CN107014971A - 具有高效充电及远程数据传输功能的水下潜器用浮标基站 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高效充电及远程数据传输功能的水下潜器用浮标基站，包括主舱体和若干子舱体；舱体外部设有太阳能板；舱体内部设有控制单元和储能装置；主舱体还包括：水声模块；远程数据传输模块；及执行如下步骤的程序：采集远程数据传输模块以获取潜器操控任务指令或发送数据信息任务指令；通过水声模块搜索潜器并更新潜器操控指令；向远程终端发布基站内存储的数据信息；子舱体还包括：无线模块；充电模块；电磁模块；红外模块；及执行如下步骤的程序：通过红外模块探测潜器入舱；开启电磁模块以将潜器固定；通过无线模块获取潜器存储的数据信息并传输至主舱体及向潜器发布新任务；开启充电模块以启动充电进程。本发明能对水下潜器进行综合导航及数据汇总传输和充电。

Description

具有高效充电及远程数据传输功能的水下潜器用浮标基站

技术领域

本专利涉及一种浮标基站，尤其涉及一种具有高效充电及远程数据传输功能的水下潜器用浮标基站；以及对潜器充电及数据汇总传输的方法。

背景技术

水下潜器的电池容量及通信信号衰减问题一直是限制其持续航行与高质量数据通信的核心制约因素。为了延长水下作业时间，现阶段的水下机器人系统一般采用有缆模式来实现远距离供电及数据传输(遥控无人潜水器ROV)，或是在无缆情况下增加水下潜器的负载电池容量(无人水下航行器UUV)。但ROV受到缆绳长度的制约，无法实现远距离、广深度的有效探测。而为了增加电池容量，UUV不得不额外添加浮力材料来实现配重，这无疑会增加UUV的体积，进而加大了装置制造成本与航行成本。除此之外，部分水下潜器的壳体上配有太阳能电池板等电能转换装置，使其可在电力不足的情况下漂浮在水面实现电能补充，但由于潜器表面壳体面积有限，电能转换装置的铺设受到了一定的制约，其充电耗时较长，且不可避免的受到环境因素的限制。

而对于高质量数据传输问题，ROV一般通过绳缆上的数据链路将其搭载的各传感器及拍摄设备采集到的数据信息传输至水上或岸边的监测终端，虽然其实时性得到了较好的保障，但潜器工作过程需要实时配备相关人员进行操作，这无疑会增加潜器的航行成本，且难以做到长时间、不间断的科研探测。另一方面，对UUV而言，其在航行过程采集到的各类数据信息均需要进行实时存储，并在被打捞离水之后进行导出，因而其数据信息具有一定的滞后性，且在数据的收集过程中仍需人力参与，难以实现数据采集的远程化、集成化与信息化。

综上可知，传统水下潜器存在电源供应时间受限、数据传输质量不佳的问题，设计一种可为水下潜器提供全面高效能源的电力供给、补给方式是提升水下潜器性能的关键，也是使其在特定水域内实现全方位、不间断自主航行的前提。与此同时，研究一种可远程控制、远程通信的数据离岸传输技术是实现水下潜器数据信息高效、实时分析与应用的核心。

为此，本发明结合水下潜器的功能特点，设计实现了一款布于水上的水下潜器用浮标基站，该基站通过自身能源储备能对水下潜器进行非接触式充电，并根据多种方式来对水下潜器进行独立或协同导航，且通过多种数据通信方式配合，实现了水下潜器数据信息的获取与导出。

目前在各种期刊与专利查询中均未发现与此本发明类似的设备和方法的介绍或报道。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种水下潜器用浮标基站，它能对水下潜器进行综合导航及数据汇总传输和充电。

