CN102963514B - 便携式水下海洋环境监测滑翔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式水下海洋环境监测滑翔机，包括外部型线结构，设置在外部型线结构外部的天线，以及设置在外部型线结构内部的重心调节机构、浮力调节机构、电源模块、主控制系统以及深度传感器。外部型线结构采用的是流线型外壳；滑翔机翼和垂直尾翼采用的是经过简单处理的透明薄板：滑翔机翼对称布置在重心后约1～2cm处，并具有10°的后掠角；垂直尾翼对称布置在尾部，并同滑翔机翼垂直。重心调节机构布置在水下滑翔机艏部，降低监测系统姿态改变时的调节时间，降低水下滑翔机的控制成本，增大航程。本发明能够大范围，长时间对海洋环境进行监测；制造和应用成本都非常低，在海洋环境监测方面具有非常广泛的用处。

Description

便携式水下海洋环境监测滑翔机

技术领域

本发明属于海洋环境监测技术领域，具体是一种便携式水下海洋环境监测滑翔机。

技术背景

目前，海洋环境监测和数据采集比较常用的技术手段有：用于长期监测的浮标，用于短期连续监测的自主式水下运载器(AUV)及远距离遥控机器人(ROV)，海洋调查船等。但是这些技术各有优缺点：浮标能够大范围监测采样海洋环境，但是不具有动力源，其观测区域不受控制；自主式水下运载器(AUV)可以根据需求监测任意区域的海洋环境，但是受搭载能力的限制，只能携带有限的能量进行航行，作业周期短，不能够胜任时间上的连续海洋环境监测和水质数据采集任务；远距离遥控机器人(ROV)可以通过脐带缆由母船向运载器输送能量和通讯，可以长时间用于水下环境的监测和采样，但是受母船限制，其活动范围有限，并且使用成本高，隐蔽性差。利用海洋调查船能够在时间上和空间上连续监测和采样海洋环境，但是需要消耗大量的物力，人力和财力，作业费用比较昂贵。鉴于以上海洋环境监测和水质数据采集技术手段的限制，还不能实现时间和空间上连续的海洋环境监测。

鉴于当前国际海洋环境污染逐渐加剧的情况，发展一种能够在时间和空间连续的海洋环境监测和数据采集，并且应用费用比较低廉的水下运载器，提高人类了解和保护海洋环境的能力成为一种必然。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种能够在空间和时间上连续监测海洋环境，采集水质数据，依靠净浮力驱动的便携式水下海洋环境监测滑翔机。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种便携式水下海洋环境监测滑翔机，包括外部型线结构，设置在外部型线结构外部的天线，以及设置在外部型线结构内部的重心调节机构、浮力调节机构、电源模块、主控制系统以及深度传感器，其中：

-天线，用于传输采集到的海洋水质数据及接受各种控制命令；

-重心调节机构，用于调节重心，产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力；

-浮力调节机构，用于改变净浮力的大小，产生驱动滑翔机下潜上浮的动力；

-主控制系统，用来生成改变运动状态的命令；

-深度传感器，用于测量滑翔机在海水中深度；

-电源模块，用于对上述各部分的电力分配。

所述外部型线结构包括：艉部整流罩、垂直稳定翼、水平滑翔翼、中间耐压壳体以及艏部整流罩，其中，所述艉部整流罩、中间耐压壳体和艏部整流罩通过紧固件固定连接，所述艏部整流罩开多个有进水孔；所述水平滑翔翼与中间耐压壳体固定连接；所述垂直稳定翼与艉部整流罩固定连接；所述中间耐压壳体通过中间隔板分为艏部舱室、舯部舱室和艉部舱室，其中，所述舯部舱室和艉部舱室通过搭载平台分别分成上下两部分舱室，中间隔板和搭载平台通过丝杆固定连接；所述天线设置在垂直稳定翼的尾侧。

所述水平滑翔翼升力中心位于重心后1～2cm处，并具有10°的后掠角。

所述中间耐压壳体包括圆柱形筒体、首部密封盖和尾部密封盖，其中，所述首部密封盖和尾部密封盖通过紧固件与圆柱形筒体固定连接，并通过密封件密封；所述深度传感器设置在尾部密封盖的内侧上。

