CN103448893B - 在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋环境监测水下平台技术领域，具体涉及一种水下垂直剖面测量平台。一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，其技术方案是，它包括：北斗卫星通信***（1）、CT传感器（2）、深度传感器（3）、拉杆（4）、头壳（5）、旋转式翼板机构（6）、中段耐压壳体（7）、液压驱动装置(8)、电池组(9)、控制电路板(10)、气压驱动装置(11)、尾壳(12)、接头体(13)、油气囊(14)、油囊护罩(15)；本发明能通过控制电路板控制旋转式翼板机构旋转，从而调节翼板与水流方向的夹角，实现平台自调节变航向的功能，同时采用北斗卫星通信***及根据翼板的调节过程可计算出水流的速度与方向，为其它探测设备提供海洋数据服务功能。

Description

在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台

技术领域

本发明属于海洋环境监测水下平台技术领域，具体涉及一种水下垂直剖面测量平台。

背景技术

海洋既是人类生存的基本空间，也是国际政治斗争的重要舞台，而海洋政治斗争的中心，是海洋权益。进入新世纪以来，海洋已成为国家利益拓展和安全空间延伸的一个重要战略领域。当前，来自海洋方向的多种安全威胁日益严重。我国在南海问题上存在着主权被侵犯、岛礁被侵占、海域被分割、资源遭掠夺、开发被阻挠、安全受威胁的严重局面，南海危机步步升级。为更好的对海洋环境进行探测和观察，收集海洋相关数据与资料，各类应用于海洋环境监测的水下平台相继研发成功并投入使用。目前海洋环境监测水下平台主要可分为二类，一是通过锚系装置将海洋环境水下监测平台固定在某一海域范围内，对海洋设定深度范围内各层面进行探测，但其监测范围有限；二是水下监测平台投放后，依据程序设定实现水面与水下设定深度范围内的自动沉浮运动（垂直剖面运动），在其下降与上升过程中采集相关海洋参数数据并存储在平台内部的存储卡中，当平台上浮到水面后，再通过北斗卫星通信***将采集到的海洋数据发送到岸站控制指挥中心，但其在上升、下降及水面通信过程中，因为海流及波浪的作用，其将随波逐流，不能控制自身的位置，在完成一个剖面沉浮运动后，其出水位置将不确定，带来的问题是：一是水下监测平台在完成多个剖面沉浮运动后，其出水位置可能位于浅海海域、他国海域或岸边，将导致水下平台有搁浅或被他国渔民打捞的危险，从而导致设备及海洋数据的外泄；二是海洋研究人员在不同海域投放的多套水下平台，经过一段时间的剖面沉浮运动后，有可能因为海流及浪的作用而使它们漂流到同一小范围海域内进行监测，这将导致不能实现海洋研究人员最初想监测多个不同海域海洋数据的目的，从而也就宣告试验失败。

为此，有必要研制一种自调节变航向实现自动沉浮，并在设定海域内进行海洋数据的采集，并定期将采集数据传输到岸站控制指挥中心的水下平台便显得十分重要。

发明内容

本发明的目的是，设计一种海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，达到在设定海域内进行海洋环境监测的功能。

本发明的技术方案是：一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，它包括：头壳，安装在头壳上的北斗卫星通信***、CT传感器以及深度传感器，拉杆，旋转式翼板机构，中段耐压壳体，安装在中段耐压壳体内的液压驱动装置、电池组、控制电路板、气压驱动装置、电机减速机、电机安装架以及传动杆，尾壳，接头体，油气囊，油囊护罩；

旋转式翼板机构包括：旋转圆柱、稳定盘以及翼板；旋转圆柱内部有半周为空心；中段耐压壳体内的电机减速机安装在电机安装架上，其输出轴通过传动杆与旋转圆柱的圆心处连接；稳定盘与翼板分别安装在旋转圆柱外圆周面的两侧；

