CN110696575B - 一种用于观测水下环境的两栖观测器 - Google Patents

一种用于观测水下环境的两栖观测器 Download PDF

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Abstract

本发明一种用于观测水下环境的两栖观测器，属于海洋观测设备领域；包括机身本体、碳纤维机臂、无人机模块、控制模块、电源模块、观测模块、通讯模块和浮力组件，两栖观测器整体进行水密处理；四个无人机模块分别通过碳纤维机臂沿周向均布于所述机身本体的上表面靠近外缘处；所述浮力组件用于提供浮力；所述电源模块、通讯模块和控制模块依次安装于所述受力板的中轴线上；所述观测模块安装于所述机身本体前端的外周面上。两栖观测器整体结构简单、轻便，便于携带和布放。安装电源模块、通讯模块、控制模块的水密舱体采用碳纤维板结构，满足重量轻，强度大的要求；浮力件材料轻便易携带，整体结构简单，质量轻，满足无人机载荷的飞行要求。

Description

一种用于观测水下环境的两栖观测器
技术领域
本发明属于海洋观测设备领域，具体涉及一种用于观测水下环境的两栖观测器。
背景技术
目前，我国现阶段对于水下环境(如珊瑚群等)的观测主要是以航拍或是借助大型水下观测设备进行观测。观测水下环境(如珊瑚群等)的传统方法是将水下观测设备投入待观测珊瑚区域，通过零浮力缆和岸基进行数据传输和能源补给。水下观测设备上搭载视觉或声学传感器，将在水下获取的数据通过零浮力缆传送到岸基。这种有线的水下环境观测方法投放一次仅可短时间使用，且需岸基实时供电，观测范围也受零浮力缆的长度所限，无法完成对水下待观测珊瑚区域及周边环境的大范围、长时间、常态化的观测。水下观测设备其零浮力缆重达数百公斤，探测深度可达数千米，但只能单点投放，单点测量，而且存在回收不便的缺点。
目前尚未有关于针对海空类通用便携式新型两栖观测器成熟应用的报道。国内外都处于最初的研究阶段。例如，美国Georgia Institute of Technology(简称GeorgiaTech)首先发布了海空两栖潜水器GTQ-Cormorant的原理样机，美国Rutgers University于2017年展出了名为Naviator特殊四轴两栖无人机的原理样机，美国The University ofAuckland研发出一款四轴无人机Loon Copter的原理样机，既能飞行又能在水面降落。但是，以上几种两栖无人机的原理样机都是直接装载电池电源或者在岸基通过电缆供电，不能完成多点观测和能源不足的问题，限制了原理样机的观测范围，缩短了观测时长。而且因为缺少搭载视觉传感器，不能实时记录观测数据并传回岸基，较难实现对待观测区域及周边环境的大范围、长时间、常态化的观测。
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，本发明提出一种用于观测水下环境的两栖观测器，将无人机系统与海洋观测设备结合，从而实现单次投放、多域探测，以便及时、准确、高效地对水下珊瑚群的观测和欣赏。另外，考虑到对观测器实时充电，为此在观测器表面布满了太阳能光伏板，保证观测器在水面漂浮状态下可以实时充电。
本发明的技术方案是：一种用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：包括机身本体、碳纤维机臂、无人机模块、控制模块、电源模块、观测模块、通讯模块和浮力组件，各模块之间通过导线连接；所述两栖观测器整体进行水密处理，能够浸泡于海水中工作；
所述机身本体包括受力板和碳纤维水密架，所述受力板为平板结构，所述碳纤维水密架安装于所述受力板下方，用于支撑整个观测器；
所述无人机模块包括信号接收装置、无刷电机和螺旋桨；通过所述信号接收装置接收所述控制模块发出的指令，对所述无刷电机和螺旋桨进行控制，实现所述两栖观测器的飞行动作；四个所述无人机模块分别通过碳纤维机臂沿周向均布于所述受力板的上表面靠近外缘处；
