CN103318381B - 一种自主移动式监测浮标及其监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自主移动式监测浮标及其监测方法，所述的浮标包括圆碟形外壳、密封壳、控制系统、通信导航系统、驱动系统、传感器系统和能源系统，所述的控制系统分别与通信导航系统、驱动系统、传感器系统和能源系统连接，所述圆碟形外壳分上部壳体和下部壳体，上部壳体和下部壳体之间形成空腔。由于本发明圆碟形外壳的外形采用回转面形状，径厚比设计较大，其操纵的灵活性极好，可实现0回转半径的转向运动，大径厚比设计提高浮标滑行运动的升阻比，可以实现在较浅水域实现较大的水平位移运动。圆碟形外壳的外形上表面小曲率设计有效提高太阳能电池板的发电效率。本发明能有效增加圆碟形自主移动式监测浮标连续作业时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种水面污染物跟踪监控技术，特别是一种自主移动式监测浮标及其监测方法。
背景技术
目前对水文环境及水中污染物实施长时间连续监控的作业主要由安装了各种传感器的浮标完成。浮标有固定式和移动式两种，固定式浮标多采用锚泊固定方式，执行指定位置的水体监控任务，不具备机动能力；移动式浮标分为被动式和主动式两种，被动式的漂流浮标没有安装动力系统，只能自由漂浮于水面或者水中，通过通信导航系统完成浮标自身的定位，并把坐标数据传送回地面监控中心，美国、荷兰、加拿大等国家的成熟产品已经广泛应用在海洋环境监测等领域，但该类浮标不具备指定位置执行检测任务的能力，也不具备接收指令改变监控位置的能力。主动式浮标安装了控制及动力系统，可以自主控制浮标的运动，按照设定的运动路线运动，从而实现对指定水域的动态监控以及污染物的准确跟踪等作业，水下滑翔器就是一种主动式浮标，多个国家在该领域都有研究，美国已经有较为成熟的产品应用在水下环境监控，但主要应用在较深海域的长距离大范围作业，原因在于按照水下滑翔器的驱动机理，其水下运动的水平加速度是垂直运动受到的水动力的水平分力产生的，且水动力的大小与运动速度相关，因此只有在垂直运动速度较快时才能产生理想的水平运动驱动力,水下滑翔器水平运动一定距离的前提条件是在水深方向上存在足够行程。一般水下滑翔机的转向运动是通过螺旋形的运动轨迹完成的，回转半径大，操纵的灵活性差，对运动控制要求较高的近距离有目的移动难以实现。因此现阶段其应用范围被限制在深水长距离大范围海洋监测任务中，在执行该类任务时，水下滑翔器的节能优势明显，其能量供给全部依靠高能电池，不需中途能量补充。水下滑翔器的通讯主要依靠无线电或者ARGO卫星，无线电通讯距离较短，ARGO卫星通讯则是间断的，每隔约4小时才能通讯一次，难以实施较为精确的控制。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以在指定的位置、指定的较小水体范围以及浅水域执行长期连续监控作业任务的自主移动式监测浮标及其监测方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种自主移动式监测浮标，包括圆碟形外壳、密封壳、控制系统、通信导航系统、驱动系统、传感器系统和能源系统，所述的控制系统分别与通信导航系统、驱动系统、传感器系统和能源系统连接，所述圆碟形外壳的外形是一个回转面形状，俯视图呈圆形，侧视图呈流线型，外壳的最大直径是最大高度的2倍以上；圆碟形外壳分上部壳体和下部壳体，上部壳体和下部壳体之间采用螺栓进行连接，内部形成空腔；圆碟形外壳内部设置密封壳，密封壳内为水密空间；在圆碟形外壳与密封壳之间设置油囊，油囊与密封壳内电驱液压筒通过油管连通；圆碟形外壳上布置进水孔，将圆碟形外壳和密封壳之间的非水密空间与圆碟形外壳外的水体连通；所述驱动系统包括浮力调节模块和重心调节模块；所述浮力调节模块由电驱液压模块a和