CN103612723B - 一种深远海全自主海洋环境监测浮标 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种深远海全自主海洋环境监测浮标，包括浮体、潜体和连接浮体与潜体的垂直的支柱，浮体上部布置有风速传感器、风向传感器、卫星天线及太阳能电池板；潜体内腔中布置有发电机、一对啮合齿轮、集控中心、蓄电池、GPS模块、配电板、主机和集线器；支柱为中空柱体，支柱的中腔中是垂直的齿轮轴，齿轮轴上部分的旁侧固定连接位于海面位置的测量面板，测量面板表面分布有波浪测量传感器，齿轮轴下端伸进潜体内连接一对啮合齿轮，一对啮合齿轮连接发电机；潜体外的四周均匀布置个螺旋桨，每个螺旋桨均通过一个主机轴连接一个主机，能实现全天候作业和高精度定点测量，具有优良的稳性和耐波性，具有自扶正功能。
Description
技术领域
本发明涉及海洋环境监测技术领域，具体涉及一种能自主控制的适用于深海远海的海洋环境监测浮标。
背景技术
随着海洋技术的发展和人们对海洋资源的不断开发，对海浪参数的监测就显得尤为重要。目前，对近海岸、中远程海浪的监测多采用测波浮标，测波浮标由锚系系统固定于海底，在海上通过传感器采集数据，然后把采集到的数据传送到岸上，在岸上用计算机对数据进行处理，反演海洋参数。这种测波浮标存在的缺陷是：一是由于以锚定方式固定，使得其在深海远海的测量受到很大的限制，不适用于深海和距离海岸太远的区域，二是由于受到波浪力作用，很难做到高精度的定点观测；三是安装运输困难，可利用率低，回收困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的深远海全自主海洋环境监测浮标，该浮标可适用于深海远海的定点海洋环境监测，能高精度的定点观测，实现高效、自主、全天候作业的功能。
本发明通过以下技术方案予以实现：包括浮体、潜体和连接浮体与潜体的垂直的支柱，浮体位于海面之上且靠近海面，潜体位于海面之下且远离海面，浮体上部布置有风速传感器、风向传感器、卫星天线及太阳能电池板；潜体为一个中空的密封腔体，潜体内腔中布置有发电机、一对啮合齿轮、集控中心、蓄电池、GPS模块、配电板、主机和集线器；支柱为中空柱体，支柱的中腔中是垂直的齿轮轴，齿轮轴上部分的旁侧固定连接位于海面位置的测量面板，测量面板表面分布有波浪测量传感器，测量面板的运动与支柱不干涉，齿轮轴下端伸进潜体内连接一对啮合齿轮，一对啮合齿轮连接发电机；潜体外的四周均匀布置个螺旋桨，每个螺旋桨均通过一个主机轴连接一个主机，太阳能电池板和发电机分别电连接蓄电池，蓄电池通过配电板分别电连接集控中心、GPS模块、主机、风向传感器、风速传感器以供电；波浪测量传感器、GPS模块、主机、风向传感器、风速传感器分别通过集线器连接集控中心，集控中心通过卫星天线将数据发送到岸基控制中心。
本发明与现有测波浮标相比，具有以下优点：
1、本发明不仅可以利用浮体上面的太阳能电池板采集太阳能，而且还可以利用测量面板与发电机采集波浪能，从而实现了全天候作业，克服现有测波浮标工作区域受限和工作效率低的缺点。
2、基于波浪理论相关知识，波浪的强度是随着水深成快速下降，基本在0.5倍波长的深度区域波浪强度基本为零，本发明中支柱的长度为当地平均波长的0.5倍，此时潜体处于平静的水域，能够有效地减小其受波浪的影响。
3、本发明中潜体上布置的四个螺旋桨可根据实时的GPS坐标与岸基控制中心提供的需要测量海区的经纬度信息对比，当出现位置偏移时，控制中心向四个电机发送控制信号，通过控制四个螺旋桨的旋转从而使浮标恢复到预定位置，以实现浮标的高精度定点测量。
