CN113324791B - 一种自动海底取样器装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种自动海底取样器装置及其使用方法，包括用于判断海底航行器所处环境的声纳，用于驱动前鳍来控制航行器俯仰的前鳍与后水平鳍，用于调整航行器方向的后竖直鳍；声纳后包含用于监测航行器航行状态的陀螺仪，用于指导航行器调整位置的计算机，以及用于提供电能的锂电池；航行器上侧为空腔，通过控制内部水量来控制航行器的升降；最后为螺旋桨驱动电机及螺旋桨；航行器中间为装置有效载荷舱；有效载荷舱内上端为一个能够进行竖直方向移动的钻头驱动电机，该装置优点是操作简单，能够减少科研人员出海取样的时间。
Description
【技术领域】
本发明属于航海技术领域，具体涉及一种自动海底取样器装置及其使用方法。
【背景技术】
海洋探测与装备工程是进行海洋开发、控制、综合管理的基础，是做好“知海、用海、护海”的根本保证，建设一个海洋安全局面良好、海洋经济发达、海洋生态文明优良、海洋科技先进的综合性海洋强国离不开海洋探测与装备工程的强力支撑。同时，作为战略性海洋新兴产业的重要组成部分，海洋探测技术与装备集中体现了国家的海洋科技能力，在一定程度上标志着国家综合国力和科技水平。
我国深海矿产资源勘测活动最早于20世纪70年代末期，目前我国对固体矿产资源探测技术初步实现系统体系化，形成了以船舶为平台的探测技术体系，具备多类型固体矿产体系的探测能力，并建立了中国大洋勘查技术与深海科学研究开发基地。已负责完成了8个航次的大洋固体矿产资源调查任务，带动了ROV、AUV、深海钻机、电法探测和深海摄像等一系列的探测技术装备研发。
美国等国家海洋探测传感器及深海通用技术已实现了产品化与商业化。在深海浮力材料方面，美、日、苏联等国家从20世纪60年代末开始研制高强度固体浮力材料，以用于大洋深海海底的开发事业，到目前，各种浮力材料广泛应用于各种海洋探测机、载人潜水器上面；在水密接插件方面，西方各国研制、生产、销售水密接插件的著名厂商有30多家，产品超过100种；在水下机械手方面，国外水下作业型机械手的研究中，美国、法国、日本和俄罗斯的水平比较高，所研制的机械手大部分是运用于ROV载人潜水器机深海作业型水下工作站上；在深海液压动力源方面，美国佩里(PERRY)公司是全球潜水器最大生产厂家和深海动力装置的重要提供商。除此之外，海洋观测平台已实现系列化与产业化。美国制造的遥控潜水器(ROV)拥有下潜深度极高，操作精准等特点；而在自制潜水器(AUV)方面，欧、美和日本等发达国家开展了大量的自治潜水器研究工作，已经开发出多种用于深海资源调查的AUV，小型AUV市场需求广泛，达到了各国高度重视。
因此，取样器实现自动化和小型化，即可以自动在相应海底取样并包装，后又通过气囊将样品运送至海面，工作人员只需在海面打捞样品包装即可，而自动取样机在海底又会自主航行至下一个取样地点完成同样的操作，能够大大减轻工作人员的工作量。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种自动海底取样器装置，以实现海底取样设备的小型化与完全自动化，极大程度上减轻操作人员的工作量。
本发明采用以下技术方案，一种自动海底取样器装置，包括用于判断海底航行器所处环境的声纳，通过对周围环境的判断，选取合适的采样点；紧挨着声纳后端为前鳍驱动电机，用于驱动前鳍来控制航行器俯仰；前鳍驱动电机之后，为陀螺仪，用于监测航行器的航行状态，并将数据反馈给计算机，用于指导航行器调整位置；陀螺仪之后为两块锂电池a，用于供应声纳、前鳍驱动电机、陀螺仪与计算机的电能；锂电池a之后为海底航行器的计算机，用于给出航行器的一切指令；计算机后为航行器有效载荷部分，主要放置取样相关装置；有效载荷之后为锂电池b，用于提供采样装置、进排水阀门控制及后水平、竖直鳍驱动电机及螺旋桨工作所需电能；陀螺仪、锂电池a、计算机、有效载荷装置、锂电池b上方为航行器空腔，通过控制内部水量来控制航行器的升降；之后为后水平、竖直鳍驱动电机，用于驱动后水平鳍控制航行器俯仰运动，驱动后竖直鳍控制航行器航行方向；最后为螺旋桨驱动电机及螺旋桨，用于控制航行器前进。
进一步地，装置有效载荷部分包含一传送带，传送带一头有传送带驱动电机，另一端为可移动滚轮，在进行采样时，将可移动滚轮伸出航行器一侧；
进一步地，装置有效载荷部分包含一个钻头驱动电机，位于传送带上方，且能够进行竖直方向的移动，在进行取样运动时，电机将携带钻头穿过传送带对海底进行钻取取样；
