CN114296126A - 可装载auv适用于深冰下水域探测的穿冰探测器 - Google Patents

Abstract

可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器，包括穿冰探测器和AUV，穿冰探测器包括沿轴向依次固定相连的冰锚、尾舱、AUV收纳舱、传感器舱、热融钻头；AUV收纳舱的侧面设有AUV收纳舱舱门，AUV收纳舱舱门上安装有AUV收纳台，收纳台上安装有一限位盘，限位盘的周向安装有若干个对接锁定杆，对接锁定杆处于张开时，形成AUV对接口，对接锁定杆处于收合时，进行AUV锁定；AUV收纳台上安装有声纳旋转电机，声纳旋转电机上连接有声纳连接杆，声纳连接杆上竖直连接有声纳连接板，声纳连接板上装有声信标、第一USBL和第一声纳；AUV头部安装有一透光透声导流罩，导流罩内部安装有摄像头、第二USBL、第二声纳；AUV头部处有一与对接锁定杆配合锁定的环形凹口。

Description

可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器

技术领域

本发明属于穿冰探测器技术领域，具体涉及一种可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器。

背景技术

在南极上千米厚的冰盖下方，存在大量的冰下湖。这些冰下湖很久以前就与外界隔绝，探测冰下湖为研究南极冰盖形成演变机理和极端环境生命提供可能性，具有重大的科学意义。在冰下湖的探测中，不能先钻孔至冰下湖，然后再通过现成的冰孔布放探测器，因为采用这样的方式外源性的物质就会污染冰下湖水，从而影响冰下湖探测的科学价值。为了避免外源性的物质污染冰下湖水，可以采用边钻进然后探测器后方边冻融的方式进行穿冰探测。

此外，表面具有冰层的外星球(如火星、木卫二、木卫三、土卫二等)，其厚厚的冰层下面可能存在冰下湖或者冰下海洋。探测这些星球的冰下水域，需要通过发射的着陆器来携带专用的探测器来实现。这样应用场景下的探测器，最好是自身可以穿透冰层，然后在到达冰下水域后可以进行原位探测，同时还可以释放可自主移动的自主水下航行器(AUV)，进行更大范围的探测。

德国在论文中报道了一种叫IceShuttle Teredo的穿冰探测器。该探测器可以携带AUV进行融冰钻进。因为穿冰探测器采用热融钻进，所以热融钻头必须布置在探测器的最顶端，也因此AUV只能收纳在穿冰探测器的中部，而不能布置在最顶端。另外，当AUV释放出来后，用于AUV导航定位和通信用的声学传感器必须能够伸出到比热融钻头更前端的位置，这样声学传感器的视场角才不会被探测器的热融钻头遮挡。为解决该技术问题，IceShuttle Teredo穿冰探测器将AUV收纳在探测器的中部，在穿透冰层到达冰下水域后，采用三重的展开结构实现AUV的布放：首先通过偏心的盘式关节使探测传感器舱和热融钻头两个模块共同旋转180°，为AUV让出释放通道，然后沿着轴向向下释放AUV，AUV接着转为水平的位置；在AUV从载荷舱释放出来后，通过另一个偏心的盘式关节，将热融钻头单独再旋转180°，为导航通信用传感器组让出通道；最后将导航通信用的传感器组从传感器舱沿着轴向向下推出来，使导航通信用的声学传感器位于比热融钻头更前端的位置。该IceShuttle Teredo穿冰探测器，在释放AUV时，需要对热融钻头在内舱体进行偏心旋转，由于钻头一般比较重，导致对转动关节的支撑强度和转动力矩的要求比较高。此外，前方热融钻头和传感器舱所需的传输电缆需要穿过旋转关节，现有的技术方案有如下2种：一是电缆直接穿过，但是在旋转关节旋转时不可避免的会使电缆跟着扭转；二是在旋转关节处使用防水滑环来传输电能和信号。这两种方案都不可避免会增加结构复杂度，降低系统可靠性。

发明内容

针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器，可以携带AUV一起穿透冰层，在穿透冰层到达冰下水域(如冰下湖或冰下的海洋)后，可以用比较简单的方式释放AUV，避免旋转重量较大的热融钻头，并避免了传输电缆需要穿过旋转关节增加结构复杂度和降低系统可靠性的问题。此外，AUV可以通过回坞接驳的方式进行充电续航和传输数据，同时还可以进行AUV的自主回收。