本发明的水下潜器用浮标基站，其特征是包括：

通过悬索固定在特定水域的主舱体和与之相连的若干子舱体；所述舱体各外部设有太阳能板；所述各舱体内部设有控制单元和储能装置；

所述主舱体还包括：用于潜器导航的水声模块；用于视频信息的远程数据传输模块；及执行如下步骤的程序：

采集远程数据传输模块以获取潜器操控任务指令或发送数据信息任务指令；通过水声模块搜索水下的潜器并更新潜器操控指令；向远程终端发布基站内存储的数据信息；

所述子舱体还包括：用于近程数据传输的无线模块；充电模块；硅钢制成的环形电磁铁；红外模块；及执行如下步骤的程序：

通过红外模块探测潜器入舱；将电磁铁通断电以将潜器固定或释放；通过无线模块获取潜器存储的数据信息并传输至主舱体；开启充电模块以启动充电进程。

进一步地，其特征是：所述主舱体还包括用以采集附近水域的气象环境信息的气象模块；北斗卫星模块；该舱体内置的程序还包括如下步骤：

检测所述各太阳能板、储能装置和气象模块；

将相关异常信息通过北斗卫星模块发送至远程终端；

进入损管控制模式，此时浮标基站召回处于航行状态的潜器、并将其固定入工作正常的子舱体、终止非必需传感器、数据传输模块的既定采样、数据传输任务进程，停止非必要任务的执行。

进一步地，其特征是：还包括设于所述悬索上用以在水中指示方位的紫色信号灯；和各子舱体上的用于指示其位置的环状紫色信号灯。

进一步地，其特征是：主舱体还包括用以整理有缆式潜器的电缆的集线器电机；所述远程数据传输模块，其接口采用HDMI及485总线两种，以实现与有缆水下潜器之间的数据通信。

进一步地，其特征是：还包括用于连接4G信号的4G网络模块。

进一步地，其特征是：主舱体还包括安有指示灯的避雷针。

优选地，其特征是：所述无线模块为WIFI模块。

优选地，其特征是：所述储能装置为蓄电池；所述充电模块为非接触式充电模块。

本发明还提供了一种对潜器充电及数据汇总传输的方法，其特征是该方法包括子舱体执行的如下步骤：

通过红外模块探测潜器入舱；

将硅钢制成的环形电磁铁通断电以将潜器固定或释放；

通过用于近程数据传输的无线模块获取潜器存储的数据信息并传输至主舱体；

开启充电模块以启动充电进程；

还包括主舱体执行的如下步骤：

采集用于视频信息的远程数据传输模块以获取潜器操控任务指令或发送数据信息任务指令；

通过用于潜器导航的水声模块搜索水下的潜器并更新潜器操控指令；

向远程终端发布基站内存储的数据信息。

进一步地，其特征是还包括所述主舱体执行的如下步骤：

检测所述各太阳能板、储能装置和气象模块；

将相关异常信息通过北斗卫星模块发送至远程终端；

进入损管控制模式，此时浮标基站召回处于航行状态的潜器、并将其固定入工作正常的子舱体、终止非必需传感器、数据传输模块的既定采样、数据传输任务进程，停止非必要任务的执行。

本发明的有益技术效果是这样实现的：通过安装大容量蓄电池及大面积太阳板实现浮标的电能转换及储备；通过S2CR类水声传感器模块实现浮标与水下航行潜器之间的数据通信并完成对其导航功能；通过电磁铁的通断电实现水下潜器在浮标基站上的固定与释放；通过在浮标上安置WIFI无线模块实现与在基站停靠的水下潜器的数据传输；通过远程数据传输模块实现视频信息、传感器信息及控制信息的数据传输；开启充电模块以完成充电进程。通过在浮标基站底部及悬索上安置可控紫色LED灯实现对水下航行潜器的引导；通过北斗卫星系统实现浮标基站的定位及数据传输。

附图说明

图1水下潜器用浮标基站组成图。

图2水下潜器组成图。

图3浮标子舱体组成图。

图4浮标基站主体程序框图。

图5浮标基站子体程序框图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参看图1，本发明的浮标基站，包括浮标主舱体D0和浮标子舱体D1B、D2B，浮标主舱体D0通过悬索CD0固定在特定海域，悬索CD0上的紫色信号灯L1、L2、···、Lm用以在水中指示悬索方位，并实现对水下航行潜器的引导。浮标主舱体D0上设置的部件是：安有指示灯的避雷针A1，用以提醒过往船只避让并减小雷击对浮标产生的损害；远程数据传输模块A2，其接口采用HDMI及485总线两种，可实现与有缆水下潜器之间的数据通信，用以实时视频信息及相关数据信息的传输，其数据传输距离可达50km以上，可满足近海、内河浮标数据传输系统的设计要求；北斗卫星模块A3，其实现浮标基站的定位和与远程终端的数据传输；气象模块A4，用以采集浮标基站所在水域的气象环境信息；以及水声模块A5，其包括S2CR7/17USBL传感器，用以实现浮标基站对水下潜器之间的数据通信和位置信息的采集与控制。

