CN115107966A - 一种6000米级可地质探测的多模式arv结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构。该多模式ARV结构包括ARV主体及设置ARV主体上的换装组件；换装组件通过不同组件的搭配安装，实现航行探测模式、ARV作业模式、ROV作业模式、双机械手协同模式及磁力探测模式的切换。本发明实现对海洋地质、地貌的实时探测，使用模式多变，扩展能力强，最大工作水深为6000米，适应全球大部分海域深度，具备长距离的航行探测与长时间定点采样的能力。
Description
技术领域
本发明涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构。
背景技术
水下机器人主要分为载人潜水器(HOV)、自主水下机器人(AUV)、遥控水下机器(ROV)和自主遥控水下机器人(ARV)，传统的AUV善于航行探测，但缺少定点作业能力；HOV和ROV善于定点作业，但无法大范围航行，对母船配套要求高；以往的ARV可以兼顾长距离航行探测和定点作业，但是缺少对浅地层剖面探测的功能，其定点作业能力也有限。以往潜器对地质探测和采样一般采用两个潜器分别进行，对人员和母船的需求较高，同时采样和作业能力不理想。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构，该系统相比于传统的水下机器人，既可以大范围航行探测，也可以定点作业，具备对海底地质浅地层剖面的探测能力，能够实现大范围地质探测和目标地质取样一体化，单个潜次即可实现。通过换装可以大大提升作业能力、扩展功能，拓展模式多变，适应多样的探测与作业需求。本系统设计紧凑，大大减少了航行阻力，相应的航行时间和航行速度均得到了大大加强。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构，包括ARV主体及设置ARV主体上的换装组件；
换装组件通过不同组件的搭配安装，实现航行探测模式、ARV作业模式、ROV作业模式、双机械手协同模式及磁力探测模式的切换。
所述ARV主体包括主框架和设置于主框架外侧的浮力材；主框架内设有光纤团和内部电子舱体，主框架的前端设有采样平台和七功能电动机械手；
主框架上还设有推进系统、避碰与观测系统、通信与导航系统及抛载系统，其中推进系统用于实现ARV系统六个自由度的运动；避碰与观测系统用于避障和观测；通信与导航系统用于通信和导航；抛载系统用于ARV主体的上浮或下潜；
主框架的底部设有潜剖系统和测深侧扫换能器，潜剖系统用于实现对海底地质潜剖面结构的探测和成图；测深侧扫换能器用于实现对地形地貌的探测和成图。
所述换装组件包括一体舱门、支撑腿、采样篮、Pushcore、扩展平台、可抛弃铅块、电池、变压器、电源管理系统、副机械手及磁力仪；
当在所述ARV主体的前端设置一体舱门，主框架上设置用于提供电源的电池时，实现航行探测模式；
当拆掉一体舱门，在所述ARV主体的底部安装支撑腿，在采样平台上搭载采样篮和Pushcore，或者在采样平台上搭载扩展平台和可抛弃铅块，抛弃铅块的上部通过线绳绑定浮力球；搭载扩展平台上搭载多个Pushcore和采样篮，实现ARV作业模式；
在ARV作业模式的基础上，将电池更换为变压器和电源管理系统，且变压器连接母船光电缆，实现ROV作业模式；
在ARV作业模式的基础上，在所述ARV主体的前端接口连接副机械手，副机械手与七功能电动机械手协同作用，实现双机械手协同模式；
在所述ARV主体的尾部设置磁力仪，实现磁力探测模式。
所述推进系统包括垂直槽道推进器、艏侧向推进器、艉侧向推进器、艉部主推进器、可旋转舵板和固定翼板，其中艏侧向推进器和艉侧向推进器沿侧向分别设置于所述ARV主体的艏部和尾部；垂直槽道推进器沿竖直方向设置于所述ARV主体的艏部；
可旋转舵板设置于所述ARV主体尾部两侧，各可旋转舵板上设置有艉部主推进器；固定翼板设置于所述ARV主体后端的顶部。
所述通信与导航系统包括频闪灯、应急舱、无线电、网桥、铱星、声通系统、超短基线系统及DVL惯导集成体；其中频闪灯、应急舱、无线电、网桥、铱星和声通系统设置于所述ARV主体艏端的顶部；声通系统包括声通讯机换能器和声通讯机电子舱；
超短基线系统包括超短基线换能器和超短基线电子舱，超短基线换能器设置于所述ARV主体的尾端顶部；
DVL惯导集成体设置于所述ARV主体的尾端底部。
所述潜剖系统包括潜剖发射换能器和潜剖接收板，潜剖发射换能器和潜剖接收板均通过连接件安装于所述主框架的底部。