4、本发明由于大部分的重量集中在潜体，因此重心低，具有优良的稳性和耐波性，可实现高海况下的作业，具有自扶正功能。
附图说明
图1本发明的主视图；
图2是图1的俯视图；
图3是图2的A-A剖视图；
图4是图3的B-B剖视图；
图5是本发明的电路示意图；
1—浮体，2—支柱，3—潜体，4—螺旋桨，5—测量面板，6—齿轮轴，7—轴承，8—啮合齿轮，9—主机轴，10—主机，11—蓄电池，12—发电机，13—GPS模块，14—集控中心，15—配电板,16—卫星天线，17—风向传感器，18—风速传感器，19—波浪测量传感器，20—集线器，21—太阳能电池板，22—海面。
具体实施方式
参见图1、图2、图3和图4，本发明包括浮体1和潜体3、连接浮体1和潜体3的支柱2，浮体1位于海面22之上且靠近海面22，浮体1采用纵剖面为弓形或者改良弓形的柱体；潜体3位于海面22之下，远离海面22，潜体3为一个中空的密封腔体，纵截面为扁平状，横截面为圆形。浮体1和潜体3之间垂直连接支柱2，支柱2为中空柱体，在支柱2的中腔中是垂直的齿轮轴6，齿轮轴6上部分的旁侧固定连接测量面板5，测量面板5为一平板，位于海面22的位置，在测量面板5表面分布波浪测量传感器19，可测量各种波浪，海流等信息。可在靠近浮体1处的支柱2侧面设有开口，将测量面板5通过开口与支柱2内部的齿轮轴6连接在一起，使测量面板5的运动不受支柱2干涉，测量面板5的运动角度大小为60°-180°。
在支柱2的内部高压加注黄油等固体润滑剂，并在支柱2的上部分和下端均安装轴承7，用橡胶环等密封装置密封。
齿轮轴6下端伸进潜体3内部，并且连接位于潜体3内的一对啮合齿轮8，一对啮合齿轮8连接位于潜体3内的发电机12，一对啮合齿轮8的减速比为1:5-10。
浮体1的上部布置风速传感器18、风向传感器17、卫星天线16及太阳能电池板21等设备。太阳能电池板21可固定在浮体1的上表面上，其余设备均通过支架固定在浮体1上。浮体1的表面积主要根据布置设备，特别是太阳能电池板21的效率来确定。
在潜体3内，除了一对啮合齿轮8和发电机12外，还布置有集控中心14、蓄电池11、GPS模块13、配电板15、主机10和集线器20等设备，潜体3内部多余空间全部采用小重度浮力材料填充，可大幅度地提高了破损时的抗沉性，为在破损条件下维持工作能力提供了支撑。
在潜体3外的四周均匀布置4个螺旋桨4，每个螺旋桨4均通过主机轴9连接潜体3内的一个主机10，由4个主机10通过相应的4个主机轴9带动相应的4个螺旋桨4转动。
浮体1、支柱2和潜体3均采用轻质材料，例如：碳纤维复合材料，铝合金等。
参见图5，太阳能电池板21和发电机12分别电连接蓄电池11，波浪作用作用在测量面板5，测量面板5带动齿轮轴6从而驱动发电机12发电，给蓄电池11充电，太阳能电池板21也给蓄电池11充电。蓄电池11通过配电板15分别电连接集控中心14、GPS模块13、主机10、风向传感器17、风速传感器18，向各部分供电。同时GPS模块13、主机10、风向传感器17、风速传感器18等产生的反馈或测量的数据分别通过集线器20输入到集控中心14，波浪测量传感器19也通过集线器20将测量的数据输入到集控中心14，集控中心14对收到的数据进行分析、处理、保存，集控中心14同时可利用卫星天线16将数据发送到岸基控制中心，所有的测量数据可通过集控中心14处理并通过卫星发送到岸基控制中心。