本发明采用的技术方案是：

可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器，包括穿冰探测器和AUV，其特征在于：所述穿冰探测器包括沿轴向依次固定相连的用于将穿冰探测器固定在冰洞之中的冰锚、设置有电缆收纳器和穿冰探测器控制系统的尾舱、用于从其侧面进行AUV布放和回收的AUV收纳舱、配置有各类传感器的传感器舱、用于加热冰层进行热融钻进的热融钻头；

所述AUV收纳舱的侧面设有在竖直位和水平位之间旋转开闭的AUV收纳舱舱门，所述AUV收纳舱舱门上安装有可沿其轴向移动的AUV收纳台，所述收纳台上安装有一限位盘，所述限位盘面向AUV侧安装有一用于检测AUV是否处在锁定位置上的行程开关，所述限位盘的周向安装有若干个可相对其移动并转动的对接锁定杆，所述对接锁定杆均与可带动其张开和收合的对接直线电机的推杆铰接连接，所述对接锁定杆处于张开时，形成外大内小的AUV对接口，所述对接锁定杆处于收合时，进行AUV锁定；所述AUV收纳台上安装有声纳旋转电机，所述声纳旋转电机上连接有由其驱动在竖直位和水平位之间旋转的声纳连接杆，所述声纳连接杆上竖直连接有声纳连接板，所述声纳连接板上装有用于在更远距离范围内为AUV提供大致方位信息的声信标、用于为AUV提供几千米范围内的通信和导航的第一USBL和用于探测水底地形的第一声纳；

所述AUV头部安装有一透光透声导流罩，所述导流罩内部安装有用于视觉识别AUV收纳台并引导AUV对接的摄像头、用于AUV距穿冰探测器几千米范围内的回坞导航和通信的第二USBL、用于在远距离时与声信标配合识别穿冰探测器大致方位的第二声纳；所述AUV头部处有一与对接锁定杆配合锁定的环形凹口，所述对接锁定杆上设有可滑入或滑出环形凹口的凸块。

进一步，所述环形凹口的截面为一喇叭口和矩形的组合形状，使得AUV在对接时即使位置有一些偏差，对接锁定杆也能沿着喇叭口外形划入矩形锁定位置，完成对AUV的锁定。

进一步，所述AUV的尾部设有一用于实现AUV在空间上常规的运动和操控的尾部矢量推进器；所述AUV的腹部设有一利用电磁耦合原理从AUV收纳台内置线圈获取电能的环形线圈。

进一步，所述AUV收纳舱的上部安装有上舱门直线电机，其下部安装有下舱门直线电机，所述上舱门直线电机的推杆上安装有由其带动平移的绞车电机，所述绞车电机的转轴上连接有由其驱动旋转的卷筒，所述卷筒上缠绕有缆绳，所述缆绳的外端与AUV收纳舱舱门的上部连接；所述下舱门直线电机的推杆上铰接有由其推动平移的舱门连接块，所述舱门连接块固定在AUV收纳舱舱门的下部。

进一步，所述AUV收纳舱舱门上安装有齿条，所述AUV收纳台的端部安装有AUV收纳台电机，所述AUV收纳台电机上连接有由其驱动转动的齿轮，所述齿轮与齿条啮合形成齿轮传动副；所述AUV收纳舱舱门上还安装有AUV收纳台沿着移动的导轨。

进一步，所述AUV收纳舱的舱壁上方设有一用于舱门闭合时锁定舱门的舱门锁定机构。

进一步，所述对接锁定杆内安装有一组作为对接导引线光源的长条形LED灯，所述AUV收纳台外端安装有一作为对接导引点光源的LED灯，所述对接锁定杆上的LED线光源和AUV收纳台上的LED点光源组成了导引AUV对接的光源信号。AUV通过摄像头获取光源信号，并经过图像处理可以得到对接口中心位置和方位信息，这些信息共同为AUV对接提供导引。

