可装载AUV适用于南极和外星球冰下水域探测的穿冰探测器

可装载auv适用于南极和外星球冰下水域探测的穿冰探测器
技术领域
1.本发明属于穿冰探测器技术领域，具体涉及一种可装载auv适用于南极和外星球冰下水域探测的穿冰探测器。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。该方案需要对探测传感器舱和热融钻头两个模块同时进行偏心旋转，由于钻头一般比较重，加上探测传感器舱后重量更重，导致对转动关节的支撑强度和转动力矩的要求比较高。另外，该方案除了需要释放auv外，还需要单独的传感器布放机构实现导航通信用的传感器组的布放，增加了结构复杂度，同时增加了布放的工作流程。


技术实现要素：

5.针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种可装载auv适用于南极和外星球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，避免旋转探测传感器舱和热融钻头
两个模块的组合，同时减少布放动作所需的机构数量，并简化布放工作流程。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。
6.本发明采用的技术方案是：
7.可装载auv适用于南极和外星球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、用于装载auv的auv收纳舱，所述auv收纳舱的端部偏心转动连接有用于加热冰层进行热融钻进的热融钻头；
8.所述auv收纳舱内安装有auv收放绞车系统，所述auv收放绞车系统的电缆端部连接有提升和对接系统，所述提升和对接系统包括限位圆盘，所述限位圆盘的上端面固定有电缆连接器，所述限位圆盘的下端面安装有传感器组，所述限位圆盘的下端面还安装有可在水平位和竖直位之间转动的连接杆，所述连接杆的端部设有用于与auv对接的对接头，所述对接头上设有将auv锁定在连接杆上的auv锁定机构，所述限位圆盘与auv收纳舱之间设有确保auv在auv收纳舱内移动过程中定位并保护auv的移动导向结构；
9.所述auv沿着auv收纳舱轴向装载在auv收纳舱内，所述auv的头部设置有用于与对接头对接的对接口，所述对接口的内部顶部安装有用于引导auv靠近穿冰探测器的第一usbl。
10.进一步，所述对接头为一锥形对接头，其圆台体的外壁布置有第一环形线圈和第一铁芯，所述对接口是一内凹圆台，所述内凹圆台的壁内布置有第二环形线圈和第二铁芯，所述第一环形线圈与第二环形线圈在对接时通电产生磁场，在电磁力的作用下相吸合，辅助引导auv对接。
11.进一步，所述auv的尾部安装有用于实现在空间上常规的运动和操控的尾部矢量推进器，所述auv前部设置有用于与声信标配合识别穿冰探测器的大致方位的声纳。
12.进一步，所述auv收纳舱与热融钻头之间通过热融钻头旋转电机转动连接，所述热融钻头旋转电机固定在auv收纳舱舱壁上，其转轴位于横截圆面偏心的位置，所述热融钻头旋转电机的转轴通过联轴器与热融钻头相连驱动热融钻头进行偏心旋转。
13.进一步，所述auv收放绞车系统包括绞车座，所述绞车座上固定有绞车驱动电机和支撑座，所述支撑座上转动连接有用于释放和收纳电缆的卷筒，所述卷筒通过联轴器与驱动其转动的绞车驱动电机连接；所述绞车座中心有一电缆通孔，所述电缆端部穿过电缆通孔后与提升和对接系统连接。
14.进一步，所述传感器组包括用于auv距探测器几千米范围内的回坞导航和通信的第二usbl、用于在更远距离范围内为auv提供大致的方位信息的声信标、用于测量水体的温度、电导率和深度的ctd，所述第二usbl和声信标通过垫高其安装高度的安装块固定连接在限位圆盘上，所述ctd固定连接在限位圆盘上。
15.进一步，所述连接杆与带动其转动的auv旋转电机连接，所述auv旋转电机固定在限位圆盘上。
16.进一步，所述移动导向结构包括若干根提升导向轨和若干个导向孔座，所述提升导向轨设置在auv收纳舱的内壁上，所述导向孔座设置在限位圆盘的上端面，所述限位圆盘设置导向孔座的位置开设有导向孔，所述导向孔座与提升导向轨一一对应并形成移动副。
17.进一步，所述auv进行布放的具体步骤如下：
18.(1)穿冰探测器的冰锚动作，将穿冰探测器固定在冰孔内；
19.(2)auv收纳舱的热融钻头旋转电机工作，将热融钻头顺时针旋转180