所述中间耐压壳体优选为流线型、长径比为6～7的压力筒；所述水平滑翔翼和垂向稳定翼优选为采用的0.4cm的薄板加工而成；所述密封件优选为O型密封圈。

所述艉部整流罩为圆锥台型；所述艏部整流罩为半椭球型。

所述浮力调节机构包括水泵、水泵固定架、水泵控制器、水囊和水囊压力传感器，所述水泵通过水泵固定架固定设置在艏部舱室，并与水泵控制器、电源模块和主控制系统相连接，所述水囊与水囊压力传感器设置在舯部舱室的下舱室，其中：

-水泵，为微型双向水泵，通过电磁阀和软管同艏部整流罩相连接，其正转时向水囊吸水，增加运载器总重量；其反转时排水，减轻运载器总重量；

-水泵控制器，用于控制水泵转动；

-水囊，用于水泵转动时吸水或排水；

-水囊压力传感器，用于当水囊达到一定的压力时直接停止水泵的工作。

所述重心调节机构固定设置在艉部舱室的下舱室并与电源模块和主控制系统相连接，包括步进电机、滚珠丝杆、丝杆固定架、步进电机驱动器、步进电机控制器以及滑动质量块，其中，所述步进电机与丝杆固定架固连；所述丝杆固定架通过固定件与搭载平台固连；所述滑动质量块安装在滚珠丝杆上。重心调节机构改变滑块的位置调节滑翔机的重心，是滑翔机产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力。

所述电源模块固定设置在舯部舱室的上舱室，包括锂电池以及用于电力分配的电源分配板。

所述主控制系统设置在艉部舱室的上舱室，在包括微型计算机、GPS定位模块、主控制电路板以及传感器组件，所述传感器组件与主控制电路板相连接，所述主控制电路板与微型计算机相连接，其中：

-微型计算机，固连在固定在搭载平台上的主控制电路板上，用于存储及处理传感器组件获得的数据，生成控制信号；

-GPS定位模块，固定设置在艉部舱室的上舱室，用于在滑翔机露出水面时定位运载器的位置；

-传感器组件，包括三轴加速度传感器、三轴角加速度传感器以及姿态传感器，用于测量滑翔机在水下的运动姿态和运动情况，进而控制滑翔机的运动。

本发明具有的实质性优点：

本发明利用静浮力驱动的水下滑翔机，其续航能力高，活动范围广，简单可靠，能够实现低成本，大范围，长时间的对指定区域进行海洋环境进行监测和数据采集。具体来说，主要具有以下优点：

本发明不携带外部驱动设备，依靠净浮力驱动，外部为流体性能比较优异的流线外壳，流体阻力比较小，总的功耗比较低，续航力比较久，活动范围比较广。

相比于其他海洋环境监测和采样手段，本发明加工成本和作业成本低廉，作业操作方面，易于大量加工制造，能够广泛应用于海洋环境监测领域。

本发明的显著特点是：采用保持浮力不变，改变整体重量的方法生成驱动运载器的驱动力，这样的设计能够很大程度上减小水压力对驱动力产生的影响，增强运载器的易控性。同时，本发明将浮力调节机构的水囊放置在艏部，有利于降低水下滑翔机姿态改变时系统地调节时间，增强系统稳定性，进而减小控制能耗，增强续航力。

本发明是一种将传统的浮标，潜标和AUV技术融合在一起新型技术，实现了可控制，移动式，长时间监测和采集海洋水质数据的目的，具有很强的机动性和可控性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明俯视图；

图3为本发明稳定滑翔示意图；

图中，1为艉部整流罩，2为垂直稳定翼，3为水平滑翔翼，4为中间耐压壳体，5为艏部整流罩，6为浮力调节机构，7为重心调节机构，8为电源模块，9为主控制系统，10为深度传感器，11为天线，12为传感器组件，13为圆柱形筒体，14为首部密封盖，15为尾部密封盖，16为紧固件，17为密封件，18为水泵，19为水泵固定架，20为水泵控制器，21为水囊，22为水囊压力传感器，23为步进电机，24为滚珠丝杆，25为丝杆固定架，26为步进电机驱动器，27为步进电机控制器，28为滑动质量块，29为搭载平台，30为锂电池，31为电源分配板，32为微型计算机，33为GPS定位模块，34为三轴加速度传感器，35为三轴角加速度传感器，36为姿态传感器。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1和2所示，本实施例包括外部型线结构，设置在外部型线结构外部的天线11，以及设置在外部型线结构内部的重心调节机构7、浮力调节机构6、电源模块8、主控制系统9以及深度传感器10，其中：