电驱液压模块b组成；所述电驱液压模块a由电驱液压缸a和油囊组成，所述电驱液压模块b由电驱液压缸b和油囊组成；电驱液压缸a与电驱液压缸b平行布置，且电驱液压缸a与电驱液压缸b的活塞推进方向相反；所述重心调节模块由电驱滑块模块a和电驱滑块模块b组成；所述能源系统包括蓄能电池和太阳能电池板；所述太阳能电池板安装在圆碟形外壳的上表面；所述传感器系统包括水压传感器、水温传感器、电子罗盘、倾角传感器和加速度传感器，所述的电子罗盘、倾角传感器和加速度传感器安装在密封壳内，水压传感器和水温传感器安装在密封壳外；
所述的通信导航系统包括卫星天线、导航定位模块、短报文通信模块，负责接收指挥中心的指令后，传送至控制系统；同时接受控制系统的指令，通过短报文通信模块将浮标的位置信息、监测数据等回传指挥中心；
所述的控制系统控制通信系统接收卫星导航定位和指令，解读通信导航系统接收的指令；控制系统控制驱动系统的重心调节模块和浮力调节模块实施重心的平面调节和浮力的调整；控制系统根据蓄能电池的反馈的蓄能状态以及作业需要，实施对能源系统的节能管理，使得能源系统在水面时利用太阳能电池板进行蓄能，并实现能源系统的待机节电模式和正常工作模式的切换；控制系 统控制传感器系统采集数据，并接受传感器系统的数据反馈；
所述的电驱液压模块a和电驱液压模块b均采用步进电机推动活塞，将液压油缸内的油液压进密封壳外的油囊中，或者将油囊中的油吸进液压油缸内，从而达到增加或者减少圆碟形自主移动式监测浮标的排水体积，调节净浮力的目的；
所述的电驱液压模块a和电驱液压模块b均采用步进电机推动活塞，
所述的重心调节模块包括电驱滑块模块a和电驱滑块模块b，两者相互垂直布置；
所述的电驱滑块模块a和电驱滑块模块b采用步进电机推动质量块直线运动，实现圆碟形自主移动式监测浮标重心在一个方向上的重心移动；
所述的通信导航系统包括嵌入式北斗卫星天线、卫星导航定位模块以及短报文通信模块；通信导航系统接收北斗卫星系统信号，并通过北斗卫星系统向指挥中心回传数据，实现北斗卫星短报文通信和导航定位功能；
所述的控制系统内嵌嵌入式操作系统，负责航行控制、数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、电源管理、路径规划及故障诊断。
本发明所述的圆碟形外壳的上表面曲率较小，以利于太阳能电池板的安装，并获得更高的发电效率。
本发明所述的圆碟形外壳由玻璃钢或者塑料制作。
本发明所述的圆碟形外壳由轻质耐腐蚀合金材料制作。
本发明所述的太阳能电池板为非晶硅太阳能电池板或单晶硅太阳能电池板或多晶硅太阳能电池板或多元化合物太阳能电池板。
一种圆碟形自主移动式监测浮标的监测方法，包括以下步骤：
A、将圆碟形自主移动式监测浮标投放到指定水域，并启动圆碟形自主移动式监测浮标上的各个系统；
B、通过通信导航系统接受地面指挥中心的指令，制定运动路径，由控制系统向驱动系统的浮力调节模块和重心调节模块发出指令，驱动圆碟形自主移动式监测浮标在水中运动；
C、定时或者指定深度启动传感器系统的水压传感器和水温传感器，获得监测数据并存储监测数据；
D、圆碟形自主移动式监测浮标完成数据采集任务后，上浮至水面，将监测 数据通过通信导航系统的短报文通信模块传送到地面指挥中心，启动太阳能电池板对蓄能电池进行充电，接受指挥中心的下一步行动指令。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、由于本发明圆碟形外壳的外形采用回转面形状，径厚比设计较大，其操纵的灵活性极好，可实现0回转半径的转向运动，大径厚比设计提高浮标滑行运动的升阻比，可以实现在较浅水域实现较大的水平位移运动。圆碟形外壳的外形上表面小曲率设计有效提高太阳能电池板的发电效率。
2、由于本发明在圆碟形外壳的上表面铺设太阳能电池板，圆碟形自主移动式监测浮标漂浮在水面时可以实现能源的自我补充，有效增加圆碟形自主移动式监测浮标连续作业时间。
