CN102381464A - 波浪能和太阳能驱动海洋环境无人监测船 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪能和太阳能驱动海洋环境无人监测船。本发明包括船体和无人控制系统。船体采用刚性充气艇艇型；无人控制系统由地面遥控系统和船载系统构成，地面遥控系统和船载系统通过无线数据链路耦合。地面遥控系统由一台遥控计算机、无线网桥及相应的上层应用软件组成，负责地面遥控指令及数据接收分析显示，遥控计算机的串口接无线网桥。船载系统主要包括航行控制子系统、通信子系统、航行信息传感收集子系统、波浪能与太阳能发电供电子系统和数据采集子系统。本发明无需配置柴油发动机，直接由船载波浪能发电系统和太阳能发电装置提供动力，且输出的电能质量稳定，电磁兼容性好，可使船载设备在复杂的海洋环境下正常工作。

Description

波浪能和太阳能驱动海洋环境无人监测船

技术领域

本发明属于可再生能源综合利用、船舶、海洋环境监测与保护领域，具体涉及一种波浪能和太阳能驱动海洋环境无人监测船。

背景技术

从上个世纪70年代的石油危机开始，各国开始把注意力转移到利用本地资源和寻找最适宜的廉价能源上。21世纪是海洋的世纪，人类向大海索取资源成为必然趋势，沿海地区把希望寄托在汹涌澎湃的巨浪上，即利用波浪能发电。波浪能发电是通过波浪能装置将波浪能首先转换为机械能（液压能），然后再转换成电能。波浪能具有能量密度高、分布面广等优点。它是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能能量也最大。小功率的波浪能发电，已在导航浮标、灯塔等获得推广应用。我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右，沿海波浪能能流密度大约为每米2千瓦至7千瓦。在能流密度高的地方，每1米海岸线外波浪的能流就足以为20个家庭提供照明。因此，大力开发和利用海洋能源成为当前包括中国在内的世界主要沿海国家的战略性选择。

波浪能主要用于发电，为边远海域的国防及海洋设施等提供清洁能源。此外，波浪能还可以用于抽水、供热、海水淡化以及制氢等。合理地充分开发利用好这种海洋能，有利于提高我国的海洋经济综合实力、辐射带动力和可持续发展能力，有利于促进海洋经济强国的建立。

目前，我国的船舶拥有量处在世界前列，则其船舶营运需要消耗大量的能源，而能源消耗不仅增加了企业的成本支出，而且会增加对环境的污染。因此新型推进装置和新能源在船舶上的综合应用，对节约能源、降低成本和缓解环境污染等具有重要意义。同时，船舶自动化的终极是无人操纵的船。自美国“9·11”之后，港口安全成了重要问题，推进了无人船的发展。目前已有多种无人艇开始应用于军事和民用领域。

目前尚未有一种波浪能和太阳能驱动的海洋环境无人监测船（以下简称“无人监测船”）面市。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种利用波浪能和太阳能来驱动的海洋环境无人监测船。本发明无人监测船的突出特点是：无需配置柴油发动机，直接由船载波浪能发电装置和太阳能发电装置提供动力，达到节能减排、低碳环保的目的；实现自主化航行、远程控制、实时数据采集传输处理等功能，对应对海洋突发事件、执行特殊军事任务、在海洋、大型湖泊等方面的环境监测、灾害预警以及海水养殖等具有重要意义。

实现本发明的具体方案是：

无人监测船船体采用刚性充气艇艇型，其中刚性艇芯采用槽道滑行艇形式。船的尺度小，航速较高，适航性、耐波性、操纵性以及抗撞击强。

无人监测船的无人控制系统由地面遥控系统和船载系统构成，地面遥控系统和船载系统通过无线数据链路耦合为无人监测船的整体系统。

所述的地面遥控系统由一台遥控计算机、无线网桥及相应的上层应用软件组成，负责地面遥控指令及数据接收分析显示。遥控计算机的串口接无线网桥。

所述的船载系统主要包括航行控制子系统、通信子系统、航行信息传感收集子系统、波浪能与太阳能发电供电子系统和数据采集子系统。

所述的航行控制子系统由导航控制计算机、驱动控制模块、直流电机、螺旋桨、舵机步进电机、方向舵和警报器组成。导航控制计算机为嵌入式微机，驱动控制模块是以DSP芯片为核心，完成舵机步进电机和直流电机的驱动控制。方向舵的方位角旋转机构由舵机步进电机驱动，螺旋桨由直流电机驱动。

