CN107933832B - 极地冰基海冰监测浮标和极地冰基海冰参数监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种极地冰基海冰监测浮标和一种极地冰基海冰参数监测方法，浮标标体内有放置飞行器的保护仓及飞行器、控制器仓、蓄电池仓和标体底部的伸缩支架。测量方法上，利用飞行器携带各类传感器，可以测量冰面以上10米内不同高度的大气参数，包括不同高度的风速风向、气温气压，水上声纳测量冰上面降雪量高度数据和水下声纳测量冰下界面的距离，可获取冰层总厚度的变化。通过读取铱星模块中自带的GPS位置信息获取浮标的位置信号，数据通过铱星模块传输，实现自动化远程实时监测，为海冰生长过程中的热力学变化过程提供分析依据，可应用于南北极极地海冰的自动化无人监测。

Description

极地冰基海冰监测浮标和极地冰基海冰参数监测方法

技术领域

本发明涉及自动化监测领域，尤其涉及一种极地冰基海冰监测浮标和一种极地冰基海冰参数监测方法。

背景技术

全球气候是各种因素相互作用影响的统一体，而南北极的气候是地球上气候极为敏感的区域之一。海冰每年最多可以覆盖地球表面积大约 7％左右，其中最大的部分分布在地球的南北极，显然海冰在南北极的研究中占有很大的比重。极地海冰的变化是极地气候变化的风向标，海冰浮标的观测研究及其成果应用在极地研究占有重要地位，利用海冰浮标观测海冰漂移位置、浮标所处位置的气压气温、海表温度等基本参数是常见的观测方法，对全球气候变化、天气和冰情的预报、卫星数据验证、数值气候模式的强迫、验证和同化，以及追踪海冰生长和消融的过程等具有重要的数据支撑作用。

极地海冰的气候因素与海冰形成的关系是相互作用的。长期以来，科学家在极地海—冰—气相互作用的机理和对世界气候的影响方面进行了大量的研究，但由于影响海—冰—气相互作用的因素较多，无法实现大面积和精细化的多参数实时监测，利用卫星照片和遥感可以获得气候数据，但仍然无法完全分析海-冰-气之间相互作用的机理。只有在极地海冰上大面积投放现场监测浮标，才可以获取到足够的海冰变化的实时数据。近年来，在“北极浮标计划”等国际项目的国际支持下，北极投放了大量的海洋浮标和海冰浮标。但是监测低空(10米高)的大气参数和海冰下海水的其它参数依旧是一个无法克服的困难。因此，设计和研发一种能够利用自动化监测技术测量不同高度(10米内)的大气参数和海冰厚度及海冰漂移的一体化浮标尤为重要。

目前，国内外在极地海冰上投放的浮标中，大都是在主标体上部设置一个1-6米高的固定支架，支架上不同高度设置同一类监测传感器，在主标体下部设置一个铁链或锚链，铁链上不同深度处设置同一类监测传感器，这类浮标的主要缺点是：上部固定支架越高，要求浮标直径越大，否则浮标会倒。下部铁链上不同深度安装同一类传感器会增加传感器的数量，增大成本。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种极地冰基海冰监测浮标和一种极地冰基海冰参数监测方法。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种极地冰基海冰监测浮标，包括：监测器械保护仓、控制器仓、蓄电池仓及伸缩支架；其中，所述监测器械保护仓包括支撑圆盘和覆盖所述支撑圆盘第一表面的保护罩；所述支撑圆盘上设置飞行器停放台，用以固定飞行器，所述飞行器上设置飞行控制器、水上声纳传感器、风速风向传感器及红外摄像头，所述支撑圆盘内部设置用于控制所述保护罩闭启的启动装置；所述控制器仓连接所述支撑圆盘的第二表面，用以固定放置主控制器，所述主控制器用以向所述飞行器发出飞行指令，以及控制保护罩闭启的启动装置开启和关闭所述保护罩；所述蓄电池仓连接所述控制器仓，仓内存储蓄电池，用以为所述飞行器及所述主控制器提供电能；所述伸缩支架包括固定杆和伸缩杆，所述固定杆一端连接所述蓄电池仓，另一端连接所述伸缩杆的首端，所述伸缩杆长度可变，且垂直所述固定杆延伸方向设置，伸缩杆尾端设置一水下声纳传感器。