本发明所述的浮标基站主舱体与子舱体彼此独立，通过多个接口实现多个浮标子舱体与主舱体的连接。不失一般性与功能性，图1显示的浮标基站仅安装了2个浮标子舱体，分别用D1B、D2B表示。子舱体D1B使用支架CD1与浮标主舱体D0连接于D01接口、浮标子舱体D2B使用支架CD2与浮标主舱体D0连接于D02接口。浮标子舱体接口D01、D02、···、D0n，其包括机械安装接口与线路接口。在此机械接口用以将浮标子舱体固定在浮标基站主舱体上，通过结构设计与配重优化，支架CD1、CD2在静水中受力力矩为0。线路接口的功能包括，1)为输电线路及数据传输线路提供铺设路径，2)为有缆式水下潜器提供线缆接口。为最大限度的获取光能，浮标主舱体及子舱体上安有多块太阳能板，在此用S1、S2、S3、S4、S5表示。各浮标子舱体底部安有环状紫色信号灯(L-D1、L-D2)，用以指示子舱体位置。

结合图2，为配合本浮标基站工作的水下潜器框图。不失一般性，本发明以有缆水下潜器D1A、无缆水下潜器D2A为例对适用于浮标基站的水下潜器基本功能进行设计与分析，有缆水下潜器的线缆用L1A表示。所述水下潜器包括螺旋桨推进器M11、M12、M13、M14，其用以实现潜器姿态的精确控制；北斗卫星模块P1，用以实现卫星通信；WIFI模块P2，用以连接基站构建的WIFI网络，实现大数据量的高速数据传输；S2CR7/17USBL水声定位与数据通信模块P3，用以接收浮标基站的任务指令，并返回一定的数据信息；摄像头P4，用以拍摄潜器上方的图像信息，并在潜器入舱时识别各浮标子舱体上的L-D紫色LED灯为潜器姿态控制提供依据；声纳模块P5，用以实现潜器周围环境、障碍探测；摄像头P6，用以拍摄水下情况，采集有效图像信息；传感器模块P7、P8、P9，用以在潜器航行过程中探测水下不同深度、位置的水文、水体信息，根据潜器功能不同，传感器的类型其搭载的传感器模块可包括温度、酸碱度、溶解氧、电导率、浊度、叶绿素a、蓝绿藻、磷酸盐PO4、及氨氮NH3等。

由于无缆水下潜器D2A的特殊需求，其还包括抗锈金属环形外延C2、电能接收端C1和太阳能板S6。当潜器进入浮标子舱体内，浮标子舱体上的电磁模块通电激活，抗锈金属环形外延C2被磁力吸附，从而实现潜器固定。作为置于中心突出平台上的非接触式充电模块，电能接收端C1通过获取来自浮标子舱体的电能来实现潜器充电。需要说明的是，由于潜器配重的优化，当其电能耗尽或意外断电后，潜器具备自上浮至水面的能力，此时，置于潜器顶端的太阳能板S6将对潜器进行应急充电，使其具备归航所需的基础电能。

结合图3，其以浮标子舱体D1B为例进行分析。浮标主舱体内部设有储能装置PO，控制单元D0和用以整理有缆式潜器的电缆L1A的集线器电机M01。浮标子舱体内部设有储能装置P2、控制单元D2、环形电磁铁装置CC1、无线模块A6和红外模块A7。主舱体的储能装置P0与子舱体的储能装置P2由输电线路LP02连接；主舱体的控制单元D0与子舱体的控制单元D2通过通信线路LD02实现数据通信。输电线路LP02与通信线路LD02铺设于CD1腔体内。

通孔T1贯穿浮标子舱体尾部与内部舱体，用以排出潜器升入舱体D1N后被压入的液体。环形电磁铁装置CC1采用硅钢材料制成，当潜器进入浮标子舱体内，控制单元D2对环形电磁铁装置CC1供电，使其具备磁性来吸牢金属环形外延C2，进而固定潜器。随着潜器成功进入舱体，潜器的无线数据传输模块P2得以进入浮标子舱体的无线模块A6的信号范围，并成功匹配，以实现浮标基站与潜器间的数据高速、高质量传输，其数据传输内容包括潜器航行过程中采集到的视频、图像、传感器信息及潜器自身工作状态信息等。红外模块A7通过测量距离探测浮标子舱体下部空间的遮挡情况，从而判断潜器是否进入到浮标子舱体舱室。另一方面，潜器上的电能接收端C1得以正对接近浮标子舱体上的电能供给端CC2。在此通过获取潜器实时电量信息，控制单元D2通过电能供给端CC2对潜器进行非接触供电。当一切准备就绪，控制单元D2控制环形电磁铁装置CC1断电，潜器控制其推进设备离开基站，进而开展新的科研、监测任务。