所述的通信子系统通过无线网桥，实现远程数据通讯天线与地面无线网桥间信息的传递。

所述的航行信息传感收集子系统包括数字罗盘、GPS天线、雷达天线、激光红外探测装置和视频探测器。数字罗盘提供当前航向信息，实现无人监测船航向控制。GPS天线主要完成无人监测船的定位功能，使无人监测船具有一定的自我导航能力。雷达天线、激光红外探测装置和视频探测器用于提供无人监测船的周围环境信息，从而使无人监测船具有一定的智能自动避碰功能。

所述的波浪能与太阳能发电供电子系统包括船载波浪能发电装置、太阳能电板、蓄能调控系统。船载波浪能发电装置主要由浮体、液压传动系统、发电机、固定基座组成。液压传动系统的输入端为液压缸，液压缸的活塞杆与浮体联接，液压缸体与固定基座联接，固定基座安装在无人监测船底的中部。当无人监测船航行时，导航控制计算机通过驱动控制模块自动打开密封舱门，将船载波浪能发电装置自动收回，并关闭密封舱门，停止波浪能发电装置工作；当无人监测船停泊时，导航控制计算机通过驱动控制模块自动打开密封舱门，释放船载波浪能发电装置，船载波浪能发电装置开始工作。波浪运动使活塞杆与无人监测船体都运动，但由于船体较重，导致活塞杆与船体发生相对运动，使油液腔的压强不断的变化，最终形成能量的转换。整个能量转换过程中，液压油的循环路线是油液腔、出油单向阀、高压蓄能器、液压马达、中压蓄能器、回油单向阀、油液腔。中压蓄能器起稳压的作用。在液压系统执行端，液压马达将液压能转换为机械能，液压马达与发电机连轴，发电机又将机械能转换为电能，电能存储与利用通过蓄能调控系统控制。同时无人监测船甲板上铺设有太阳能电池板，产生的电能也通过蓄能调控系统控制。

所述的数据采集子系统包括数据采集模块和海洋环境监测传感器。数据采集模块主要由可编程放大器、A／D变换器、CAN总线接口等组成。海洋环境监测传感器由温湿度、营养盐、重金属、有机污染物、化学耗氧量、致病菌、石油污染物、有机磷农药等传感器集成。

本发明的创新点是：

（1）无人监测船无需配置柴油发动机，直接由船载波浪能发电系统和太阳能发电装置提供动力，且输出的电能质量稳定，电磁兼容性好，可使船载设备在复杂的海洋环境下正常工作。

（2）实现无人监测船智能、高速、无人等方面的集成。在控制技术方面取得了重大突破，努力解决好了无人监测船的投放、稳定、导航、避碰和回收问题，以赋予无人船更多的自主性。

（3）无人监测船能自动驾驶。可按预定航线行驶，如途中遇到障碍物可通过雷达及传感器实时探测到周围障碍物的信息，及时规划出新的航线。这种方法实现的控制精度很高，航线偏差不超过2米，即使遇到狭窄航道，也能应付自如。便于海上巡逻、侦察、水面反恐行动和进行海上搜救等，有利于维护国家安全和保障人民的生命财产安全，促进和谐社会的建设。

（4）数据采集系统工作时，采用的是通过自主开发的数据处理单元成立各传感器获得的数据，这样可以避免由于运动、风浪等外界因素的干扰，保证动态测量的精度。

（5）可克服传统的人工采样方式，解决在中、重度污染的水体采样时，可能还存在危及操作人员人身安全隐患的难题，并扩大采样范围，提高采样效率。

附图说明

图1为无人监测船整体结构框图；

图2为船载波浪能发电装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理、结构做进一步的说明。

如图1所示，无人监测船的无人控制系统由地面遥控系统和船载系统构成，地面遥控系统和船载系统通过无线数据链路耦合为无人监测船的整体系统。地面遥控系统由一台遥控计算机1、无线网桥及相应的上层应用软件组成。船载系统主要包括通信子系统、航行信息传感收集子系统、波浪能与太阳能发电供电子系统、数据采集子系统和航行控制子系统。航行控制子系统由导航控制计算机13、驱动控制模块12、直流电机18、螺旋桨20、舵机步进电机19、方向舵16和警报器4组成。通信子系统通过2.4GHz的无线网桥，实现远程数据通讯天线3与地面无线网桥间信息的传递。航行信息传感收集子系统包括数字罗盘10、GPS天线6、雷达天线5、激光红外探测装置7和视频探测器2。波浪能与太阳能发电供电子系统包括船载波浪能发电装置14和蓄能控制系统8。数据采集子系统包括数据采集模块11和海洋环境监测传感器17。海洋环境监测传感器17由温湿度、营养盐、重金属、有机污染物、化学耗氧量、致病菌、石油污染物、有机磷农药等传感器集成。