进一步，所述传感器舱由上传感器舱和下传感器舱组成，所述上传感器舱内安装有冰下水环境探测传感器组，所述下传感器舱内安装有用于测量水体的温度、电导率和深度的CTD，所述下传感器舱内的周向上还安装有用于对水下环境进行全景高清摄像的全景摄像头组。

进一步，所述AUV进行布放的具体步骤如下：

(1)穿冰探测器的冰锚动作，将穿冰探测器固定在冰孔内；

(2)舱门锁定机构解锁，上舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门上部向外推开，同时绞车电机工作释放缆绳，使AUV收纳舱舱门上部打开并旋转一定角度；

(3)绞车电机保持工作释放缆绳，在自重作用下，AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转，同时，下舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门的下部推出一定距离；

(4)AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转至水平位置；

(5)旋转到位后，AUV收纳台电机工作，带动齿轮旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台向外推出；

(6)对接直线电机工作，使得对接锁定杆张开，AUV解除锁定，AUV尾部推进器作用使得AUV驶离穿冰探测器；同时声纳旋转电机工作，驱动声纳连接杆绕转轴转动，使得声信标、第一USBL和第一声纳移动到最下方的工作位置；AUV布放完成。

进一步，所述AUV的回坞对接和回收的具体步骤如下：

(1)AUV依靠声纳信号和USBL信号导航至穿冰探测器附近，同时，AUV利用其上的摄像头寻找AUV收纳台上的LED灯信号，在找到LED灯信号后切换到LED光学导引模式，在LED光学导引下缓慢靠近对接锁定杆组成对接口；

(2)当AUV碰到限位盘上的行程开关时，对接直线电机工作，带动对接锁定杆闭合，随着对接锁定杆上的凸块滑入AUV上的环形凹口时，AUV锁定工作完成；此时，AUV腹部环形线圈正好与AUV收纳台的内置线圈紧密贴合，利用电磁耦合原理，实现穿冰探测器与向AUV传输电能充电，通过内置的通信模块实现数据传输；如果AUV仅仅是回航充电，则充满电后可以继续驶离穿冰探测器开始新的探测任务；如果穿冰探测器需要回收AUV，则进入步骤(3)；

(3)声纳旋转电机工作，驱动声纳连接杆绕转轴转动，使得声信标、第一USBL和第一声纳移动到最初位置；

(4)AUV收纳台电机工作，带动齿轮旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台向内回收；

(5)绞车电机工作回收缆绳，拉着AUV收纳舱舱门上部升起，此时AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转；

(6)当绞车电机的缆绳回收完毕，上舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门上部向内拉回，同时，下舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门的下部向内拉回；AUV收纳舱舱门关闭并锁定，穿冰探测器释放冰锚，做好了回收返回冰面的准备。

本发明的有益效果：

1、本发明的AUV收纳舱布置在穿冰探测器的中段，保证了热熔钻头可以布置在穿冰探测器的最顶端用于融冰钻进。

2、导航定位和通信用传感器组(USBL和声信标)的布放方式使得穿冰探测器到达水域工作时可以将AUV导航定位和通信用的声学传感器伸出到比热融钻头更前端的位置，使得声学传感器的视场角不会被探测器的热融钻头遮挡。

3、本发明中释放AUV是通过打开穿冰探测器侧壁的舱门实现的，不需要旋转笨重的热融钻头，降低了对驱动电机的力矩要求和转动副的支撑强度要求。

4、穿冰探测器的内部电缆不需要在热融钻头处设置旋转关节，可以避免使用防水滑环等措施增加结构复杂度，或者可以避免电缆扭转。

附图说明

图1是本发明的AUV的主视结构示意图。

图2是本发明的AUV的剖视结构示意图。

图3是本发明的AUV的环形凹口与对接锁定杆对接处的放大结构示意图。

图4是本发明的主视结构示意图。

图5是本发明的剖视结构示意图。

图6是本发明的完全展开后的剖视结构示意图。

图7是本发明的AUV收纳舱完全展开后的结构示意图。

图8是本发明的AUV收纳舱完全展开后的剖视结构示意图。

图9是本发明的AUV收纳台的立体结构示意图。

图10是本发明的AUV收纳台的主视结构示意图。

图11是本发明的AUV收纳台的剖视结构示意图。

图12是本发明的传感器舱的剖视结构示意图。

图13是本发明的传感器舱的仰视结构示意图。

图14是本发明的AUV布放和回收的过程示意图。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

相关术语

AUV：自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)

