海探矿方法，这两种方法在实践过程中均取得了一定的研究成果，但均存在效率低下、母船支持依赖度高的问题。
由于海洋探矿的面积广阔、规定的有效探矿时间有限，目前的航次试验多采用科考船拖曳形式进行海底探矿，而单艘科考船单次智能拖曳单个探测仪进行探矿，效率非常低下。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法，该海洋自主探矿系统以及集群自巡航方法旨在解决目前海洋探矿效率低下的技术问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种海洋自主探矿系统的集群自巡航方法，所述海洋自主探矿系统包括母船以及布放于所述母船上的多个自主探矿潜器，所述自主探矿潜器由可相互结合或分离的水面支持航行器和水下探矿航行器构成；其中，所述水面支持航行器用于为所述水下探矿航行器提供指令中继传输和定位导航，并接收所述水下探矿航行器发送的位置信息以及检测到的异常区域位置信息，并将所述水下探矿航行器的位置信息以及所述异常区域位置信息发送至所述母船，所述集群自巡航方法包括：
在勘探区域顶部水面位置布放多个所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述水面支持航行器之间开启通信组网，形成用于给所述水下探矿航行器提供导航定位的声学基阵；
控制所述水下探矿航行器从所述水面支持航行器上分离，使所述水下探矿航行器下潜至预设位置，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像；
接收所述水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。
优选地，所述使所述水下探矿航行器下潜至预设位置的步骤，具体包括：
使所述水下探矿航行器通过自重下落至水底，并在离水底20-50米范围时通过抛载配重进行防冲击减速，使自身浮力调整到弱正浮状态，然后行驶至预设位置。
优选地，所述集群自巡航方法还包括：
当完成整个探测区域的探测后，控制所述水下探矿航行器抛掉全部负载，通过浮力浮出水面，并寻找与其配对的所述水面支持航行器结合为所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述海洋自主探矿潜器返航。
优选地，所述水下探矿航行器搭载有探测异常分析系统，所述探测异常分析系统用于自动识别异常，并通过算法推导潜在异常区，所述水下探矿航行器能够基于所述声学基阵的定位以及所述潜在异常区规划探测路径，自动导航勘探。
优选地，所述集群自巡航方法还包括：
当完成指定区域的探测后，根据所述水下探矿航行器的位置信息以及未探测区域的位置信息重新为所述水下探矿航行器分配探测任务。
优选地，所述水面支持航行器搭载有风向传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器和温度传感器中的一种或以上几种的组合；所述集群自巡航方法还包括：
接收所述水面支持航行器发送的环境数据。
优选地，所述水面支持航行器上搭载有太阳能电池板。
优选地，所述水下探矿航行器上搭载有用于避障的声学传感器和图像识别模块。
此外，本发明还提供一种海洋自主探矿系统，所述海洋自主探矿系统包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的集群自巡航程序，其中所述集群自巡航程序被所述处理器执行时，实现如上任一项所述的集群自巡航方法的步骤。
本申请的方案中，单艘科考母船在单次航次试验中可以布放多个海洋自主探矿潜器，各海洋自主探矿潜器在到达勘探区域顶部水面位置开始分离，其中，多个水面支持航行器之间通信组网，其搭载的声学信标可以组成声学基阵，给每一个水下探矿航行器提供精确定位导航(类似卫星导航)。水下探矿航行器根据探测指令或预设定路径进行水下近底巡航探测，发现异常自动记录和分析异常体走向，并将自身的位置信息以及检测到的异常区域位置信息发送至水面支持航行器，再由水面支持航行器传送至终端。本发明通过多个海洋自主探矿潜器同时探查，且由多个水面支持航行器组成声学基阵提供精确导航，大幅度提升了探矿的效率和位置确认精度，可实现海底大面积探矿。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例的自主探矿潜器的第一视角结构示意图；
图2为本发明实施例的自主探矿潜器的第二视角结构示意图；
图3为本发明实施例的水面支持航行器的结构示意图；
图4为本发明实施例的水下探矿航行器的第一视角结构示意图；
图5为本发明实施例的水下探矿航行器的第二视角结构示意图；
图6为本发明实施例的海洋自主探矿系统的终端结构的示意图；
图7为本发明实施例的集群自巡航方法第一实施例的流程示意图；
图8为本发明实施例的自主探矿潜器通信组网示意图；