本发明的目的可以通过采用如下的技术措施来实现，设计一种极地冰基海冰参数监测方法，使用如前述技术方案的极地冰基海冰监测浮标进行监测，参数监测方法包括：设置于控制器仓中的主控制器定时启动，控制驱动电机转动，使保护罩开启；同时控制卡扣电机转动，以使飞行器解扣；主控制器控制伸缩控制电机，使伸缩杆伸长至最大长度，以使水下声纳传感器测量冰面下界面的距离变化；同时控制飞行器起飞至至少一个预设的指定位置，使声纳传感器、水上声纳传感器及风速风向传感器采集所在位置的监测数据；数据采集完成后，通过红外摄像头连续拍摄图片，回传到飞行控制器，计算飞行器的回航路径及降落位置，以使飞行器降落；飞行器降落后，主控制器控制卡扣电机反转，以将飞行器固定在飞行器停放台上；控制驱动电机反转，以将保护罩闭合；控制伸缩控制电机反转，使伸缩杆收缩，将水下声纳传感器收回。

区别于现有技术，本发明的极地冰基海冰监测浮标的标体内有放置飞行器的保护仓及飞行器、控制器仓、蓄电池仓和标体底部的伸缩支架。测量方法上，利用飞行器携带各类传感器，可以测量冰面以上10米内不同高度的大气参数，包括不同高度的风速风向、气温气压，水上声纳测量冰上降雪量高度数据和水下声纳测量冰下界面的距离，可获取冰层总厚度的变化。通过读取铱星模块中自带的GPS位置信息获取浮标的位置信号，数据通过铱星模块传输，实现自动化远程实时监测，为海冰生长过程中的热力学变化过程提供分析依据，可应用于南北极极地海冰的自动化无人监测。

附图说明

图1是本发明提供的一种极地冰基海冰监测浮标的结构示意图；

图2是本发明提供的一种极地冰基海冰监测浮标的飞行器卡扣的结构示意图；

图3是本发明提供的一种极地冰基海冰监测浮标的推动支架的结构示意图；

图4是本发明提供的一种极地冰基海冰监测浮标的监测器械保护仓关闭和开启时的俯视示意图；

图5是本发明提供的一种极地冰基海冰参数监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

图1为本发明提供的一种极地冰基海冰监测浮标的结构示意图。其目的是提供一种安装在海冰上，能够测量不同高度大气参数和3米以内的海冰厚度与海冰漂移的综合浮标，为研究极地海冰热力学提供可靠的数据支持。

本发明所涉及的浮标主要有四部分，包括由两个可开合的1/4球型硬质塑料壳18和19构成的半球型的监测器械保护仓、控制器仓20、蓄电池仓21以及伸缩支架。半球型保护仓内部设置有飞行器2、驱动电机 3、螺纹连杆8、推动支架9、飞行器卡扣10、无线充电模块4、飞行器停放台24和支撑圆盘23。飞行器2为六旋翼直飞型飞行器，飞行器上设置有支架15，支架上安装有声纳传感器13、风速风向传感器14、气温气压传感器12、红外线摄像头11；控制器仓连接支撑圆盘23的第二表面，控制器仓内部设置有主控制器1、铱星模块及其天线22；蓄电池仓连接控制器仓，内部安装有锂电池5；底部伸缩支架包括固定杆16、伸缩杆6、伸缩控制电机17以及水下声纳传感器7，固定杆16一端连接蓄电池仓，另一端连接伸缩杆6的首端，伸缩杆6长度可变，且垂直固定杆16延伸方向设置，伸缩杆6尾端设置水下声纳传感器7。伸缩杆 6通过伸缩控制电机17控制，以进行伸缩运动。