3、由于本发明采用北斗通讯导航系统实现浮标的定位导航、通讯、控制功能，有效提高信息和控制的实时性；同时有利于构建一个指挥中心和多个监控圆碟形自主移动式监测浮标的监测系统。
4、本发明具有水平运动阻力小、升阻比较大、极高的操纵灵活性，大大降低小水域机动、转向的能耗，提高机动和转向运动的完成速度。安装太阳能发电设备，执行监测任务的能量消耗可以得到补充，可以执行长期不间断监测任务。安装双向通讯模块，以便接受监控中心指令控制，实施精确控制，并回传位置和监测数据。
附图说明
本发明共有附图3张，其中：
图1是圆碟形自主移动式监测浮标结构俯视图。
图2是圆碟形自主移动式监测浮标结构侧视图。
图3是圆碟形自主移动式监测浮标控制电路示意图。
图中：1、太阳能电池板，2、圆碟形外壳，3、密封壳，4、油管，5、油囊，6、进水孔，7、水压传感器，8、水温传感器，9、电驱滑块模块a，10、电驱滑块模块b，11、电驱液压缸a，12、电驱液压缸b，13、控制系统，14、电子罗盘，15、倾角传感器，16、加速度传感器，17、导航定位模块，18、蓄能电池，19、短报文通信模块，20、卫星天线，21、浮力调节模块，22、重心调节模块，23、通信导航系统，24、传感器系统，25、能源系统，26、驱动系统，27、电驱液压模块a，28、电驱液压模块b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种自主移动式监测浮标包括圆碟形外壳2、密封壳3、控制系统13、通信导航系统23、驱动系统26、传感器系统24和能源系统25，所述的控制系统13分别与通信导航系统23、驱动系统26、传感器系统24和能源系统25连接，所述圆碟形外壳2的外形是一个回转面形状，俯视图呈圆形，侧视图呈流线型，外壳的最大直径是最大高度的2倍以上；圆碟形外壳2分上部壳体和下部壳体，上部壳体和下部壳体之间采用螺栓进行连接，内部形成空腔；圆碟形外壳2内部设置密封壳3，密封壳3内为水密空间；在圆碟形外壳2与密封壳3之间设置油囊5，油囊5与密封壳3内电驱液压筒通过油管4连通；圆碟形外壳2上布置进水孔6，将圆碟形外壳2和密封壳3之间的非水密空间与圆碟形外壳2外的水体连通；所述驱动系统26包括浮力调节模块21和重心调节模块22；所述浮力调节模块21由电驱液压模块a27和电驱液压模块b28组成；所述电驱液压模块a27由电驱液压缸a11和油囊5组成，所述电驱液压模块b28由电驱液压缸b12和油囊5组成；电驱液压缸a11与电驱液压缸b12平行布置，且电驱液压缸a11与电驱液压缸b12的活塞推进方向相反；所述重心调节模块22由电驱滑块模块a9和电驱滑块模块b10组成；所述能源系统25包括蓄能电池18和太阳能电池板1；所述太阳能电池板1安装在圆碟形外壳2的上表面；所述传感器系统24包括水压传感器7、水温传感器8、电子罗盘14、倾角传感器15和加速度传感器16，所述的电子罗盘14、倾角传感器15和加速度传感器16安装在密封壳3内，水压传感器7和水温传感器8安装在密封壳3外；
所述的通信导航系统23包括卫星天线20、导航定位模块17、短报文通信模块19，负责接收指挥中心的指令后，传送至控制系统13；同时接受控制系统13的指令，通过短报文通信模块19将浮标的位置信息、监测数据等回传指挥中心；
所述的控制系统13控制通信系统接收卫星导航定位和指令，解读通信导航系统23接收的指令；控制系统13控制驱动系统26的重心调节模块22和浮力调节模块21实施重心的平面调节和浮力的调整；控制系统13根据蓄能电池18的反馈的蓄能状态以及作业需要，实施对能源系统25的节能管理，使得能源系统25在水面时利用太阳能电池板1进行蓄能，并实现能源系统25的待机节电 模式和正常工作模式的切换；控制系统13控制传感器系统24采集数据，并接受传感器系统24的数据反馈；
