CN110456817A - 一种两栖水声探测浮标 - Google Patents

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张立川
武东伟
任染臻
邢润发
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    • B60F—VEHICLES FOR USE BOTH ON RAIL AND ON ROAD; AMPHIBIOUS OR LIKE VEHICLES; CONVERTIBLE VEHICLES
    • B60F5/00—Other convertible vehicles, i.e. vehicles capable of travelling in or on different media
    • B60F5/02—Other convertible vehicles, i.e. vehicles capable of travelling in or on different media convertible into aircraft
    • G—PHYSICS
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    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05D—SYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D1/00—Control of position, course or altitude of land, water, air, or space vehicles, e.g. automatic pilot
    • G05D1/04—Control of altitude or depth
    • G—PHYSICS
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    • G05D1/10—Simultaneous control of position or course in three dimensions
    • G05D1/101—Simultaneous control of position or course in three dimensions specially adapted for aircraft

Abstract

本发明一种两栖水声探测浮标属于海洋勘探设备领域；包括无人机部、浮沉控制部和水声探测部；无人机部包括螺旋桨部分和飞控系统，飞控系统利用MEMS惯导和GPS组合导航实现自主导航并对所述两栖水声探测浮标空中的姿态进行控制；所述无人机部的飞控系统、浮沉控制部和水声探测部分别安装于第一水密舱、第二水密舱和第三水密舱内，三个所述水密舱通过防水密封处理保证其防水和密封性；所述浮沉控制部由浮力调节装置控制所述两栖水声探测浮标在水下的位置，所述水声探测部包括声纳和动力电池，所述动力电池用于给所述声纳提供动力，所述声纳用于水下水声探测。本发明的两栖探测浮标工作时间长、体积小、便于回收，而且可以实现单点投放，多点测量。