需要说明的是，对于浮标系统和潜器而言，其表面材质除金属环形外延C2外均不能被电磁铁吸引，且其设计过程中已考虑电磁问题，环形电磁铁装置CC1的磁性问题不会影响浮标内各电子元件的正常、精准工作。金属环形外延C2磁性问题也不会影响潜器各电子元件的正常、精准工作。

结合图4为本专利浮标基站主体程序框图，其实是步骤如下：

步骤1，浮标系统检测，控制单元通过电源检测模块对各太阳能板及储能装置工作情况，通过气象站模块获取浮标所处海况、海清、气温等环境因素信息，并通过数据传输模块获取浮标子体的工作情况，并根据上述信息进行检测，完成后进入步骤2；

步骤2，浮标系统工作情况判定，若浮标主体及个子体系统处于供电、储能故障等异常情况或浮标所处环境不宜进行作业则进入步骤3，正常进入步骤5；

步骤3，异常情况报警，将相关异常信息通过北斗卫星模块发送至远程终端，完成后进入步骤4；

步骤4，损管控制，浮标处于异常状态，系统进入损管控制模式，此时浮标基站将召回处于航行状态的潜器、并将其固定入工作正常的浮标子体舱室、终止非必需传感器、数据传输模块的既定采样、数据传输任务进程，停止非必要任务的执行，设置完成后进入步骤1；

步骤5，浮标基站采集远程数据传输模块寄存器信息，若未获取任务指令则进入步骤6，获取到任务指令则进入步骤12；

步骤6，获取浮标子体数据信息，浮标主体控制单元通过数据通信链路获取各浮标子体的数据信息，以确定浮标子体的当前工作情况，完成后进入步骤7；

步骤7，判断浮标子体内潜器的情况，若潜器在浮标子体内则进入步骤8，不在则进入步骤14；

步骤8，结合当前气象情况、获取的各水域不同传感器采集信息及远程终端任务情况等信息，更新并发布潜器操控指令，完成后进入步骤9；

步骤9，通过数据链路获取潜器信息，完成后进入步骤10；

步骤10，将潜器数据信息存储入浮标基站主体存储单元，完成后进入步骤11；

步骤11，发送周期判定，浮标基站在未获得任务指令的前提下，将周期性的发布采集到的数据信息，若未达到数据发布时间则返回步骤1，达到数据发布时间则进入步骤13；

步骤12，任务指令分析，若接收到的任务为非计划范围内的数据上传任务(由II类任务表示)则进入步骤13，若接收到的任务涉及潜器的控制及数据获取(由I类任务表示)则进入步骤7；