-天线11，用于传输采集到的海洋水质数据及接受各种控制命令；

-重心调节机构7，用于调节重心，产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力；

-浮力调节机构6，用于改变净浮力的大小，产生驱动滑翔机下潜上浮的动力；

-主控制系统9，用来生成改变运动状态的命令；

-深度传感器10，用于测量滑翔机在海水中深度。

-电源模块8，用于对上述各部分的电力分配；

进一步地，外部型线结构包括：艉部整流罩1、垂直稳定翼2、水平滑翔翼3、中间耐压壳体4以及艏部整流罩5，其中，所述艉部整流罩1、中间耐压壳体4和艏部整流罩5通过紧固件固定连接，所述艏部整流罩5开多个有进水孔；所述水平滑翔翼3与中间耐压壳体4固定连接；所述垂直稳定翼2与艉部整流罩1固定连接；所述中间耐压壳体4通过中间隔板分为艏部舱室、舯部舱室和艉部舱室，其中，所述舯部舱室和艉部舱室通过搭载平台29分别分成上下两部分舱室，中间隔板和搭载平台29通过丝杆固定连接；所述天线11设置在垂直稳定翼2的尾侧。

进一步地，水平滑翔翼3升力中心位于重心后1～2cm处，并具有10°的后掠角。

进一步地，中间耐压壳体4包括圆柱形筒体13、首部密封盖14和尾部密封盖15，其中，所述首部密封盖14和尾部密封盖15通过紧固件16与圆柱形筒体13固定连接，并通过密封件17密封；所述深度传感器10设置在尾部密封盖的内侧上。

进一步地，中间耐压壳体4优选为流体性能比较好、长径比为6～7的圆柱形压力筒；所述水平滑翔翼3和垂向稳定翼2优选为采用的0.4cm的薄板加工而成；所述密封件17优选为O型密封圈。

进一步地，所述艉部整流罩1为圆锥台型；所述艏部整流罩5为半椭球型。

进一步地，浮力调节机构6包括水泵18、水泵固定架19、水泵控制器20、水囊21和水囊压力传感器22，所述水泵18通过水泵固定架19固定设置在艏部舱室，并与水泵控制器20、电源模块8和主控制系统9相连接，所述水囊21与水囊压力传感器22设置在舯部舱室的下舱室，其中：

-水泵18，为微型双向水泵，通过电磁阀和软管同艏部整流罩相连接，其正转时向水囊吸水，增加运载器总重量；其反转时排水，减轻运载器总重量；

-水泵控制器20，用于控制水泵转动；

-水囊21，用于水泵转动时吸水或排水；

-水囊压力传感器22，用于当水囊达到一定的压力时直接停止水泵的工作。

进一步地，重心调节机构7固定设置在艉部舱室的下舱室并与电源模块8和主控制系统9相连接，包括步进电机23、滚珠丝杆24、丝杆固定架25、步进电机驱动器26、步进电机控制器27以及滑动质量块28，其中，所述步进电机23与丝杆固定架25固连；所述丝杆固定架25通过固定件与搭载平台29固连；所述滑动质量块28安装在滚珠丝杆24上。重心调节机构7改变滑动质量块28的位置调节滑翔机的重心，是滑翔机产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力。

进一步地，电源模块8固定设置在舯部舱室的上舱室，包括锂电池30以及用于电力分配的电源分配板31。

进一步地，主控制系统9设置在艉部舱室的上舱室，在包括微型计算机32、GPS定位模块33、主控制电路板以及传感器组件12，所述传感器组件12与主控制电路板相连接，所述主控制电路板与微型计算机32相连接，其中：

-微型计算机32，固连在固定在搭载平台29上的主控制电路板上，用于存储及处理传感器组件获得的数据，生成控制信号；

-GPS定位模块33，固定设置在艉部舱室的上舱室，用于在滑翔机露出水面时定位运载器的位置；

-传感器组件12，包括三轴加速度传感器34、三轴角加速度传感器35以及姿态传感器36，用于测量滑翔机在水下的运动姿态和运动情况，进而控制滑翔机的运动。

具体为，

艉部整流罩1，中间耐压壳体4和艏部整流罩5是通过螺钉固定连接，艏部开多个有进水孔；垂直稳定翼2和艉部整流罩1铆连；水平滑翔翼3和中间耐压壳体4固连在一起。中间耐压壳体4由圆柱形筒体13，优选为压力筒，首部密封盖14和尾部密封盖15通过紧固件16优选为紧固螺钉固连，密封件17优选为O型密封圈密封组成的；其内部舱室通过中间隔板和搭载平台29分舱室，通过螺杆连接成一个整体，并通过固定螺杆和首部密封盖14前段的凹槽进行固定的。

