CN109115979A - 便携式多功能立体水质探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水下探测装置领域，具体地说是一种便携式多功能立体水质探测装置，包括艏部模块、转向模块、浮力调节模块、重心调节模块、控制导航模块、传感器模块和艉部模块，其中艏部模块上设有高度计、照明灯和摄像头，转向模块上设有艏推进器，艉部模块设有艉推进器，浮力调节模块内设有调节腔，重心调节模块设有电池套件；浮力调节模块内设有通过隔膜隔开的清水腔和调节腔，调节腔与外界相通，清水腔内设有清水和活塞；重心调节模块内设有驱动装置、滚珠丝杠和电池套件，滚珠丝杠通过驱动装置驱动旋转，在电池套件一端端板上设有滚珠螺母座套装于所述滚珠丝杠上。本发明组装拆卸方便，且能够精确调整姿态降低阻力，有效减小装置体积。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测装置领域，具体地说是一种便携式多功能立体水质探测装置。
背景技术
随着社会经济发展，人类在推进近海域及江河湖泊的水资源开发与利用过程中，对大中型水电站及大坝检测、渔业养殖观测以及近海资源探测等都提出了更高的需求，尤其是能够在湖泊、河道、近海域穿行作业的小型浅水探测装置，这种装置主要用于水下观察、水下记录和水下搜索等水下作业任务，由于这种水下探测装置能够在狭窄、水质有污染且有一定危险的浅水环境中作业，因而实际需求不断增加。
目前世界范围内广泛应用的水下探测装置，多数采用传统的设计方式，通常包括水下推进器、控制系统、电池组件等部分，其中水下机器人的上浮、下潜、悬浮、自主航行或是其他的运行状态，都是依靠其携带的水下推进器及相关调节模块实现，但这些调节模块往往存在体积大、结构复杂、造价昂贵、耗能大等缺点，难以满足水下探测装置小型化要求，另外电池组件通常固设于装置内，除对控制系统和其他各单元供电外并无其他功能，而且电池组件往往体积较大，进一步增加了整个装置的体积和重量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式多功能立体水质探测装置，包括多个独立的模块单元，组装拆卸方便，且设有浮力调节模块和重心调节模块，能够精确调整姿态降低阻力，且有效减小体积，满足水下探测装置的小型化要求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种便携式多功能立体水质探测装置，包括依次连接的艏部模块、转向模块、浮力调节模块、重心调节模块、控制导航模块、传感器模块和艉部模块，其中所述艏部模块上设有高度计、照明灯和摄像头，所述转向模块上设有用于转向的艏推进器，所述艉部模块设有艉推进器，所述浮力调节模块内设有可吸排水的调节腔，所述重心调节模块设有可移动的电池套件。
所述浮力调节模块内设有通过隔膜隔开的清水腔和调节腔，所述调节腔设有通孔与外界相通，在所述清水腔内设有清水和可移动的活塞。
所述重心调节模块内部设有重力调节机构，所述重力调节机构包括驱动装置、滚珠丝杠和电池套件，其中滚珠丝杠通过驱动装置驱动旋转，且所述滚珠丝杠穿过所述电池套件，在所述电池套件一端端板上设有滚珠螺母座套装于所述滚珠丝杠上。
所述重心调节模块包括壳体、上端盖和下端盖，在所述壳体内设有支撑盘，在所述上端盖和下端盖之间设有多个支撑杆，所述支撑盘设于所述上端盖和下端盖之间且固装于所述支撑杆上，所述驱动装置固装于所述支撑盘上，所述滚珠丝杠设置于所述支撑盘另一侧，且所述滚珠丝杠一端与所述驱动装置的输出轴固连。
所述滚珠螺母座外侧设有导向板，且所述导向板一端与任一支撑杆滑动连接。
所述电池套件包括多个呈圆周排列的电池，各个电池两端均通过端板固定，滚珠丝杠由所述电池套件中部穿过。
所述控制导航模块包括单片机、存储模块、无线电台模块、GPS定位模块和电子罗盘，在所述控制导航模块上端设有天线，所述无线电台模块和GPS定位模块与所述天线相连。
所述重心调节模块上设有起吊手环，所述传感器模块设有CTD传感器，所述艉部模块上设有翼板。
任意相邻两模块之间均通过可拆卸结构连接，所述可拆卸结构包括设于其中一个模块端部的公头以及设于另一个模块端部的母头，所述公头和母头嵌合在一起并通过螺钉固连，在所述公头外圆周面上设有密封槽，所述密封槽内设有密封圈。
本发明的优点与积极效果为：
