CN109572937A - 一种深海可控浮标 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海可控浮标，该浮标包括金属框架、玻璃浮球和玻璃钢蒙皮，多个所述玻璃浮球固定在金属框架内部，玻璃浮球内部分别装有舵机系统、控制模块、浮力调节系统和电池组；进行信息传输的天线杆和信息探测的CTD传感器固定在金属框架的后端，玻璃钢蒙皮包覆在金属框架的表面后组成流线型回转体结构；鳍舵安装在金属框架上并与玻璃浮球内部的舵机系统位置相对应，鳍舵采用磁耦合技术进行操舵；控制模块采用MEMS惯导和模型预测修正的组合导航方式，模型预测利用控制模块实时解算理论运动模型得到的速度和姿态信息对惯导进行修正。本发明克服了剖面浮标随波逐流不能水平修正的缺点，同时具备垂直往复运动、坐底、定深虚拟锚泊功能。

Description

一种深海可控浮标

技术领域

本发明涉及海洋技术勘探设备技术领域，具体涉及一种用于深远海环境调查的可控浮标。

背景技术

目前，深海海洋环境无人调查主要采取剖面浮标、AUV和AUG等手段。

剖面浮标通过调节自身浮力实现垂直往复式运动，具有剖面测量能力。典型的如：国外PALACE、APEX、PROVOR、SOLO等浮标，最大工作水深已达6000m；国内海洋技术中心、710所等单位的浮标，最大工作水深达到2000m。剖面浮标虽然体积小、重量轻、成本低、使用方便，但缺乏水平位移修正的能力，容易随波逐流，无法实现对固定海域进行长期连续的剖面监测。

AUV是目前深海调查的主要手段，国外已形成多款6000m级AUV产品，典型的如：美国伍兹霍尔研究所的Remus 6000，挪威Kongsberg公司的HUGIN 6000等，英国、加拿大、日本、俄罗斯等国家也分别研制了多款6000m级AUV。国内6000m级AUV主要有沈阳自动化所、哈尔滨工程大学等单位的CR系列、“潜龙”系列、“智水”系列等。AUV速度低，航时短，适用于短期区域性探测，难以实现长期垂直剖面和坐底定点探测，并且具有体积大、成本高，难以大量使用等缺点。

AUG是上世纪90年代发展起来一种适合远距离操作、续航力持久的新型水下无人航行器，其在海洋水文资料探测和军事方面应用相当广泛。水下滑翔机具有使用方便、灵活、可遥控、可重复使用等特点，用于海洋环境监测可有效提高海洋环境的空间和时间观测密度。目前美国已研制了多型水下滑翔机，其电能或温差能推动的普通型水下滑翔机，Slocum、Spray、Seaglider最高航速都不超过1kn，主要用于低流速海域。国内AUG典型代表有：天津大学的“海燕”滑翔机、沈自所的滑翔机和710所的“海鲟”滑翔机等。AUG的滑翔轨迹为锯齿形，适用于大范围远距离探测，难以实现长期垂直剖面和坐底定点探测，并且具有速度低，抗流能力差等特点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种深海可控浮标，克服了剖面浮标随波逐流不能水平修正的缺点，同时具备垂直往复运动、坐底、定深虚拟锚泊功能。

一种深海可控浮标，该浮标包括金属框架、玻璃浮球和玻璃钢蒙皮，多个所述玻璃浮球固定在金属框架内部，玻璃浮球内部分别装有舵机系统、控制模块、浮力调节系统和电池组；进行信息传输的天线杆和信息探测的CTD传感器固定在金属框架的后端，玻璃钢蒙皮包覆在金属框架的表面后组成流线型回转体结构；鳍舵安装在金属框架上并与玻璃浮球内部的舵机系统位置相对应，鳍舵采用磁耦合技术进行操舵；所述控制模块采用MEMS惯导和模型预测修正的组合导航方式，模型预测利用控制模块实时解算理论运动模型得到的速度和姿态信息对惯导进行修正。

进一步地，所述控制模块根据天线杆出水定位信息解算水平位置偏离距离，若超出预设值，则在负浮力下沉过程中通过舵机系统控制鳍舵，利用水声导引或水下惯性导航的方式实现水平位置修正。

进一步地，所述玻璃浮球采用Benthos 2040-13V型玻璃浮球，可承压9000m。

进一步地，所述控制模块调节浮力调节系统产生微负浮力，浮标坐底进行环境探测，水声通信设备唤醒后浮力调节系统产生正浮力，浮标结束坐底上浮出水。

进一步地，所述控制模块通过动态调节浮力调节系统，将浮标虚拟锚泊在指定深度区间，进行环境探测，水声通信设备唤醒后，浮标结束虚拟锚泊上浮出水。

有益效果：

1、本发明的深海可控浮标采用负浮力下沉操舵滑翔技术实现平台水平位移修正，舵机安装在独立承压密封的玻璃浮球内，采用磁耦合技术进行操舵，解决深海密封问题。控制模块采用MEMS惯导和模型预测修正的组合导航方式，实现水下长时低功耗导航控制，模型预测利用控制模块实时解算理论运动模型得到的速度和姿态信息对惯导进行修正，从而减小姿态和速度累计误差，提高位移控制精度。