除天线之外，本发明中的所有设备均布置在中间耐压壳体4内部。

浮力调节机构6由水泵18、水泵固定架19，水泵控制器20、水囊21和水囊压力传感器22组成。用于固定水泵18的水泵固定架19固定在搭载平台上；固定在搭载平台上的水泵控制器20控制水泵20抽吸水，改变运载器的总体重量，进而产生驱动运载器上下运动的驱动力。水囊压力传感器22用来检测水囊压力，当水囊达到设定压力时，压力传感器生成停止水泵的命令，保护水囊不被撑破。

重心调节机构由步进电机23，滚珠丝杆24，丝杆固定架25，步进电机驱动器26，步进电机控制器27和滑动质量块28组成。步进电机控制器27产生控制信号，控制信号输入到驱动器26，进而产生驱动步进电机26转动的驱动信号，步进电机带动滚珠丝杆转动，这样安置在滚珠丝杆上的滑块就可以沿着丝杠作直线运动，滑块的移动会改变整体运载器的重心分布，以用来调节滑翔机的俯仰角度。

电源模块由锂电池30和电源分配板31组成。通过电源分配板31将电力分配给水泵18，步进电机23和其他模块。

传感器组件12是由测量三个轴向加速度的三轴加速度传感器34和测量三个轴向角加速度的三轴角加速度传感器35，测量运载器姿态的姿态传感器36组成。测量数据保存到主控系统的存储器中，同时反馈到控制系统以用于微调运载器的姿态。

主控制系统是由微型计算机32，GPRS定位模块33，天线11和深度计12组成。微型计算机32固连在固定在搭载平台上的主控制电路板上，用于处理和保存采集到的数据，生成新的控制信号等；GPS定位模块33定位在艉部舱室的上舱室，用于在运载器露出水面时定位运载器的位置；天线11用于在运载器浮出水面时传输采集到的海洋水质数据及接受各种控制命令；深度计12用来测量运载器的深度，同时将深度保存到主控系统的存储器中。

本发明设计的便携式水下海洋环境监测滑翔机能够在垂直面内沿锯齿形轨迹滑翔运动。便携式水下滑翔机是指利用内置结构调整滑翔机的重力和浮力的差值，利用产生的差值力，即净浮力驱动自身在水中运动的小型水下运载器。初始阶段，便携式滑翔机在漂浮在水面上位置1处。通过浮力调节装置6的控制，水泵18开始向内置水囊21吸水，滑翔机重力大于浮力，产生驱动滑翔机下潜的动力。之后，重心调节系统7开始工作，在步进电机23的作用下，滑块28向艏向运动，重心也向艏向运动，驱使滑翔机产生艏倾。在下潜净浮力和滑翔机艏倾的共同作用下，滑翔机开始滑翔运动。初始运作阶段为滑翔机调整阶段，之后滑翔机进入稳定滑翔阶段。在稳定滑翔阶段的滑翔机不消耗任何能量。当滑翔机到达预设深度(位置3)后，在预设程序的作用下，主控制系统会生成同上面相反的控制，驱使滑翔机上浮滑翔运动，直到滑翔机在次浮出水面，完成一次滑翔周期。之后，水下滑翔机在水面通过外置天线传输数据及接收新的控制命令。

在一个运动周期内，运载器只在初始调整阶段消耗能量，在稳定滑翔阶段，滑翔机不消耗能量，所以滑翔机的能耗非常低，续航力比较高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，包括外部型线结构，设置在外部型线结构外部的天线，以及设置在外部型线结构内部的重心调节机构、浮力调节机构、电源模块、主控制系统以及深度传感器，其中：

-天线，用于传输采集到的海洋水质数据及接受各种控制命令；

-重心调节机构，用于调节重心，产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力；

-浮力调节机构，用于改变净浮力的大小，产生驱动滑翔机下潜上浮的动力；

-主控制系统，用来生成改变运动状态的命令；

-深度传感器，用于测量滑翔机在海水中深度；

-电源模块，用于对上述各部分的电力分配；

所述外部型线结构包括：艉部整流罩、垂直稳定翼、水平滑翔翼、中间耐压壳体以及艏部整流罩，其中，所述艉部整流罩、中间耐压壳体和艏部整流罩通过紧固件固定连接，所述艏部整流罩开多个有进水孔；所述水平滑翔翼与中间耐压壳体固定连接；所述垂直稳定翼与艉部整流罩固定连接；所述中间耐压壳体通过中间隔板分为艏部舱室、舯部舱室和艉部舱室，其中，所述舯部舱室和艉部舱室通过搭载平台分别分成上下两部分舱室，中间隔板和搭载平台通过丝杆固定连接；所述天线设置在垂直稳定翼的尾侧；