进一步地，钻头驱动电机与钻头及内部样品缓缓上升，当钻头运动至脱样器处时，脱样器穿过钻头顶部空隙，将样品取出；
进一步地，样品落到在传动带中移动的储样桶中，并随着传送带的工作将带有样品的储样桶送至航行器外部；
进一步地，储样桶上的控制模块传出信号，将气囊打开，使得样品浮出海面；根据取样区域的不同，气囊可以分为单层与双层，当海域较浅时，采用单层气囊；当海域较深时，采用双层，其中外侧只是折叠起来，伸缩性较差，用于保证在上浮过程中，气囊因气压变化较大而破裂；
进一步地，储样桶上有一支架，用于在传送带上稳定地传送；
进一步地，储样桶上有定位装置，用于科研人员进行样品回收时，进行位置的确定；
进一步地，气囊的打开采用引燃气体发生剂的形式生产大量气体。
本发明还提供了一种自动海底取样器装置的使用方法，按照以下步骤实施：
步骤一、根据科研需要确定需要采集样品的大致区域，并将位置输入至计算机，并通过科研船携带至第一投放点后，将采样装置放入海中；
步骤二、海底航行器通过调整空腔内水量进行下潜至海底，并在声纳的探测下，寻找较为合适的采样点；
步骤三、海底航行器有效载荷舱打开；
步骤四、传送带展开，传送带驱动电机进入待机状态，传送带另一侧滚轮伸出至海底航行器外侧，便于储样桶上浮；
步骤五、钻头驱动电机与钻头开始下移，并穿过传送带接触海底，随后钻头驱动电机工作，进行样品钻取；
步骤六、样品钻取完毕后，钻头驱动电机与钻头一起上移，并移动至脱样器下方；
步骤七、传送带驱动电机工作，将一空取样桶移动至钻头下方；
步骤八、钻头继续上移，此时，脱样器探针通过钻头上方空隙进入钻头内，并将样品顶出，落入储样桶中；
步骤九、传送带驱动电机继续工作，将储样桶送至海底航行器外侧，储样桶上控制模块打开气囊，储样桶上浮；
步骤十、海底航行器关闭有效载荷舱，前往下一地点进行采用工作，直至采样完成，进行上浮；
步骤十一、科研船根据储样桶内定位系统给出的定位，进行样品回收，并在最后一采样点回收航行器。
本发明的有益效果是：该装置结构较为简单，且操作方便，海底航行器在每次工作时，紧紧需要完成一次下潜与上浮便能够完成多次取样，极大的缩短了取样时间；此外，在样品回收时，科研人员仅需要回收储样桶即可，极大程度上缩短了回收样品的工作程序，进一步缩短了采样时间。正因如此，科研人员在进行取样时，可以选择环境较为优良的位置释放海底航行器，在其完成情况复杂区域的取样后，重新回到海面环境较好的区域进行回收，这样可以缩短科研船在危险海域停留的时间(仅需要停留一段时间收集储样桶)。
【附图说明】
图1为本发明自动海底取样器装置内部结构示意图；
图2为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷结构示意图；
图3为本发明自动海底取样器装置内部回收装置结构示意图；
图4为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷工作时，第一步(钻取样品)示意图；
图5为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷工作时，第二步(取出样品)示意图；
图6为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷工作时，第三步(传送样品回收装置)示意图；
图7为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷工作时，第四步(投入样品)示意图；
图8为本发明自动海底取样器装置内部有效载荷工作时，第五步(打开气囊，释放样品)示意图；
其中：1、海底航行器；2、声纳；3、前鳍驱动电机；4、前鳍；5、陀螺仪；6、进水口；7、锂电池a；8、计算机；9、有效载荷舱；10、排水口；11、锂电池b；12、后水平、竖直鳍驱动电机；13、螺旋桨驱动电机；14、螺旋桨；15、后水平鳍；16、空腔；17、后竖直鳍；18、钻头驱动电机；19、脱样器；20、钻头；21、传送带驱动电机；22、传送带；23、储样桶；24、气囊；25、控制模块；26、支架。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种自动海底取样器装置，如图1所示，包括用于判断海底航行器1所处环境的声纳2，通过对周围环境的判断，选取合适的采样点；紧挨着声纳2为前鳍驱动电机3，用于驱动前鳍4来控制海底航行器1进行俯仰运动；