旋转式翼板机构通过其旋转圆柱安装在头壳以及中段耐压壳体之间，在与头壳以及中段耐压壳体接触处各设一道O型密封圈；拉杆穿过旋转圆柱的空心区域，一端固定连接头壳，另一端固定连接电机安装架；

液压驱动装置包括：电机组合、丝杆、液压缸、导轨、活塞体及管路；丝杠与电机组合连接，头部并装有活塞体，活塞体在导轨内运动，将液压油通过管路从液压缸注入油气囊内，或将油气囊内的液压油吸入到液压缸内；

气压驱动装置包括：气泵、电磁阀、单向阀及气管；其中，电磁阀通过接头体与油气囊连接，气泵通过单向阀及气管向油气囊内充气，实现平台的上升；平台下沉时，打开电磁阀，油气囊的气体被压回到平台内部空间；

尾壳安装在中段耐压壳体的尾端，尾壳后安装有油气囊，油气囊外设有油囊护罩；

电池组为平台内的用电设备提供电力；

控制电路板对平台的自主沉浮功能、海洋监测功能、双向通信功能及在水面时的自调节变航向功能进行控制。

本发明的有益效果是：1.本发明能在程序设定的海域内进行垂直剖面测量，若平台浮出水面定位后，发现其位置超出了设定海域范围，可自动调整漂流方向航行回到设定海域重新进行剖面测量，并根据其漂流轨迹可计算出水流的速度与方向；

2.采用旋转式翼板机构来调整翼板与水流方向的夹角，从而能够改变平台的漂流方向，达到平台自调节变航向功能；

3.本发明水面漂流时，采用北斗卫星通信***间隔设定时间对平台进行定位，并绘制出平台漂流轨迹，程序根据平台的漂流轨迹及旋转式翼板机构调整的角度，实现对水流的速度与方向的计算。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中旋转式翼板机构的机构示意图；

图3为本发明中旋转圆柱的结构示意图；

其中，1-北斗卫星通信***、2-CT传感器、3-深度传感器、4-拉杆、5-头壳、6-旋转式翼板机构、7-中段耐压壳体、8-液压驱动装置、9-电池组9、10-控制电路板、11-气压驱动装置、12-尾壳，13-接头体，14-油气囊、15-油囊护罩、16-电机减速机、17-电机安装架18-传动杆、19-旋转圆柱、20-稳定盘20、21-翼板。

具体实施方式

参见附图1，一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，它包括：头壳5，安装在头壳5上的，旋转式翼板机构6，中段耐压壳体7，安装在中段耐压壳体7内的液压驱动装置8、电池组9、控制电路板10、气压驱动装置11、电机减速机16、电机安装架17以及传动杆18，尾壳12，接头体13，油气囊14以及油囊护罩15；

北斗卫星通信***1、CT传感器2、深度传感器3安装在头壳5上，并采用标准O形密封圈径向密封结构形式实现耐压密封，另外可根据海洋环境监测的需求在头壳5上安装不同类型的传感器，以实现不同的海洋探测目的；为实现海洋监测数据安全保密传输的要求，采用了国产北斗卫星通信及定位技术，其可以实现双向实时通信，确保平台在浮出水面后能接收到岸站控制指挥中心对其发送的控制指令，同时可向岸站控制指挥中心发送其采集的海洋参数数据；

旋转式翼板机构6包括：旋转圆柱19、稳定盘20以及翼板21；旋转圆柱19内部有半周为空心；中段耐压壳体7内的电机减速机16安装在电机安装架17上，其输出轴通过传动杆18与旋转圆柱19的圆心处连接；稳定盘20与翼板21分别安装在旋转圆柱19外圆周面的两侧；旋转圆柱19内部有半周为空心，其设计的目的主要有以下几个方面：一是确保旋转式翼板机构6的旋转部分可在±90度范围内旋转（以翼板21与水流流向平行时定义为O度），以调节翼板21与水流流向的夹角，从而改变平台在水面的航向；二是可以让拉杆4通过旋转式翼板机构6与头壳5连接固定，同时相关控制电路线缆也可以通过旋转式翼板机构6与CT传感器2、深度传感器3等连接；