USBL：超短基线定位(Ultrashort Baseline,USBL)

CTD：温盐深仪(Conductivity,Temperature,Depth recorder,CTD)

本实施例提供了一种可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器，包括穿冰探测器1和AUV2。

参见图1-3，本实施例所述AUV2的尾部设有一尾部矢量推进器21，在矢量推进器21的作用下，AUV2可实现在空间上常规的运动和操控。AUV2腹部有一环形线圈27，可利用电磁耦合原理从AUV收纳台131的内置线圈获取电能。AUV2靠近头部处有一环形凹口22，所述环形凹口22的截面为一喇叭口和矩形的组合形状，使得AUV2在对接时即使位置有一些偏差，对接锁定杆1316也能沿着喇叭口外形划入矩形锁定位置，完成对AUV2的锁定。AUV2头部装有一透光透声导流罩16，在导流罩16内部安装有：(1)摄像头25，在AUV2对接时，用于视觉识别AUV收纳台131上的对接口，提供对接导引；(2)第二USBL24，用于AUV2距穿冰探测器1几千米范围内的回坞导航和通信；(3)第二声纳23，用于在远距离时检测穿冰探测器1上声信标1313发出的声波信号，从而识别穿冰探测器1的大致方位。

参见图4、图5，本实施例所述穿冰探测器1由沿轴向依次固定相连的五个部分组成，分别是：(1)冰锚11，用于将穿冰探测器1固定在冰洞之中；(2)尾舱12，舱内布置有“冰面——穿冰探测器”电缆收放器、穿冰探测器控制系统等；(3)AUV收纳舱13，用于从其侧面进行AUV2布放和回收，AUV收纳舱13设有一AUV收纳舱舱门134，在舱门直线电机和绞车共同作用下展开；(4)传感器舱14，舱内有相应的冰下水环境探测传感器组，根据探测任务需要，可以配置多种基于光学的水下多参数传感器、水物理参数传感器、基于电化学原理的水下环境多参数传感器等；(5)热融钻头15，用于加热冰层进行热融钻进。本发明的完全展开后的状态见图6所示。

参见图7、图8，本实施例所述AUV收纳舱13的侧面设有在竖直位和水平位之间旋转开闭的AUV收纳舱舱门134，所述AUV收纳舱13的上部安装有上舱门直线电机136，其下部安装有下舱门直线电机130，所述上舱门直线电机136的推杆上安装有由其带动平移的绞车电机132，所述绞车电机132的转轴上连接有由其驱动旋转的卷筒133，所述卷筒133上缠绕有缆绳137，所述缆绳137的外端与AUV收纳舱舱门134的上部连接；所述下舱门直线电机130的推杆上铰接有由其推动平移的舱门连接块140，所述舱门连接块140固定在AUV收纳舱舱门134的下部。所述AUV收纳舱舱门134上安装有齿条139，与AUV收纳台131上的齿轮1319形成齿轮传动副；所述AUV收纳舱舱门134上还安装有导轨138，用于引导AUV收纳台131，确保AUV收纳台131沿着导轨138移动。AUV收纳舱13舱壁上方设有一舱门锁定机构135，用于舱门闭合时AUV收纳舱舱门134的锁定。

