CN105905244B - 自守位声纳定位浮标 - Google Patents

自守位声纳定位浮标 Download PDF

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Abstract

自守位声纳定位浮标，属于水声通信及动力定位技术领域。解决了现有水声定位浮标存在可靠性差、易受风浪影响而偏离目标点、姿态保持困难和布放回收繁琐的问题。本发明所述的自守位声纳定位浮标的水声换能器电子舱的外侧设置有浮体，壳体包括两个弦长不同的翼形结构壳体，两个翼形结构壳体同轴连接，水声换能器电子舱、浮体和舵机均设置在弦长大的翼型结构壳体内，水声换能器电子舱的外侧设置有浮体，浮体上侧设置有舵机，舵机带动舵板摆动，所述舵板设置在弦长大的翼型结构壳体的后侧，弦长大的翼型结构壳体的左右两侧对称设置有稳定翼，所述两个稳定翼的下侧均设置有主推进器。本发明适用于作为浮标使用。

Description

自守位声纳定位浮标
技术领域
本发明属于水声通信及动力定位技术领域。
背景技术
现阶段，水下目标定位跟踪技术主要应用几何原理水声定位方法，按一定阵型设计的浮标阵，通过下吊的水声换能器来采集目标的声学信号，再利用无线电通信技术将数据信息打包上传到母船，母船计算机对收到数据进行解包，存储，运用球面交汇技术解算出目标位置，并监控浮标阵的工作状态。然而，受多方面因素制约，现有水声定位浮标存在着功能单一、可靠性差、易受风浪影响而偏离目标点、姿态保持困难、布放回收繁琐等问题。在浮标实际的应用当中，甚至通过在浮标下方坠锚钩来达到稳定浮标位置及姿态的目的，方法极为原始，在回收时锚钩被抛弃海里，影响海洋环境。
发明内容
本发明是为了解决现有水声定位浮标存在可靠性差、易受风浪影响而偏离目标点、姿态保持困难和布放回收繁琐的问题，提出了一种自守位声纳定位浮标。
本发明所述的自守位声纳定位浮标，它包括天线1、壳体2、舵机3、舵板4、稳定翼5、主推进器6、浮标电子舱7、槽道推进器8、电缆9、水声换能器10、浮体11和水声换能器电子舱12；
水声换能器电子舱12的外侧设置有浮体11，浮体11上侧设置有舵机3，壳体2包括两个弦长不同的翼形结构壳体，弦长大的翼形壳体固定在翼长小的翼形结构壳体的上侧，且两个翼形结构壳体同轴连接，水声换能器电子舱12、浮体11和舵机3均设置在弦长大的翼型结构壳体内，水声换能器电子舱12的外侧设置有浮体11，浮体11上侧设置有舵机3，舵机3带动舵板4摆动，所述舵板4设置在弦长大的翼型结构壳体的后侧，弦长大的翼型结构壳体的左右两侧对称设置有稳定翼5，且稳定翼5与壳体2构成一体件，所述两个稳定翼5的下侧均设置有主推进器6；
槽道推进器8固定在弦长小的翼型结构壳体的底部的中线上，水声换能器10吊设在弦长小的翼形结构壳体的下侧，水声换能器10与水声换能器电子舱12通过电缆连接，所述电缆穿过壳体2；水声换能器电子舱12设置在弦长大的翼形结构壳体的内部；天线1通过螺丝固定在水声换能器电子舱12上侧，浮标电子舱7包括接口板、主控制板、电源板13、安全检测模块14、推进器调速模块15、微型组合惯性卫星导航系统16和电池；
电源板13的输入端连接电池的电源信号输出端，电源板13用于为主控制板、推进器调速模块15、安全检测模块14和微型组合惯性卫星导航系统16供电；安全检测模块14用于检测浮标电子舱7内温湿度与漏水信号；所述安全检测模块14的信号输出端连接主控制板的电子舱环境信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统16的导航信号输出端连接主控制板的导航信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统16的导航信号输出控制信号输入端连接主控制板的控制信号输出导航信号输入端；
