CN107344605A - 一种拖曳式自主深度水下观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种拖曳式自主深度水下观测系统，包括拖曳连接架设置于框架上方，且与框架紧密相连；AMR主控电子舱设置于框架内部；垂直推进器连接AMR主控电子舱；传感器固定于框架上，且连接AMR主控电子舱；视频观测模块固定于框架前端，且连接AMR主控电子舱；LED灯固定于框架上，且与视频观测模块同侧；浮块设置于框架两侧，与框架贴合。本发明观测范围大、稳定性高、成本低、利用仿生学设计理念，可以放到最合适的观察水深，满足水下摄影和观测的需要；具有设计简单、纯数字化存储与传输、POE供电、搭载深度‑姿态‑速度传感器、全自动化等优点，可实现海洋环境勘测、海底地形测绘、海洋修复工程、水下搜索及军事侦察的水下搜索与观测。

Description

一种拖曳式自主深度水下观测系统
技术领域
本发明涉及海洋环境监测领域，具体地说是一种拖曳式自主深度水下观测系统。
背景技术
海洋是生命的发源地，也是人类社会赖以生存发展的物质源泉。随着现代化发展，陆上资源已呈现出过度开采的迹象。为满足所需，人类已逐渐将目光转移至海洋。占地球表面积71％的海洋不仅能为人类提供丰富的食物，还蕴藏着大量的矿产资源、生物资源以及其他能源，其资源和能源储量要远高于陆地储量，它是一个名副其实的宝库。
海洋研究和有效开发利用海洋，对今后国家经济和社会的发展起着重大的推动作用，也是21世纪各沿海国家发展的必然趋势。世界各海洋大国投入越来越多的人力物力至海洋研究领域，推动了海洋研究技术的发展。
目前，随着海洋观测系统的发展，各类海洋传感器及测量仪已形成系列化产品，海洋通用技术也朝着模块化、标准化方向发展。与此同时，作为海洋探测平台的水下潜器也取得了较大发展。水下潜器分为载人潜水器和无人潜水器，其中无人潜水器包括自主水下机器人(autonomous underwater vehicle，AUV)、远程遥控水下机器人(remotelyoperated vehicle，ROV)、水下拖曳体(underwatertowed vehicle)。
水下拖曳体即属于拖曳式无人水下航行器，它完全依靠水面支持母船来拖曳推进，并通过与之相联的脐带提供动力和控制信息。其航程完全由工作母船航程决定，几乎不受限制，因而能进行大范围的搜索和探测。由于水下拖曳系统工作方式简单，操纵方便，且造价相对较低，因此不管在民用领域的科学研究或水下作业还是在军事上，它都有着广泛的应用。在军事上它主要用于精确的海底勘测和搜索、定位、细致测绘和识别寻找海底物体。在科学研究方面，主要用来进行深海地质、地球物理、海底生物以及海洋工程的研究工作。在人类已发明的多种水下技术中，利用水下拖曳系统进行海洋研究工作以及完成各种探测任务仍然是一种有效的途径，随着拖曳系统的性能不断提高，其市场需求也不断扩大。
然而，现有的拖曳式无人水下航行器存在着控制系统过于复杂，结构过于庞大，操作复杂、深度调整通过调节自身可控制水翼的攻角来实现拖曳深度控制。收放缆改变拖曳深度的方式虽然具有快速调节深度的能力，但控制比较粗糙，难以对拖曳体进行小深度范围准确定位，不便进行姿态控制，无法自主控制调节深度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种观测范围大、稳定性高、成本低的拖曳式自主深度水下观测系统，可实现海洋环境勘测、海底地形测绘、海洋修复工程、水下搜索及军事侦察的水下搜索与观测。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种拖曳式自主深度水下观测系统，包括：
拖曳连接架1设置于框架6上方，且与框架6紧密相连；
AMR主控电子舱9设置于框架内部，并通过脐带缆连接水面接收控制终端，接收水面接收控制终端的控制指令，并且将采集数据处理后传输到水面接收控制终端；
垂直推进器连接AMR主控电子舱9，接收AMR主控电子舱9的控制指令进行推进；
传感器3固定于框架6上，且连接AMR主控电子舱9，将采集到的数据发送到AMR主控电子舱9；
视频观测模块4固定于框架6前端，且连接AMR主控电子舱9，用于采集视频图像后发送到AMR主控电子舱9；