Description

一种两栖水声探测浮标
技术领域
本发明属于海洋勘探设备领域，具体涉及一种两栖水声探测浮标。
背景技术
目前，海洋环境无人探测主要采取海洋浮标和AUV两种手段。
海洋浮标中，以剖面浮标为代表，通过调节自身浮力，实现水下垂直往复运动。典型的如我国生产的HM2000型剖面浮标，国外有PALACE、APEX、PROVOR、SOLO等型号。但是剖面浮标适合探测深度为数千米的深海探测，而且只能单点投放，单点测量，而且存在回收不便的缺点。
无缆水下机器人AUV是目前海洋调查的主要手段，例如我国沈阳自动化所、哈尔滨工程大学等单位研制的CR系列、“潜龙”系列等。国外有美国伍兹霍尔研究所的Remus、挪威Kongsberg公司的HUGIN等。AUV适用于短时间，大范围的区域性探测，难以实现定点测量，而且存在航时短、成本高、难以大量使用的缺点。
专利CN201362339Y公开了一种浅海自持式漂流循环探测浮标，可以在海中下潜、上浮，进行相关海洋探测。该浮标浮沉控制机构由栓塞泵构成，质量较重。另外，该浮标投放后虽然可以进行多次下潜、上浮探测，但是每次探测的位置完全取决于洋流的流向。如果需要进行精确位置的多点探测，则每次探测完成后必须人工回收，再次投放，使用不便。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种两栖水声探测浮标，将无人机与海洋探测浮标结合，从而实现单次投放，多点探测，而且便于回收。另外，无人机要求浮标整体质量轻，为此对浮沉控制部进行了优化设计，减轻了整体质量。
本发明的技术方案是：一种两栖水声探测浮标，包括无人机部，无人机部包括螺旋桨部分和飞控系统，所述飞控系统利用MEMS惯导和GPS组合导航实现自主导航，并且对所述两栖水声探测浮标空中的姿态进行控制；其特征在于：还包括浮沉控制部和水声探测部；所述无人机部的飞控系统、浮沉控制部和水声探测部依次通过电缆连接，并分别安装于第一水密舱、第二水密舱和第三水密舱内，三个所述水密舱通过防水密封处理保证其防水和密封性；
所述浮沉控制部由浮力调节装置控制所述两栖水声探测浮标在水下的位置，所述浮力调节装置包括活塞、丝杆、丝杆传动齿轮、电机传动齿轮、激光测距传感器和无刷电机；所述第二水密舱为上端开口的桶装结构，其开口端通过顶盖密封并与所述第一水密舱固定连接，其底面与所述第三水密舱固定连接；在所述第二水密舱内靠近底部、垂直于其轴向安装有隔板，所述无刷电机安装于所述隔板的下表面，其输出轴穿过所述隔板与所述电机传动齿轮配合安装，所述丝杆传动齿轮与电机传动齿轮啮合，带动所述丝杆转动；通过所述丝杠带动活塞在所述第二水密舱内沿其轴向做往复运动；所述第二水密舱侧壁的上部开有若干排水孔，通过所述排水孔排出或吸入的水量改变所述浮沉控制部的重量，进一步改变所述第二水密舱的浮力；所述激光测距传感器安装于所述隔板的上表面，用于测量所述活塞位置，进而实现对排出或吸入的水量的闭环控制；
所述水声探测部包括声纳和动力电池，所述动力电池用于给所述声纳提供动力，所述声纳用于水下水声探测。
本发明的进一步技术方案是：所述水密舱由玻璃钢蒙皮制备而成。
本发明的进一步技术方案是：所述第一水密舱和第二水密舱之间、第二水密舱和第三水密舱之间均安装有水密穿心螺栓，用于穿过所述无人机部的飞控系统、浮沉控制部和水声探测部之间连接的电缆，所述电缆包括供电电缆和通信电缆。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、本发明可以通过浮沉控制部调节自身质量，实现水下的垂直往复运动，浮力调节量为0.96kg，浮沉控制部内部执行机构为一活塞结构，通过无刷电机驱动电机传动齿轮，依次带动丝杆传动齿轮和丝杆转动，进一步带动活塞往复运动，将水从排水孔吸入或排出第二水密舱，从而改变浮沉控制部的质量，实现浮力的控制。该结构简单，质量轻，满足无人机飞行的载荷限制。
2、本发明入水后，无人机部停止工作，仅由浮沉控制部控制下潜、上浮、悬停，浮沉控制部工作的平均功耗与选用电机有关，以本发明选用的DJI M2006直流无刷减速电机为例，平均功耗为最小能够达到14W，功耗低，续航时间长。
3、本发明采模块化设计，将无人机飞控系统、浮力调节系统、探测声纳等安装在独立的玻璃钢蒙皮的密封舱中，既可以满足水下工作的耐水要求，又可以实现平台小型化、模块化设计，便于更换和维修。
4、本发明的两栖探测浮标工作时间长、体积小、便于回收，而且可以实现单点投放，多点测量。本发明有效的补充和完善了现有的海洋探测平台体系。
附图说明
图1为本发明整体简易装配图；
图2为本发明浮沉控制剖视图；