旋转式翼板机构6通过其旋转圆柱19连接头壳5以及中段耐压壳体7之间，为确保连接处密封，在头壳5、中段耐压壳体7与旋转式翼板机构6接触处各设计有一道安装O形密封圈的沟槽，此处沟槽按活塞杆密封中的液压动密封的设计标准进行，从而保证旋转式翼板机构6旋转时平台的整体密封性能；拉杆4穿过旋转圆柱19的空心区域，一端固定连接头壳5，另一端固定连接电机安装架17，其主要功能是将头壳5、旋转式翼板机构6及中段耐压壳体7联接为一整体；

液压驱动装置8包括：电机组合、丝杆、液压缸、导轨、活塞体及管路；丝杠与电机组合连接，头部并装有活塞体，活塞体在导轨内运动，其主要功能是将装置内的液压油从液压缸注入到油囊内或将油囊内的液压油吸入到液压缸内，达到改变油囊体积的目的，也就改变了整个平台的排水体积，从而实现了平台在水下的垂直剖面沉浮的功能；

气压驱动装置11包括：气泵、电磁阀、单向阀及气管；其中，电磁阀通过接头体13与油气囊14连接，气压驱动装置11主要功能是实现平台在水面的沉浮运动，当平台接近水面时，气压驱动装置11向气囊内充气，增加平台的排水体积，使北斗卫星通信***1露出水面可与岸站控制指挥中心实现双向通信，当平台要下沉时，则打开电磁阀，气囊内的气体被压回到平台内部空间，减少平台的排水体积，实现平台下沉；

尾壳12安装在中段耐压壳体7的尾端，尾壳12后安装有油气囊14，为保护油气囊14在深海中不被外物损伤，设计有油囊护罩15进行保护；

电池组9为平台内的各类元器件、北斗卫星通信***1、液压驱动装置8、气压驱动装置11等提供电源，确保平台正常运行；

控制电路板10对整个平台进行控制，实现平台的自主沉浮功能、海洋监测功能、双向通信功能及在水面时的自调节变航向功能；

旋转圆柱19采用6061-T6锻铝加工制造，材料本身具有良好的防海水腐蚀能力，机加工完成后，对其进行阳极氧化处理并表面喷涂防海水腐蚀的专用涂层；稳定盘20的功能是确保平台在水下运动过程中姿态的稳定性，实现平台在水下的垂直剖面测量，其选用聚丙烯材料通过模具压铸成型为一整体，与旋转圆柱19采用螺钉紧固，其主要特点：一是模具成型一致性好，易于批量生产；二是聚丙烯材料在水中呈正浮力，有利于整个平台的姿态，且其在深水环境下吸水率小；翼板21与稳定盘20通过螺钉紧固为一体，并与传动杆18、旋转圆柱19、稳定盘20一起在电机减速机16的带动下可在±90度范围内旋转，因在稳定盘20上只安装了一块翼板21，并依据其流线型结构，当在水流的作用下漂流时，翼板21的角度将与水流方向平行，若要改变平台在水面的航向，只要通过控制电路板10调整翼板21与水流流向的夹角就可以实现了；翼板21由三种材料加工制造而成，内腔填充泡沫，中间层为铝合金材料确保其强度满足要求，外层浇铸聚胺脂成形，在水下呈零浮力状态，采用这种结构的特点主要有以下几个方面：一是整体重量轻，由于采用了三种材料复合加工成形，其重量较全部由金属加工轻得多，使整体重量在满足耐压的情况下达到最轻；二是具用良好的防碰撞功能，因其外层为聚胺脂材料，其表面具有较好的韧性，提高了工作及运输过程中的抗冲击能力；三是由于外层与海水接触的主要为聚胺脂材料，因此具有良好的防海水腐蚀及生物附着功能；

