全海深AUV自主采样作业方法与流程

本发明涉及的是一种全海深auv采样作业方法，特别是一种在深远海、半双工条件下，利用与母船之间的水声通信完成自主采样作业的方法。

背景技术：

水下采样作业中，应用arv可以通过光缆实时传递水下的环境信息，由母船上的工作人员对采样过程进行精确控制，应用hov则可以直接由潜水器的驾驶员对机械手进行操控，完成采样。专利申请号201410382799.5、名称为一种水下机器人平台的专利文件中，采用can线缆与水下机器人连接，以通过can线缆接收运动及任务指令，can线缆在水下机器人的拖曳下运动，获取水下机器人的定位信息和通讯信息。其中的水样采集设备通过标准化接口与水下机器人通信，采集并记录水样信息。

上述水下机器人平台通过线缆传递指令，虽然通信高速可靠，但是线缆同时限制了水下机器人的作业范围，对机动能力产生了较大影响。进一步讲，这种采样作业方式，其控制方式一般通过有缆或载人设备进行操控，缺点在于采样设备活动范围小、作业距离短、附带缆过长、人员安全风险高，而auv则不会出现这样的问题。

相比于arv和hov，auv具有作业范围广、机动性强和对母船依赖小的优势，全海深auv可先期对深渊区域抵近海底考察、探明未知海底环境以及确定作业区域。通过自主采样，为arv或hov在深渊区域精细作业提供第一手环境资料。

目前全海深探测资料相对有限，很难利用现有环境数据对auv的自主采样作业进行机器学习；此外，有限的环境资料造成的环境未知性，auv抵近海底作业会产生坐底的危险，对采样的安全性产生威胁，影响其任务成功率。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种作业效率和作业水平高，安全性好的全海深auv自主采样作业方法。

本发明的目的是这样实现的：

全海深auv作业系统包括了高速水声通信系统、全海深采样系统、导航与推进系统；所述的高速水声通信系统包括了auv侧发射接收机和母船侧发射接收机；所述的全海深采样系统包括了摄像机、led灯、水体采样器、沉积物取样装置、收放缆车和第一工控机；所述的导航与推进系统包括深海导航设备、纵向推进器、垂向推进器和第二工控机。

全海深auv自主采样作业方法主要包括如下步骤：

步骤1，母船搭载全海深auv到达预定下潜海域；

步骤2，母船布放水声信标，用于为全海深auv提供定位信息；

步骤3，母船布放全海深auv，全海深auv在第一压载的作用下，无动力下潜；

步骤4，全海深auv下潜至距离海底一定高度，抛离第一压载，利用垂直推进器辅助定高，全海深auv逐渐下潜至距海底预定高度；

步骤5，全海深auv上的深海导航设备依据步骤2中布放的水声信标信息完成初始定位；

步骤6，全海深auv利用水体采样器对水体进行采样；

步骤7，全海深采样系统利用摄像机与led灯配合，拍摄海底环境图像，通过auv侧发射接收机向母船上行通信，传送图像信息，母船通过上传的图像信息，判断是否对沉积物进行取样，同时利用母船侧发射接收机向全海深auv下行通信传送控制指令：若不进行采样，转入步骤8，进行采样转入步骤9；

步骤8，全海深auv利用水平推进器运动到下一采样点，返回进行步骤7；

步骤9，全海深auv利用纵向和垂向推进器定点悬停，收放缆车布放沉积物取样装置，沉积物取样装置对沉积物进行采样，第一工控机对采样过程进行监测，监测是否发生淤陷或脐带缆缠绕故障，若发生故障，转入步骤10，否则转入步骤11；

步骤10，沉积物取样装置出现故障，采样系统切断收放缆车缆绳，弃离沉积物取样装置，保证全海深auv自身安全，转入步骤12；

步骤11，沉积物取样装置未发生故障，收放缆车对沉积物取样装置正常进行回收，接下来进行步骤12；

步骤12，全海深auv抛离第二压载，达到正浮力状态上浮，上浮到水面后由母船完成回收。

本发明还可以包括：

在步骤1至步骤12的过程中，全海深auv对自身安全性进行监测，若出现系统电源耗尽、通信中断或关键部件故障危险情况，将主动抛离第二压载紧急上浮，保证全海深auv自身的安全。