所述避碰与观测系统包括航行高清相机、航行大灯、前视声呐、下标清组件、云台高清相机、云台大灯、绿激光及深高度计，其中航行高清相机、航行大灯和前视声呐设置于所述ARV主体的艏部前端；云台高清相机、云台大灯及绿激光设置于所述主框架的前端上部；
下标清组件和深高度计均设置于所述ARV主体的底部。
所述抛载系统包括上浮压载组件和下潜压载组件，上浮压载组件和下潜压载组件均包括电磁铁和压铁。
所述光纤团通过连接件安装于主框架的艉部，所述光纤团的上方设有光纤剪切机构，光纤剪切机构用于切断所述光纤团释放的光纤。
本发明的优点与积极效果为：
1.本发明适用性广：本发明ARV系统适应6000米水深压力，覆盖了全球大部分海洋区域。
2.本发明实现了地质探测和局部采样一体化：本发明ARV系统具备海底浅地层剖面探测与目标地质采样一体化能力，一个潜次即可以同时完成两件任务。
3.本发明使用模式丰富：本发明ARV系统接口丰富，通过换装可切换多种探测作业模式，适应不同的需求。
4.本发明航行探测能力强：本发明ARV系统航行阻力小，配备了两个大容量电池，最长支撑48小时的航行探测，最大航速可达3kn。
5.本发明作业能力强：本发明通过切换扩展设备，安装扩展平台，可大大提升作业采样能力，可额外采样40kg。
附图说明
图1为本发明一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构的轴测图；
图2为本发明一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构的底部结构示意图；
图3为本发明一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构的艏部结构示意图；
图4为本发明一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构的内部设备示意图；
图5为本发明的ARV系统换装ROV模式示意图；
图6为本发明的ARV系统利用自带电源搭载扩展平台示意图；
图7为本发明的ARV系统搭载双机械手示意图；
图8为本发明的ARV系统搭载磁力仪示意图；
图中：1为一体舱门，2为航行高清相机，3为航行大灯，4为艏侧向推进器，5为频闪灯，6为应急舱，7为无线电天线，8为网桥，9为自容铱星，10为声通讯机换能器，11为起吊钩，12为超短基线换能器，13为固定翼板，14为艉侧向推进器，15为可旋转舵板，16为艉部主推进器，17为浮力材，18为支撑腿，19为前视声呐，20为深高度计，21为DVL惯导集成体，22为潜剖接收板，23为测深侧扫换能器，24为上浮压载组件，25为潜剖发射换能器，26为垂直槽道推进器，27为下标清组件，28为下潜压载组件，29为七功能电动机械手，30为绿激光，31为云台大灯，32为云台，33为云台高清相机，34为辅助标清，35为采样篮，36为Pushcore，37为扩展舱，38为电池，39为主框架，40为光纤团，41为光纤剪切机构，42为采样平台，43为变压器，44为电源管理系统，45为可抛弃铅块，46为扩展平台，47为副机械手，48为磁力仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实例对本发明进行详细描述。
如图1-2所示，本发明提供一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构，包括ARV主体及设置ARV主体上的换装组件；换装组件通过不同组件的搭配安装，实现航行探测模式、ARV作业模式、ROV作业模式、双机械手协同模式及磁力探测模式的切换。
如图1-5所示，本发明的实施例中，ARV主体包括主框架39和设置于主框架39外侧的浮力材17；主框架39内设有光纤团40和内部电子舱体，主框架39的前端设有采样平台42和七功能电动机械手29；主框架39上还设有推进系统、避碰与观测系统、通信与导航系统及抛载系统，其中推进系统用于实现ARV系统六个自由度的运动；避碰与观测系统用于避障和观测；通信与导航系统用于通信和导航；抛载系统用于ARV主体的上浮或下潜；主框架39的底部设有潜剖系统和测深侧扫换能器23，潜剖系统用于实现对海底地质潜剖面结构的探测和成图；测深侧扫换能器23用于实现对地形地貌的探测和成图。具体地，各分系统和组件均通过螺钉与主框架39固定连接。