参见图9-11，本实施例所述AUV收纳台131是可沿AUV收纳舱舱门134轴向移动的安装于AUV收纳舱舱门134上；所述AUV收纳台131的端部设有一AUV收纳台电机1320，AUV收纳台电机1320与齿轮1319相连，齿轮1319可在AUV收纳台电机1320的驱动下转动，通过齿轮1319沿着齿条139移动来实现AUV收纳台131的轴向移动。所述AUV收纳台131上安装有一限位盘1321，限位盘1321面向AUV2侧安装有一行程开关1317，用于检测AUV2是否处在锁定位置上；限位盘1321另一侧安装有对接直线电机1318；限位盘1321的周向上安装有3个对接锁定杆1316，限位盘1321与对接锁定杆1316之间既可以相对转动也可以相对滑动，对接锁定杆1316另一端与对接直线电机1318的推杆端通过铰链相连，在对接直线电机1318的作用下，对接锁定杆1316可实现张开和收合，收合时对接锁定杆1316上的凸块嵌入AUV2的环形凹口22对AUV2进行锁定，张开时，对接锁定杆1316之间形成外大内小的AUV对接口，在AUV对接时起到空间导引作用。对接锁定杆1316内侧安装有一组长条形LED灯1315，作为对接导引线光源。AUV收纳台131外端安装有一LED灯1323，作为对接导引点光源。3个对接锁定杆1316上的LED线光源和AUV收纳台131上的LED点光源组成了特殊的光源信号，AUV2通过摄像头25获取光源信号，并通过图像处理可以得到对接口中心位置和方位信息，这些信息共同为AUV2对接提供导引。AUV收纳台131上还安装有一声纳旋转电机1322，声纳旋转电机1322上连接有由其驱动在竖直位和水平位之间旋转的声纳连接杆1310，在声纳旋转电机1322的驱动下，声纳连接杆1310可绕电机旋转。声纳连接杆1310上竖直连接有声纳连接板1311，声纳连接板1311上装有声信标1313，第二USBL1312和第二声纳1314，声信标1313可在更远距离范围内为AUV2提供大致范围信息；第二USBL1312可为AUV2提供几千米范围内的通信和导航；第二声纳1314用于探测水底地形。

参见图12、图13，本实施例所述传感器舱传感器舱14由上传感器舱和下传感器舱组成，所述上传感器舱内安装有冰下水环境探测传感器组141，根据探测任务需要，可以配置多种基于光学的水下多参数传感器、水物理参数传感器、基于电化学原理的水下环境多参数传感器等。所述下传感器舱内安装有CTD142,可用于测量水体的温度、电导率和深度，这些参数为水体重要物理参数，可用于校准声波在该水体中的传播速度，从而提高声学传感器的探测精度。所述下传感器舱内的周向上还安装有全景摄像头组143，用于对水下环境进行全景高清摄像。

本实施例所述AUV2的布放流程如图14所示，其具体步骤如下：

(1)穿冰探测器1的冰锚11动作，将穿冰探测器1固定在冰孔内；

(2)舱门锁定机构135解锁，上舱门直线电机136工作将AUV收纳舱舱门134上部向外推开，同时绞车电机132工作释放缆绳137，使AUV收纳舱舱门134上部打开并旋转一定角度；

(3)绞车电机132保持工作释放缆绳，在自重作用下，AUV收纳舱舱门134和其上设备绕下舱门直线电机130处的铰链旋转，同时，下舱门直线电机130工作将AUV收纳舱舱门134的下部推出一定距离；

(4)AUV收纳舱舱门134和其上设备绕下舱门直线电机处130的铰链旋转至水平位置；

(5)旋转到位后，AUV收纳台电机1320工作，带动齿轮1319旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台131向外推出；

(6)对接直线电机1318工作，使得对接锁定杆1316张开，AUV2解除锁定，AUV2的尾部推进器21作用使得AUV2驶离穿冰探测器1；同时声纳旋转电机1322工作，驱动声纳连接杆1310绕转轴转动，使得声信标1313、第一USBL1312和第一声纳1314移动到最下方的工作位置；AUV2布放完成。

参见图14，本实施例所述AUV2的回坞对接和回收的具体步骤如下：

(1)AUV2依靠声纳信号和USBL信号导航至穿冰探测器1附近，同时，AUV2利用其上的摄像头25寻找AUV收纳台131上的LED灯信号，在找到LED灯信号后切换到LED光学导引模式，在LED光学导引下缓慢靠近对接锁定杆1316组成对接口；

(2)当AUV2碰到限位盘1321上的行程开关1317时，对接直线电机1318工作，带动对接锁定杆1316闭合，随着对接锁定杆1316上的凸块滑入AUV2上的环形凹口22时，AUV2锁定工作完成；此时，AUV2腹部环形线圈27正好与AUV收纳台131的内置线圈紧密贴合，利用电磁耦合原理，实现穿冰探测器1与向AUV2传输电能充电，通过内置的通信模块实现数据传输；如果AUV2仅仅是回航充电，则充满电后可以继续驶离穿冰探测器1开始新的探测任务；如果穿冰探测器1需要回收AUV2，则进入步骤(3)；