所述的全海深采样系统中水体采样器具备隔离采样功能，采用可靠的端盖密封结构，确保样品不受污染；沉积物取样装置具备沉积物原位保持和自密封功能，保障样品的质和量。

所述的导航和推进系统为全海深auv提供定点悬停能力，以及在水下的大范围机动能力。

本发明针对传统采样方式作业范围较小，人员安全风险高，致使全海深auv进行自主采样作业存在困难的问题，提供一种全海深auv自主采样作业方法。

本发明的优点在于：

1、突破有缆和载人的束缚，借助高速水声双向通信实现自主采样作业过程的人工辅助决策，深水auv的作业效率和作业水平提高；

2、全海深auv与母船的通信可以实现图像上传，实现人工辅助采样。人工介入可提高采样成功率，并且在后续机器自主学习的过程中作为训练样本；

3、采样过程安全性提高。全海深采样系统可以完成定点悬停状态下对海底沉积物的采样，避免auv发生坐底，同时对采样过程进行监测，出现故障情况通过弃离沉积物取样装置的方式保证auv的安全。

附图说明

图1为本发明全海深auv作业系统结构示意图；

图2为全海深auv自主采样作业过程的流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合附图1，全全海深auv作业系统主要包括高速水声通信系统、全海深采样系统、导航与推进系统。

所述的高速水声通信系统包括了auv侧发射接收机1和母船侧发射接收机2；所述的全海深采样系统包括了摄像机3、led灯4、水体采样器5、沉积物取样装置6、收放缆车7和第一工控机8；所述的导航与推进系统包括深海导航设备9、纵向推进器10、垂向推进器11和第二工控机12。

基于高速水声通信的auv自主采样作业方法为：

步骤1，母船15搭载全海深auv到达预定下潜海域；

步骤2，母船15布放水声信标，为全海深auv提供定位信息；

步骤3，母船15布放全海深auv，全海深auv在第一压载13的作用下，无动力下潜；

步骤4，全海深auv下潜至距离海底一定高度，抛离第一压载13，利用垂直推进器11辅助定高，全海深auv逐渐下潜至距海底预定高度；

步骤5，全海深auv上的深海导航设备9依据步骤2中布放的水声信标信息完成初始定位；

步骤6，全海深auv利用水体采样器5对水体进行采样；

步骤7，全海深采样系统利用摄像机3与led灯4配合，只在led灯4照亮海底环境时，摄像机3启动快门拍摄海底环境图像，节约能源。再将拍摄好的图像数据通过auv侧发射接收机1向母船15上行通信，传送图像信息，母船15上的工作人员通过上传的图像信息，判断是否对沉积物进行取样，同时利用母船侧发射接收机2向auv下行通信传送控制指令：若不进行采样，转入步骤8，否则转入步骤9；

步骤8，全海深auv根据步骤5中通过深海导航设备9确立的初始位置信息，推算接下来准备进行采样的地点，而后利用水平推进器10，向目标采样点运动，这个过程中利用垂直推进器11保持auv的高度，直到下一采样点，返回执行步骤7；

步骤9，全海深auv利用纵向推进器10和垂向推进器11配合，实现定点悬停，收放缆车7布放沉积物取样装置6，沉积物取样装置6对沉积物进行采样，第一工控机8对采样过程进行监测，监测是否发生淤陷或脐带缆缠绕等故障，若发生故障，转入步骤10，否则转入步骤11；

步骤10，沉积物取样装置6出现故障，此时全海深auv不能自行运动，被束缚在海底沉积物中，为了避免auv接下来可能出现的例如坐底等危险情况，采样系统切断收放缆车7缆绳，弃离沉积物取样装置6，保证auv自身安全，转入步骤12；

步骤11，沉积物取样装置6未发生故障，待沉积物取样装置6的执行机构完成对沉积物的采样后，收放缆车7对沉积物取样装置6正常进行回收，接下来进行步骤12；

步骤12，全海深auv抛离第二压载14，auv达到正浮力状态，auv无动力上浮，上浮到水面后由母船15完成回收。

所述的全海深采样系统，其中水体采样器具备隔离采样功能，采用可靠的端盖密封结构，确保样品不受污染；沉积物取样装置具备沉积物原位保持和自密封功能，保障样品的质和量。

所述的导航和推进系统，为全海深auv提供定点悬停能力，以及在水下的大范围机动能力。