LED灯3固定于框架6上，且与视频观测模块4同侧，用于照明；
浮块7设置于框架6两侧，与框架6贴合，用于保持机器人姿态平衡。
所述框架6包括外围骨架和中心轴连接部，且表面均为纳米二氧化钛涂层；所述外围骨架为ABS塑料材质，中心轴连接部为铝材质，且表面为纳米二氧化钛涂层。
所述垂直推进器包括主垂直推进器2和辅垂直推进器8。
所述主垂直推进器2设置于浮块7的两翼，负责纵向推进。
所述辅垂直推进器8设置于框架6尾部，负责水平推进以及辅助纵向推进。
所述拖曳连接架1由一个直杆和两个弯曲杆组成。
所述浮块7为翼型结构，且采用发泡材料作为缓冲介质，外层为聚脲材料作外保护层。
所述视频观测模块4为由高清摄像机和二维旋转云台组成的经过密封舱密封的观测装置。
所述传感器3包括深度传感器、姿态传感器和速度传感器。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明观测范围大、稳定性高、成本低、利用仿生学设计理念，可以放到最合适的观察水深，满足水下摄影和观测的需要，具有设计简单、纯数字化存储与传输、POE供电、搭载深度-姿态-速度传感器、全自动化等优点，该系统可实现海洋环境勘测、海底地形测绘、海洋修复工程、水下搜索及军事侦察的水下搜索与观测。
附图说明
图1是本发明的结构图，其中，1为拖曳连接架、2为主垂直推进器、3为传感器、4为视频观测模块、5为LED灯、6为框架、7为浮块、8为辅垂直推进器、9为AMR主控电子舱。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明的结构图，拖曳式自主深度水下观测系统由拖曳连接架1、浮体7、ABS材质的框架6、视频观测模块4、LED灯5、传感器3、主辅垂直推进器8、AMR主控电子舱9等模块，与远程控制终端通过脐带缆手动绞盘以及脐带缆进行交互。将嵌入式自动化技术、POE供电技术、网络技术联用，并巧妙解决了解决了拖曳式主体自主控深水和线缆数据传输与供电复用；系统采用水下在AMR电子控制传感器的数据和供电，解决了水下系统设备出现单传感器异常需要整体系统断电或者吊回水面复位传感器的可靠性问题，大大降低了仪器控制系统的故障率；系统实时对深度-姿态-速度传感器进行数据采集分析，并通过内部建立的水动力运动方程进行计算，精准控主辅推进器，实现系统自动维持水深或根据用户下发的指令深度进行水深调整；采用ABS材质，不仅重量轻，而且具有非常好的抗冲击性，大大保护系统内的设备不受外来的冲击。
拖曳连接架1是位于系统的顶部由两个弯曲杆和一个直杆组成，材质均采用合金材质，与主体框架紧密连接。
浮块7是位于系统的左右两侧的浮块，合成泡沫浮材，翼状，结构紧密、坚固，流线型用于调节自身的姿态，使之平衡。
框架6是框架采用ABS材质，不仅重量轻，而且具有非常好的抗冲击性。框架的横梁骨架都是ABS铸模而成，强度极高，横梁之间由不锈钢或铝板紧固。系统内部的组件都穿插固定在框架之间。
视频观测模块4是将1080P高清摄像机置于云台上，调节范围+30°至-90°。广角镜头，采用平镜防水罩，图像无变形。
脐带缆手动绞盘是由横杆、滑环、卷筒、箱体、手柄、脐带缆组成，滑环是标准的24通路，手柄可以拆卸，可快速的自行收放脐带缆。脐带缆外护套采用优质PVC混合料，表面细腻具有超强的弹性和柔韧性和抗拉性内部采用POE供电节省了电缆的数量,从而实现一个8芯揽上的数据和供电的传输。解决了水下拖曳类设备的线缆粗与多的问题。
LED灯5采用2x40W LED灯，光源更强，光强可调，可照亮距离更远。白光灯与摄像头独立空间设计，确保镜头内不起水雾。
AMR主控电子舱9，采用ARM内建立linux实时操作系统，系统实时对深度-姿态-速度传感器进行数据采集分析，并通过内部建立的水动力运动方程进行计算，精准控主辅推进器，实现系统自动维持水深或根据用户下发的指令深度进行水深调整。AMR主控电路还对视频采集压缩处理，然后将所有数据打包成以太网数据包，通过TCP/IP协议将数据包传输到水面接收控制终端。同时AMR嵌入式控制中心接收到水面接收控制终端的相关控制命令，并实施对履带、灯光、传感器等模块的相应控制与配置。采用新型的AMR体系结构可实现低功耗、高效率、高可靠、实时性的系统控制。