如图1所示，本发明的实施例中，推进系统包括垂直槽道推进器26、艏侧向推进器4、艉侧向推进器14、艉部主推进器16、可旋转舵板15和固定翼板13，其中艏侧向推进器4和艉侧向推进器14沿侧向分别设置于ARV主体的艏部和尾部；垂直槽道推进器26沿竖直方向设置于ARV主体的艏部；可旋转舵板15设置于ARV主体尾部两侧，各可旋转舵板15上设置有艉部主推进器16；固定翼板13设置于ARV主体后端的顶部。
本发明的实施例中，通信与导航系统包括频闪灯5、应急舱6、无线电7、网桥8、铱星9、声通系统、超短基线系统及DVL惯导集成体21；其中频闪灯5、应急舱6、无线电7、网桥8、铱星9和声通系统设置于ARV主体艏端的顶部；声通系统包括声通讯机换能器10和声通讯机电子舱；超短基线系统包括超短基线换能器12和超短基线电子舱，超短基线换能器12设置于ARV主体的尾端顶部；DVL惯导集成体21设置于ARV主体的尾端底部。
潜剖系统包括潜剖发射换能器25和潜剖接收板22，潜剖发射换能器25和潜剖接收板22均通过连接件安装于主框架39的底部。
避碰与观测系统包括航行高清相机2、航行大灯3、前视声呐19、下标清组件27、云台高清相机33、云台大灯31、绿激光30及深高度计20，其中航行高清相机2、航行大灯3和前视声呐19设置于ARV主体的艏部前端；云台高清相机33、云台大灯31及绿激光30设置于主框架39的前端上部；下标清组件27和深高度计20均设置于ARV主体的底部。利用DVL惯导集成体21和深高度计20可探测ARV下潜深度以及距离海底高度。
抛载系统包括上浮压载组件24和下潜压载组件28，上浮压载组件24和下潜压载组件28均包括电磁铁和压铁。
光纤团40通过连接件安装于主框架39的艉部，光纤团40的上方设有光纤剪切机构41，光纤剪切机构41用于切断光纤团40释放的光纤。
本发明的实施例中，换装组件包括一体舱门1、支撑腿18、采样篮35、Pushcore36、扩展平台46、可抛弃铅块45、电池38、变压器43、电源管理系统44、副机械手47及磁力仪48；当在ARV主体的前端设置一体舱门1，主框架39上设置用于提供电源的电池38时，实现航行探测模式，如图1所示；具体地，一体舱门1的艏部装有透明窗，透明窗与舱门骨架固定，ARV系统航行探测模式下，安装一体舱门1时，既可以减小航行阻力，也可以为云台高清相机33提供视野，搭配航行高清相机2，可多视角观测外部场景。
当拆掉一体舱门1，在ARV主体的底部安装支撑腿18，在采样平台42上搭载采样篮35和Pushcore36，或者在采样平台42上搭载扩展平台46和可抛弃铅块45，可抛弃铅块45的上部通过线绳绑定浮力球，机械手抓取浮力球可实现可抛球铅块45的抛掉，从而增加采样能力。搭载扩展平台46上搭载多个Pushcore36和采样篮35，实现ARV作业模式，如图3-4所示；在ARV作业模式的基础上，将电池38更换为变压器43和电源管理系统44，且变压器43连接母船光电缆，实现ROV作业模式，如图5-6所示；在ARV作业模式的基础上，在ARV主体的前端接口连接副机械手47，副机械手47与七功能电动机械手29协同作用，实现双机械手协同模式，如图7所示；在ARV主体的尾部设置磁力仪48，实现磁力探测模式，如图8所示。
本发明的实施例中，6000米级可地质探测的多模式ARV结构，外形尺寸长为4.1米，宽为1.72米，高为2米，总重2.2吨，可于6000米水深工作。可大范围航行探测，获取地质潜剖面结构和地形地貌，也可以局部采样作业，通过换装组件不同搭配，可以切换多种模式，大大提高作业采样能力，搭载扩展平台时，通过机械手抛掉可抛弃铅块，可进一步提高采样重量。艉部预留接口，可安装磁力仪48，进行水下磁力探测。光纤团40支持40km长度，通过连接件安装于艉部主框架39，可长距离、长时间支持ARV系统水下实时监测和作业。内部电子舱体为各设备硬件的封装主体，ARV系统包含多个内部电子舱体，均通过连接件安装于主框架39内。
本发明的工作原理：
6000米级可地质探测的多模式ARV结构在入水前，首先确定本潜次的模式，确定是否需要换装，是否通过光纤团40内的微细光纤通信，扩展舱37为各设备换装提供了电缆接口。
a)如航行探测模式，需要安装一体舱门1，且拆卸支撑腿18，无需搭载扩展平台46、副机械手47、磁力仪48、变压器43、电源管理系统44。该模式下，ARV航行阻力小，航行距离远，最大航速可达3节，航行过程中可实现对海底地形地貌的探测和对海底地质潜剖面结构的探测。
b)如兼顾航行探测和轻采样模式，需要拆卸一体舱门1，安装支撑腿18，搭载采样篮35和Pushcore36，无需搭载扩展平台46、副机械手47、磁力仪48、变压器43、电源管理系统44。该模式下，ARV既可以长距离航行探测，也可以对局部目标进行轻采样。