水声换能器10的水声信号输出端连接水声换能器电子舱12水声信号输入端，主推进器6的控制信号输入转速反馈信号输出端通过接口板连接推进器调速模块15的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，推进器调速模块15的主推进控制信号输入主推进器转速反馈信号输入端连接主控制板4的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，槽道推进器8控制信号输入转速反馈输出端通过接口板连接主控制板4的槽道推进的控制信号输出槽道推进器转速反馈信号输入端，舵机3的控制信号输入旋转角度反馈信号输出端通过接口板连接主控制板4的舵机控制信号输出舵机旋转角度反馈信号输入端；
天线1的信号输入输出端连接水声换能器电子舱12的无线信号输入输出端，所述天线1的信号输入输出端还通过接口板连接主控制板的无线信号输入输出端。
本发明较传统自由漂浮或锚系声纳浮标如专利申请号CN200610151089.7相比，由于特定的外形设计，具有稳心高，稳性好的特点，有利于天线始终保持竖直状态，保证其通信质量，相比较传统圆柱形浮标而言受风浪影响小，能较好的保持位置漂移速度慢。并且具有灵活性高，可靠性强，能够远程操控，易于布放和回收等优点，其自守位特性新颖而又实用，当受风浪影响飘离定位点过远时，能完全能依靠自身动力，克服海风及浪涌的影响，自动驶回定位点。当用多个浮标组成测量阵时能始终保持测量阵形和测量精度，同时也可根据需要自驱动变换阵型而不需要重新布放。回收时，各个浮标接收到母船发送的回收点经纬度，便自主前往回收点，母船可一次完成所有浮标回收。
附图说明
图1为本发明所述自守位声纳定位浮标的结构示意图；
图2本发明所述自守位声纳定位浮标侧视图；
图3为图2的轴向的剖视图；
图4为本发明所述自守位声纳定位浮标的俯视图；
图5为自守位声纳定位浮标的电气原理框图；
图6为自守位声纳定位浮标动力定位模式示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的自守位声纳定位浮标，它包括天线1、壳体2、舵机3、舵板4、稳定翼5、主推进器6、浮标电子舱7、槽道推进器8、电缆9、水声换能器10、浮体11和水声换能器电子舱12；
水声换能器电子舱12的外侧设置有浮体11，浮体11上侧设置有舵机3，壳体2包括两个弦长不同的翼形结构壳体，弦长大的翼形壳体固定在翼长小的翼形结构壳体的上侧，且两个翼形结构壳体同轴连接，水声换能器电子舱12、浮体11和舵机3均设置在弦长大的翼型结构壳体内，水声换能器电子舱12的外侧设置有浮体11，浮体11上侧设置有舵机3，舵机3带动舵板4摆动，所述舵板4设置在弦长大的翼型结构壳体的后侧，弦长大的翼型结构壳体的左右两侧对称设置有稳定翼5，且稳定翼5与壳体2构成一体件，所述两个稳定翼5的下侧均设置有主推进器6；
槽道推进器8固定在弦长小的翼型结构壳体的底部的中线上，水声换能器10吊设在弦长小的翼形结构壳体的下侧，水声换能器10与水声换能器电子舱12通过电缆连接，所述电缆穿过壳体2；水声换能器电子舱12设置在弦长大的翼形结构壳体的内部；天线1通过螺丝固定在水声换能器电子舱12上侧，浮标电子舱7包括接口板、主控制板、电源板13、安全检测模块14、推进器调速模块15、微型组合惯性卫星导航系统16和电池；
电源板13的输入端连接电池的电源信号输出端，电源板13用于为主控制板、推进器调速模块15、安全检测模块14和微型组合惯性卫星导航系统16供电；安全检测模块14用于检测浮标电子舱7内温湿度与漏水信号；所述安全检测模块14的信号输出端连接主控制板的电子舱环境信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统16的导航信号输出端连接主控制板的导航信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统16的导航信号输出控制信号输入端连接主控制板的控制信号输出导航信号输入端；