所述浮力调节机构包括水泵、水泵固定架、水泵控制器、水囊和水囊压力传感器，所述水泵通过水泵固定架固定设置在艏部舱室，并与水泵控制器、电源模块和主控制系统相连接，所述水囊与水囊压力传感器设置在舯部舱室的下舱室，其中：

-水泵，为微型双向水泵，通过电磁阀和软管同艏部整流罩相连接，其正转时向水囊吸水，增加运载器总重量；其反转时排水，减轻运载器总重量；

-水泵控制器，用于控制水泵转动；

-水囊，用于水泵转动时吸水或排水；

-水囊压力传感器，用于当水囊达到一定的压力时直接停止水泵的工作；

所述重心调节机构固定设置在艉部舱室的下舱室并与电源模块和主控制系统相连接，包括步进电机、滚珠丝杆、丝杆固定架、步进电机驱动器、步进电机控制器以及滑动质量块，其中，所述步进电机与丝杆固定架固连；所述丝杆固定架通过固定件与搭载平台固连；所述滑动质量块安装在滚珠丝杆上；重心调节机构改变滑块的位置调节滑翔机的重心，是滑翔机产生下潜上浮运动中相应的姿态角，进而产生向前运动的动力；

初始阶段为滑翔机调整阶段，便携式水下海洋环境监测滑翔机漂浮在水面上；通过浮力调节机构的控制，水泵开始向内置的水囊吸水，此时便携式水下海洋环境监测滑翔机重力大于浮力，产生驱动便携式水下海洋环境监测滑翔机下潜的动力；之后滑翔机进入稳定滑翔阶段，重心调节机构开始工作，在步进电机的作用下，滑块向艏向运动，重心也向艏向运动，驱使便携式水下海洋环境监测滑翔机产生艏倾；在下潜净浮力和滑翔机艏倾的共同作用下，便携式水下海洋环境监测滑翔机开始滑翔运动，到达预设深度；

在稳定滑翔阶段，便携式水下海洋环境监测滑翔机不消耗任何能量；当便携式水下海洋环境监测滑翔机到达预设深度后，主控制系统生成与稳定滑翔阶段相反的控制，驱使便携式水下海洋环境监测滑翔机进行上浮滑翔运动，直到便携式水下海洋环境监测滑翔机浮出水面，完成一次滑翔周期；

完成一次滑翔周期后，便携式水下海洋环境监测滑翔机在水面通过天线传输数据及接收新的控制命令。

2.根据权利要求1所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述中间耐压壳体包括圆柱形筒体、首部密封盖和尾部密封盖，其中，所述首部密封盖和尾部密封盖通过紧固件与圆柱形筒体固定连接，并通过密封件密封；所述深度传感器设置在尾部密封盖的内侧上。

3.根据权利要求2所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述中间耐压壳体为流线型、长径比为6～7的压力筒；所述水平滑翔翼和垂向稳定翼为采用的0.4cm的薄板加工而成；所述密封件为O型密封圈。

4.根据权利要求1所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述水平滑翔翼升力中心位于重心后1～2cm处，并具有10°的后掠角。

5.根据权利要求1所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述艉部整流罩为圆锥台型；所述艏部整流罩为半椭球型。

6.根据权利要求1所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述电源模块固定设置在舯部舱室的上舱室，包括锂电池以及用于电力分配的电源分配板。

7.根据权利要求1所述的便携式水下海洋环境监测滑翔机，其特征在于，所述主控制系统设置在艉部舱室的上舱室，在包括微型计算机、GPS定位模块、主控制电路板以及传感器组件，所述传感器组件与主控制电路板相连接，所述主控制电路板与微型计算机相连接，其中：

-微型计算机，固连在固定在搭载平台上的主控制电路板上，用于存储及处理传感器组件获得的数据，生成控制信号；

-GPS定位模块，固定设置在艉部舱室的上舱室，用于在滑翔机露出水面时定位运载器的位置；

-传感器组件，包括三轴加速度传感器、三轴角加速度传感器以及姿态传感器，用于测量滑翔机在水下的运动姿态和运动情况，进而控制滑翔机的运动。