1、本发明包括多个独立的模块单元，各个模块单元之间的连接采用标准化和通用化设计，能够根据实际的功能需求和应用环境选取适合的功能模块进行组合装配，从而满足不同作业要求，可以在不影响其他功能模块的前提下修改目标模块的设计参数，以及设计出全新的功能模块以满足实际的作业要求，方便整个装置的功能升级和延展。同时也方便各个模块单元的维修和维护，当某个功能模块发生故障只需拆掉与之相邻的功能模块，便可以对该功能模块进行维修，或者替换成新的功能模块即可。
2、本发明利用设有活塞的浮力调节腔吸排水，进而驱动探测装置上浮或下潜，浮力调节结构简单且成本低，并且有效减小装置体积，且所述活塞置于一个清水腔内避免外界水腐蚀和阻力，提高了使用寿命。
3、本发明设有重心调节模块，当探测装置进行下潜或上浮运动时，重心调节模块启动使本发明的重心位置发生变化，进而实现本发明倒立竖直下潜或上浮运动姿态，有效降低下潜阻力，提高了探测效率，且可实现定高探测。
4、本发明的控制导航模块包括无线电台模块、GPS定位模块和电子罗盘，可以通过天线发送数据对本发明进行实时水面航行控制或通过预编程对本发明进行水面自主航行控制，从而实现无人化多点观测功能。
5、本发明利用高度计实现定高悬浮探测，并且当本发明处于水平航行姿态时，高度计可以为其提供避障功能，提高了高度计的利用率，降低了探测装置的成本。
附图说明
图1为本发明的外观示意图，
图2为图1中的重心调节模块内部示意图，
图3为图1中各模块连接部位示意图，
图4为图1中的浮力调节模块内部示意图。
其中，1、高度计，2、摄像头，3、艏部模块，4、转向模块，5、浮力调节模块，6、起吊手环，7、重心调节模块，8、天线，9、传感器模块，10、艉部模块，11、艉推进器，12、翼板，13、CTD传感器，14、控制导航模块，15、艏推进器，16、照明灯，17、壳体，18、支撑盘，19、导向板，20、电池套件，1、支撑杆，22、滚珠丝杠，23、下端盖，24、电池，25、滚珠螺母座，26、驱动装置，27、上端盖，28、公头，29、母头，30、螺孔，31、密封槽,32、活塞，33、清水腔，34、隔膜，35为调节腔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～4所示，本发明包括依次连接的艏部模块3、转向模块4、浮力调节模块5、重心调节模块7、控制导航模块14、传感器模块9和艉部模块10，其中所述艏部模块3上设有高度计1、照明灯16和摄像头2，所述转向模块4上设有用于转向的艏推进器15，所述艉部模块10设有艉推进器11，所述浮力调节模块5内设有可吸排水的调节腔35，所述重心调节模块7设有可移动的电池套件20。本发明工作时通过所述调节腔35吸水或排水实现浮力调节，并通过所述电池套件20移动实现重心调节，另外所述艏推进器15和艉推进器11均为本领域公知技术。
如图4所示，所述浮力调节模块5内设有通过隔膜34隔开的清水腔33和调节腔35，所述调节腔35设有通孔与外界相通，在所述清水腔33内设有可移动的活塞32，所述清水腔33内预先装有一定量清水，且所述隔膜34将外界海水、湖水或河水和所述清水完全隔离，避免了外界水对活塞32的腐蚀和外界水里的杂质对活塞32运动的阻碍，所述浮力调节模块5内设有活塞驱动装置，模块工作时，活塞32通过所述活塞驱动装置驱动在所述清水腔33内往复直线运动，并通过所述隔膜34使所述调节腔35吸水或排水，从而实现浮力调节。本实施例中，所述活塞驱动装置为直线推杆电机。
如图2所示，所述重心调节模块7内部设有重力调节机构，所述重力调节机构包括驱动装置26、滚珠丝杠22和电池套件20，其中滚珠丝杠22通过所述驱动装置26驱动旋转，且所述滚珠丝杠22穿过所述电池套件20，在所述电池套件20一端端板上设有滚珠螺母座25套装于所述滚珠丝杠22上。机构工作时，滚珠丝杠22通过驱动装置26驱动旋转，进而通过所述滚珠螺母座25驱动电池套件20往复移动，从而实现本发明整体重心调整。本实施例中，所述驱动装置26为步进电机。
如图2所示，所述重心调节模块7包括壳体17、上端盖27和下端盖23，在所述壳体17内设有支撑盘18，在所述上端盖27和下端盖23之间设有多个平行的支撑杆21，所述支撑盘18设于所述上端盖27和下端盖23之间并且固装于所述支撑杆21上，所述驱动装置26固装于所述支撑盘18上，且驱动装置26的输出轴中心线与本发明的主轴线重合，所述滚珠丝杠22设置于所述支撑盘18另一侧，且所述滚珠丝杠22一端与所述驱动装置26的输出轴固连，所述滚珠螺母座25外侧设有导向板19，且所述导向板19一端与任一支撑杆21滑动连接，所述滚珠螺母座25移动时即带动所述导向板19一同移动，另外所述导向板19一端与支撑杆21滑动连接可防止螺母座旋转，保证所述电池套件20直线运动。当本发明航行到指定作业点时，本发明先启动浮力调节模块5进行吸水无动力下潜，同时重心调节模块5启动使所述电池套件20向装置的头部方向移动，从而使装置的重心位置向头部偏移，此时本发明在水中从水平姿态倾斜向下调整为竖直倒立姿态，进行低耗能下潜，降低了下潜的阻力并提供了比较好的观测视角。