水声换能器10的水声信号输出端连接水声换能器电子舱12水声信号输入端，主推进器6的控制信号输入转速反馈信号输出端通过接口板连接推进器调速模块15的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，推进器调速模块15的主推进控制信号输入主推进器转速反馈信号输入端连接主控制板4的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，槽道推进器8控制信号输入转速反馈输出端通过接口板连接主控制板4的槽道推进的控制信号输出槽道推进器转速反馈信号输入端，舵机3的控制信号输入旋转角度反馈信号输出端通过接口板连接主控制板4的舵机控制信号输出舵机旋转角度反馈信号输入端；
天线1的信号输入输出端连接水声换能器电子舱12的无线信号输入输出端，所述天线1的信号输入输出端还通过接口板连接主控制板的无线信号输入输出端。
本实施方式所述的天线采用分时复用模式进行工作，在浮标朝目标点航行时，天线归浮标使用，当浮标到达目标点守位时，天线归水声换能器电子舱用。
具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，天线1包括GPS天线、无线通信天线和航标灯；
航标灯用于夜间导航和起到警示的作用，GPS天线的定位信号输出端连接水声换能器电子舱12的定位信号输入端，所述GPS天线的定位信号输出端还通过接口板连接主控制板的定位信号输入端；无线通信天线41的无线信号输出输入端连接水声换能器电子舱12的无线信号输入输出端，所述无线通信天线41的信号输入输出端还通过接口板连接主控制板的无线信号输入输出端。
具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，接口板包括四个航空插头和多个接插件插头，三个航空插头分别与两个主推进器6和槽道推进器8相连；电池充电线17通过接口板的另一个航空插头与电池相连。
具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式三所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，它还包括霍尔开关18通过接口板接插件插头分别与电池和电源板13相连，用作控制电源板的供电开关。
具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，安全检测模块14包括温度传感器、湿度传感器和漏水检测电路；
所述温度传感器用于检测浮标电子舱7内的温度信号，湿度传感器用于检测浮标电子舱7内的湿度信号，漏水检测电路用于检测浮标电子舱7内是否进入水；温度传感器的信号输出端、湿度传感器的信号输出端和漏水检测电路的信号输出端为安全检测模块14的信号输出端。
具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，推进器调速模块15包括左侧主推器调速模块、右侧主推器调速模块和槽道推进器调速模块；所述左侧主推器调速模块的调速信号输出端通过接口板与固定在稳定翼5左侧的主推进器6的调速信号输入端相连，右侧主推器调速模块的调速信号输出端通过接口板与固定在稳定翼5右侧的主推进器6的调速信号输入端相连，槽道推进器调速模块的调速信号输出端通过接口板与槽道推进器8的调速控制信号输入端相连。
具体实施方式七、本实施方式是对具体实施方式一所述的自守位声纳定位浮标的进一步说明，它还包括程序下载线19，所述程序下载线19的一端用过接口板连接主控制板的程序下载信号输入端。
为便于使用，浮标工作模式分为：
1.动力定位模式:在目标点进行区域位置保持；
2.备航模式:手动设定推进器转速，检查推进器工作是否正常，电子舱有无进水，以及电源当前电压；
3.手动操作模式:手动设定浮标航向和航速，用于浮标布放和回收；
4.自由漂浮模式:推进器断电，浮标自由漂浮；
为便于操作浮标，设计浮标监控软件，记录浮标运行轨迹和控制浮标。