所述浮力组件包括浮力件和水面起落架；所述浮力件为圆弧形管状结构，其两端密封且中空；所述水面起落架为圆环结构，两个所述浮力件分别通过多个所述水面起落架对称固定于所述机身本体的两侧，用于给两栖观测器提供在水中的浮力；
所述控制模块为控制无人机模块的飞控系统，通过第一水密舱体密封镶嵌于所述受力板上；
所述电源模块包括电池、电池水密舱体和太阳能光伏板；所述电池通过所述电池水密舱体密封镶嵌于所述受力板上，用于给所述两栖观测器提供电能；所述太阳能光伏板覆盖于所述受力板上表面，用于接收太阳能并给所述电池充电；
所述观测模块包括摄像机，用于拍摄和采集观测图像及数据，安装于所述机身本体前端的外周面上；
所述通讯模块包括MEMS惯导和GPS，通过第二水密舱体密封镶嵌于所述受力板上，采用组合导航的方式，通过解算得到两栖观测器的姿态和位置，并将姿态和位置信号传输给所述控制模块，进一步实现两栖观测器的自主导航和姿态控制。
本发明的进一步技术方案是：所述受力板为圆形碳纤维板；所述水面起落架为碳纤维圆环。
本发明的进一步技术方案是：所述碳纤维机臂为为L形结构，其一端与所述受力板固定，另一端与所述无人机模块固定，保证所述无人机模块的螺旋桨水平设置。
本发明的进一步技术方案是：所述观测模块外部采用玻璃耐压罩密封，所述摄像头通过双轴云台固定安装。
本发明的进一步技术方案是：所述浮力件为浮体材料。
本发明的进一步技术方案是：所述太阳能光伏板为球面结构，固定于所述受力板的上表面。
本发明的进一步技术方案是：所述电源模块、通讯模块和控制模块依次安装于所述受力板的中轴线上。
本发明的进一步技术方案是：所述第一水密舱体、第二水密舱体和电池水密舱体均为由碳纤维板组成的盒体，其上盖均采用橡胶O型圈进行密封安装。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1、两栖观测器整体结构简单、轻便，便于携带和布放。安装电源模块、通讯模块、控制模块的水密舱体采用碳纤维板结构，满足重量轻，强度大的要求；浮力件材料轻便易携带，整体结构简单，质量轻，满足无人机载荷的飞行要求。
2、两栖观测器可以拓展传统观测器的观测范围，在水面漂浮和空中飞行时均能对水下环境(如珊瑚群等)进行观赏和视频采集，能够从多方位角度对美丽的珊瑚群近距离观赏，缩短了游客观赏珊瑚群的距离，拓宽了观察珊瑚群的视野，是一种新型近距离观赏水下环境(如珊瑚群等)的观赏手段。
3、两栖观测器能够快速大批定点布放，可以完成对水下待观测珊瑚区域及周边环境的大范围、长时间、常态化的观测。传统有线的水下环境观测方法投放一次仅可短时间使用，若待观测海域较大，则需多次在不同投放点布放有线观测器，耗时耗力。本发明两栖观测器采用太阳能供电，能够满足实时充电，因此能够集中在一处布放点同时布放多台两栖观测器，可大范围覆盖目标海域，且在空中飞行速度较高，可在短时间内到达目标海域进行水下环境(如珊瑚群)的观测。
4、本发明两栖观测器的可长期布放于海面，能够实时并长期观测水下环境。两栖观测器投放于水面后，无人机模块停止工作，仅由观测模块对珊瑚海域进行观测，平均功耗为2-3W，且太阳能光伏板在水面漂浮状态下可为两栖观测器实时充电，在阳光充足的情况下2-3天将电池充满电，为两栖观测器在水面漂浮状态和飞行状态提供动力电，为两栖观测器长期布放于海面提供能源补给。所述太阳能光伏板采用球面形，能够增加太阳能的接受面积。
5、两栖观测器工作时间长、体积小、便于回收、而且可以实现单点投放，多点测量。本发明有效的为游客或科技人员观赏或观测珊瑚海域提供重要手段。
6、数百个两栖观测器可组成组网。可以在同一片珊瑚海域投放数百个两栖观测器，以组成“两栖观测器组网”，实现对水下珊瑚群大范围的观赏。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是本发明的正视示意图；
