一种自主采水作业的全海深智能采水系统及方法技术方案

本发明专利技术属于深水采集技术领域，公开了一种自主采水作业的全海深智能采水系统及方法，系统连续测量海水的温度、盐度、深度信息；用户通过释放器的声学测量采水系统下潜至深度超过之前设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得系统停止下潜并上浮；采水系统上浮过程中，智能控制系统根据传感器测量的系统自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，采集设定深度处的水样，直至所有采水作业完成。本发明专利技术从浅水到11000米均可进行采水作业；用户设定好参数后，采水作业自主智能进行；采水系统作业过程与科考船完全脱离，不依赖科考船的缆绳，科考船可并行开展别的作业。

A Deep-sea Intelligent Water Extraction System and Method for Autonomous Water Extraction

The invention belongs to the field of deep water acquisition technology, and discloses an all-sea intelligent deep water mining system and method for autonomous water mining operation, which continuously measures the temperature, salinity and depth information of sea water; after the user submerges to the maximum water mining depth set before by the acoustic measuring water mining system of releaser, he sends a load-throwing order to stop the system from submerging and floating; In the process of system floatation, the intelligent control system automatically triggers the closure of the water bottle according to the depth data of the system measured by the sensor, and collects the water samples at the set depth until all the water extraction operations are completed. The invention can carry out water extraction operation from shallow water to 11000 meters; after the user sets parameters, the water extraction operation can be carried out autonomously and intelligently; the operation process of the water extraction system is completely separated from the scientific research vessel, and does not rely on the cable of the scientific research vessel, so the scientific research vessel can carry out other operations in parallel.