附图标记说明：1—无刷电机及螺旋桨，2—无人机部，3—浮沉控制部，4—水声探测部，5—顶盖，6—排水孔，7—活塞，8—丝杆，9—丝杆传动齿轮，10—电机传动齿轮，11—激光测距传感器，12—无刷电机，13—水密穿心螺栓。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参照附图1，本发明提供了一种两栖水声探测浮标，该浮标主要由无刷电机及螺旋桨1，无人机部2，浮沉控制部3，水声探测部4四个部分组成，其中无人机部2、浮沉控制部3和水声探测部4均独立安装于玻璃钢蒙皮的密封舱内，三个水密舱通过防水密封处理保证其防水和密封性，使得舱体可耐300m水压。无人机部2内部装有飞控系统，飞控系统利用MEMS惯导和GPS组合导航实现自主导航，以及对所述两栖水声探测浮标空中的姿态进行控制；根据飞控系统指令控制无刷电机及螺旋桨1实现浮标在空中的飞行动作；水声探测部4内部装有声纳以及动力电池，动力电池位于声纳下方，为系统提供动力。
参照附图2，浮沉控制部安装于所述第二水密舱内，包括由活塞7，丝杆8，丝杆传动齿轮9，电机传动齿轮10，激光测距传感器11，无刷电机12组成的浮力调节装置；所述第二水密舱为上端开口的桶装结构，其开口端通过顶盖5密封并与所述第一水密舱固定连接，其底面与所述第三水密舱固定连接；在所述第二水密舱内靠近底部、垂直于其轴向安装有隔板，无刷电机12安装于所述隔板的下表面，两个丝杆传动齿轮9和一个电机传动齿轮10设置于所述隔板的上表面；无刷电机12的输出轴穿过所述隔板与电机传动齿轮10配合安装，丝杆传动齿轮9与电机传动齿轮10啮合，带动丝杆8转动；丝杠8的下端通过螺母与所述隔板连接，其上端固定有活塞7；通过丝杠8带动活塞7在所述第二水密舱内沿其轴向做往复运动；所述第二水密舱侧壁的上部开有若干排水孔6；所述激光测距传感器安装于所述隔板的上表面，用于测量活塞位置，进而实现对排出或吸入的水量的闭环控制。
排水孔6位于顶盖5下方，浮沉控制部的相关电缆经过水密穿心螺栓13与外部相连。
参照附图2，浮沉控制部工作时，无刷电机12通过上述的一系列传动装置带动活塞7在舱内往复运动，从而通过与外部联通的排水孔6排出或吸入的水量改变所述浮沉控制部的重量，即排水减轻自重或吸水增加自重，进一步改变所述第二水密舱的浮力，从而产生正负浮力。
无人机部2中的飞控系统控制无刷电机及螺旋桨1，带动浮标起飞至第一个探测地点降落入水，入水后，无人机部2中的飞控系统通过通讯电缆，向浮沉控制部3发送唤醒指令后，无人机部2进入休眠状态。同时浮沉控制部3的浮力调节系统产生负浮力，所述浮标到达指定深度后浮力调节系统产生零浮力，唤醒水声探测部4中的声纳，水声信息搜集完毕后，浮力调节系统产生正浮力，所述浮标上浮出水，出水后唤醒无人机部2中的飞控系统。
所述浮标完成一次探测任务后无需立即回收，所述浮标在出水情况下，无人机控制部2可继续驱动无刷电机及螺旋桨1，带动所述浮标起飞至下一个探测地点，从而实现单点投放，多点测量。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种两栖水声探测浮标，包括无人机部，无人机部包括螺旋桨部分和飞控系统，所述飞控系统利用MEMS惯导和GPS组合导航实现自主导航，并且对所述两栖水声探测浮标空中的姿态进行控制；其特征在于：还包括浮沉控制部和水声探测部；所述无人机部的飞控系统、浮沉控制部和水声探测部依次通过电缆连接，并分别安装于第一水密舱、第二水密舱和第三水密舱内，三个所述水密舱通过防水密封处理保证其防水和密封性；
所述浮沉控制部由浮力调节装置控制所述两栖水声探测浮标在水下的位置，所述浮力调节装置包括活塞、丝杆、丝杆传动齿轮、电机传动齿轮、激光测距传感器和无刷电机；所述第二水密舱为上端开口的桶装结构，其开口端通过顶盖密封并与所述第一水密舱固定连接，其底面与所述第三水密舱固定连接；在所述第二水密舱内靠近底部、垂直于其轴向安装有隔板，所述无刷电机安装于所述隔板的下表面，其输出轴穿过所述隔板与所述电机传动齿轮配合安装，所述丝杆传动齿轮与电机传动齿轮啮合，带动所述丝杆转动；通过所述丝杠带动活塞在所述第二水密舱内沿其轴向做往复运动；所述第二水密舱侧壁的上部开有若干排水孔，通过所述排水孔排出或吸入的水量改变所述浮沉控制部的重量，进一步改变所述第二水密舱的浮力；所述激光测距传感器安装于所述隔板的上表面，用于测量所述活塞位置，进而实现对排出或吸入的水量的闭环控制；
所述水声探测部包括声纳和动力电池，所述动力电池用于给所述声纳提供动力，所述声纳用于水下水声探测。
2.根据权利要求1所述两栖水声探测浮标，其特征在于：所述水密舱由玻璃钢蒙皮制备而成。
3.根据权利要求1所述两栖水声探测浮标，其特征在于：所述第一水密舱和第二水密舱之间、第二水密舱和第三水密舱之间均安装有水密穿心螺栓，用于穿过所述无人机部的飞控系统、浮沉控制部和水声探测部之间连接的电缆，所述电缆包括供电电缆和通信电缆。
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