图3是本发明的俯视示意图；
图4是本发明的仰视示意图；
附图标记说明：1、机身本体；2、受力板；3、无人机模块；4、控制模块；5、电源模块；6、观测模块；7、通讯模块；8、浮力件；9、碳纤维机臂；10、水面起落架；12、太阳能光伏板；13、碳纤维水密架；14、摄像头；15、螺旋桨。
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—图4，本发明提供了一种两栖观测器，包括机身本体、碳纤维机臂9、无人机模块3、控制模块4、电源模块5、观测模块6、通讯模块7和浮力组件，各模块之间通过导线连接；所述两栖观测器整体进行水密处理，能够浸泡于海水中工作。
机身本体1包括圆形碳纤维受力板2和碳纤维水密架13，碳纤维水密架13安装于受力板2的下方，用于支撑整个观测器，机身本体1按照国家标准进行密封；
无人机模块3包括信号接收装置、无刷电机和螺旋桨15；通过所述信号接收装置接收所述控制模块发出的指令，对所述无刷电机和螺旋桨进行控制，实现所述两栖观测器的飞行动作；四个无人机模块3分别通过碳纤维机臂9沿周向均布于所述受力板的上表面靠近外缘处；所述碳纤维机臂9为为L形结构，其一端与所述受力板2固定，另一端与所述无人机模块3固定，保证所述无人机模块3的螺旋桨15水平设置。
所述浮力组件包括浮力件8和水面起落架10；浮力件8为圆弧形管状结构，其两端密封且中空，其主要材料为低密度浮体材料；水面起落架10为圆环结构，套装于所述浮力件外周面；两个浮力件8分别通过多个水面起落架10对称固定于所述机身本体的两侧，用于给两栖观测器在海面漂浮和采集数据时提供浮力。
所述控制模块4为控制无人机模块的飞控系统，通过第一水密舱体密封镶嵌于所述受力板上；根据飞控系统的指令控制无刷电机及螺旋桨15实现两栖观测器在空中的飞行动作。
所述电源模块5包括电池、电池水密舱体和太阳能光伏板12；所述电池通过所述电池水密舱体密封镶嵌于所述受力板2上，用于给所述两栖观测器提供电能；所述太阳能光伏板为球面结构，固定于所述受力板的上表面，用于接收太阳能并给所述电池充电。
所述观测模块6包括摄像机14，用于拍摄和采集观测图像及数据，安装于所述机身本体1前端的外周面上。观测模块6外部采用玻璃耐压罩密封，摄像头14通过双轴云台固定安装与所述玻璃耐压罩内。
所述通讯模块7包括MEMS惯导和GPS，通过第二水密舱体密封镶嵌于所述受力板2上，采用组合导航的方式，通过解算得到两栖观测器的姿态和位置，并将姿态和位置信号传输给所述控制模块，进一步实现两栖观测器的自主导航和姿态控制。
所述电源模块5、通讯模块7和控制模块4依次通过电池水密舱体、第二水密舱体和第一水密舱体安装于受力板2的中轴线上，能够保证两栖观测器的平衡性；所述第一水密舱体、第二水密舱体和电池水密舱体均为由碳纤维板组成的盒体，其上盖均采用橡胶O型圈进行密封安装。
两栖观测器整体将无人机和浮力系结合为一体，由浮力件提供浮力，两栖观测器全体进行了水密处理，可以浸泡在海水中工作，够漂浮在珊瑚群海域面进行观测和数据采集；通过飞控系统控制飞行至空中对整个海域数据进行采集，并多次起落至指定位置进行观测，将搜集到的数据存储先来，也可实时将数据回传。
参照附图2，两栖观测器处于水面漂浮状态时，由浮力件8提供主要浮力，无人机模块3停止工作，仅由观测模块6对珊瑚海域进行观测，平均功耗为2-3W，太阳能光伏板12和电源模块5相连，为两栖观测器实时充电，电源模块将太阳能转化为动力电，在阳光充足的情况下2-3天将电池充满电，为两栖观测器在水面漂浮状态和飞行状态提供动力电，为两栖观测器长期布放于海面提供能源补给。当两栖观测器到达指定位置时，通过摄像头来拍摄水下或较浅水域的珊瑚群美景，在空中飞行时，也可通过摄像机对空域、海域进行大面积的拍摄及数据采集。