图9为本发明实施例的水下探矿航行器探测路径规划示意图；
图10为本发明实施例的集群自巡航方法第二实施例的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图5所示，本发明实施例提供的海洋自主探矿系统包括母船(未图示)以及布放于母船上的多个自主探矿潜器100，自主探矿潜器100由可相互结合或分离的水面支持航行器110和水下探矿航行器120构成；其中，水面支持航行器110用于为水下探矿航行器120提供指令中继传输和定位导航，并接收水下探矿航行器120发送的位置信息以及检测到的异常区域位置信息，并将水下探矿航行器120的位置信息以及异常区域位置信息发送至母船，
具体地，水面支持航行器110上包括舰体111以及设置于舰体111上的第一螺旋推进机构113，舰体111可以搭载太阳能电池板112、第一声学通信应答器114和环境采集模块115。环境采集模块115可以包括风向传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器和温度传感器中的一种或以上几种的组合。水下探矿航行器120包括航行器本体121设置于航行器本体上的第二螺旋推进机构123，航行器本体上可以搭载摄像模块124、第二声学通信应答器122，用于避障的声学传感器和图像识别模块(未图示)。水面支持航行器110和水下探矿航行器120上均设置有连接器以实现机械互联和电气互联。水面支持航行器110和水下探矿航行器120均为独立体系的模块，可独立进行运作。水面支持航行器110和水下探矿航行器120结合后具有航行能力，可满足在母船上的布放、回收。
此外，水下探矿航行器120上还可以搭载各种用于辅助探测的传感器，传感器可以包括光传感器、运动传感器以及其他传感器。具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线的明暗来调节显示屏的亮度，接近传感器可在移动终端移动到耳边时，关闭显示屏和/或背光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上(一般为三轴)加速度的大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别航行器本体的自身姿态、振动识别相关功能(比如计步器、敲击)等；当然，航行器本体上还可配置陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。
此外，海洋自主探矿系统的母船上搭载有用于控制自主探矿潜器和母船自身的用户终端，如附图6所示，用户终端可以包括：处理器1001，例如CPU，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选的用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)。存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图6中示出的用户终端的结构并不构成对用户终端的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
在图6所示的终端中，网络接口1004主要用于连接后台服务器，与后台服务器进行数据通信；用户接口1003主要包括输入单元比如键盘，键盘包括无线键盘和有线键盘，用于连接客户端，与客户端进行数据通信；而处理器1001可以用于调用存储器1005中存储的集群自巡航程序，并执行以下操作：
在勘探区域顶部水面位置布放多个所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述水面支持航行器之间开启通信组网，形成用于给所述水下探矿航行器提供导航定位的声学基阵；
控制所述水下探矿航行器从所述水面支持航行器上分离，使所述水下探矿航行器下潜至预设位置，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像；
接收所述水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的集群自巡航程序，还执行以下操作：
使所述水下探矿航行器通过自重下落至水底，并在离水底20-50米范围时通过抛载配重进行防冲击减速，使自身浮力调整到弱正浮状态，然后行驶至预设位置。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的集群自巡航程序，还执行以下操作：
当完成整个探测区域的探测后，控制所述水下探矿航行器抛掉全部负载，通过浮力浮出水面，并寻找与其配对的所述水面支持航行器结合为所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述海洋自主探矿潜器返航。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的集群自巡航程序，还执行以下操作：