°
，为绞车工作放下auv让出下放通道；
20.(3)auv收放绞车系统中的绞车驱动电机工作，释放电缆，限位圆盘和连接其上的所有部件在自重作用下，结合提升导向轨的导引作用，平稳下放，为auv旋转电机工作旋转auv做准备；限位圆盘到位后，第二usbl、ctd、声信标也一并布放到位，此时第二usbl和声信标位于比热融钻头更前端的位置；
21.(4)auv旋转电机工作，逆时针旋转90
°
，将auv从竖直状态旋转至水平状态；
22.(5)auv锁定机构解锁，auv的尾部矢量推进器工作，auv驶离穿冰探测器开始冰下水域的探测。
23.进一步，所述auv的回坞对接和回收的具体步骤如下：
24.(1)auv通过寻找穿冰探测器的声信标信号进入到第二usbl的作用范围，然后在usbl信号的导航下，航行至对接头附近；
25.(2)对接头和auv的对接口处的线圈通电，两者在电磁力的作用下相互吸引最后吸合，吸合后auv锁定机构工作，锁住auv，而后auv上第二环形线圈断电，对接头的第一环形线圈通交流电，利用电磁耦合原理，穿冰探测器通过耦合线圈向auv传输电能，依靠内置的无限传输模块进行数据通信；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)。
26.(3)auv旋转电机工作，顺时针旋转90
°
，将auv从水平状态旋转至竖直状态；
27.(4)auv收放绞车系统中的绞车驱动电机工作，提拉电缆，限位圆盘和连接其上的所有部件在电缆拉力作用下，结合提升导向轨的导引作用，平稳上行，限位圆盘到位后，第二usbl、ctd、声信标随着auv一起回收到位；
28.(5)auv收纳舱的热融钻头旋转电机工作，将热融钻头逆时针旋转180
°
，热融钻头回到初始位置，穿冰探测器释放冰锚，做好了回收返回冰面的准备。
29.本发明的有益效果：
30.1、本发明在释放和回收auv时，只需要单独旋转热融钻头为auv让出通道，不需要旋转探测传感器舱和热融钻头两个模块的组合，减少了对转动关节支撑强度和转动力矩的要求。
31.2、本发明在放下auv的同时即可完成导航定位和通信用传感器的布置，无需对传感器布放环节单独设置机构，减少了布放动作所需的机构数量，同时减化了布放工作流程，降低了系统机构的复杂程度，一定程度上提升了系统可靠性。
32.3、带有通电线圈和铁芯的锥形对接口设计，线圈通电产生电磁力并利用锥形的导向作用让auv和穿冰探测器在电磁力的作用下自行对正，而后auv锁定机构锁定auv。此设计相对传统对接方式，结构更为简单。在对接完成后还可利用电磁耦合原理，穿冰探测器通过线圈向auv传输电能，无需另设充电装置。
33.4、采用绞车和导轨的布放方式，布放机构简单、可靠。
附图说明
34.图1是本发明的auv的立体结构示意图。
35.图2是本发明的auv的主视结构示意图。
36.图3是本发明的auv的剖视结构示意图。
37.图4是本发明的立体结构示意图。
38.图5是本发明的侧视结构示意图。
39.图6是本发明的剖视结构示意图。
40.图7是本发明的展开后剖视结构示意图。
41.图8是本发明的auv收纳绞车系统的结构示意图。
42.图9是本发明的提升和对接系统的立体结构示意图。
43.图10是本发明的提升和对接系统的主视结构示意图。
44.图11是本发明的提升和对接系统的侧视结构示意图。
45.图12是本发明的auv的布放和回收流程示意图。
具体实施方式
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.相关术语
51.auv：自主水下航行器(autonomous underwater vehicle,auv)
52.usbl：超短基线定位(ultrashort baseline,usbl)
53.ctd：温盐深仪(conductivity,temperature,depth recorder,ctd)
54.本实施例提供了一种可装载auv适用于南极和外星球冰下水域探测的穿冰探测器，由穿冰探测器1和它所携带的auv2组成。