步骤13，向远程终端发布基站内存储的数据信息，包括浮标基站所处的气象情况及潜器航行过程中采集存储的视频、图像及传感器信息，发送完成后返回步骤1；

步骤14，通过水声模块搜索水下的潜器，信号发送后进入步骤15；

步骤15，接收潜器发送的水下信号并判定，若发现潜器则进入步骤8，未发现则返回步骤14；若多次搜索仍未发现潜器则进入步骤16；

步骤16，异常诊断，根据潜器正在运行的航行计划，估计潜器工作情况，进行异常诊断，完成后进入步骤17；

步骤17，异常情况判断，若判定潜器失联只是短暂性且情有可原的，则返回步骤11，若判定其失联为异常情况，则返回步骤3。

结合图5，为本发明专利浮标子体程序框图，其步骤如下：

步骤1，子体检测，检测浮标子体供电、储能、无线、红外等模块的工作情况，完成后进入步骤2；

步骤2，判定，若系统工作异常则进入步骤3，若系统工作正常则进入步骤4；

步骤3，损管控制，暂停浮标子体既定功能，并向浮标主体发布异常报告，完成后返回步骤1；

步骤4，判定浮标子体舱室内是否停有潜器，若有则进入步骤5，没有进入步骤11；

步骤5，获取潜器信息，通过WIFI模块获取潜器存储的数据信息，完成后进入步骤6；

步骤6，启动充电进程，开启非接触式充电模块，开启智能化充电模式；

步骤7，判定是否接收到来自浮标主体的任务指令，若未接受则返回步骤1，接收到信息采集任务这进入步骤8，接收到针对潜器的控制任务则进入步骤9；

步骤8，浮标子体将存储在其存储器内的潜器摄像头、传感器获取信息通过数据链路传输至浮标主体，完成后返回步骤1；

步骤9，浮标子体通过WIFI模块向潜器发布新的控制任务，包括探测路径、传感器信息采集配置等探测目标内容的设置，完成后进入步骤10；

步骤10，浮标子体关闭电磁模块，解除对潜器下潜的动力限制，解除后向潜器发布下潜指令，完成后返回步骤1；

步骤11，通过红外模块探测浮标子体舱体下部空间的遮挡情况，若判定有潜器升起并向舱体靠近则进入步骤12，若不存在靠近情况则返回步骤1；

步骤12，开启电磁模块，通过产生磁力来为潜器提供固定力，用以将潜器固定在浮标子体舱体内，完成后返回步骤1。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种水下潜器用浮标基站，其特征是包括：

通过悬索固定在特定水域的主舱体和与之相连的若干子舱体；所述舱体各外部设有太阳能板；所述各舱体内部设有控制单元和储能装置；

所述主舱体还包括：用于潜器导航的水声模块；用于视频信息的远程数据传输模块；及执行如下步骤的程序：

采集远程数据传输模块以获取潜器操控任务指令或发送数据信息任务指令；通过水声模块搜索水下的潜器并更新潜器操控指令；向远程终端发布基站内存储的数据信息；

所述子舱体还包括：用于近程数据传输的无线模块；充电模块；硅钢制成的环形电磁铁；红外模块；及执行如下步骤的程序：

通过红外模块探测潜器入舱；将电磁铁通断电以将潜器固定或释放；通过无线模块获取潜器存储的数据信息并传输至主舱体；开启充电模块以启动充电进程。

2.如权利要求1所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：所述主舱体还包括用以采集附近水域的气象环境信息的气象模块；北斗卫星模块；该舱体内置的程序还包括如下步骤：

检测所述各太阳能板、储能装置和气象模块；

将相关异常信息通过北斗卫星模块发送至远程终端；

进入损管控制模式，此时浮标基站召回处于航行状态的潜器、并将其固定入工作正常的子舱体、终止非必需传感器、数据传输模块的既定采样、数据传输任务进程，停止非必要任务的执行。

3.如权利要求1所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：还包括设于所述悬索上用以在水中指示方位的紫色信号灯；和各子舱体上的用于指示其位置的环状紫色信号灯。

4.如权利要求1所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：主舱体还包括用以整理有缆式潜器的电缆的集线器电机；所述远程数据传输模块，其接口采用HDMI及485总线两种，以实现与有缆水下潜器之间的数据通信。

5.如权利要求1所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：还包括用于连接4G信号的4G网络模块。

6.如权利要求1所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：主舱体还包括安有指示灯的避雷针。

7.如权利要求1～6中任一项所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：所述无线模块为WIFI模块。

8.如权利要求1～6中任一项所述的水下潜器用浮标基站，其特征是：所述储能装置为蓄电池；所述充电模块为非接触式充电模块。

9.一种对潜器充电及数据汇总传输的方法，其特征是该方法包括子舱体执行的如下步骤：

通过红外模块探测潜器入舱；

将硅钢制成的环形电磁铁通断电以将潜器固定或释放；

通过用于近程数据传输的无线模块获取潜器存储的数据信息并传输至主舱体；

开启充电模块以启动充电进程；

还包括主舱体执行的如下步骤：

采集用于视频信息的远程数据传输模块以获取潜器操控任务指令或发送数据信息任务指令；

通过用于潜器导航的水声模块搜索水下的潜器并更新潜器操控指令；

向远程终端发布基站内存储的数据信息。

10.如权利要求9所述的对潜器充电及数据汇总传输的方法，其特征是还包括所述主舱体执行的如下步骤：

检测所述各太阳能板、储能装置和气象模块；

将相关异常信息通过北斗卫星模块发送至远程终端；

进入损管控制模式，此时浮标基站召回处于航行状态的潜器、并将其固定入工作正常的子舱体、终止非必需传感器、数据传输模块的既定采样、数据传输任务进程，停止非必要任务的执行。