本发明利用浮体1上面的太阳能电池板21采集太阳能，利用测量面板5与发电机12采集波浪能，实现全天候作业。同时基于波浪理论相关知识，波浪的强度是随着水深成快速下降，基本在0.5波长的深度区域波浪强度基本为零，因此将支柱2的上下高度即长度设计为测量海域平均波长的0.5-2倍，使潜体3处于平静的水域，能够有效的减小其受波浪的影响。将岸基控制中心提供的需要测量海区的经纬度信息与GPS模块13提供的位置坐标对比，控制主机10带动潜体3上布置的4个螺旋桨4旋转，当出现位置偏移时，通过4个螺旋桨4的旋转使浮标1恢复到预定位置，实现自主定位以及高精度定点测量。通过合理选择支柱高度和对潜体螺旋桨的实时控制，实现浮标的定点测量。
Claims (7)
1.一种深远海全自主海洋环境监测浮标，包括浮体（1）、潜体（3）和连接浮体（1）与潜体（3）的垂直的支柱（2），浮体（1）位于海面之上且靠近海面，潜体（3）位于海面之下且远离海面，其特征是：浮体（1）上部布置有风速传感器（18）、风向传感器（17）、卫星天线（16）及太阳能电池板（21）；潜体（3）为一个中空的密封腔体，潜体（3）内腔中布置有发电机（12）、一对啮合齿轮（8）、集控中心（14）、蓄电池（11）、GPS模块（13）、配电板（15）、主机（10）和集线器（20）；支柱（2）为中空柱体，支柱（2）的中腔中是垂直的齿轮轴（6），齿轮轴（6）上部分的旁侧固定连接位于海面位置的测量面板（5），测量面板（5）表面分布有波浪测量传感器（19），测量面板（5）的运动与支柱（2）不干涉；齿轮轴（6）下端伸进潜体（3）内连接一对啮合齿轮（8），一对啮合齿轮（8）又连接发电机（12）；潜体（3）外的四周均匀布置4个螺旋桨（4），每个螺旋桨（4）均通过一个主机轴（9）连接一个主机（10），太阳能电池板（21）和发电机（12）分别电连接蓄电池（11），蓄电池（11）通过配电板（15）分别电连接集控中心（14）、GPS模块（13）、主机（10）、风向传感器（17）、风速传感器（18）以供电；波浪测量传感器（19）、GPS模块（13）、主机（10）、风向传感器（17）、风速传感器（18）分别通过集线器（20）连接集控中心（14），集控中心（14）通过卫星天线（16）将数据发送到岸基控制中心；
波浪作用在测量面板（5），测量面板（5）带动齿轮轴（6）从而驱动发电机（12）发电，给蓄电池（11）充电，利用测量面板（5）与发电机（12）采集波浪能；将岸基控制中心提供的需要测量海区的经纬度信息与GPS模块（13）提供的位置坐标对比，控制主机（10）带动4个螺旋桨（4）旋转，当出现位置偏移时，通过4个螺旋桨（4）的旋转使浮体（1）恢复到预定位置。
2.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：潜体（3）内部的空间部分用小重度浮力材料填充。
3.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：潜体（3）的纵截面为扁平状，横截面为圆形。
4.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：支柱（2）的上下高度为测量海域平均波长的0.5-2倍。
5.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：太阳能电池板（21）固设在浮体（1）的上表面上。
6.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：一对啮合齿轮（8）的减速比为1:5-10。
7.根据权利要求1所述的一种深远海全自主海洋环境监测浮标，其特征是：在靠近浮体（1）处的支柱（2）侧面设有开口，测量面板（5）通过该开口与支柱（2）内部的齿轮轴（6）连接，测量面板（5）的运动角度为60°-180°。
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