如图2所示，船载波浪能发电装置14主要由浮体22、液压传动系统、发电机28、固定基座27组成。液压传动系统的输入端为液压缸，液压缸的活塞杆23与浮体22联接，液压缸体26与固定基座27联接，固定基座27安装在无人监测船底的中部。

所述的无人监测船船体15采用刚性充气艇艇型，其中刚性艇芯采用槽道滑行艇形式。船的尺度小，航速较高，适航性、耐波性、操纵性以及抗撞击强。本发明船体15主尺度为：船长5m、船宽2m、设计吃水0.5m、型深1 m、折角线长4m、槽道长5m、槽道宽0.8m、排水量3t、肋骨间距210mm。

所述的无人监测船的无人控制系统由地面遥控系统和船载系统构成，地面遥控系统和船载系统通过无线数据链路耦合为无人监测船的整体系统。

所述的地面遥控系统由一台遥控计算机1、无线网桥及相应的上层应用软件组成，负责地面遥控指令及数据接收分析显示。遥控计算机1的串口接2.4G的无线网桥，该无线网桥间数据传输速率可达10 Mbps。地面遥控系统使用TCP／IP协议作为上层应用软件的传输协议，应用软件包括操作界面模块、通信模块及数据处理几部分。

所述的船载系统主要包括航行控制子系统、通信子系统、航行信息传感收集子系统、波浪能与太阳能发电供电子系统和数据采集子系统。

所述的航行控制子系统由导航控制计算机13、驱动控制模块12、直流电机18、螺旋桨20、舵机步进电机19、方向舵16和警报器4组成。导航控制计算机13为嵌入式微机，有多个串口通信模块。其中，串口1用于接无线网桥，完成与地面遥控系统的数据通信；串口2用于按1次／3秒的频率接收自身船位GPS信息；串口3用于按6次／秒的频率接收数字罗盘HMR 3300的航向信息。驱动控制模块12是以DSP芯片完成舵机步进电机19和直流电机18的驱动控制。方向舵16的方位角旋转机构由舵机步进电机19驱动，螺旋桨20由直流电机18驱动。无人监测船具有避碰危险时，警报器4发出声音警报和光亮警报。

所述的通信子系统通过2.4GHz的无线网桥，实现远程数据通讯天线3与地面无线网桥间信息的传递。

所述的航行信息传感收集子系统包括数字罗盘10、GPS天线6、雷达天线5、激光红外探测装置7和视频探测器2。数字罗盘10提供当前航向信息，实现无人监测船航向控制。GPS天线6主要完成无人船的定位功能，使无人船具有一定的自我导航能力。雷达天线5、激光红外探测装置7和视频探测器2用于提供无人监测船的周围环境信息，从而使无人监测船具有一定的智能自动避碰功能。

所述的波浪能与太阳能发电供电子系统包括船载波浪能发电装置14、太阳能电板9、蓄能调控系统8。船载波浪能发电装置14主要由浮体21、液压传动系统、发电机28、固定基座27组成。液压传动系统的输入端为液压缸，液压缸的活塞杆23与浮体22联接，液压缸体26与固定基座27联接，固定基座27安装在无人监测船底的中部，液压缸体26可分为油液腔24和无杆腔25。当无人监测船航行时，导航控制计算机13通过驱动控制模块12自动打开密封舱门，将船载波浪能发电装置14自动收回，并关闭密封舱门，停止波浪能发电装置14工作；当无人监测船停泊时，导航控制计算机13通过驱动控制模块12自动打开密封舱门，释放船载波浪能发电装置14，船载波浪能发电装置14开始工作。波浪运动使活塞杆与无人监测船体都运动，但由于船体较重，导致活塞杆与船体发生相对运动，使油液腔24的压强不断的变化，最终形成能量的转换。整个能量转换过程中，液压油的循环路线是油液腔24、出油单向阀33、高压蓄能器32、液压马达29、中压蓄能器30、回油单向阀31、油液腔24。中压蓄能器30起稳压的作用。在液压系统执行端，液压马达29将液压能转换为机械能，液压马达29与发电机28连轴，发电机28又将机械能转换为电能，电能存储与利用通过蓄能调控系统8控制。同时无人监测船甲板上铺设有太阳能电池板9，产生的电能也通过蓄能调控系统8控制。整个无人监测船无需配置柴油机，就可以保证船载各系统正常工作的动力需求。