55.如图1-3所示，本实施例所述auv2的尾部设有一尾部矢量推进器21，在该矢量推进器21的作用下，auv2可实现在空间上常规的运动和操控。auv2的头部设有一对接口22，所述对接口22外形为一内凹圆台，圆台顶部布置有第一usbl24，用于引导auv2靠近穿冰探测器1，圆台的锥度设计得正好不影响usbl的视场角为宜；圆台内部布置有第二环形线圈和第二铁芯23，第二环形线圈线圈在通电时产生磁场，在电磁力的作用下可与穿冰探测器的对接和提升系统17上的第一环形线圈和第一铁芯相吸合，辅助auv2对接。auv2前部还配有一声纳25，用于在远距离时检测穿冰探测器1上声信标15发出的声波信号，从而识别穿冰探测器1的大致方位。
56.如图4-6所示，本实施例所述穿冰探测器1由轴向依次相连的冰锚11、尾舱12、auv收纳舱13和热融钻头10四个部分组成。其中，冰锚11用于将穿冰探测器固定在冰洞中；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；auv收纳舱13内设有auv收放绞车系统14、提升和对接系统17、热融钻头旋转电机19；热融钻头10，用于加热冰层进行热融钻进。冰锚11、尾舱12、auv收纳舱13之间为固定连接。auv收纳舱13与热融钻头10之间通过热融钻头旋转电机19转动连接，所述热融钻头旋转电机19固定在auv收纳舱13舱壁上，其转轴位于横截圆面偏心的位置，所述热融钻头旋转电机19的转轴通过联轴器与热融钻头10相连驱动热融钻头10进行偏心旋转。所述auv2沿着auv收纳舱13轴向装载在auv收纳舱13内。图7是本发明完全展开后的结构示意图。
57.如图8所示，本实施例所述auv收放绞车系统14的电缆端部连接有提升和对接系统17，通过电缆释放或提升提升和对接系统17。所述auv收放绞车系统14包括绞车座141，所述绞车座141上固定有绞车驱动电机145和支撑座144，所述支撑座144上转动连接有用于释放和收纳电缆的卷筒143，所述卷筒143通过联轴器与驱动其转动的绞车驱动电机145连接；所述绞车座141中心有一电缆通孔142，所述电缆端部穿过电缆通孔142后与提升和对接系统17连接。绞车驱动电机145驱动卷筒143转动，实现电缆的收放，进而实现auv的布放与回收。
58.如图9-11所示，本实施例所述提升和对接系统17包括限位圆盘171，所述限位圆盘171的上端面固定有电缆连接器172，所述限位圆盘171的下端面安装有传感器组，所述限位圆盘171的下端面还安装有可在水平位和竖直位之间转动的连接杆176，所述连接杆176与带动其转动的auv旋转电机175连接，所述auv旋转电机175固定在限位圆盘171上；所述连接杆176的端部设有用于与auv2对接的对接头177，所述对接头177为一锥形对接头，其圆台体的外壁布置有第一环形线圈和第一铁芯，所述对接头177上设有将auv2锁定在连接杆上的auv锁定机构178，所述限位圆盘171与auv收纳舱13之间设有确保auv2在auv收纳舱13内移动过程中定位并保护auv2的移动导向结构，所述移动导向结构包括若干根提升导向轨18和若干个导向孔座173，所述提升导向轨18设置在auv收纳舱13的内壁上，所述导向孔座173设置在限位圆盘171的上端面，所述限位圆盘171设置导向孔座173的位置开设有导向孔，所述导向孔座173与提升导向轨18一一对应并形成移动副。所述传感器组包括用于auv2距探测器几千米范围内的回坞导航和通信的第二usbl16、用于在更远距离范围内为auv2提供大致的方位信息的声信标15、用于测量水体的温度、电导率和深度的ctd20。具体的，从上往下分别有：从auv收放绞车系统14延伸下来的电缆146，带动提升和对接系统17在auv收纳舱13内
移动，实现auv2的布放和回收的同时为auv2和传感器组提供电能和数据传输通路；电缆连接器172，其与电缆146相连，用于实现电缆146和提升和对接系统17中所有用电设备的电气连接，同时还兼具承重作用，是电缆146带动提升和对接系统17移动的受力点；限位圆盘171，其与电缆连接器172固定连接，圆盘上方开有导向孔，圆盘下方放置有各类传感器；导向孔座173，固定在限位圆盘171上，其与auv收纳舱13内的提升导向轨18形成移动副，确保auv2在auv收纳舱13内的位置正确，在收纳、布放、回收过程中不与舱壁发生刮擦和碰撞，确保设备安全；ctd20，其与限位圆盘171之间采用螺栓连接成为一体，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，可为科学家提供水体的相关信息，为后续开展更大规模科学考察提供数据