CN109204704A - 一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：包括浮体主体；其中，所述浮体主体由内舱体和壳体组成；所述内舱体和壳体之间设有防撞浮力件；所述浮体主体的顶面设有设备搭载平台；所述浮体主体的底面设有配重组件；所述配重组件的长度不小于浮体主体的长度。该浮体为一种稳定性较强、运动响应较小的低运动型浮标系统。

Description

一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体

技术领域

本发明涉及漂浮式海上测风装置，特别涉及一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体。

背景技术

在风电场开发中，传统的海上风资源测量是采用在海上修建固定式测风平台，然后在测风平台上搭建自立式测风塔用以搭载测风传感器，以此达成风资源测量的目的。上述方法资金投入大、建造时间长、修建难度大、利用率低等问题一直是固定式海上测风塔难以避免的缺点。

虽然目前，已研制出多款用于测风的激光雷达，然而，激光雷达测风浮标在进行海上测风的过程中，浮标体的平动和转动均会不同程度地影响风矢量测量，产生误差降低精度。浮标体的横荡、纵荡和升沉运动会为所测风矢量额外增加一个运动矢量，进而影响测量的风速大小；艏摇运动会影响测风激光雷达自身的物理定向，会很明显影响所测风向；横摇和纵摇运动会改变测量光束矢量和被测风矢量之间的夹角，这样就会影响系统对来自视线速度(line-of-sight speeds)风矢量计算的模型假设，进而带来风向测量误差，同时，横摇和纵摇运动的变化对整体误差大小的影响主要取决于倾斜幅度与风向之间的关系。故而，对于激光雷达来说，用于承载其的浮体至关重要。

然而，传统浮标种类繁多，用途也各有差异，有用于专用于导航作用的航标灯用浮标，也有作为搭载海洋水文测量仪器用的水文型测量浮标等等。但将任何一种已有的传统浮标用于搭载专用于海上风电开发的测风雷达都是有缺陷的。。

发明内容

本发明旨在克服上述缺陷，提供一种能够符合海上浮动测风要求，且完全为应对雷达测风要求的专用浮标。

本发明提供了一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：包括浮体主体；

其中，上述浮体主体由内舱体和壳体组成；

上述内舱体和壳体之间设有防撞浮力件；

上述浮体主体的顶面设有设备搭载平台；

上述浮体主体的底面设有配重组件；

上述配重组件的长度不小于浮体主体的长度。一般为浮体主体的长度的1-4倍。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述防撞浮力件为填充于内舱体和壳体之间的，具有弹性和/或浮力的材料。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述防撞浮力件为聚氨酯发泡材料。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述配重组件由柱状杆体和配重件组成；

上述柱状杆体的一端呈圆周均布的安装于浮体主体的底面；该安装的方法可以为焊接、铆接、螺接等各种安装固定的方式。

上述柱状杆体的另一端安装于配重件上。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述柱状杆体上设有若干支撑板；

上述支撑板固定的或可拆卸的安装于柱状杆体上；

每块支撑板均连接所有的柱状杆体。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述配重件的中心设有通孔；

上述配重件在柱状杆体上的位置可调节。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述配重组件上搭载有海洋水文测量设备。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述设备搭载平台上装载有激光雷达系统设备。特别适用于连续波激光雷达。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述浮体主体上还设有能源支持组件；

上述能源支持组件包括太阳能电池板和发电风机。用于为浮体上装载的各类电子设备供电。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、上述浮体主体上设有若干设备支撑杆；

上述设备支撑杆的一端呈圆周均布的安装于浮体主体上；

上述设备支撑杆的另一端设有微型风机。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、还包括电子围栏，根据浮体的GPS，来监视浮体的位移范围，并在超范围的情况下发出警报。

进一步地，本发明提供的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，还具有这样的结构特点：即、还包括监视系统；

所述监视系统包含，安装于浮体上的摄像或照相设备；

所述摄像或照相设备为至少一台。

本发明的优点和有益效果在于：

本发明区别于传统浮体采用的空腔浮体和隔舱浮体，避免了空腔浮体一旦渗漏就会沉没，隔舱浮体某个隔舱渗漏了虽然不会沉没，但是重力结构会发生改变的问题。采用聚氨酯发泡充塑等填充方式，隔离了内外仓，使得外舱不论因何种原因破损了也不会导致内舱的或整体结构的进水失衡，故而，即使破损也不会对整个浮体的浮力造成影响，而且充塑材料的存在和内舱的无损情况下，浮体本身就不会使沉没，从而提高了自身防撞防沉的问题。

