CN109813287B - 具备自主导航的海洋观测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具备自主导航的海洋观测装置，属于海洋观测设备技术领域，本装置包括浮体，浮体底部中心处具有一垂直设置的螺旋轴，螺旋轴与浮体连接处设有轴承且端部与浮体内的发电机配合连接，发电机连接有蓄电池，蓄电池连接控制器，浮体底部设有推进器，浮体侧面通过连接绳环绕连接浮球，且至少两个浮球之间通过连接环连接。浮体侧面有若干处浮球之间不通过连接环连接。本发明的装置能够提供充足电能，具备自主导航功能，设备不易出现失灵现象，可持续行动且航速较快，且该观测设备能满足长期对海洋观测的图像、声呐等其他数据获取。

Description

具备自主导航的海洋观测装置

技术领域

本发明属于海洋观测设备技术领域，具体涉及一种具备自主导航的海洋观测装置。

背景技术

海洋观测是人类研究和认知海洋、海洋气象、海洋动力环境的重要手段，但是浩瀚的海洋，给海洋的观测带来巨大的挑战。海洋观测平台是实现海洋观测的常用工具之一，无人驾驶移动海洋观测平台（即 SelfPower Ocean Observation Platform 以下将简称为SPOOP）是海洋动力环境等各种观测的一个基础智能观测装备。相对于普通的海洋观测、考察船模式和无动力观测固定站点而言，无人驾驶充足动力和电能的自主移动海洋观测平台，可以承载大功率海面雷达、海面下多声纳水下空间定位、地形观测系统和大功率在线卫星通讯或大功率海事专用通讯平台，因此它具有及其重要的现实意义和历史意义，是人类探索海洋、了解站地球 71% 表面积的家园的必须发展的基础装备。

目前，在世界范围内，对于浩瀚海洋的观测，时空差巨大，受自然的制约，无法通过电缆向其供电，现有海洋观测平台一般依靠有限容量的蓄电池提供的电能作为动力源，远远不能满足海洋观测所需的基本条件，极大限制了对海洋动力环境观测的能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提供充足电能，具备自主导航功能，设备不易出现失灵现象，可持续行动且航速较快的具备自主导航的海洋观测装置，该观测设备能满足长期对海洋观测的图像、声呐等其他数据获取。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：具备自主导航的海洋观测装置，包括浮体，浮体底部中心处具有一垂直设置的螺旋轴，螺旋轴与浮体连接处设有轴承且端部与浮体内的发电机配合连接，发电机连接有蓄电池，蓄电池连接控制器，浮体底部设有推进器，浮体侧面通过连接绳环绕连接浮球，且至少两个浮球之间通过连接环连接。浮体侧面有若干处浮球之间不通过连接环连接。

本发明利用浮体在海洋中受波浪影响呈上下摆动的特点在浮体底部设置螺旋轴并配合发电机将波浪能转换为螺旋轴的机械能再传递至发电机转化为电能实现能源收集利用以提供充足电力来保证浮体的自主航行以及观测，并且在浮体侧面设置浮球，以提高装置整体浮力，并有助于吸收波浪冲击力对浮体上的部件起到保护作用，避免器长期受波浪拍打而失灵，再利用连接环以及浮体侧面有若干处浮球之间不通过连接环连接的设计来实现波浪作用于上述结构的浮球上时，相互串联的浮球与相邻串联的浮球之间相应位移或碰撞，产生两个相反方向的水波相互叠加，从而使水粒子产生起伏运动，对移动过程中的浮体起到推动作用以提高装置在水中的航行速度。

优选的，浮体上部设有与控制器连接的卫星导航设备、信号收发器，下部设有与控制器连接的声呐采集设备、摄像机。利用卫星导航设备实时捕获卫星信号来为装置提供全天候高精度的导航信息，实现自主导航功能，声呐采集设备对本装置经过海域进行声呐信息采集反馈至陆地操作平台同时通过声呐采集设备来避免装置撞击物体，摄像机可实现对海洋内的图像数据采集传反馈至陆地操作平台，为达到使用需求还可在浮体上安装水文观测设备、温湿度检测设备等。

优选的，螺旋轴外侧设有与浮体底部连接的套管，套管表面具有环绕开设的圆形透水孔。套管的设置一则对螺旋轴起到保护作用以防物体撞击或水草缠绕，二则通过透水孔来提高水流对螺旋轴的驱动作用以提高螺旋轴的转速实现发电量的提升来保证充足的电能产生。