2、本发明的深海可控浮标采用框架式结构，将舵机系统、控制中心、浮力调节系统、电池组等设备安装在独立承压密封的玻璃浮球内，主体表面由玻璃钢材料做成流线型蒙皮罩壳。玻璃浮球采用Benthos 2040-13V型玻璃浮球，可承压9000m，外径330mm，质量9kg，排水量20kg，既可满足深海耐压要求，又可实现平台小型化、模块化设计。

3、本发明的深海可控浮标工作时间长、体积小、成本低、使用方便，可有效补充和完善现有深海监测平台体系，提高我国现有深海海洋环境探测能力。

附图说明

图1为本发明深海可控浮标的结构示意图。

其中，1-金属框架、2-玻璃浮球、3-玻璃钢蒙皮、4-水声通讯设备、5-鳍舵、6-CTD传感器、7-压力传感器、8-天线杆、9-舵机系统、10-控制模块、11-浮力调节系统、12-电池组。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如附图1所示，本发明提供了一种深海可控浮标，该浮标包括金属框架1、玻璃浮球2、玻璃钢蒙皮3、水声通讯设备4、鳍舵5、CTD传感器6、压力传感器7、天线杆8、舵机系统9、控制模块10、浮力调节系统11和电池组12；金属框架的内部固定有玻璃浮球2、水声通讯设备4、可进行水平位移修正的鳍舵5、CTD传感器6、压力传感器7以及进行信息传输的天线杆8；玻璃浮球采用Benthos 2040-13V型玻璃浮球，可承压9000m，玻璃浮球2内装有舵机系统9、控制模块10、浮力调节系统11和电池组12。玻璃钢蒙皮3包覆在金属框架1的表面后组成流线型回转体结构。

舵机9安装在独立承压密封的玻璃浮球2内，采用磁耦合技术进行操舵，解决深海密封问题；采用MEMS惯导和模型预测修正的组合导航方式，实现水下长时低功耗导航控制，模型预测利用控制模块10实时解算理论运动模型得到的速度和姿态信息对惯导进行修正，从而减小姿态和速度累计误差。

控制模块10根据天线杆8出水定位信息解算水平位置偏离距离，若超出预设值，则在负浮力下沉过程中通过舵机系统9控制鳍舵5，利用水声导引或水下惯性导航的方式实现水平位置修正。

控制模块10调节浮力调节系统11产生微负浮力，浮标坐底进行环境探测，水声通信设备4唤醒后浮力调节系统11产生正浮力，所述浮标结束坐底上浮出水。

控制模块10通过动态调节浮力调节系统11将浮标虚拟锚泊在指定深度区间，进行环境探测，水声通信设备4唤醒后，浮标结束虚拟锚泊上浮出水。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种深海可控浮标，其特征在于，该浮标包括金属框架、玻璃浮球和玻璃钢蒙皮，多个所述玻璃浮球固定在金属框架内部，玻璃浮球内部分别装有舵机系统、控制模块、浮力调节系统和电池组；进行信息传输的天线杆和信息探测的CTD传感器固定在金属框架的后端，玻璃钢蒙皮包覆在金属框架的表面后组成流线型回转体结构；鳍舵安装在金属框架上并与玻璃浮球内部的舵机系统位置相对应，鳍舵采用磁耦合技术进行操舵；所述控制模块采用MEMS惯导和模型预测修正的组合导航方式，模型预测利用控制模块实时解算理论运动模型得到的速度和姿态信息对惯导进行修正。

2.如权利要求1所述的深海可控浮标，其特征在于，所述控制模块根据天线杆出水定位信息解算水平位置偏离距离，若超出预设值，则在负浮力下沉过程中通过舵机系统控制鳍舵，利用水声导引或水下惯性导航的方式实现水平位置修正。

3.如权利要求1或2所述的深海可控浮标，其特征在于，所述玻璃浮球采用Benthos2040-13V型玻璃浮球，可承压9000m。

4.如权利要求3所述的深海可控浮标，其特征在于，所述控制模块调节浮力调节系统产生微负浮力，浮标坐底进行环境探测，水声通信设备唤醒后浮力调节系统产生正浮力，浮标结束坐底上浮出水。

5.如权利要求4所述的深海可控浮标，其特征在于，所述控制模块通过动态调节浮力调节系统，将浮标虚拟锚泊在指定深度区间，进行环境探测，水声通信设备唤醒后，浮标结束虚拟锚泊上浮出水。