所述的电驱液压模块a27和电驱液压模块b28均采用步进电机推动活塞，将液压油缸内的油液压进密封壳3外的油囊5中，或者将油囊5中的油吸进液压油缸内，从而达到增加或者减少圆碟形自主移动式监测浮标的排水体积，调节净浮力的目的；
所述的电驱液压模块a27和电驱液压模块b28均采用步进电机推动活塞，
所述的重心调节模块22包括电驱滑块模块a9和电驱滑块模块b10，两者相互垂直布置；
所述的电驱滑块模块a9和电驱滑块模块b10采用步进电机推动质量块直线运动，实现圆碟形自主移动式监测浮标重心在一个方向上的重心移动；
所述的通信导航系统23包括嵌入式北斗卫星天线20、卫星导航定位模块17以及短报文通信模块19；通信导航系统23接收北斗卫星系统信号，并通过北斗卫星系统向指挥中心回传数据，实现北斗卫星短报文通信和导航定位功能；
所述的控制系统13内嵌嵌入式操作系统，负责航行控制、数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、电源管理、路径规划及故障诊断。
本发明所述的圆碟形外壳2的上表面曲率较小，以利于太阳能电池板1的安装，并获得更高的发电效率。
本发明所述的圆碟形外壳2由玻璃钢或者塑料制作。
本发明所述的圆碟形外壳2由轻质耐腐蚀合金材料制作。
本发明所述的太阳能电池板1为非晶硅太阳能电池板1或单晶硅太阳能电池板1或多晶硅太阳能电池板1或多元化合物太阳能电池板1。
一种圆碟形自主移动式监测浮标的监测方法，包括以下步骤：
A、将圆碟形自主移动式监测浮标投放到指定水域，并启动圆碟形自主移动式监测浮标上的各个系统；
B、通过通信导航系统23接受地面指挥中心的指令，制定运动路径，由控制系统13向驱动系统26的浮力调节模块21和重心调节模块22发出指令，驱动圆碟形自主移动式监测浮标在水中运动；
C、定时或者指定深度启动传感器系统24的水压传感器7和水温传感器8，获得监测数据并存储监测数据；
D、圆碟形自主移动式监测浮标完成数据采集任务后，上浮至水面，将监测数据通过通信导航系统23的短报文通信模块19传送到地面指挥中心，启动太阳能电池板1对蓄能电池18进行充电，接受指挥中心的下一步行动指令。
Claims (6)
1.一种自主移动式监测浮标，其特征在于：包括圆碟形外壳(2)、密封壳(3)、控制系统(13)、通信导航系统(23)、驱动系统(26)、传感器系统(24)和能源系统(25)，所述的控制系统(13)分别与通信导航系统(23)、驱动系统(26)、传感器系统(24)和能源系统(25)连接，所述圆碟形外壳(2)的外形是一个回转面形状，俯视图呈圆形，侧视图呈流线型，外壳的最大直径是最大高度的2倍以上；圆碟形外壳(2)分上部壳体和下部壳体，上部壳体和下部壳体之间采用螺栓进行连接，内部形成空腔；圆碟形外壳(2)内部设置密封壳(3)，密封壳(3)内为水密空间；在圆碟形外壳(2)与密封壳(3)之间设置油囊(5)，油囊(5)与密封壳(3)内电驱液压筒通过油管(4)连通；圆碟形外壳(2)上布置进水孔(6)，将圆碟形外壳(2)和密封壳(3)之间的非水密空间与圆碟形外壳(2)外的水体连通；所述驱动系统(26)包括浮力调节模块(21)和重心调节模块(22)；所述浮力调节模块(21)由电驱液压模块a(27)和电驱液压模块b(28)组成；所述电驱液压模块a(27)由电驱液压缸a(11)和油囊(5)组成，所述电驱液压模块b(28)由电驱液压缸b(12)和油囊(5)组成；电驱液压缸a(11)与电驱液压缸b(12)平行布置，且电驱液压缸a(11)与电驱液压缸b(12)的活塞推进方向相反；所述重心调节模块(22)由电驱滑块模块a(9)和电驱滑块模块b(10)组成；所述能源系统(25)包括蓄能电池(18)和太阳能电池板(1)；所述太阳能电池板(1)安装在圆碟形外壳(2)的上表面；所述传感器系统(24)包括水压传感器(7)、水温传感器(8)、电子罗盘(14)、倾角传感器(15)和加速度传感器(16)，所述的电子罗盘(14)、倾角传感器(15)和加速度传感器(16)安装在密封壳(3)内，水压传感器(7)和水温传感器(8)安装在密封壳(3)外；