【技术实现步骤摘要】
一种自主采水作业的全海深智能采水系统及方法
本专利技术属于深水采集
，尤其涉及一种自主采水作业的全海深智能采水系统及方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：海洋科考中需要对不同深度的海水样品进行采集，目前广泛使用的采水系统是基于船载绞车与缆绳的CTD采水器。这种采水器的作业流程为：通过绞车将采水器下放，通过放缆长度和电缆(或者光电复合缆)传回的CTD数据判断采水器到达的水下深度，当采水器到达采水深度后发送采水命令，触发采水机构关闭采水瓶。目前CTD采水器通常配备有8个甚至更多的采水瓶，可以实现一次布放中采集整个剖面的多个不同深度处的水样。但是现有的CTD采水器需要依赖于船上配备的绞车，CTD采水器的最大采水深度往往受限制于科考船绞车的缆绳长度与起吊能力，而现有的科考船只有非常少数配备了全海深(全海深深度约11000米)绞车，这就使得绝大部分现有的CTD采水器无法完成全海深采水作业。此外CTD采水器作业过程中还需要母船配合调整船位，保持坐标基本不变的情况下随海流方向调整船身，以防止缆绳绞入船舶的螺旋桨等部件。除了专用的CTD采水器，近年来科学家也将采水瓶安装至着陆器、无人潜水器、载人潜水器等海洋航行平台上进行采水作业，但是大都受到平台的能力限制，通常不能对剖面的不同深度采水而只能在完成近海底的一次性采水；而且采水量很多时候也不能满足科考需求；更重要的是这些深海航行平台大都造价昂贵、作业布放回收难度大、作业成本高、采水效率不高，从而带来采水成本居高不下。而随着国家深海科学的发展，海洋生物学、生态学等学科的研究需要大量(几十升至上百升)全海深水样，而且需要整个剖面不同深度的水样，而受到科考船绞车与缆绳的限制，目前市场上尚没有经济高效的全海深采水专用设备。综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有的科考船只有非常少数配备了全海深(全海深深度约11000米)绞车，这就使得绝大部分现有的CTD采水器无法完成全海深采水作业。此外CTD采水器作业过程中还需要母船配合调整船位，保持坐标基本不变的情况下随海流方向调整船身，以防止缆绳绞入船舶的螺旋桨等部件。(2)现有技术中着陆器、无人潜水器、载人潜水器等海洋航行平台大都受到平台的能力限制，通常不能对剖面的不同深度采水而只能在完成近海底的一次性采水；而且采水量很多时候也不能满足科考需求；(3)现有技术中，深海航行平台大都造价昂贵、作业布放回收难度大、作业成本高、采水效率不高，带来采水成本居高不下。解决上述技术问题的难度和意义：要突破现有采水技术操作困难、作业成本高昂的问题，需要一种专用的采水工具，脱离科考船绞车与缆绳的束缚，自主上浮下潜并完成采水作业。这样的采水系统研制面临几个困难：(1)耐受11000米海水压力的采水执行器要求该执行器既能够耐受11000米海水的巨大压力，同时还能正常执行采水瓶的拔销动作，而且体积和重量要越轻越好。目前进口的系缆CTD采水器的采水执行器采用耐压罐内置电磁铁作为执行器，具有可靠性不高、能耗高、耐压能力与磁力强弱存在矛盾、重量和体积较大的缺点。另一种常用执行器是水下电机，具有执行可靠的优点，但是存在着结构复杂、价格高昂、重量体积较大、电机驱动与控制模块复杂等缺点。本采水系统采用了一种基于智能材料的新型采水执行器，具有结构简单、易于驱动、体积小、重量轻等特点，为本采水系统的研制奠定了基础。(2)自主控制系统控制系统由耐压11000米的钛合金耐压壳、水密接插件、电源、控制板卡和软件系统组成。本采水系统的自主控制系统采用低功耗微星单片机作为控制芯片，带有电源管理系统的30A大电流锂电池作为能源，SD卡作为数据存储。控制软件采用面向对象的结构化编程框架，便于后期维护升级；软件提供了用户参数设定和数据下载接口，同时提供了调试命令给系统管理人员进行维护。(3)采水系统总体设计根据采水功能的需求开展整个采水系统的设计，在满足功能需求的前提下，综合考虑声学通信、水面定位通信、抛载可靠性、框架结构安全性、耐压结构强度、电控系统硬件软件等多个学科平衡设计，得到满足各个状态下功能要求，同时重量和体积最优的总布置设计。系统满足在起吊、甲板固定、水中上浮下潜、水面漂浮等多工况下的稳性。而且要结合实测的11000米整个剖面的海水密度实测曲线进行，系统在带着抛载下潜至最深点和抛载上浮至水面的各个工况下的配，保证系统具有足够的重力能下潜至最深点，也有足够的浮力上浮至水面。本采水系统克服了这些难点，投入使用后将极大地提高采水作业的效率，降低海洋科考采水的成本与作业难度。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种自主采水作业的全海深智能采水系统及方法。本专利技术是这样实现的，一种自主采水作业的全海深智能采水方法，包括：采水系统通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水系统的实时深度数据；用户通过释放器的声学测距功能测量采水系统上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水系统的上浮下潜速度近似获得采水系统当前的下潜深度；采水系统下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得系统停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；采水系统自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水系统发送抛载命令使得采水系统开始上浮；或者采水系统释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水系统自动抛载开始上浮；采水系统上浮过程中，智能控制系统根据CTD传感器测量的系统自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。进一步，系统连续测量海水的温度、盐度、深度信息前，需进行：安装系统压载、水面定位系统开机、释放系统开机、电控系统开机，检查系统，准备布放；用户通过软件设定系统各个采水瓶的取样深度和系统布放处的纬度信息。进一步，采水作业完成后，还需进行：系统上浮至水面、水面定位通信信标通过GPS或者北斗定位系统的坐标并通过卫星通信将坐标发送给科考船，利用频闪灯和旗标在水面上进行搜寻；按照坐标、灯信号和旗标找到系统，进行起吊回收；系统吊起并停至甲板后，进行各个采水瓶水样的转移与储存，对系统进行冲水、充电、检查，为下一次布放做准备。本专利技术的另一目的在于提供一种全海深智能采水计算机程序，所述全海深智能采水计算机程序运行所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。本专利技术的另一目的在于提供一种终端，所述终端至少搭载实现所述自主采水作业的全海深智能采水方法的控制器。本专利技术的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。本专利技术的另一目的在于提供一种自主采水作业的全海深智能采水系统包括：采水系统，用于上浮到达用户设定的深度处自动触发进行相应深度处的采水作业；水面定位通信系统，用于采水系统上浮至水面后将自身坐标通过卫星、灯光、无线电进行报告，并用于进行搜寻和回收。进一步，所述自主采水作业的全海深智能采水系统进一步包括：基础平台，用于搭载相关设备，包括框架、起吊布放系统、设备安装平台和附件本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水方法包括：采水系统通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水系统的实时深度数据；用户通过释放器的声学测距功能测量采水系统上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水系统的上浮下潜速度近似获得采水系统当前的下潜深度；采水系统下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得系统停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；采水系统自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水系统发送抛载命令使得采水系统开始上浮；或者采水系统释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水系统自动抛载开始上浮；采水系统上浮过程中，智能控制系统根据CTD传感器测量的系统自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。