此外，本发明的自稳功能，是通过浮体底面的长摆锤形式的配重组件来实现的。

另外，本发明还设有电子围栏系统，该系统是通过安装在浮体上的GPS来实时定位浮体的位置，在定位的条件下，通过设定一个允许的活动范围，超过活动范围则软件发出警报，从而实现了精准定位的效果。

另外，本发明还通过摄像头等监视设备，实现了有人物靠近时，可以向监控者发出警报，并瞬间拍摄照片上传到服务器留存记录，由此，一旦设备失联信号丢失，那么最后的接近者就是最大嫌疑人，给报警侦查留存证据。

此外，基于本浮体的各种可调节结构，能够使其根据不同水深和海况相应调整配置，该调整的过程中，一般通过生产/下水前根据不同的应用水深调整所生产的浮体尺寸大小和配重等来实现。

附图说明

附图1、本实施例涉及的可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体的结构示意图；

附图2、本实施例涉及的可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体的内舱体主视图的剖面图；

附图3、本实施例涉及的可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体的内舱体俯视图的剖面图。

附图4中，图4(a)为BT1模型示意图，图4(b)为BT2模型(即、本实施例涉及的浮体模型)示意图，图4(c)为BT3模型示意图，图4(d)为BT4模型示意图；

附图5中，图5(a)为各浮标的静态性曲线图；图5(b)为各浮标的动态性曲线及最小力臂倾覆计算图；

附图6、本实施例浮标的水动力模型图。

具体实施方式

如图1所述，本实施例提供了一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，包括浮体主体100、长摆锤形式的配重组件、激光雷达系统设备和能源支撑系统设备；

该浮体主体100为单体结构，其形状多选用球体，或如图的带有上下圆台的类球形状，在本实施例中，其长宽尺寸在1000-5000mm之间，如图2和3所示，其内部设有内舱体10，该内舱体10由3mm厚内舱钢板和L50*5的角钢梁作为主体结构，该内舱体中可布置有工作生活空间，以及各种电控设备、活动角钢配电架13等。

该内舱体上设有通向外壳体10的舱门的爬梯14，通过该舱门可实现人员和物质的进出。

该浮体主体100的外壳体10由5mm厚度的外舱钢板制造而成。

该外壳体10和内舱体10之间的空间13，通过聚氨酯发泡材料进行填充。

如图1所示，该浮体主体100的底部焊接的安装固定有管径为50*5mm，长约3.4m的304不锈钢支撑管211，212和213，一般该支撑管一般为4根，呈圆周的均匀布置在浮体主体的底面平台上。

该支撑管的下端部安装在配重铅块230上，该配重铅块230的中心开孔，其开孔直径为80mm。

此外，所有的支撑管之间，每隔1m的距离均设有一块支撑板。

该浮体主体100的外表面设有若干拉手110。

该浮体主体100的上表面设有若干太阳能电池板410，用于收集太阳能，并通过集成于其上的换能设备将其转换为电能。该太阳能电池板及其相关的环能组件均可采购自市售太阳能产品。

该浮体主体100的上表面还均匀的安装有如121,122和123所示的上方支撑管，该上方支撑管选用管径为30*3.5mm的304不锈钢管体，其呈圆周均匀的布置于浮体主体的上方平台上。

所有的上方支撑管之间，约1/2长度的位置焊接有两款相互平行的钢肋板。

此外，每根上方支撑管的上端部均安装有微型风机420，该微型风机能够用过风力来实现发电的效果。

另外，该浮体主体的上表面为平台结构，连续波激光雷达500即固定于其上。

I.本实施例的作用和效果：

由于连续波激光雷达对搭载平台的运动响应要求相对不高，因此针对该特点，本实施例提供的浮标为一种稳定性较强、运动响应较小的低运动型浮标系统。就浮标平动的影响而言，对于只需测量每10分钟平均风速的连续波雷达而言，就不需要运动补偿和修正。因为浮标的横荡、纵荡和升沉运动具有典型的周期性，其频率一般在0.1～0.25Hz之间，在10min内浮标运动响应产生的误差整体求和趋于零，所以在没有运动补偿的情况下所测得的结果也是可以信服的。

对转动运动来说，最坏的情况应该是静态倾斜轴与风向同向，这是因为对于浮标周期性的摇摆运动，激光雷达系统不会花费太长的时间在最大倾斜值上，但会用较长时间使激光束的指向尽量保持垂直。当风向与倾斜轴垂直(倾斜度为0°)时，不管倾斜幅度多大都不会产生偏差；当倾斜度不超过5°时，连续波激光雷达测量结果与真实风矢量拟合匹配得较好，其偏离率不超过1％；当倾斜角分别为10°和15°时，其偏离率分别为1.5％和5％。因此通常情况下，稳定性较强、运动响应较小的本实施例所提供的浮标，其各自的周期性摇摆运动幅值基本都在5°以下，可以过滤掉倾斜角超过预定限制的数据，最终的风速测量不会出现较大的运动偏差。