如图2所示，所述电池套件20包括多个呈圆周排列的电池24，各个电池24两端通过两侧端板固定，滚珠丝杠22由所述电池套件20中部穿过。所述电池24为锂电池，用于为其他模块供电，且重心调节模块7内的供电线路应保证足够长且不会影响电池套件20移动。
如图1所示，所述重心调节模块7的壳体17上设有起吊手环6方便起吊运输或者携带搬运。
如图1所示，所述艏部模块3上设有高度计1、照明灯16和摄像头2，本实施例中设有两个分设于艏部模块3两侧的照明灯16和两个分设于艏部模块3两侧的摄像头2，以保证光线和观察角度，更好地在水中观察识别目标。高度计1主要提供本发明所处水下位置相对海底或水下目标的距离，当本发明处于水平姿态并在水面上进行航行时，此时利用高度计1的工作原理进行障碍物回声测距，并利用转向模块4的艏推进器15进行探测装置的航线调整，实现自主避障航行和手动航行功能。所述高度计1、照明灯16和摄像头2均为本领域公知技术。
如图1所示，本实施例中，所述传感器模块9包括CTD传感器13，所述CTD传感器13用于采集海水温度和盐度，本发明也可以根据需要增加其他作业需求的相关传感器。各传感器分别通过螺纹连接方式固定在传感器模块9上，且各个传感器均为本领域公知技术。
所述控制导航模块14包括单片机、存储模块、无线电台模块、GPS定位模块和电子罗盘，其中单片机的控制信号输入端分别通过水密接插件与所述艏部模块3上的高度计1和传感器模块9中的各传感器相连，单片机的控制信号输出端分别通过水密接插件与所述LED照明灯16、摄像头2、浮力调节模块5中的活塞驱动装置和重心调节模块7中的驱动装置26相连，所述存储模块将传感器模块9采集的数据和摄像头2获取的海底环境的图像信息进行数据存储，在所述控制导航模块14上端设有天线8，所述无线电台模块和GPS定位模块与所述天线8相连，所述天线8可以实现探测装置定位、传输数据和传达控制指令，当本发明上浮到水面时，所述无线电台模块可通过所述天线8向数据中心发送协议数据，即本发明的位置信息、海底环境的图像信息和传感器测量数据。所述单片机、存储模块、电台模块、GPS定位模块和电子罗盘均为本领域公知技术，另外各个模块部件之间连接使用的水密插接件也为本领域公知技术。
如图1所示，所述艉部模块10包括设置四个翼板12和设置于艉端的一个艉推进器11，所述四个翼板12成“十”字形结构布置，以保证本发明水中运行平稳，所述艉推进器11的中心线与本发明主轴线重合，以保证装置受力均衡，当本发明在重心调节模块7的作用下处于倒立竖直姿态时，艉推进器11的正反转可以提供额外的上浮和下潜动力，不仅可以使本发明处于悬浮状态以满足定高作业要求，还可以实现本发明的助力上浮或下潜。
任意相邻两模块之间均通过可拆卸结构连接，所述可拆卸结构如图3所示，包括设于其中一个模块端部的公头28以及设于另一个模块端部的母头29，所述公头28和母头29嵌合在一起并通过螺钉固连，在所述公头28和母头29上均设有安装螺钉用的螺孔30，另外在所述公头28外圆周面上设有密封槽31，所述密封槽31内设有密封圈，从而保证两模块之间为密封连接。各个模块端部均设有模块端盖，且各个模块端盖上均设有水密插接件插口。
本发明的工作原理为：
本发明通过所述浮力调节装置5驱动下沉和上浮，通过所述重心调节模块7进行运动姿态调整并利用艏推进器15和艉推进器11进行水面自主避障航行和水下悬浮作业。所述重心调节模块7工作时，驱动装置26驱动滚珠丝杠22旋转，进而通过滚珠螺母座25移动带动所述电池套件20往复移动，从而实现装置的重心位置发生改变的目的，当重心向装置头部位置偏移时，实现本发明在水中呈现倒立竖直下潜姿态，降低了下潜的阻力和提供了比较好的观测视角；当本发明上浮至水面时，调节装置重心向装置中心位置移动，实现探测装置在水中呈现水平航行姿态，进行自主避障航行或手动航行。两种作业姿态相互转换实现立体探测，提高了探测效率，并且降低能耗。
另外本发明艏部模块3设有高度计1，当本发明处于倒立竖直姿态时，高度计1可以提供探测装置所处水下位置相对水底的距离；当本发明处于水平姿态并在水面上进行航行时，此时利用高度计1的工作原理进行障碍物回声测距，并利用转向模块4的艏推进器15对探测装置的航线进行调整，实现自主避障航行功能，很好的降低了成本。