【技术特征摘要】
1.一种自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水方法包括：采水系统通过CTD传感器连续测量海水的温度、电导率、压力信息并对CTD传感器的数据进行实时处理，剔除CTD传感器数据中的异常值并根据用户输入的布放位置GPS纬度数据换算得到采水系统的实时深度数据；用户通过释放器的声学测距功能测量采水系统上的声学信标与科考船上放入水中的声学信标之间的实时斜距，结合采水系统的上浮下潜速度近似获得采水系统当前的下潜深度；采水系统下潜至深度超过设定的最大采水深度后，发送抛载命令使得系统停止下潜并上浮；或者布放后，科考船离开，进行其他科考作业；采水系统自动下潜到达并着陆在海底，用户完成其他作业后返回布放点，向采水系统发送抛载命令使得采水系统开始上浮；或者采水系统释放内部事先设定的定时抛载计时器时间结束，采水系统自动抛载开始上浮；采水系统上浮过程中，智能控制系统根据CTD传感器测量的系统自身深度数据，当判断到达各个采水瓶的预先设定采水深度时，自动触发相应的采水瓶关闭，直至所有采水作业完成。2.如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，系统连续测量海水的温度、盐度、深度信息前，需进行：安装系统压载、水面定位系统开机、释放系统开机、电控系统开机，检查系统，准备布放；用户通过软件设定系统各个采水瓶的取样深度和系统布放处的纬度信息。3.如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法，其特征在于，采水作业完成后，还需进行：系统上浮至水面、水面定位通信信标通过GPS或者北斗定位系统的坐标并通过卫星通信将坐标发送给科考船，利用频闪灯和旗标在水面上进行搜寻；按照坐标、灯信号和旗标找到系统，进行起吊回收；系统吊起并停至甲板后，进行各个采水瓶水样的转移与储存，对系统进行冲水、充电、检查，为下一次布放做准备。4.一种全海深智能采水计算机程序，其特征在于，所述全海深智能采水计算机程序运行权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。5.一种终端，其特征在于，所述终端至少搭载实现权利要求1所述自主采水作业的全海深智能采水方法的控制器。6.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1所述的自主采水作业的全海深智能采水方法。7.一种实现权利要求1所述自主采水作业的全海深智能采水方法的自主采水作业的全海深智能采水系统，其特征在于，所述自主采水作业的全海深智能采水系统包括：采水系统，用于上浮到达用户设定的深度处自动触发进行相应深度处的采水作业；水面定位通信系统，用于采水系...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘彬彬，郭健，张舜，胡胜兵，茆忠俊，
申请(专利权)人：上海海洋大学，
类型：发明
国别省市：上海,31