传感器3包括深度、姿态、速度传感器，传感器数据线和电源线均接入到AMR主控电子舱，所有的数据采集以及数据分析都是在AMR控制中心来完成，传感器出现异常长需复位的时候，只需要水上控制终端发送对应命令，通过AMR嵌入式控制中心实现对针对异常传感器的软硬复位，从而解决了在实行水下观测过程中将设备吊回水面复位传感器的可靠性问题，大大降低了仪器控制系统的故障率。
主辅垂直推进器，是采用4个150W大推力的推进器，其中2个位于系统的左右两翼为主垂直推进器2，主要负责系统深度整体整体的提升；另外2个位于系统的尾部为辅助垂直推进器8，主要负责水平调整和辅助深度调整。所有的推进器的功率控制由AMR主控电电路来完成。
综上所述，本系统将嵌入式自动化技术、POE供电技术、网络技术联用，并巧妙解决了解决了拖曳式主体自主控深水和线缆数据传输与供电复用；系统采用水下在AMR电子控制传感器的数据和供电，解决了水下系统设备出现单传感器异常需要整体系统断电或者吊回水面复位传感器的可靠性问题，大大降低了仪器控制系统的故障率；系统实时对深度-姿态-速度传感器进行数据采集分析，并通过内部建立的水动力运动方程进行计算，精准控主辅推进器，实现系统自动维持水深或根据用户下发的指令深度进行水深调整；采用ABS材质，不仅重量轻，而且具有非常好的抗冲击性，大大保护系统内的设备不受外来的冲击。可用于海岸带地质、海岸带海底生物以及海洋工程的研究工作。

Claims (9)

1.一种拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于包括：
拖曳连接架(1)设置于框架(6)上方，且与框架(6)紧密相连；
AMR主控电子舱(9)设置于框架内部，并通过脐带缆连接水面接收控制终端，接收水面接收控制终端的控制指令，并且将采集数据处理后传输到水面接收控制终端；
垂直推进器连接AMR主控电子舱(9)，接收AMR主控电子舱(9)的控制指令进行推进；
传感器(3)固定于框架(6)上，且连接AMR主控电子舱(9)，将采集到的数据发送到AMR主控电子舱(9)；
视频观测模块(4)固定于框架(6)前端，且连接AMR主控电子舱(9)，用于采集视频图像后发送到AMR主控电子舱(9)；
LED灯(3)固定于框架(6)上，且与视频观测模块(4)同侧，用于照明；
浮块(7)设置于框架(6)两侧，与框架(6)贴合，用于保持机器人姿态平衡。
2.根据权利要求1所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述框架(6)包括外围骨架和中心轴连接部，且表面均为纳米二氧化钛涂层；所述外围骨架为ABS塑料材质，中心轴连接部为铝材质，且表面为纳米二氧化钛涂层。
3.根据权利要求1所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述垂直推进器包括主垂直推进器(2)和辅垂直推进器(8)。
4.根据权利要求3所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述主垂直推进器(2)设置于浮块(7)的两翼，负责纵向推进。
5.根据权利要求3所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述辅垂直推进器(8)设置于框架(6)尾部，负责水平推进以及辅助纵向推进。
6.根据权利要求1所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述拖曳连接架(1)由一个直杆和两个弯曲杆组成。
7.根据权利要求1或4所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述浮块(7)为翼型结构，且采用发泡材料作为缓冲介质，外层为聚脲材料作外保护层。
8.根据权利要求1所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述视频观测模块(4)为由摄像机和二维旋转云台组成的经过密封舱密封的观测装置。
9.根据权利要求1所述的拖曳式自主深度水下观测系统，其特征在于：所述传感器(3)包括深度传感器、姿态传感器和速度传感器。
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