优选的，螺旋轴底端通过弹簧竖直连接有一配重块，配重块上均设竖直贯通的流通孔，利用配重块来增强装置整体在水中的重心，以提高装置在水中的稳定性，并且通过弹簧来连接带流通孔的配重块实现在浮体上下浮动过程中配重块同步产生相应且更加剧烈的浮动使水体通过流通孔形成多条向上的水流柱经螺旋轴作用形成螺旋水流更快提高螺旋轴旋转，并且螺旋水流对螺旋轴以及套管还可起到清洁作用，而装置整体在上下浮动过程中产生一定的振动能量经传递至螺旋轴使利用弹簧吸收并将其振动能量进一步传递配重块的流通孔来分散振动能量以及通过上下流通水流消除振动能量实现对装置整体的吸振效果，避免浮体上的设备长期处于振动状态而松动、失灵。

优选的，浮体底部的推进器以浮体中心环绕设置，推进器由控制器控制，通过将推进器设于浮体底部各方向，在自主导航过程中控制器分别控制单个或两个以上的推进器来实现向某一方向航行，灵活控制装置航行方向。

优选的，浮体为圆盘状或圆锥台状，浮体表面开设有用于安装支架或罩体的槽/孔。通过设计浮体的形状有利于装置整体在海面的漂浮，特别是降低海水对浮体的流体阻力，并且上述形状的浮体受物体冲击时受影响最小且其载物面积最大因此开设槽/孔有利装载更多的海洋观测设备。

优选的，控制器、蓄电池分别设于浮体内部腔体内，且控制器还连接有GPS。通过将控制器、蓄电池以及GPS和发电机设置在浮体内部腔体内实现对核心电气部件进行保护作用，避免其受外界影响，也有益于增强浮体的重心稳定性。

优选的，浮体上部安装有一防护罩，有益于对信号收发器、卫星导航设备以及安装在浮体上部的设备起到防护作用，例如物体的撞击、太阳的照射等，有效保护设备正常运转，降低设备失灵现象产生。

优选的，浮球和/或浮体表面涂覆有荧光层，用于显示装置于夜间在海面的位置，对过往船只起引导作用也避免其撞击海洋观测装置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明利用浮体在海洋中受波浪影响呈上下摆动的特点将波浪能转换为机械能再转化为电能实现能源收集利用以提供充足电力来保的自主航行以及观测，装置整体的安全性能高，防撞性好，并且在其航行过程中利用相应部件可起到加速作用，因此其航行速度较快，且装置部件受波浪影响作用较小，其振动效果小，不易出现失灵，设备可靠性高。

本发明提供了一种具备自主导航的海洋观测装置，弥补了现有技术的不足，设计合理，易于操作和实现。

附图说明

图1为本发明具备自主导航的海洋观测装置的示意图；

图2为本发明浮体与浮球连接示意图；

图3为螺旋轴通过弹簧与配重块连接示意图；

图4为控制器与其控制部件连接示意图；

图5为套管结构示意图；

图6为本发明实施例2另一技术方案示意图；

图7为实施例2技术方案中的防护罩结构示意图。

附图标记说明：1.浮球；1a.连接环；1b.连接绳；2.浮体；3.信号收发器；4.卫星导航设备；5.防护罩；5a.气流孔；5b.隔板；5c.连接体；6.发电机；7.蓄电池；8.控制器；9.推进器；10.声呐采集设备；11.套管；11a.透水孔；12.螺旋轴；13.弹簧；14.配重块；14a.流通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1-5所示，具备自主导航的海洋观测装置，包括浮体2，浮体2底部中心处具有一垂直设置的螺旋轴12，螺旋轴12与浮体2连接处设有轴承且端部与浮体2内的发电机6配合连接，发电机6连接有蓄电池7，蓄电池7连接控制器8，浮体2底部设有推进器9，浮体2侧面通过连接绳1b环绕连接浮球1，且至少两个浮球1之间通过连接环1b连接。浮体2侧面有若干处浮球1之间不通过连接环1b连接。

本发明利用浮体2在海洋中受波浪影响呈上下摆动的特点在浮体2底部设置螺旋轴12并配合发电机6将波浪能转换为螺旋轴12的机械能再传递至发电机6转化为电能实现能源收集利用以提供充足电力来保证浮体2的自主航行以及观测，并且在浮体2侧面设置浮球，以提高装置整体浮力，并有助于吸收波浪冲击力对浮体2上的部件起到保护作用，避免器长期受波浪拍打而失灵，再利用连接环1b以及浮体2侧面有若干处浮球1之间不通过连接环1b连接的设计来实现波浪作用于上述结构的浮球1上时，相互串联的浮球1与相邻串联的浮球1之间相应位移或碰撞，产生两个相反方向的水波相互叠加，从而使水粒子产生起伏运动，对移动过程中的浮体2起到推动作用以提高装置在水中的航行速度。