本发明的极地冰基海冰监测浮标包括2个1/4球型硬体塑料壳18 和19，构成监测器械保护仓，半球直径为80cm，硬体塑料的厚度为5mm；控制器仓20壁厚为5mm，直径120cm，高度30cm；蓄电池仓21直径 50cm，高度50cm，钢体厚度也为5mm；所说的底部伸缩支架为直径为10cm的钢管，管材厚3mm，长度250cm，伸缩杆6为钢管套钢管型伸缩杆，缩短时长度为30cm，伸长时长度为60cm；整个飞行器外圈直径 50cm。螺纹连杆8是直径为20mm的螺纹钢，与驱动电机3的齿轮相啮合，推动支架9。推动支架9为半“工”字形，由一块钢板27和两根钢筋28焊接而成，钢板27穿过螺纹连杆8，宽4cm，厚5mm，半“工”字形的两边焊接钢筋28，长度40cm，两根钢筋28的另一端分别嵌接在两个1/4球型硬体塑料壳18和19内部，驱动电机3可正反转，驱动电机3正转时，螺纹连杆8推动两个推动支架9向两边运动，半球打开，驱动电机3反转时，螺纹连杆8推动推动支架9使得1/4球型硬体塑料壳18和19相向运动，直至保护仓完全闭合。推动支架9的结构如图3 所示。无线充电模块4密封于飞行器停放台24内，飞行器停放台24为圆盘型硬质塑料材料，厚度3cm，直径60cm。飞行器停放台24固定在其下面的支撑圆盘23上，支撑圆盘23内部中空，圆盘直径70cm，厚度为5mm，圆盘内部有驱动电机3、螺纹连杆8和两个半“工”字形推动支架9；飞行器卡扣10为可自动折叠的钢片，如图2所示，固定在飞行器停放台24上，钢片的折叠弯曲部分用套管和轴连接。飞行器卡扣 10的卡扣电机25带动钢丝盘26正/反转，卡扣电机25正转时拉直钢片直立，反转时拉动钢片折叠钢片成90°，将飞行器2扣住，以防飞行器 2滑动。

测量时主控制器1控制监测器械保护仓打开，控制飞行器2飞行到不同高度(最高10米)进行大气参数和海冰厚度与海冰漂移位置的测量。同时，主控制器1控制驱动电机3驱动底部伸缩杆6伸长进行冰下声纳距离冰水下界面的测量，测量结束，飞行器2利用红外摄像头11 拍照，飞行控制器寻找主标体，找见降落平台后，逐渐降落，直到降落在保护仓的平台上，飞行器卡扣10扣住飞行器2，保护仓两个1/4球体闭合，恢复原状。数据通过铱星模块及其天线22发送回国内监测站，实现极地海冰自动化多参数的远程监测。克服了现有海冰浮标无法自动化监测不同高度的大气参数和冰下不同深度的海水参数的缺点，从而公开一种主要应用在极地科考领域的极地海冰多参数综合自动化监测浮标。

本发明一种携带飞行器的小型浮标，探测冰上10米内空气的大气参数和3米内海冰的厚度与漂移位置，实现极地海冰多参数综合远程监测，给全球气候变化研究及极地海冰研究提供重要的基础数据。

本发明的极地冰基海冰监测浮标适用于对海冰的现场监测，所以在安装前首先要选定合适的观测点，以当年平整冰为宜，且海冰初始厚度在50—100cm(北极)或40-60cm(南极)为佳，在冰面钻取直径为50cm的圆型冰洞，冰洞一侧再钻取30厘米长、30厘米宽的冰孔。先打开监测器械保护仓，把飞行器2拿出，将整个浮标安装到冰洞中，冰面和浮标中部圆柱型部分的下地面相平，该部分将整个浮标支撑住，这样冰面以下的部分包括50cm的蓄电池仓和250cm长的固定杆，共长300cm。然后通过主控制器1打开监测器械保护仓，将飞行器2放入，使得飞行器卡扣10扣住飞行器2。确保底部伸缩支架的伸缩杆6及部分固定杆16 浸入冰下海水。