前鳍驱动电机3之后，为陀螺仪5，用于监测海底航行器1的航行状态，并将数据反馈给计算机8，用于指导海底航行器1调整位置；
陀螺仪5之后为两块锂电池a7，用于供应声纳2、前鳍驱动电机3、陀螺仪5与计算机8的电能；
锂电池a7之后为海底航行器1的计算机8，用于给出海底航行器1的一切指令；
计算机8后为航行器有效载荷舱9，主要放置取样相关装置；
有效载荷舱9之后为锂电池b11，用于提供采样装置、进排水阀门控制及后水平、竖直鳍驱动电机12及螺旋桨驱动电机13工作所需电能；
陀螺仪5、锂电池a7、计算机8、有效载荷舱9、锂电池b11上方为航行器空腔16，空腔16前后两端有进水口6与排水口10，通过控制进水口6与排水口10的阀门控制海水进出，进而通过调整内部水量来控制海底航行器1的升降；
随后为后水平、竖直鳍驱动电机12，用于驱动后水平鳍15控制海底航行器1的俯仰运动，驱动后竖直鳍17控制海底航行器1航行方向；
最后为螺旋桨驱动电机13及螺旋桨14，用于驱动海底航行器1前进或者后退。
进一步地，如图2所示，装置有效载荷部分包含一传送带22，传送带22共有两条，中间间隔一段距离，用于放置储样桶23，且方便储样桶23脱离上浮；传送带22一头有传送带驱动电机21，另一端为可移动滚轮，在进行采样时，将可移动滚轮伸出海底航行器1一侧；
进一步地，装置有效载荷部分包含一个钻头驱动电机18，位于传送带22上方，且能够进行竖直方向的移动，在进行取样运动时，钻头驱动电机18将携带钻头20穿过传送带22对海底进行钻取取样；
进一步地，钻头驱动电机18与钻头20及内部样品缓缓上升，当钻头20运动至脱样器19处时，脱样器19穿过钻头20顶部空隙，将样品取出；
进一步地，样品落到在传动带22中移动的储样桶23中，并随着传送带驱动电机21的工作将带有样品的储样桶23送至海底航行器1外部；
进一步地，如图3所示，储样桶23上的控制模块25传出信号，将气囊24打开，使得样品浮出海面；根据取样区域的不同，气囊24可以分为单层与双层，当海域较浅时，采用单层气囊；当海域较深时，采用双层，其中外侧只是折叠起来，伸缩性较差，用于保证在上浮过程中，气囊因气压变化较大而破裂；
进一步地，储样桶上有一支架26，用于在传送带22上稳定地传送；
进一步地，储样桶上有定位装置(控制模块25内)，用于科研人员进行样品回收时，进行位置的确定；
进一步地，气囊24的打开采用引燃气体发生剂的形式生产大量气体。
按照以下步骤实施：
步骤一、根据科研需要确定需要采集样品的大致区域，并将位置输入至计算机8，并通过科研船携带至第一投放点后，将海底航行器1放入海中；
步骤二、海底航行器1通过控制进水口6与排水口10的阀门，调整空腔内水量进行下潜至海底，并在声纳2的探测下，寻找较为合适的采样点；
步骤三、海底航行器有效载荷舱9打开；
步骤四、传送带22展开，传送带驱动电机21进入待机状态，传送带22另一侧滚轮伸出至海底航行器1外侧，便于储样桶23上浮；
步骤五、如图4所示，钻头驱动电机18与钻头20开始下移，并穿过传送带22接触海底，随后钻头驱动电机18工作，进行样品钻取；
步骤六、如图5所示，样品钻取完毕后，钻头驱动电机18与钻头20一起上移，并移动至脱样器19下方；
步骤七、如图6所示，传送带驱动电机21工作，将一空储样桶23移动至钻头20下方；
步骤八、如图7所示，钻头20继续上移，此时，脱样器19探针通过钻头20上方空隙进入钻头20内，并将样品顶出，落入储样桶23中；
步骤九、如图8所示，传送带驱动电机21继续工作，将储样桶23送至海底航行器1外侧，储样桶23上控制模块25打开气囊24，储样桶23上浮；
步骤十、海底航行器1关闭有效载荷舱9，前往下一地点进行采用工作，直至采样完成，进行上浮；
步骤十一、科研船根据储样桶23内定位系统(控制模块25内)给出的定位，进行样品回收，并在最后一采样点回收海底航行器1。
Claims (10)
1.一种自动海底取样器装置，其特征在于，包括位于海底航行器(1)头部的声纳(2)，所述声纳(2)之后为前鳍驱动电机(3)，所述前鳍驱动电机(3)之后为陀螺仪(5)，其后放置两块锂电池a(7)与计算机(8)；所述计算机(8)后为航行器有效载荷舱(9)，主要放置取样相关装置；所述有效载荷舱(9)之后为锂电池b(11)；所述海底航行器(1)上侧为空腔(16)，所述空腔(16)前后两端有进水口(6)与排水口(10)；随后为后水平、竖直鳍驱动电机(12)，用于驱动后水平鳍(15)与后竖直鳍(17)；最后为螺旋桨驱动电机(13)及螺旋桨(14)；