(3)声纳旋转电机1322工作，驱动声纳连接杆1310绕转轴转动，使得声信标1313、第一USBL1312和第一声纳1314移动到最初位置；

(4)AUV收纳台电机1320工作，带动齿轮1319旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台131向内回收；

(5)绞车电机132工作回收缆绳137，拉着AUV收纳舱舱门134上部升起，此时AUV收纳舱舱门134和其上设备绕下舱门直线电机130处的铰链旋转；

(6)当绞车电机132的缆绳137回收完毕，上舱门直线电机136工作将AUV收纳舱舱门134上部向内拉回，同时，下舱门直线电机130工作将AUV收纳舱舱门134的下部向内拉回；AUV收纳舱舱门134关闭并锁定，穿冰探测器1释放冰锚11，做好了回收返回冰面的准备。

本发明的AUV收纳舱布置在穿冰探测器的中段，保证了热熔钻头可以布置在穿冰探测器的最顶端用于融冰钻进。导航定位和通信用传感器组(USBL和声信标)的布放方式使得穿冰探测器到达水域工作时可以将AUV导航定位和通信用的声学传感器伸出到比热融钻头更前端的位置，使得声学传感器的视场角不会被探测器的热融钻头遮挡。本发明中释放AUV是通过打开穿冰探测器侧壁的舱门实现的，不需要旋转笨重的热融钻头，降低了对驱动电机的力矩要求和转动副的支撑强度要求。穿冰探测器的内部电缆不需要在热融钻头处设置旋转关节，可以避免使用防水滑环等措施增加结构复杂度，或者可以避免电缆扭转。

Claims (10)

1.可装载AUV适用于深冰下水域探测的穿冰探测器，包括穿冰探测器和AUV，其特征在于：所述穿冰探测器包括沿轴向依次固定相连的用于将穿冰探测器固定在冰洞之中的冰锚、设置有电缆收纳器和穿冰探测器控制系统的尾舱、用于从其侧面进行AUV布放和回收的AUV收纳舱、配置有各类传感器的传感器舱、用于加热冰层进行热融钻进的热融钻头；

所述AUV收纳舱的侧面设有在竖直位和水平位之间旋转开闭的AUV收纳舱舱门，所述AUV收纳舱舱门上安装有可沿其轴向移动的AUV收纳台，所述收纳台上安装有一限位盘，所述限位盘面向AUV侧安装有一用于检测AUV是否处在锁定位置上的行程开关，所述限位盘的周向安装有若干个可相对其移动并转动的对接锁定杆，所述对接锁定杆均与可带动其张开和收合的对接直线电机的推杆铰接连接，所述对接锁定杆处于张开时，形成外大内小的AUV对接口，所述对接锁定杆处于收合时，进行AUV锁定；所述AUV收纳台上安装有声纳旋转电机，所述声纳旋转电机上连接有由其驱动在竖直位和水平位之间旋转的声纳连接杆，所述声纳连接杆上竖直连接有声纳连接板，所述声纳连接板上装有用于在更远距离范围内为AUV提供大致方位范围信息的声信标、用于为AUV提供几千米范围内的通信和导航的第一USBL和用于探测水底地形的第一声纳；

所述AUV头部安装有一透光透声导流罩，所述导流罩内部安装有用于视觉识别AUV收纳台并引导AUV对接的摄像头、用于AUV距穿冰探测器几千米范围内的回坞导航和通信的第二USBL、用于在远距离时与声信标配合识别穿冰探测器大致方位的第二声纳；所述AUV头部处有一与对接锁定杆配合锁定的环形凹口，所述对接锁定杆上设有可滑入或滑出环形凹口的凸块。

2.根据权利要求1所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述环形凹口的截面为一喇叭口和矩形的组合形状。