当完成指定区域的探测后，根据所述水下探矿航行器的位置信息以及未探测区域的位置信息重新为所述水下探矿航行器分配探测任务。
本发明的集群自巡航海洋自主探矿系统的具体实施例与下述集群自巡航方法各实施例基本相同，在此不作赘述。
请参阅图7，图7为本发明集群自巡航方法第一实施例的流程示意图，本实施例提供的集群自巡航方法包括如下步骤：
S10，在勘探区域顶部水面位置布放多个所述海洋自主探矿潜器；
各所述海洋自主探矿潜器可以吊放到水面后，通过无线控制脱离吊点，然后自动行驶至工作区域上方。也可以是直接将各海洋自主探矿潜器布放在水面上，使各各海洋自主探矿潜器通过卫星导航行驶至勘探区域顶部水面位置S20，控制多个所述水面支持航行器之间开启通信组网，形成用于给所述水下探矿航行器提供导航定位的声学基阵；
请参阅图8，多个水面支持航行器110之间可以进行通信组网，其搭载的声学信标可以组成声学基阵，给每一个水下探矿航行器120提供精确定位导航(类似卫星导航)，从而提高探测的位置精度。
S30，控制所述水下探矿航行器从所述水面支持航行器上分离，使所述水下探矿航行器下潜至预设位置，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像；
水面支持航行器与水下探矿航行器建立通信后，开始释放水下探矿航行器，水面支持航行器通过电力驱动与水下自主探矿航行器保持在一定范围内，或原地动力定位。水下探矿航行器通过自重下落至水底，在设定压力值时高度计供电，在离底50米至20米范围内，通过抛载配重进行防冲击减速，潜体浮力调整到弱正浮状态，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像。
S40，接收所述水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。
水下探矿航行器根据探测指令或预设定路径进行水下近底巡航探测，发现异常自动记录和分析异常体走向，并将自身的位置信息以及检测到的异常区域位置信息发送至水面支持航行器。工作人员通过母船上的终端接收水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。
本申请的方案中，单艘科考母船在单次航次试验中可以布放多个海洋自主探矿潜器，各海洋自主探矿潜器在到达勘探区域顶部水面位置开始分离，其中，多个水面支持航行器之间通信组网，其搭载的声学信标可以组成声学基阵，给每一个水下探矿航行器提供精确定位导航(类似卫星导航)。水下探矿航行器根据探测指令或预设定路径进行水下近底巡航探测，发现异常自动记录和分析异常体走向，并将自身的位置信息以及检测到的异常区域位置信息发送至水面支持航行器，再由水面支持航行器传送至终端。本发明通过多个海洋自主探矿潜器同时探查，且由多个水面支持航行器组成声学基阵提供精确导航，大幅度提升了探矿的效率和位置确认精度，可实现海底大面积探矿。
进一步地，所述使所述水下探矿航行器下潜至预设位置的步骤，具体包括：
使所述水下探矿航行器通过自重下落至水底，并在离水底20-50米范围时通过抛载配重进行防冲击减速，使自身浮力调整到弱正浮状态，然后行驶至预设位置。
本实施例中，水下自主探矿航行器通过自重下落至水底，在设定压力值时高度计供电，在离底50米至20米范围内，通过抛载配重进行防冲击减速，潜体浮力调整到弱正浮状态，然后行驶至规划路径的起点。
进一步的，参照图10，图10为本发明集群自巡航方法第二实施例的流程示意图。
所述集群自巡航方法还包括：
当完成整个探测区域的探测后，控制所述水下探矿航行器抛掉全部负载，通过浮力浮出水面，并寻找与其配对的所述水面支持航行器结合为所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述海洋自主探矿潜器返航。
本实施例中，水下探矿航行器在完成整个探测区域的探测后，返回水面支持航行器。返回时预留电量，抛载配重，上浮返航，水下探矿航行器浮出水面后，相互寻找与之配对的水面支持航行器，计算与母船间计算最优路径，自动行驶至合并点合并，合并体行驶至母船处。
请参阅图9，作为本发明的优选实施方式，水下探矿航行器120搭载有探测异常分析系统，所述探测异常分析系统用于自动识别异常，并通过算法推导潜在异常区，所述水下探矿航行器能够基于所述声学基阵的定位以及所述潜在异常区规划探测路径，自动导航勘探。异常分析系统包含可以单法探测仪，高清摄像，测扫声呐，近底多波速等。异常分析系统用于自动识别异常，并通过算法推导潜在异常区，并以此为目标进行路径规划，自动导航勘探；建立识别和搜索策略，让水下探矿航行器智能化，能够自主的进行区域性的、针对性的、搜索性的探测任务。