浮体2上部设有与控制器8连接的卫星导航设备4、信号收发器3，下部设有与控制器8连接的声呐采集设备10、摄像机。利用卫星导航设备4实时捕获卫星信号来为装置提供全天候高精度的导航信息，实现自主导航功能，声呐采集设备10对本装置经过海域进行声呐信息采集反馈至陆地操作平台同时通过声呐采集设备10来避免装置撞击物体，摄像机可实现对海洋内的图像数据采集传反馈至陆地操作平台，为达到使用需求还可在浮体2上安装水文观测设备、温湿度检测设备等。

螺旋轴12外侧设有与浮体2底部连接的套管11，套管11表面具有环绕开设的圆形透水孔11a。套管11的设置一则对螺旋轴12起到保护作用以防物体撞击或水草缠绕，二则通过透水孔11a来提高水流对螺旋轴12的驱动作用以提高螺旋轴12的转速实现发电量的提升来保证充足的电能产生。

螺旋轴12底端通过弹簧13竖直连接有一配重块14，配重块14上均设竖直贯通的流通孔14a，利用配重块14来增强装置整体在水中的重心，以提高装置在水中的稳定性，并且通过弹簧13来连接带流通孔14a的配重块14实现在浮体2上下浮动过程中配重块14同步产生相应且更加剧烈的浮动使水体通过流通孔14a形成多条向上的水流柱经螺旋轴12作用形成螺旋水流更快提高螺旋轴12旋转，并且螺旋水流对螺旋轴12以及套管11还可起到清洁作用，而装置整体在上下浮动过程中产生一定的振动能量经传递至螺旋轴12使利用弹簧13吸收并将其振动能量进一步传递配重块14的流通孔14a来分散振动能量以及通过上下流通水流消除振动能量实现对装置整体的吸振效果，避免浮体2上的设备长期处于振动状态而松动、失灵。

浮体2底部的推进器9以浮体2中心环绕设置，推进器9由控制器8控制，通过将推进器9设于浮体2底部各方向，在自主导航过程中控制器8分别控制单个或两个以上的推进器9来实现向某一方向航行，灵活控制装置航行方向。

浮体2为圆盘状或圆锥台状，浮体2表面开设有用于安装支架或罩体的槽/孔。通过设计浮体2的形状有利于装置整体在海面的漂浮，特别是降低海水对浮体2的流体阻力，并且上述形状的浮体2受物体冲击时受影响最小且其载物面积最大因此开设槽/孔有利装载更多的海洋观测设备。

控制器8、蓄电池7分别设于浮体2内部腔体内，且控制器8还连接有GPS。通过将控制器8、蓄电池7以及GPS和发电机6设置在浮体2内部腔体内实现对核心电气部件进行保护作用，避免其受外界影响，也有益于增强浮体2的重心稳定性。

浮体2上部安装有一防护罩5，有益于对信号收发器2、卫星导航设备4以及安装在浮体2上部的设备起到防护作用，例如物体的撞击、太阳的照射等，有效保护设备正常运转，降低设备失灵现象产生。

浮球1和/或浮体2表面涂覆有荧光层，用于显示装置于夜间在海面的位置，对过往船只起引导作用也避免其撞击海洋观测装置。

浮体2表面涂覆有耐腐蚀涂料，该耐腐蚀涂料由以下步骤制备：

1）在 400r/min 转速搅拌条件下，在一定分量的去离子水中依次加入丙二醇丁醚、二甲苯、耐盐雾疏水剂，搅拌 7min，制得预混合液备用；

2）在 180r/min 转速搅拌条件下，依次加入一定分量的去离子水、 石油磺酸钡、纯碱、 磺酰磺隆、有机膨润土、钠盐、乳化硅油， 搅拌 15min；在1500r/min 转速搅拌下，加入配方中的颜料以及预混合液，然后在转速为15000 r/min 下高速分散 15min 或在转速为3000 r/min 下研磨14min，直至细度到达 40µm以下，即制得颜料浆；

3）在 700r/min 转速搅拌条件下，将上述颜料浆加入到配方中的水性聚氨酯乳液与丙烯酸乳液混合液中，在 900 r/min 转速下搅拌8min，加入磺化油、三氟啶磺隆钠盐，搅拌均匀即可，放置熟化40min，得耐腐蚀涂料，本发明在制备过程通过加入磺酰磺隆来影响乳化硅油对颜料的包覆性能，使其完全包覆颜料粒子，从而填充颜料粒子之间的缝隙使涂料在涂覆后形成连续涂层具备较高的致密性以避免海水腐蚀和生物附着，并且在涂料最终混合过程中添加三氟啶磺隆钠盐与水性聚氨酯乳液反应，对其活性提高，使其与底材的中的羟基结合性提高，形成牢固的化学键和氢键以实现涂料的粘附性的提升，因此，所制备的涂料具备优异的致密性、粘附性、防腐性能，有效提升浮体2对抗复杂海洋环境，同时涂覆耐腐蚀涂料的浮体2表面强度也有所增强。