所述有效载荷部分包含两条传送带(22)，所述传送带(22)上放置储样桶(23)，所述传送带(22)一头有传送带驱动电机(21)，另一端为可移动滚轮，在进行采样时，将可移动滚轮伸出海底航行器(1)一侧；所述传送带上方为钻头驱动电机(18)，能够进行竖直方向的移动；所述钻头驱动电机(18)在上升过程中将穿过脱样器(19)，所述取样器(19)能够穿过钻头(20)顶部空隙，将样品顶入传送带(22)上的储样桶(23)中；
所述储样桶(23)头部包含有控制模块(25)与气囊(24)，所述气囊(24)可以分为单层与双层；所述气囊(24)下方有一支架(26)；
样品落到在所述传送带(22)中移动的储样桶(23)中，并随着传送带的工作将带有样品的储样桶(23)送至航行器外部；储样桶(23)上的控制模块传出信号，将所述气囊(24)打开，使得样品浮出海面。
2.如权利要求1所述的海底取样器装置，其特征在于，通过控制进水口(6)与排水口(10)进而控制空腔(16)内海水含量，进而控制海底航行器(1)的上浮与下潜。
3.如权利要求1所述的海底取样器装置，其特征在于，通过前鳍(4)、后水平鳍(15)控制海底航行器(1)的俯仰运动；通过后竖直鳍(17)控制海底航行器(1)的航行方向；通过螺旋桨(14)控制航行器前进后退。
4.如权利要求1所述的海底取样器装置，其特征在于，通过头部声纳(2)判断海底航行器(1)周围环境；通过陀螺仪(5)判断海底航行器(1)的航行姿态；通过计算机(8)收集信息并给出指令。
5.如权利要求1所述的海底取样器装置有效载荷部分，其特征在于，在采样时打开，并将传送带(22)一侧伸出航行器外部。
6.如权利要求1所述的海底取样器装置有效载荷部分，其特征在于，钻头驱动电机(18)与钻头(20)穿过传送带(22)进行海底取样。
7.如权利要求1所述的海底取样器装置有效载荷部分，其特征在于，在取样后，钻头驱动电机(18)上升穿过传送带(22)与脱样器(19)，待脱样器(19)进入钻头(20)顶部空隙将样品挤出后停止。
8.如权利要求1所述的海底取样器装置有效载荷部分，其特征在于，储样桶(23)在传送带作用下，停留于钻头(20)下方，待样品落入后，继续移动至海底航行器(1)外侧，打开气囊(24)，完成上浮。
9.如权利要求1所述的海底取样器装置的工作方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤一、根据科研需要确定需要采集样品的大致区域，并将位置输入至计算机(8)，并通过科研船携带至第一投放点后，将海底航行器(1)放入海中；
步骤二、海底航行器(1)通过控制进水口(6)与排水口(10)的阀门，调整空腔内水量进行下潜至海底，并在声纳(2)的探测下，寻找较为合适的采样点；
步骤三、海底航行器有效载荷舱(9)打开；
步骤四、传送带(22)展开，传送带驱动电机(21)进入待机状态，传送带(22)另一侧滚轮伸出至海底航行器(1)外侧，便于储样桶(23)上浮；
步骤五、钻头驱动电机(18)与钻头(20)开始下移，并穿过传送带(22)接触海底，随后钻头驱动电机(18)工作，进行样品钻取；
步骤六、样品钻取完毕后，钻头驱动电机(18)与钻头(20)一起上移，并移动至脱样器(19)下方；
步骤七、传送带驱动电机(21)工作，将一空储样桶(23)移动至钻头(20)下方；
步骤八、钻头(20)继续上移，此时，脱样器(19)探针通过钻头(20)上方空隙进入钻头(20)内，并将样品顶出，落入储样桶(23)中；
步骤九、传送带驱动电机(21)继续工作，将储样桶(23)送至海底航行器(1)外侧，储样桶(23)上控制模块(25)打开气囊(24)，储样桶(23)上浮；
步骤十、海底航行器(1)关闭有效载荷舱(9)，前往下一地点进行采用工作，直至采样完成，进行上浮；
步骤十一、科研船根据储样桶(23)内定位系统(控制模块(25)内)给出的定位，进行样品回收，并在最后一采样点回收海底航行器(1)。
10.如权利要求9所述的海底取样器装置的工作方法，其特征在于，海底航行器(1)经由科研船释放后，每完成一次取样，将样品放入储样桶(23)内后，由储样桶(23)上浮带出，在完成多次采样后由科研船统一收回。
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