为实现平台在设定海域内自调节变航向垂直剖面测量功能，根据海洋环境监测的需求，海洋研究者希望在某些重点海域投放监测平台进行垂直剖面测量，且希望平台一直在其设定海域内连续工作，因此在每套平台投放下海监测前，设计人员会根据平台预先确定好的投放点经纬度，在其控制电路板10内程序中设定该平台相应的工作海域；当海洋监测平台投放在设定海域后，将首先进行自身定位及状态检查等，并将状态检查结果发送到陆上控制指挥中心，陆上控制指挥中心收到信息，确认平台正常后则设置相关的垂直剖面测量参数，并启动平台开始正常测量工作；当平台完成一个垂直剖面上浮到水面后，先通过北斗卫星通信***1进行自身定位，然后将定位信息发送到陆上控制指挥中心，同时平台的内部控制单元将根据其目前的定位信息检查平台是否在其设定的海域内工作，若平台仍在设定海域内工作，则平台将开始通过北斗卫星通信***1向陆上控制指挥中心发送上一个垂直剖面采集的相关数据，发送完成后，则自动进行下一个剖面测量工作；若检查到平台位置超出了设定海域范围，则平台内部控制单元将自动执行自调节变航向指令功能，平台间隔设定时间进行一次自身定位，控制单元根据若干个定位信息绘制出平台的漂流轨迹，从而计算出水面流的方向及流速，此时在水面流的作用下翼板21的角度与水流方向平行，然后控制单元根据水流方向、流速及平台自身相关参数计算出旋转式翼板机构6应旋转的角度及方向，并启动电机减速机16动作，实现翼板21与水流方向形成一定夹角，在水流作用下，平台将逐渐改变航向，向设定海域范围内靠近；同时控制单元将根据翼板21角度调整后的若干个下平台定位信息，绘制出新的漂流轨迹，并根据新的漂流轨迹来重新调整翼板21与水流方向的角度，通过多次调整平台将在水流的作用下逐渐航行到设定海域范围内，控制单元一旦检测到平台回到了程序设定的海域内，则停止对翼板21的调整，然后通过北斗卫星通信***1向陆上控制指挥中心发送上一个垂直剖面采集的相关数据，发送完成后，则自动进行下一个剖面测量工作；另外在上述平台水面漂流过程中，程序根据平台的漂流轨迹及旋转式翼板机构6调整的角度，可以计算出水流的速度与方向，为其他海洋研究者提供服务；

本发明的工作原理是：首先在船只到达设定投放点后，用磁性开关开启平台并投放入海，此时平台将首先进行自身定位及状态检查等，并将状态检查结果发送到陆上控制指挥中心；陆上控制指挥中心收到信息，确认平台正常工作后，工作人员即可对平台设置相关的垂直剖面测量参数，并启动平台开始正常测量工作；平台启动后，首先气压驱动装置11打开电磁阀，气囊内的气体被压回到平台内部空间，减少平台的排水体积，实现平台水面下沉，然后启动液压驱动装置8将油囊内的液压油抽回到液压缸内实现平台在水下的下沉功能；当平台要上浮时，启动液压驱动装置8将液压缸内的液压油充回到油囊内，从而实现平台在水下的上浮功能，当平台接近水面时，气压驱动装置11向气囊内充气，增加平台的排水体积，使北斗卫星通信***1露出水面可与岸站控制指挥中心实现双向通信；平台在下沉及上浮过程中都可以根据***设定进行采集数据工作，实现海洋环境的监测；当平台完成一个垂直剖面上浮到水面后，先通过北斗卫星通信***1进行自身定位，然后将定位信息发送到陆上控制指挥中心，同时平台的内部控制单元将根据其目前的定位信息检查平台是否在其设定的海域内工作，若平台仍在设定海域内工作，则通过北斗卫星通信***1向陆上控制指挥中心发送上一个垂直剖面采集的相关数据，发送完成后，则自动进行下一个剖面测量工作；若检查到平台位置超出了设定海域范围，则平台内部控制单元将自动执行自调节变航向指令功能，通过多次调整翼板21角度来实现平台自动航行回到设定海域，控制单元一旦检测到平台回到了程序设定的海域内，则停止对翼板21的调整，然后通过北斗卫星通信***1向陆上控制指挥中心发送上一个垂直剖面采集的相关数据，发送完成后，则自动进行下一个剖面测量工作；平台将在设定海域内一直进行循环垂直剖面测量，直至电池耗尽为至。