上述耐腐蚀涂料由以下成分及重量份组成：去离子水120份、丙二醇丁醚14份、二甲苯8份、耐盐雾疏水剂3份、石油磺酸钡15份、 纯碱6份、 磺酰磺隆2份、有机膨润土22份、钠盐12份、乳化硅油18份、颜料6份、水性聚氨酯乳液4份、丙烯酸乳液3份、磺化油7份、三氟啶磺隆钠盐5份。

实施例2：

本实施例另一种具备自主导航的海洋观测装置的技术方案，在实施例1的技术方案基础上增加：防护罩5为棱锥台状，其由隔板5b拼接而成，隔板5b之间通过环状连接体5c连接，隔板5b表面均设有气流通孔5a，隔板5b与浮体2表面夹角呈42°~47°设置。利用防护罩5对浮体2上部的设备形成保护，以防物体撞击部件以及太阳光照对设备的照射影响，同时将隔板5b与浮体2表面呈42°~47°倾斜设置使风吹过隔板5b时的气流阻力较大以形成一定的噪音效果来驱赶海洋观测装置附近生物，避免生物附着在装置上或鸟类栖息在装置上。

实施例3：

本发明的具备自主导航的海洋观测装置实际使用时：将观测装置至于海洋中，利用卫星导航设备4实时捕获卫星信号来为装置提供全天候高精度的导航信息，实现自主导航功能，在装置需要移动时，控制器8分别控制单个或两个以上的推进器9来实现向某一方向航行，声呐采集设备10对本装置经过海域进行声呐信息采集反馈至陆地操作平台同时通过声呐采集设备10来避免装置撞击物体，摄像机可实现对海洋内的图像数据采集传反馈至陆地操作平台，为达到使用需求还可在浮体2上安装水文观测设备、温湿度检测设备等。

本发明中所采用的声呐采集设备10可选用品牌为尔畅的声呐探测器，型号为XA-02，当然不应仅限于该品牌的声呐探测器，至于摄像机为水下摄像机根据实际需求购买，其余现有技术本领域技术人员应知晓，在此不再详细赘述。

本发明的实施方式不限于上例，还有很多等功能代换结构，只要采用本发明的技术思路的所有技术方案均属本发明的保护范围。

Claims (6)

1.具备自主导航的海洋观测装置，包括浮体（2），所述浮体（2）底部中心处具有一垂直设置的螺旋轴（12），所述螺旋轴（12）与浮体（2）连接处设有轴承且端部与浮体（2）内的发电机（6）配合连接，所述发电机（6）连接有蓄电池（7），所述蓄电池（7）连接控制器（8），所述浮体（2）底部设有推进器（9），其特征在于：所述浮体（2）侧面通过连接绳（1b）环绕连接浮球（1），且至少两个浮球（1）之间通过连接环（1a）连接，所述浮体（2）侧面有若干处浮球（1）之间不通过连接环（1a）连接，所述浮体（2）上部设有与控制器（8）连接的卫星导航设备（4）、信号收发器（3），下部设有与控制器（8）连接的声呐采集设备（10）、摄像机;所述螺旋轴（12）外侧设有与浮体（2）底部连接的套管（11），所述套管（11）表面具有环绕开设的圆形透水孔（11a）;所述螺旋轴（12）底端通过弹簧（13）竖直连接有一配重块（14），所述配重块（14）上均设竖直贯通的流通孔（14a）。

2.如权利要求1所述的具备自主导航的海洋观测装置，其特征在于：所述浮体（2）底部的推进器（9）以浮体（2）中心环绕设置，所述推进器（9）由控制器（8）控制。

3.如权利要求1~2任一权利要求所述的具备自主导航的海洋观测装置，其特征在于：所述浮体（2）为圆盘状或圆锥台状，所述浮体（2）表面开设有用于安装支架或罩体的槽/孔。

4.如权利要求1~2任一权利要求所述的具备自主导航的海洋观测装置，其特征在于：所述控制器（8）、蓄电池（7）分别设于浮体（2）内部腔体内，且控制器（8）还连接有GPS。

5.如权利要求1~2任一权利要求所述的具备自主导航的海洋观测装置，其特征在于：所述浮体（2）上部安装有一防护罩（5），所述防护罩（5）为棱锥台状，其由隔板（5b）拼接而成，隔板（5b）之间通过环状连接体（5c）连接，隔板（5b）表面均设有气流通孔（5a），隔板（5b）与浮体（2）表面夹角呈42°~47°设置。

6.如权利要求1~2任一权利要求所述的具备自主导航的海洋观测装置，其特征在于：所述浮球（1）和/或浮体（2）表面涂覆有荧光层。

Images