II.本实施例的浮体与其他形式浮体稳性计算及对比

本次研究中选用了如图4所示的四种形态的浮体进行各种性能参数的比对，其中，本实施例提供的浮体为2#。

《海船法定检验技术规则》对海船稳性的规定如下：1)静稳性消失角应大于55°；2)初稳性高应不小于0.15m；3)横倾角φ＝30°处的静稳性臂应不小于0.2m；4)船舶最大复原力臂所对应的横倾角φmax应不小于30°，其中，当船舶的型宽与型深之比大于2时，φmax可分别比所规定的值小δφ(φmax的修正值)。

经计算和统计，四种选型浮标的风压倾斜力臂lf依次为0.073m、0.605m、0.068m和0.063m。

动静稳性曲线及最小倾覆力臂计算如图5所示，其中BT1、BT2、BT3和BT4为分别为选型浮标1～选型浮标4的代号。从图中可以看出，四种选型浮标的初稳性高均满足法规的要求，数值上选型浮标4最大，选型浮标3次之；横倾角φ＝30°处的静稳性臂也均满足法规的要求，数值上选型浮标4最大，选型浮标3和选型浮标2次之，且二者较为接近；各选型浮标的静稳性消失角均大于80°，满足法规要求55°的要求；在最大复原力臂所对应的横倾角φmax上，选型浮标1、选型浮标2和选型浮标3均满足法规要求，但选型浮标4的值稍小于规定，需要进行稳性调整。因选型浮标2具有特殊的深吃水结构形式，使得其动静稳性曲线较为独特，与其他三种浮标差异较大；四种选型浮标的稳性衡准数K均大于1，满足规范的要求，且数值上有较大的富余。

经由计算分析对比后确定本实施例涉及的浮标2为最优选择。

III.浮标尺寸质量参数：

甲板直径/m	2.6
		标底直径/m	0.74
型深/m	2.75
		吃水/m	4.97
排水量/t	4.8
		浮标质量/t	3.650
浮标质心	(0m,0m,-1.45m)
		Ixx/kg·m2	14000
Iyy/kg·m2	14000
		Izz/kg·m2	1180

IV.浮标浮性参数：

V.浮标水动力模型如图6所示。

VI.运动响应性短期预报计算分析：

应用AQWA-FER模块，忽略风和流的作用，仅计及波浪载荷，选用JONSWAP谱作为不规则波浪谱，波浪入射角分别为0°、30°、45°、60°和90°五种浪向条件下的最大值：

运动响应	有义幅值	最大幅值	最值所在浪向
				艏摇	18.541°	23.628°	60°
横摇	15.047°	19.188°	90°
				纵摇	33.055°	42.143°	0°
垂荡	1.262m	1.617m	浪向影响小

Claims (10)

1.一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：包括浮体主体；

其中，所述浮体主体由内舱体和壳体组成；

所述内舱体和壳体之间设有防撞浮力件；

所述浮体主体的顶面设有设备搭载平台；

所述浮体主体的底面设有配重组件；

所述配重组件的长度不小于浮体主体的长度。

2.如权利要求1所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述防撞浮力件为填充于内舱体和壳体之间的，具有弹性和/或浮力的材料。

3.如权利要求1所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述配重组件由柱状杆体和配重件组成；

所述柱状杆体的一端呈圆周均布的安装于浮体主体的底面；

所述柱状杆体的另一端安装于配重件上。

4.如权利要求3所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述柱状杆体上设有若干支撑板；

所述支撑板固定的或可拆卸的安装于柱状杆体上；

每块支撑板均连接所有的柱状杆体。

5.如权利要求3所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述配重件的中心设有通孔；

所述配重件在柱状杆体上的位置可调节。

6.如权利要求1所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述设备搭载平台上装载有激光雷达系统设备；

和/或

所述配重组件上搭载有海洋水文测量设备。

7.如权利要求1所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述浮体主体上还设有能源支持组件；

所述能源支持组件包括太阳能电池板和发电风机。

8.如权利要求7所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

所述浮体主体上设有若干设备支撑杆；

所述设备支撑杆的一端呈圆周均布的安装于浮体主体上；

所述设备支撑杆的另一端设有微型风机。

9.如权利要求1-8任一所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

还包括电子围栏，根据浮体的GPS，来监视浮体的位移范围，并在超范围的情况下发出警报。

10.如权利要求1-8任一所述的一种可用于装载激光雷达系统浮标的防撞自稳单浮体，其特征在于：

还包括监视系统；

所述监视系统包含，安装于浮体上的摄像或照相设备；

所述摄像或照相设备为至少一台。