根据实际工程需求，允许浮标漂离目标点一定的距离但不应太大，不能对测量阵的阵型有明显影响，同时为了避免天线贴近海面时通信质量变差，浮标的摇摆角度不应过大。因此，如图6所示，当浮标漂离目标点超过R2(可根据实际需求自行设定距离，如50m)时，即飘出超过半径R2米的圆形区域时，浮标推进器开始工作使浮标向目标点靠近；当浮标进入以目标点为圆心半径R1(可根据实际需求自行设定距离，如10m)的圆形区域时，浮标停止向目标点靠近，避免推进器反复正反转对推进器造成损伤；当浮标摇摆角度过大(可根据实际需求设定，如30°)时，启动辅助推进器，调节浮标的姿态，使纵摇的角度在允许的范围之内。
本发明所述的自守位声纳浮标的工作过程，包括如下步骤：
在自守位声纳浮标下水之前，启动备航模式，输入较小推进器转速，检测推进器是否能正常运行，舱内有无漏水，电压电流是否正常，GPS和通信天线是否能正常工作。
各项检测均正常以后，起吊下水，启动手动操作模式使浮标驶离母船一定距离后，浮标的无线通信天线接收母船发送的目标点信号和定位区域大小，进入动力定位模式，浮标依靠自身动力自行前往目标点。
浮标每间隔30s向母船发送数据包，数据包内有当前经纬度坐标、目标点经纬度坐标，当前航向角、设定航向角，横摇、纵摇、推进器电流、动力电池和仪表电池的电压、电流等信息。
浮标行驶至目标点后，推进器停止工作，声纳浮标自由漂浮，水声换能器开始工作，并向母船发送探测到的信息。
当浮标超出定位区域边界后，浮标推进器开始工作使浮标向目标点靠近；当浮标进入合理圆区域后，浮标停止向目标点靠近，避免因定位误差使浮标在目标点附近反复机动，推进器反复正反转对推进器造成损伤。
当实验结束后，母船向声纳浮标发送回收点的经纬度坐标，浮标自动前往回收点等待回收。
本发明的有益效果是：
1、自守位声纳浮标的水声换能器所组成的阵列，为适应应用于较深海域(大于150m海域)，水声换能器通过接收水底目标的声信号，根据几何原理水声定位方法，能够精确测得目标的具体位置并实现目标跟踪。
2、能够保持自身位置而不发生偏离，当受海流或者外界因素偏离定位点时，浮标进入区位保持模式，能靠自身动力驶回目标点，从而保持测量阵形和测量精度，提高了测量的可靠性，完全不需要人为干预。
3、能够根据需求变换测量阵型，满足不同的使用需求。
4、只需向浮标发送母船位置，浮标阵即可依靠自身动力返回母船，回收方便。
5、只需母船向浮标发送目标点位置，浮标阵依靠自身动力便可自行前往自己的目标点，布放简单。
6、依靠舵机和舵板进行转角控制，使浮标转向灵活而又精确。
7、加装的稳定翼能有效减小纵荡对浮标的影响。
8、当检测到舱内漏水时，能及时动作切断电源，保护电路板的安全，并且向母船发送报警信号。

Claims (7)

1.自守位声纳定位浮标，其特征在于，它包括天线(1)、壳体(2)、舵机(3)、舵板(4)、稳定翼(5)、主推进器(6)、浮标电子舱(7)、槽道推进器(8)、电缆(9)、水声换能器(10)、浮体(11)和水声换能器电子舱(12)；
水声换能器电子舱(12)的外侧设置有浮体(11)，浮体(11)上侧设置有舵机(3)，壳体(2)包括两个弦长不同的翼形结构壳体，弦长大的翼形壳体固定在翼长小的翼形结构壳体的上侧，且两个翼形结构壳体同轴连接，水声换能器电子舱(12)、浮体(11)和舵机(3)均设置在弦长大的翼型结构壳体内，水声换能器电子舱(12)的外侧设置有浮体(11)，浮体(11)上侧设置有舵机(3)，舵机(3)带动舵板(4)摆动，所述舵板(4)设置在弦长大的翼型结构壳体的后侧，弦长大的翼型结构壳体的左右两侧对称设置有稳定翼(5)，且稳定翼(5)与壳体(2)构成一体件，所述两个稳定翼(5)的下侧均设置有主推进器(6)；
槽道推进器(8)固定在弦长小的翼型结构壳体的底部的中线上，水声换能器(10)吊设在弦长小的翼形结构壳体的下侧，水声换能器(10)与水声换能器电子舱(12)通过电缆连接，所述电缆穿过壳体(2)；水声换能器电子舱(12)设置在弦长大的翼形结构壳体的内部；天线(1)通过螺丝固定在水声换能器电子舱(12)上侧，浮标电子舱(7)包括接口板、主控制板、电源板(13)、安全检测模块(14)、推进器调速模块(15)、微型组合惯性卫星导航系统(16)和电池；