图5是本发明提供的一种极地冰基海冰参数监测方法的流程示意图。该方法的步骤包括：

S110：设置于控制器仓中的主控制器定时启动，控制驱动电机转动，使保护罩开启；同时控制卡扣电机转动，以使飞行器解扣。

在本实施方式中，主控制器1每小时的整点开启，向驱动电机3发出动作指令，驱动电机3带动螺纹连杆8转动，推动支架9分别向两侧移动，监测器械保护仓打开。主控制器1发出指令，驱动卡扣电机25 正转，飞行器卡扣10的钢片被拉垂直，飞行器2解扣。

S120：主控制器控制所述伸缩控制电机，使所述伸缩杆伸长至最大长度，以使所述水下声纳传感器测量冰面下界面的距离变化；同时控制所述飞行器起飞至至少一个预设的指定位置，使声纳传感器、水上声纳传感器及风速风向传感器采集所在位置的监测数据。

主控制器1控制伸缩控制电机17开始转动，驱动伸缩支架的伸缩杆6伸长，伸至其最大长度60cm。伸缩杆6所携带的水下声纳传感器7 测量冰面下界面的距离变化。

主控制器1向飞行器2发出指令，控制飞行器2向上垂直起飞，飞到距离着陆平台面高度2米，然后水平向冰面方向飞行1米，悬停在该水平高度。飞行器2上的声纳传感器13测量冰面高度变化，风速风向传感器14测量风速风向，气温气压传感器12测量大气温度和气压等参数。

测量完毕，控制飞行器保持水平位置不变，再次垂直起飞2米，上升到4米，测量同样的参数。然后控制飞行器2继续上升，测量6米、 8米、10米的风速风向和气温气压参数，保存数据。

在测量过程中，如果风速风向传感器14测量到的风速较大(20米/ 秒以上)，则飞行器2自动很快降落，落回到监测器械保护仓，保护仓关闭，停止本次测量。

S130：数据采集完成后，通过红外摄像头连续拍摄图片，回传到所述飞行控制器，计算所述飞行器的回航路径及降落位置，以使飞行器降落。

6)所有参数测量完毕，飞行器2准备返回监测器械保护仓，红外摄像头11连续拍摄标体图片传回飞行器2的飞行控制器，飞行控制器进行运算，找寻降落平台上的标志物如附图4中的黑色圆点，计算降落位置，精准定位，精准降落。

具体的，飞行器2测量完毕，进行降落时，依靠飞行器2上携带的红外摄像头11拍摄照片，飞行器2的飞行控制器分析图片，分析浮标上黑色圆圈的准确位置，然后降落，再次拍摄照片，再次分析小圆圈位置，直至准确降落在飞行器停放台24上。

S140：飞行器降落后，主控制器控制卡扣电机反转，以将飞行器固定在飞行器停放台上；控制驱动电机反转，以将保护罩闭合；控制伸缩控制电机反转，使伸缩杆收缩，将水下声纳传感器收回。

飞行器2降落在保护仓的飞行器停放台24平台上之后，主控制器1 控制飞行器卡扣10的卡扣电机25反转，两个卡扣的钢片被拉成折叠的 90°，飞行器2被卡住而实现固定。驱动电机3反转，驱动螺纹连杆8 旋转，螺纹连杆带动推动支架9拉动1/4球型硬质塑料壳18和19向相对方向移动，两个1/4球型硬质塑料壳18和19直至完全闭合，形成保护仓。底部的伸缩支架的伸缩杆6缩回原状，一次数据采集结束。

飞行器2降落完成后，设置于监测器械保护仓中的无线充电装置开始向飞行器2充电。主控制器1内部带有的铱星模块及GPS模块，主控制器1读取GPS位置信息，铱星模块将测量数据和位置信息一起发送至国内Internet网，通过国内服务器接收数据。发送完成后，控制主控制器1休眠，并在下一整点时刻开始重复执行前述步骤。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，包括：监测器械保护仓、控制器仓、蓄电池仓及伸缩支架；