3.根据权利要求1所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV的尾部设有一用于实现AUV在空间上常规的运动和操控的尾部矢量推进器；所述AUV的腹部设有一利用电磁耦合原理从AUV收纳台内置线圈获取电能的环形线圈。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV收纳舱的上部安装有上舱门直线电机，其下部安装有下舱门直线电机，所述上舱门直线电机的推杆上安装有由其带动平移的绞车电机，所述绞车电机的转轴上连接有由其驱动旋转的卷筒，所述卷筒上缠绕有缆绳，所述缆绳的外端与AUV收纳舱舱门的上部连接；所述下舱门直线电机的推杆上铰接有由其推动平移的舱门连接块，所述舱门连接块固定在AUV收纳舱舱门的下部。

5.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV收纳舱舱门上安装有齿条，所述AUV收纳台的端部安装有AUV收纳台电机，所述AUV收纳台电机上连接有由其驱动转动的齿轮，所述齿轮与齿条啮合形成齿轮传动副；所述AUV收纳舱舱门上还安装有AUV收纳台沿着移动的导轨。

6.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV收纳舱的舱壁上方设有一用于舱门闭合时锁定舱门的舱门锁定机构。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述对接锁定杆内安装有一组作为对接导引线光源的长条形LED灯，所述AUV收纳台外端安装有一作为对接导引点光源的LED灯，所述对接锁定杆上的LED线光源和AUV收纳台上的LED点光源组成了导引AUV对接的光源信号。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述传感器舱由上传感器舱和下传感器舱组成，所述上传感器舱内安装有冰下水环境探测传感器组，所述下传感器舱内安装有用于测量水体的温度、电导率和深度的CTD，所述下传感器舱内的周向上还安装有用于对水下环境进行全景高清摄像的全景摄像头组。

9.根据权利要求1至3任意一项所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV进行布放的具体步骤如下：

(1)穿冰探测器的冰锚动作，将穿冰探测器固定在冰孔内；

(2)舱门锁定机构解锁，上舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门上部向外推开，同时绞车电机工作释放缆绳，使AUV收纳舱舱门上部打开并旋转一定角度；

(3)绞车电机保持工作释放缆绳，在自重作用下，AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转，同时，下舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门的下部推出一定距离；

(4)AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转至水平位置；

(5)旋转到位后，AUV收纳台电机工作，带动齿轮旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台向外推出；

(6)对接直线电机工作，使得对接锁定杆张开，AUV解除锁定，AUV尾部推进器作用使得AUV驶离穿冰探测器；同时声纳旋转电机工作，驱动声纳连接杆绕转轴转动，使得声信标、第一USBL和第一声纳移动到最下方的工作位置；AUV布放完成。

10.根据权利要求9所述的一种可携带AUV的穿冰探测器，其特征在于：所述AUV的回坞对接和回收的具体步骤如下：

(1)AUV依靠声纳信号和USBL信号导航至穿冰探测器附近，同时，AUV利用其上的摄像头寻找AUV收纳台上的LED灯信号，在找到LED灯信号后切换到LED光学导引模式，在LED光学导引下缓慢靠近对接锁定杆组成对接口；

(2)当AUV碰到限位盘上的行程开关时，对接直线电机工作，带动对接锁定杆闭合，随着对接锁定杆上的凸块滑入AUV上的环形凹口时，AUV锁定工作完成；此时，AUV腹部环形线圈正好与AUV收纳台的内置线圈紧密贴合，利用电磁耦合原理，实现穿冰探测器与向AUV传输电能充电，通过内置的通信模块实现数据传输；如果AUV仅仅是回航充电，则充满电后可以继续驶离穿冰探测器开始新的探测任务；如果穿冰探测器需要回收AUV，则进入步骤(3)；

(3)声纳旋转电机工作，驱动声纳连接杆绕转轴转动，使得声信标、第一USBL和第一声纳移动到最初位置；

(4)AUV收纳台电机工作，带动齿轮旋转，在齿轮齿条传动副的作用下，将AUV收纳台向内回收；

(5)绞车电机工作回收缆绳，拉着AUV收纳舱舱门上部升起，此时AUV收纳舱舱门和其上设备绕下舱门直线电机处的铰链旋转；

(6)当绞车电机的缆绳回收完毕，上舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门上部向内拉回，同时，下舱门直线电机工作将AUV收纳舱舱门的下部向内拉回；AUV收纳舱舱门关闭并锁定，穿冰探测器释放冰锚，做好了回收返回冰面的准备。

Images