电源板(13)的输入端连接电池的电源信号输出端，电源板(13)用于为主控制板、推进器调速模块(15)、安全检测模块(14)和微型组合惯性卫星导航系统(16)供电；安全检测模块(14)用于检测浮标电子舱(7)内温湿度与漏水信号；所述安全检测模块(14)的信号输出端连接主控制板的电子舱环境信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统(16)的导航信号输出端连接主控制板的导航信号输入端，微型组合惯性卫星导航系统(16)的导航信号输出控制信号输入端连接主控制板的控制信号输出导航信号输入端；
水声换能器(10)的水声信号输出端连接水声换能器电子舱(12)水声信号输入端，主推进器(6)的控制信号输入转速反馈信号输出端通过接口板连接推进器调速模块(15)的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，推进器调速模块(15)的主推进控制信号输入主推进器转速反馈信号输入端连接主控制板的主推进控制信号输出主推进器转速反馈信号输入端，槽道推进器(8)控制信号输入转速反馈输出端通过接口板连接主控制板的槽道推进的控制信号输出槽道推进器转速反馈信号输入端，舵机(3)的控制信号输入旋转角度反馈信号输出端通过接口板连接主控制板的舵机控制信号输出舵机旋转角度反馈信号输入端；
天线(1)的信号输入输出端连接水声换能器电子舱(12)的无线信号输入输出端，所述天线(1)的信号输入输出端还通过接口板连接主控制板的无线信号输入输出端。
2.根据权利要求1所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，天线(1)包括GPS天线、无线通信天线和航标灯；
航标灯用于夜间导航和起到警示的作用，GPS天线的定位信号输出端连接水声换能器电子舱(12)的定位信号输入端，所述GPS天线的定位信号输出端还通过接口板连接主控制板的定位信号输入端；无线通信天线(41)的无线信号输出输入端连接水声换能器电子舱(12)的无线信号输入输出端，所述无线通信天线(41)的信号输入输出端还通过接口板连接主控制板的无线信号输入输出端。
3.根据权利要求1或2所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，接口板包括四个航空插头和多个接插件插头，三个航空插头分别与两个主推进器(6)和槽道推进器(8)相连；电池充电线(17)通过接口板的另一个航空插头与电池相连。
4.根据权利要求1或2所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，它还包括霍尔开关(18)通过接口板接插件插头分别与电池和电源板(13)相连，用作控制电源板的供电开关。
5.根据权利要求1所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，安全检测模块(14)包括温度传感器、湿度传感器和漏水检测电路；所述温度传感器用于检测浮标电子舱(7)内的温度信号，湿度传感器用于检测浮标电子舱(7)内的湿度信号，漏水检测电路用于检测浮标电子舱(7)内是否进入水；温度传感器的信号输出端、湿度传感器的信号输出端和漏水检测电路的信号输出端为安全检测模块(14)的信号输出端。
6.根据权利要求1所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，推进器调速模块(15)包括左侧主推器调速模块、右侧主推器调速模块和槽道推进器调速模块；所述左侧主推器调速模块的调速信号输出端通过接口板与固定在稳定翼(5)左侧的主推进器(6)的调速信号输入端相连，右侧主推器调速模块的调速信号输出端通过接口板与固定在稳定翼(5)右侧的主推进器(6)的调速信号输入端相连，槽道推进器调速模块的调速信号输出端通过接口板与槽道推进器(8)的调速控制信号输入端相连。
7.根据权利要求1所述的自守位声纳定位浮标，其特征在于，它还包括程序下载线(19)，所述程序下载线(19)的一端用过接口板连接主控制板的程序下载信号输入端。
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