进一步地，所述集群自巡航方法还包括：
当完成指定区域的探测后，根据所述水下探矿航行器的位置信息以及未探测区域的位置信息重新为所述水下探矿航行器分配探测任务。
本实施方式中，水下探矿航行器先各自勘探规定区域，然后根据所述水下探矿航行器的位置信息以及未探测区域的位置信息通过算法排出最优的水下探矿航行器过去进行补充勘探。
进一步地，由于水面支持航行器搭载有风向传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器和温度传感器中的一种或以上几种的组合；从而可以进行风速、风向、气压、气温和湿度等气象数据采集，以及进行波浪、海流、潮位、海温和盐度等水文数据采集。
所述集群自巡航方法还包括：
接收所述水面支持航行器发送的环境数据。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在如上所述的一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种海洋自主探矿系统的集群自巡航方法，所述海洋自主探矿系统包括母船以及布放于所述母船上的多个自主探矿潜器，所述自主探矿潜器由可相互结合或分离的水面支持航行器和水下探矿航行器构成；其中，所述水面支持航行器用于为所述水下探矿航行器提供指令中继传输和定位导航，并接收所述水下探矿航行器发送的位置信息以及检测到的异常区域位置信息，并将所述水下探矿航行器的位置信息以及所述异常区域位置信息发送至所述母船；其特征在于，所述集群自巡航方法包括：
在勘探区域顶部水面位置布放多个所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述水面支持航行器之间开启通信组网，形成用于给所述水下探矿航行器提供导航定位的声学基阵；
控制所述水下探矿航行器从所述水面支持航行器上分离，使所述水下探矿航行器下潜至预设位置，并基于所述声学基阵的定位规划探测路径，在所述探测路径上进行电法探测扫描以及定高摄像；
接收所述水面支持航行器发送的所述水下探矿航行器的位置信息以及检测到的异常区域位置信息。
2.根据权利要求1所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述使所述水下探矿航行器下潜至预设位置的步骤，具体包括：
使所述水下探矿航行器通过自重下落至水底，并在离水底20-50米范围时通过抛载配重进行防冲击减速，使自身浮力调整到弱正浮状态，然后行驶至预设位置。
3.根据权利要求1所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述集群自巡航方法还包括：
当完成整个探测区域的探测后，控制所述水下探矿航行器抛掉全部负载，通过浮力浮出水面，并寻找与其配对的所述水面支持航行器结合为所述海洋自主探矿潜器；
控制多个所述海洋自主探矿潜器返航。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述水下探矿航行器搭载有探测异常分析系统，所述探测异常分析系统用于自动识别异常，并通过算法推导潜在异常区，所述水下探矿航行器能够基于所述声学基阵的定位以及所述潜在异常区规划探测路径，自动导航勘探。
5.根据权利要求1至3任意一项所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述集群自巡航方法还包括：
当完成指定区域的探测后，根据所述水下探矿航行器的位置信息以及未探测区域的位置信息重新为所述水下探矿航行器分配探测任务。
6.根据权利要求1至3任意一项所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述水面支持航行器搭载有风向传感器、压力传感器、位移传感器、湿度传感器和温度传感器中的一种或以上几种的组合；所述集群自巡航方法还包括：
接收所述水面支持航行器发送的环境数据。
7.根据权利要求1至3任意一项所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述水面支持航行器上搭载有太阳能电池板。
8.根据权利要求1至3任意一项所述的集群自巡航方法，其特征在于，所述水下探矿航行器上搭载有用于避障的声学传感器和图像识别模块。
9.一种海洋自主探矿系统，其特征在于，所述海洋自主探矿系统包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上并可被所述处理器执行的集群自巡航程序，其中所述集群自巡航程序被所述处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述的集群自巡航方法的步骤。
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