所述的数据采集子系统包括数据采集模块11和海洋环境监测传感器17。数据采集模块11主要由可编程放大器、A／D变换器、CAN总线接口等组成。海洋环境监测传感器17由温湿度、营养盐、重金属、有机污染物、化学耗氧量、致病菌、石油污染物、有机磷农药等传感器集成。数据采集模块11将从海洋环境监测传感器17输入的模拟信号转化为数字信号，并传送给导航控制计算机13，再通过远程数据通讯天线3将采集数据传输到地面控制系统1中的环境监测评测预警服务器，环境监测预警系统对接收到的数据进行分析和预警处理，根据相应的预警策略判断进行相关处理，为海洋生态环境质量评价和生态环境保护提供相关数据和信息。

Claims (1)

1.波浪能和太阳能驱动海洋环境无人监测船，包括船体和无人控制系统，其特征在于：

船体采用刚性充气艇艇型，其中刚性艇芯采用槽道滑行艇形式；

无人控制系统由地面遥控系统和船载系统构成，地面遥控系统和船载系统通过无线数据链路耦合为无人监测船的整体系统；

所述的地面遥控系统由一台遥控计算机、无线网桥及相应的上层应用软件组成，负责地面遥控指令及数据接收分析显示，遥控计算机的串口接无线网桥；

所述的船载系统主要包括航行控制子系统、通信子系统、航行信息传感收集子系统、波浪能与太阳能发电供电子系统和数据采集子系统；

所述的航行控制子系统由导航控制计算机、驱动控制模块、直流电机、螺旋桨、舵机步进电机、方向舵和警报器组成；导航控制计算机为嵌入式微机，驱动控制模块是以DSP芯片为核心，完成舵机步进电机和直流电机的驱动控制；方向舵的方位角旋转机构由舵机步进电机驱动，螺旋桨由直流电机驱动；

所述的通信子系统通过无线网桥，实现远程数据通讯天线与地面无线网桥间信息的传递；

所述的航行信息传感收集子系统包括数字罗盘、GPS天线、雷达天线、激光红外探测装置和视频探测器；数字罗盘提供当前航向信息，实现无人监测船航向控制；GPS天线主要完成无人监测船的定位功能，使无人监测船具有一定的自我导航能力；雷达天线、激光红外探测装置和视频探测器用于提供无人监测船的周围环境信息，从而使无人监测船具有一定的智能自动避碰功能；

所述的波浪能与太阳能发电供电子系统包括船载波浪能发电装置、太阳能电板、蓄能调控系统；船载波浪能发电装置包括浮体、液压传动系统、发电机、固定基座；液压传动系统的输入端为液压缸，液压缸的活塞杆与浮体联接，液压缸体与固定基座联接，固定基座安装在无人监测船底的中部；当无人监测船航行时，导航控制计算机通过驱动控制模块自动打开密封舱门，将船载波浪能发电装置自动收回，并关闭密封舱门，停止波浪能发电装置工作；当无人监测船停泊时，导航控制计算机通过驱动控制模块自动打开密封舱门，释放船载波浪能发电装置，船载波浪能发电装置开始工作；波浪运动使活塞杆与无人监测船体都运动，但由于船体较重，导致活塞杆与船体发生相对运动，使油液腔的压强不断的变化，最终形成能量的转换；整个能量转换过程中，液压油的循环路线是油液腔、出油单向阀、高压蓄能器、液压马达、中压蓄能器、回油单向阀、油液腔，中压蓄能器起稳压的作用；在液压系统执行端，液压马达将液压能转换为机械能，液压马达与发电机连轴，发电机又将机械能转换为电能，电能存储与利用通过蓄能调控系统控制；同时无人监测船甲板上铺设有太阳能电池板，产生的电能也通过蓄能调控系统控制；

所述的数据采集子系统包括数据采集模块和海洋环境监测传感器；数据采集模块包括可编程放大器、A／D变换器、CAN总线接口；海洋环境监测传感器由温湿度传感器、营养盐传感器、重金属传感器、有机污染物传感器、化学耗氧量传感器、致病菌传感器、石油污染物传感器、有机磷农药传感器集成。

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