无人机模块3通过飞控系统控制无刷电机及螺旋桨15，带动两栖观测器起飞至第一个探测地点降落入水，在水面漂浮时唤醒控制模块4和观测模块6后，无人机模块3进入休眠状态，直至接收到下一次飞行指令。所述观测器可以按照指定路径到达规定珊瑚海域进行观测和作业，进行多点探测；所述两栖观测器完成一次珊瑚群观赏任务后无需立即回收，所述观测器可在水面长时间漂浮，控制模块4可继续驱动无刷电机及螺旋桨15，带动所述两栖观测器起飞至下一个珊瑚群观赏地点，从而实现单点投放，多点测量；也可长期漂浮于海域表面，对珊瑚群进行实时动态观测，在观测任务结束后，两栖观测器自行起飞到指定地点降落，便于回收。
所述两栖观测器可以同时布放数百个，以组成“两栖观测器组网”，实现对水下珊瑚群大范围的观赏。
全部观赏任务完成后，两栖观测器飞往规划好的降落地点，完成观测器的回收，便于回收。
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 (5)

1.一种用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：包括机身本体、碳纤维机臂、无人机模块、控制模块、电源模块、观测模块、通讯模块和浮力组件，所述无人机模块、控制模块、电源模块、观测模块、通讯模块之间通过导线连接；所述两栖观测器整体进行水密处理，能够浸泡于海水中工作；
所述机身本体包括受力板和碳纤维水密架，所述受力板为平板结构，所述碳纤维水密架安装于所述受力板下方，用于支撑整个观测器；
所述无人机模块包括信号接收装置、无刷电机和螺旋桨；通过所述信号接收装置接收所述控制模块发出的指令，对所述无刷电机和螺旋桨进行控制，实现所述两栖观测器的飞行动作；四个所述无人机模块分别通过碳纤维机臂沿周向均布于所述受力板的上表面靠近外缘处；
所述浮力组件包括浮力件和水面起落架；所述浮力件为圆弧形管状结构，其两端密封且中空；所述水面起落架为圆环结构，两个所述浮力件分别通过多个所述水面起落架对称固定于所述机身本体的两侧，用于给两栖观测器提供在水中的浮力；
所述控制模块为控制无人机模块的飞控系统，通过第一水密舱体密封镶嵌于所述受力板上；
所述电源模块包括电池、电池水密舱体和太阳能光伏板；所述电池通过所述电池水密舱体密封镶嵌于所述受力板上，用于给所述两栖观测器提供电能；所述太阳能光伏板覆盖于所述受力板上表面，用于接收太阳能并给所述电池充电；
所述观测模块包括摄像机，用于拍摄和采集观测图像及数据，安装于所述机身本体前端的外周面上；
所述通讯模块包括MEMS惯导和GPS，通过第二水密舱体密封镶嵌于所述受力板上，采用组合导航的方式，通过解算得到两栖观测器的姿态和位置，并将姿态和位置信号传输给所述控制模块，进一步实现两栖观测器的自主导航和姿态控制；
所述受力板为圆形碳纤维板；所述水面起落架为碳纤维圆环；
所述观测模块外部采用玻璃耐压罩密封，所述摄像机通过双轴云台固定安装；
所述太阳能光伏板为球面结构，固定于所述受力板的上表面。
2.根据权利要求1所述用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：所述碳纤维机臂为L形结构，其一端与所述受力板固定，另一端与所述无人机模块固定，保证所述无人机模块的螺旋桨水平设置。
3.根据权利要求1所述用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：所述浮力件为浮体材料。
4.根据权利要求1所述用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：所述电源模块、通讯模块和控制模块依次安装于所述受力板的中轴线上。
5.根据权利要求1所述用于观测水下环境的两栖观测器，其特征在于：所述第一水密舱体、第二水密舱体和电池水密舱体均为由碳纤维板组成的盒体，其上盖均采用橡胶O型圈进行密封安装。
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