c)如利用自带电源进一步提升采样能力，需要拆卸一体舱门1，安装支撑腿18，搭载扩展平台46和可抛弃铅块45，可在扩展平台46上安装多个Pushcore36和大尺寸采样篮35。该模式无需母船供电，对母船设备和人员的需求小。采样时，通过机械手夹取可抛弃铅块45系固的浮力球，将可抛弃铅块45从底座提出、抛掉，可以实现采样重量的提升，在原有的采样能力的基础上，六个可抛弃铅块45可以另外提升30kg采样重量。
d)如采样ROV模式，在上述模式基础上，进一步更换电池38为变压器43和电源管理系统44，更换起吊钩11d接口，连接母船光电缆，利用母船供电，可实现长时间作业，无续航困扰。
e)如采用双机械手协同作业，在兼顾航行探测和轻采样模式基础上，可以将副机械手47安装在ARV艏部预留接口处，水下作业时，两个机械手协同配合，可大大提升取样过程的便利性。
确定工作模式并按照相应模式换装，通过水面检查后，即可通过配套的压坠器下水。ARV利用自重，无动力下潜，利用DVL惯导集成体21和深高度计20可探测ARV下潜深度以及距离海底高度，到达目标水深或目标高度后，下潜压载组件28抛掉下潜压铁，ARV中性浮力，通过推进系统，实现ARV在目标深度或高度的悬停、航行或者坐底。
航行高清相机2和云台高清相机33搭配航行大灯3，可实现对外部的实时观测，前视声呐19可实现ARV的避障功能，防止发生碰撞。云台32可在一定范围内带动云台大灯31、云台高清相机33、绿激光30转动，在七功能机械手29采样作业时，通过云台32的转动，可以多角度观测采样。绿激光30在ARV采样时，可以提供水下的尺寸参考。潜剖系统可实现对海底地质潜剖面结构的探测和成图，测深侧扫换能器23实现对地形地貌的探测和成图。通信与导航系统实现与母船之间的定位、通信以及对潜器的控制。
作业完成后，上浮压载组件24抛掉上浮压铁，ARV系统浮力大于重力，光纤剪切机构41剪断光纤团40释放的微细光纤，ARV系统开始无动力上浮。浮出水面后，应急舱6的一体铱星和自容铱星9同时工作，向母船发送ARV位置，频闪灯5灯亮，便于母船寻找。通过无线电天线7和网桥8可实现一定距离内对ARV系统的航行控制，将ARV系统靠近母船，人员回收ARV系统。
本实施例中，整个ARV系统通过换装、加装可拓展多种模式：原ARV系统具备轻采样能力，通过拆卸一体舱门，安装扩展平台可大大提升其采样能力(自带能源)；通过进一步拆卸电池，换装为变压器、电源管理系统，改变起吊钩接口，通过母船光电缆供电与通信，可变为ROV模式，具备强大采样能力的同时，不受能源限制，艏部可另外加装机械手，双手协同作业，提升采样能力，另外艉部可加装磁力仪模块，实现ARV模式下磁力数据的实时探测。
本发明提出的一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构，延续了传统ARV兼顾长距离航行探测和轻量定点作业的优点，另外实现了对海底浅地层剖面的探测的能力。通过换装组件的不同搭配安装，可以将ARV系统切换多种模式，灵活多变，包括航行探测模式、ARV作业模式、ROV作业模式、双机械手协同模式、磁力探测模式等，适应多种作业需求，可以大大提升采样和作业能力。
本发明实现对海洋地质、地貌的实时探测，使用模式多变，扩展能力强，最大工作水深为6000米，适应全球大部分海域深度，具备长距离的航行探测与长时间定点采样的能力。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，包括ARV主体及设置ARV主体上的换装组件；
换装组件通过不同组件的搭配安装，实现航行探测模式、ARV作业模式、ROV作业模式、双机械手协同模式及磁力探测模式的切换。
2.根据权利要求1所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述ARV主体包括主框架(39)和设置于主框架(39)外侧的浮力材(17)；主框架(39)内设有光纤团(40)和内部电子舱体，主框架(39)的前端设有采样平台(42)和七功能电动机械手(29)；
主框架(39)上还设有推进系统、避碰与观测系统、通信与导航系统及抛载系统，其中推进系统用于实现ARV系统六个自由度的运动；避碰与观测系统用于避障和观测；通信与导航系统用于通信和导航；抛载系统用于ARV主体的上浮或下潜；
主框架(39)的底部设有潜剖系统和测深侧扫换能器(23)，潜剖系统用于实现对海底地质潜剖面结构的探测和成图；测深侧扫换能器(23)用于实现对地形地貌的探测和成图。