所述的通信导航系统(23)包括卫星天线(20)、导航定位模块(17)、短报文通信模块(19)，负责接收指挥中心的指令后，传送至控制系统(13)；同时接受控制系统(13)的指令，通过短报文通信模块(19)将浮标的位置信息、监测数据回传指挥中心；
所述的控制系统(13)控制通信系统接收卫星导航定位和指令，解读通信导航系统(23)接收的指令；控制系统(13)控制驱动系统(26)的重心调节模块(22)和浮力调节模块(21)实施重心的平面调节和浮力的调整；控制系统(13)根据蓄能电池(18)的反馈的蓄能状态以及作业需要，实施对能源系统(25)的节能管理，使得能源系统(25)在水面时利用太阳能电池板(1)进行蓄能，并实现能源系统(25)的待机节电模式和正常工作模式的切换；控制系统(13)控制传感器系统(24)采集数据，并接受传感器系统(24)的数据反馈；
所述的电驱液压模块a(27)和电驱液压模块b(28)均采用步进电机推动活塞，将液压油缸内的油液压进密封壳(3)外的油囊(5)中，或者将油囊(5)中的油吸进液压油缸内，从而达到增加或者减少圆碟形自主移动式监测浮标的排水体积，调节净浮力的目的；
所述的电驱液压模块a(27)和电驱液压模块b(28)均采用步进电机推动活塞，
所述的重心调节模块(22)包括电驱滑块模块a(9)和电驱滑块模块b(10)，两者相互垂直布置；
所述的电驱滑块模块a(9)和电驱滑块模块b(10)采用步进电机推动质量块直线运动，实现圆碟形自主移动式监测浮标重心在一个方向上的重心移动；
所述的通信导航系统(23)包括嵌入式北斗卫星天线(20)、卫星导航定位模块(17)以及短报文通信模块(19)；通信导航系统(23)接收北斗卫星系统信号，并通过北斗卫星系统向指挥中心回传数据，实现北斗卫星短报文通信和导航定位功能；
所述的控制系统(13)内嵌嵌入式操作系统，负责航行控制、数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、电源管理、路径规划及故障诊断。
2.根据权利要求1所述的一种自主移动式监测浮标，其特征在于：所述的圆碟形外壳(2)的上表面曲率较小，以利于太阳能电池板(1)的安装，并获得更高的发电效率。
3.根据权利要求1所述的一种自主移动式监测浮标，其特征在于：所述的圆碟形外壳(2)由玻璃钢或者塑料制作。
4.根据权利要求1所述的一种自主移动式监测浮标，其特征在于：所述的圆碟形外壳(2)由轻质耐腐蚀合金材料制作。
5.根据权利要求1所述的一种自主移动式监测浮标，其特征在于：所述的太阳能电池板(1)为非晶硅太阳能电池板或单晶硅太阳能电池板或多晶硅太阳能电池板或多元化合物太阳能电池板。
6.一种圆碟形自主移动式监测浮标的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、将圆碟形自主移动式监测浮标投放到指定水域，并启动圆碟形自主移动式监测浮标上的各个系统；
B、通过通信导航系统(23)接受地面指挥中心的指令，制定运动路径，由控制系统(13)向驱动系统(26)的浮力调节模块(21)和重心调节模块(22)发出指令，驱动圆碟形自主移动式监测浮标在水中运动；
C、定时或者指定深度启动传感器系统(24)的水压传感器(7)和水温传感器(8)，获得监测数据并存储监测数据；
D、圆碟形自主移动式监测浮标完成数据采集任务后，上浮至水面，将监测数据通过通信导航系统(23)的短报文通信模块(19)传送到地面指挥中心，启动太阳能电池板(1)对蓄能电池(18)进行充电，接受指挥中心的下一步行动指令。
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