另外本发明处于倒立竖直姿态时，艉部模块10的艉推进器11正反转还可以提供额外的上浮和下潜动力，实现装置的悬浮探测，以满足定高作业要求。所述控制导航模块14中的存储模块将传感器模块9采集的数据和灯摄系统获取的海底环境的图像信息进行数据存储，并且通过所述控制导航模块14中的无线电台模块向地面控制中心发送探测装置的位置信息、海底环境图像信息和传感器测量数据，使用精确高效便捷。
Claims (9)
1.一种便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：包括依次连接的艏部模块(3)、转向模块(4)、浮力调节模块(5)、重心调节模块(7)、控制导航模块(14)、传感器模块(9)和艉部模块(10)，其中所述艏部模块(3)上设有高度计(1)、照明灯(16)和摄像头(2)，所述转向模块(4)上设有用于转向的艏推进器(15)，所述艉部模块(10)设有艉推进器(11)，所述浮力调节模块(5)内设有可吸排水的调节腔(35)，所述重心调节模块(7)设有可移动的电池套件(20)。
2.根据权利要求1所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述浮力调节模块(5)内设有通过隔膜(34)隔开的清水腔(33)和调节腔(35)，所述调节腔(35)设有通孔与外界相通，在所述清水腔(33)内设有清水和可移动的活塞(32)。
3.根据权利要求1所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述重心调节模块(7)内部设有重力调节机构，所述重力调节机构包括驱动装置(26)、滚珠丝杠(22)和电池套件(20)，其中滚珠丝杠(22)通过驱动装置(26)驱动旋转，且所述滚珠丝杠(22)穿过所述电池套件(20)，在所述电池套件(20)一端端板上设有滚珠螺母座(25)套装于所述滚珠丝杠(22)上。
4.根据权利要求3所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述重心调节模块(7)包括壳体(17)、上端盖(27)和下端盖(23)，在所述壳体(17)内设有支撑盘(18)，在所述上端盖(27)和下端盖(23)之间设有多个支撑杆(21)，所述支撑盘(18)设于所述上端盖(27)和下端盖(23)之间且固装于所述支撑杆(21)上，所述驱动装置(26)固装于所述支撑盘(18)上，所述滚珠丝杠(22)设置于所述支撑盘(18)另一侧，且所述滚珠丝杠(22)一端与所述驱动装置(26)的输出轴固连。
5.根据权利要求4所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述滚珠螺母座(25)外侧设有导向板(19)，且所述导向板(19)一端与任一支撑杆(21)滑动连接。
6.根据权利要求3所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述电池套件(20)包括多个呈圆周排列的电池(24)，各个电池(24)两端均通过端板固定，滚珠丝杠(22)由所述电池套件(20)中部穿过。
7.根据权利要求1所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述控制导航模块(14)包括单片机、存储模块、无线电台模块、GPS定位模块和电子罗盘，在所述控制导航模块(14)上端设有天线(8)，所述无线电台模块和GPS定位模块与所述天线(8)相连。
8.根据权利要求1所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：所述重心调节模块(7)上设有起吊手环(6)，所述传感器模块(9)设有CTD传感器(13)，所述艉部模块(10)上设有翼板(12)。
9.根据权利要求1所述的便携式多功能立体水质探测装置，其特征在于：任意相邻两模块之间均通过可拆卸结构连接，所述可拆卸结构包括设于其中一个模块端部的公头(28)以及设于另一个模块端部的母头(29)，所述公头(28)和母头(29)嵌合在一起并通过螺钉固连，在所述公头(28)外圆周面上设有密封槽(31)，所述密封槽(31)内设有密封圈。
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