支持，同时还可用于校准声波在该水体中的传播速度，提高声学传感器在该水体中的探测精度；安装块174，用于垫高和安装传感器，其与限位圆盘171间采用螺栓连接成为一体；第二usbl16，其与安装块采用螺栓连接，可用于auv距探测器几千米范围内的回坞导航和通信；声信标，其与安装块174采用螺栓连接，可在更远距离范围上为auv2提供大致方位信息，因声信标15声波频率更低，即使声信标15被usbl遮挡住少部分，该遮挡影响可忽略不计；auv旋转电机175，其通过螺栓固定在限位圆盘171上；连接杆176，其一端与auv旋转电机175的转轴间形成转动连接，在auv旋转电机175的驱动下，可绕转轴旋转，另一端与锥形对接头通过螺栓连接；锥形对接头，其外形为一圆台体，对接头上设有auv锁定结构178，对接头177内有第一环形线圈和第一铁芯，用于辅助对接和向auv充电，所述第一环形线圈与第二环形线圈在对接时通电产生磁场，在电磁力的作用下相吸合，辅助引导auv对接，在第一环形线圈通交流电且第二环形线圈断电后，可通过电磁耦合向auv2充电。
59.穿冰探测器1到达冰下水体后，其布放auv2并开始工作的流程如图12所示，主要步骤如下：
60.(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；
61.(2)auv收纳舱13的热融钻头旋转电机19工作，将热融钻头10顺时针旋转180
°
，为绞车工作放下auv2让出下放通道。
62.(3)auv收放绞车系统14中的绞车驱动电机145工作，释放电缆146，限位圆盘171和连接其上的所有部件在自重作用下，结合提升导向轨18的导引作用，平稳下放，为auv旋转电机175工作旋转auv做准备。限位圆盘171到位后，第二usbl16、ctd20、声信标15也一并布放到位，此时第二usbl16和声信标15位于比热融钻头更前端的位置。
63.(4)auv旋转电机175工作，逆时针旋转90
°
，将auv2从竖直状态旋转至水平状态。
64.(5)auv锁定机构178解锁，auv2的尾部矢量推进器21工作，auv2驶离穿冰探测器1开始冰下水域的探测。
65.auv2的回坞对接和回收流程为上述布放流程的逆过程，仅对接略有不同，参见图12，对接流程具体如下：
66.(1)auv2通过寻找穿冰探测器1的声信标15信号进入到第二usbl16的作用范围，然后在usbl信号的导航下，航行至穿冰探测器2对接口附近。
67.(2)对接头177和auv2的对接口22处的线圈通电，两者在电磁力的作用下相互吸引最后吸合。吸合后auv锁定机构178工作，锁住auv2，而后auv2上第二环形线圈断电，第一环形线圈通交流电，利用电磁耦合原理，穿冰探测器1通过耦合线圈向auv2传输电能，依靠内
置的无限传输模块进行数据通信。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)。
68.(3)auv旋转电机175工作，顺时针旋转90
°
，将auv2从水平状态旋转至竖直状态。
69.(4)auv收放绞车系统14中的绞车驱动电机145工作，提拉电缆146，限位圆盘171和连接其上的所有部件在电缆拉力作用下，结合提升导向轨19的导引作用，平稳上行。限位圆盘171到位后，第二usbl16、ctd20、声信标15随着auv2一起回收到位。
70.(5)auv收纳舱13的热融钻头旋转电机19工作，将热融钻头14逆时针旋转180
°
，热融钻头14回到初始位置。穿冰探测器1释放冰锚11，做好了回收返回冰面的准备。
71.本发明在释放和回收auv时，只需要单独旋转热融钻头为auv让出通道，不需要旋转探测传感器舱和热融钻头两个模块的组合，减少了对转动关节支撑强度和转动力矩的要求。本发明在放下auv的同时即可完成导航定位和通信用传感器的布置，无需对传感器布放环节单独设置机构，减少了布放动作所需的机构数量，同时减化了布放工作流程，降低了系统机构的复杂程度，一定程度上提升了系统可靠性。带有通电线圈和铁芯的锥形对接口设计，线圈通电产生电磁力并利用锥形的导向作用让auv和穿冰探测器在电磁力的作用下自行对正，而后auv锁定机构锁定auv。此设计相对传统对接方式，结构更为简单。在对接完成后还可利用电磁耦合原理，穿冰探测器通过线圈向auv传输电能，无需另设充电装置。采用绞车和导轨的布放方式，布放机构简单、可靠。