3.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述换装组件包括一体舱门(1)、支撑腿(18)、采样篮(35)、Pushcore(36)、扩展平台(46)、可抛弃铅块(45)、电池(38)、变压器(43)、电源管理系统(44)、副机械手(47)及磁力仪(48)；
当在所述ARV主体的前端设置一体舱门(1)，主框架(39)上设置用于提供电源的电池(38)时，实现航行探测模式；
当拆掉一体舱门(1)，在所述ARV主体的底部安装支撑腿(18)，在采样平台(42)上搭载采样篮(35)和Pushcore(36)，或者在采样平台(42)上搭载扩展平台(46)和可抛弃铅块(45)，抛弃铅块(45)的上部通过线绳绑定浮力球；搭载扩展平台(46)上搭载多个Pushcore(36)和采样篮(35)，实现ARV作业模式；
在ARV作业模式的基础上，将电池(38)更换为变压器(43)和电源管理系统(44)，且变压器(43)连接母船光电缆，实现ROV作业模式；
在ARV作业模式的基础上，在所述ARV主体的前端接口连接副机械手(47)，副机械手(47)与七功能电动机械手(29)协同作用，实现双机械手协同模式；
在所述ARV主体的尾部设置磁力仪(48)，实现磁力探测模式。
4.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述推进系统包括垂直槽道推进器(26)、艏侧向推进器(4)、艉侧向推进器(14)、艉部主推进器(16)、可旋转舵板(15)和固定翼板(13)，其中艏侧向推进器(4)和艉侧向推进器(14)沿侧向分别设置于所述ARV主体的艏部和尾部；垂直槽道推进器(26)沿竖直方向设置于所述ARV主体的艏部；
可旋转舵板(15)设置于所述ARV主体尾部两侧，各可旋转舵板(15)上设置有艉部主推进器(16)；固定翼板(13)设置于所述ARV主体后端的顶部。
5.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述通信与导航系统包括频闪灯(5)、应急舱(6)、无线电(7)、网桥(8)、铱星(9)、声通系统、超短基线系统及DVL惯导集成体(21)；其中频闪灯(5)、应急舱(6)、无线电(7)、网桥(8)、铱星(9)和声通系统设置于所述ARV主体艏端的顶部；声通系统包括声通讯机换能器(10)和声通讯机电子舱；
超短基线系统包括超短基线换能器(12)和超短基线电子舱，超短基线换能器(12)设置于所述ARV主体的尾端顶部；
DVL惯导集成体(21)设置于所述ARV主体的尾端底部。
6.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述潜剖系统包括潜剖发射换能器(25)和潜剖接收板(22)，潜剖发射换能器(25)和潜剖接收板(22)均通过连接件安装于所述主框架(39)的底部。
7.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述避碰与观测系统包括航行高清相机(2)、航行大灯(3)、前视声呐(19)、下标清组件(27)、云台高清相机(33)、云台大灯(31)、绿激光(30)及深高度计(20)，其中航行高清相机(2)、航行大灯(3)和前视声呐(19)设置于所述ARV主体的艏部前端；云台高清相机(33)、云台大灯(31)及绿激光(30)设置于所述主框架(39)的前端上部；
下标清组件(27)和深高度计(20)均设置于所述ARV主体的底部。
8.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述抛载系统包括上浮压载组件(24)和下潜压载组件(28)，上浮压载组件(24)和下潜压载组件(28)均包括电磁铁和压铁。
9.根据权利要求2所述的6000米级可地质探测的多模式ARV结构，其特征在于，所述光纤团(40)通过连接件安装于主框架(39)的艉部，所述光纤团(40)的上方设有光纤剪切机构(41)，光纤剪切机构(41)用于切断所述光纤团(40)释放的光纤。
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2022
- 2022-07-04 CN CN202210780443.1A patent/CN115107966A/zh active Pending
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