Claims (4)

1.一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，其特征在于，它包括：头壳(5)，安装在所述头壳(5)上的北斗卫星通信***(1)、CT传感器(2)以及深度传感器(3)，拉杆(4)，旋转式翼板机构(6)，中段耐压壳体(7)，安装在所述中段耐压壳体(7)内的液压驱动装置(8)、电池组(9)、控制电路板(10)、气压驱动装置(11)、电机减速机(16)、电机安装架(17)以及传动杆(18)，尾壳(12)，接头体(13)，油气囊(14)，油囊护罩(15)；

所述旋转式翼板机构(6)包括：旋转圆柱(19)、稳定盘(20)以及翼板(21)；所述旋转圆柱(19)内部有半周为空心；所述中段耐压壳体(7)内的所述电机减速机(16)安装在所述电机安装架(17)上，其输出轴通过所述传动杆(18)与所述旋转圆柱(19)的圆心处连接；所述稳定盘(20)与所述翼板(21)分别安装在所述旋转圆柱(19)外圆周面的两侧；

所述旋转式翼板机构(6)通过其所述旋转圆柱(19)安装在所述头壳(5)以及所述中段耐压壳体(7)之间，在与所述头壳(5)以及所述中段耐压壳体(7)接触处各设一道O型密封圈；所述拉杆(4)穿过所述旋转圆柱(19)的空心区域，一端固定连接所述头壳(5)，另一端固定连接所述电机安装架(17)；

所述液压驱动装置(8)包括：电机组合、丝杆、液压缸、导轨、活塞体及管路；所述丝杆与所述电机组合连接，头部并装有所述活塞体，所述活塞体在所述导轨内运动，将液压油通过所述管路从所述液压缸注入所述油气囊(14)内，或将所述油气囊(14)内的液压油吸入到所述液压缸内；

所述气压驱动装置(11)包括：气泵、电磁阀、单向阀及气管；其中，所述电磁阀通过所述接头体(13)与所述油气囊(14)连接，所述气泵通过所述单向阀及所述气管向所述油气囊(14)内充气，实现平台的上升；平台下沉时，打开所述电磁阀，所述油气囊(14)的气体被压回到平台内部空间；

所述尾壳(12)安装在所述中段耐压壳体(7)的尾端，所述尾壳(12)后安装有所述油气囊(14)，所述油气囊(14)外设有所述油囊护罩(15)；

所述电池组(9)为平台内的用电设备提供电力；

所述控制电路板(10)对平台的自主沉浮功能、海洋监测功能、双向通信功能及在水面时的自调节变航向功能进行控制。

2.如权利要求1所述的一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，其特征在于，所述旋转圆柱(19)采用6061-T6锻铝加工制造，对其表面进行阳极氧化处理后喷涂防海水腐蚀的涂层；所述稳定盘(20)选用聚丙烯材料压铸成型；所述翼板(21)内腔填充泡沫，中间层为铝合金材料确保其强度满足要求，外层浇铸聚胺脂成形。

3.如权利要求1或2所述的一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，其特征在于，通过所述控制电路板(10)控制所述旋转式翼板机构(6)旋转，完成所述翼板(21)与水流方向夹角的调节。

4.如权利要求1或2所述的一种在设定海域内自调节变航向的水下垂直剖面测量平台，其特征在于，所述北斗卫星通信***(1)间隔设定时间对平台进行定位，绘制其漂流轨迹，所述控制电路板(10)根据平台的漂流轨迹及所述旋转式翼板机构(6)调整的角度，实现对水流速度及方向的计算。