其中，所述监测器械保护仓包括支撑圆盘和覆盖所述支撑圆盘第一表面的保护罩；所述支撑圆盘上设置飞行器停放台，用以固定飞行器，所述飞行器上设置飞行控制器、水上声纳传感器、风速风向传感器及红外摄像头，所述支撑圆盘内部设置用于控制所述保护罩闭启的启动装置；

所述控制器仓连接所述支撑圆盘的第二表面，用以固定放置主控制器，所述主控制器用以向所述飞行器发出飞行指令，以及控制保护罩闭启的启动装置开启和关闭所述保护罩；

所述蓄电池仓连接所述控制器仓，仓内存储蓄电池，用以为所述飞行器及所述主控制器提供电能；

所述伸缩支架包括固定杆和伸缩杆，所述固定杆一端连接所述蓄电池仓，另一端连接所述伸缩杆的首端，所述伸缩杆长度可变，且垂直所述固定杆延伸方向设置，伸缩杆尾端设置一水下声纳传感器。

2.根据权利要求1所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述启动装置包括驱动电机、螺纹连杆及两个推动支架，所述驱动电机连接所述主控制器和所述螺纹连杆的中部，每一推动支架一端连接螺纹连杆，另一端固定连接所述保护罩。

3.根据权利要求2所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述保护罩为两个1/4球形罩体，所述推动支架与所述保护罩的连接点连线为保护罩的球形的直径，所述主控制器发送控制指令，控制所述驱动电机带动所述螺纹连杆转动，从而使所述推动支架带动两个1/4球形罩体移动，实现保护罩的闭启。

4.根据权利要求1所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述飞行器停放台上设置飞行器卡扣，包括折叠钢片、钢丝和卡扣电机，所述折叠钢片呈90°折叠，一端连接所述卡扣电机，所述卡扣电机设置于所述飞行器停放台内部，以使所述折叠钢片一端固定于所述飞行器停放台上，所述钢丝一端连接所述卡扣电机，另一端固定于所述折叠钢片上，通过卡扣电机和钢丝控制所述折叠钢片弯折，以将所述飞行器固定于飞行器停放台上。

5.根据权利要求1所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述监测器械保护仓中还设置无线充电装置，所述无线充电装置连接飞行器和所述蓄电池仓中的蓄电池，用以为所述飞行器充电。

6.根据权利要求1所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述飞行器上设置有飞行控制器，飞行控制器与控制器仓内的主控制器及所述伸缩杆上设置的水下声纳传感器通过无线方式连接所述主控制器，所述主控制器中包括无线网络通信装置，以将传感器采集到的监测数据传输到网络。

7.根据权利要求4所述的极地冰基海冰监测浮标，其特征在于，所述伸缩杆通过一伸缩控制电机控制，以进行伸缩运动。

8.一种极地冰基海冰参数监测方法，其特征在于，使用如权利要求7所述的极地冰基海冰监测浮标进行监测，所述海冰参数监测方法包括：

设置于控制器仓中的主控制器定时启动，控制驱动电机转动，使保护罩开启；同时控制卡扣电机转动，以使飞行器解扣；

主控制器控制所述伸缩控制电机，使所述伸缩杆伸长至最大长度，以使所述水下声纳传感器测量冰面下界面的距离变化；同时控制所述飞行器起飞至至少一个预设的指定位置，使声纳传感器、水上声纳传感器及风速风向传感器采集所在位置的监测数据；

数据采集完成后，通过红外摄像头连续拍摄图片，回传到飞行控制器，计算飞行器的回航路径及降落位置，以使飞行器降落；

飞行器降落后，主控制器控制卡扣电机反转，以将飞行器固定在飞行器停放台上；控制驱动电机反转，以将保护罩闭合；控制伸缩控制电机反转，使伸缩杆收缩，将水下声纳传感器收回。

9.根据权利要求8所述的极地冰基海冰参数监测方法，其特征在于，所述监测器械保护仓中的无线充电装置在所述飞行器降落后即对所述飞行器进行充电。

10.根据权利要求8所述的极地冰基海冰参数监测方法，其特征在于，传感器采集的数据经主控制器处理，结合GPS定位信息后发送到网络。