CN110696966A - 节能自守位声纳定位浮标及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种节能自守位声纳定位浮标及控制方法。包括天线单元、太阳能风帆、风帆转动轴、风帆转动机构、风向风速仪、姿态与定位密封舱、方向舵机、方向舵板、主推进器、辅助推进器、水平翼、主控密封舱、动力电池、电控电池、防水电缆、水声换能器。本发明采用了北斗/GPS双模定位方式，提高了导航信息的安全性和稳定性，使定位数据更加安全可靠，同时增加的北斗短报文通讯功能可以实现卫星通讯，既是无线电通讯的有益补充，又是无线电失效或超过其通讯距离时的安全保障。还利用风帆为声纳浮标提供前进的风能动力和自守位的风阻力，利用太阳能作为声纳浮标电控能源的补充，减少能源消耗的同时延长了自守位声纳定位浮标的工作时长。

Description

节能自守位声纳定位浮标及控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种动力浮标，本发明也涉及一种动力浮标的控制方法。

背景技术

专利申请号为201610244341.2的专利文件中，公开了一种自守位声纳定位浮标，是一种能够集成水声探测水下目标的一体化自守位的动力浮标。该浮标具备水面机动能力，且多个浮标可以按照一定阵型，分别自主移动到各自阵位并且实现自守位功能，通过携带的水声换能器来采集水下目标的声学信号并进行初步处理，再利用无线电将处理后的声学数据上传到监控中心，监控中心对收到数据进行后续处理。

但该浮标还存在如下缺点：(1)定位导航方式单一，存在不稳定和安全隐患；(2)能源消耗快导致工作时间较短。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安全性更高、稳定性更强、续航时间更久的节能自守位声纳定位浮标。本发明的目的还在于提供一种节能自守位声纳定位浮标的控制方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的节能自守位声纳定位浮标包括天线单元、方向舵机11及方向舵板12、主推进器13、辅助推进器14、水平翼15、主控密封舱16、动力电池17、电控电池18和水声换能器20，所述的天线单元由北斗复合天线1、无线电天线2、天线支架4和天线杆5组成的复合天线；还包括太阳能风帆6，太阳能风帆通过风帆转动轴7安装在天线杆外，风帆转动轴7下部通过风帆转动机构8安装在声纳浮标主体上，太阳能风帆连接电控电池18。

本发明的节能自守位声纳定位浮标还可以包括：

1.声纳浮标主体的上表面安装有风向风速仪9和姿态与定位密封舱10，风向风速仪9利用风向和风速两个传感器确定当前位置的风矢量；姿态与定位密封舱10内安装有姿态传感器和定位信号接收器，通过北斗复合天线1为声纳浮标提供航向、姿态与位置信息，并将这些信息通过防水电缆传递给主控密封舱16。

2.天线支架4上设置有警示灯3。

3.两个主推进器13和两个辅助推进器14对称安装在声纳浮标主体的两侧，四个推进器分别安装在水平翼15上，水平翼15安装在声纳浮标主体上。

本发明的节能自守位声纳定位浮标的控制方法包括如下步骤：

(1)监控中心通过无线电天线给浮标发送任务指令，声纳浮标启动自主机动模式，根据规划的航速、航线或布阵要求，以及当前声纳浮标的航行姿态和所处位置、航向、风速、风向数据，主控密封舱控制声纳浮标动态调整太阳能风帆、方向舵机和推进器，并自主航行至目标守位点守位内径范围内，当声纳浮标的航行速度未达到规定的航速要求、或姿态超过设定姿态角度时，声纳浮标开启推进器提高航速或调整姿态；

(2)声纳浮标定时向母船发送自身工作状态数据包，数据包内主要是声纳浮标当前位置的经纬度坐标、姿态、航向、风向、风速、推进器电流、动力电池和电控电池的电压、电流，自身工作状态信息；

(3)声纳浮标行进至目标守位点后，自动启动自守位模式，若此时推进器状态为运转状态则推进器立即停止，声纳浮标进入自由漂浮状态，同时动态调整太阳能风帆使其增加风阻力，减缓声纳浮标漂浮至守位外径之外的速度；若声纳浮标漂浮至守位外径之外，将动态调整太阳能风帆使其增加风推力，使声纳浮标再次进入目标守位点守位内径范围内；

(4)声纳浮标在自守位模式下，开启水声换能器，水声换能器启动后，自动探测并接收来自水底目标的声信号，并将该信号传输给主控密封舱，主控密封舱对该信号进行处理，利用几何原理水声定位方法，测得该水底目标的位置，同时将探测到的信息通过无线电台和无线电天线发送给监控中心；

(5)太阳能风帆在声纳浮标工作过程中采集太阳能，利用太阳能作为电控电池的能源补充，确保其能为声纳浮标的电控密封舱、传感器和传动机构提供电控能源，延长声纳浮标的工作时间，并且为电控电池充电；

(6)监控中心向声纳浮标发送回收点的经、纬度坐标，声纳浮标重新进入自主机动模式，自动航行至回收点等待回收。

本发明设计了一种安全性更高、稳定性更强、续航时间更久的自守位声纳定位浮标。不仅提高定位导航信息的稳定性和可靠性，而且能够在浮标出现故障后，还能以北斗短报文方式继续上报自身位置信息以方便事后搜救；并且通过绿色能源极大的增加了浮标的工作时间。

本发明的有益效果是：

(1)在原有的GPS定位基础上，增加了北斗定位和通讯功能，这样通过北斗/GPS双模定位方式可以极大提高定位精度、稳定性和可靠性；同时，增加的北斗短报文通讯功能可以实现卫星通讯，既是无线电通讯的有益补充，又是无线电失效或超过其通讯距离时的安全保障，且方便事后搜救。

(2)增加太阳能风帆，一方面通过风帆作为绿色驱动动力，为浮标提供前进状态下的风推力和自守位的风阻力，以减少对动力能源的需求并减缓其消耗；另一方面通过太阳能作为电控能源补充，可以极大的延长电控单元的工作时间。

附图说明

图1是自守位声纳定位浮标的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是自守位声纳定位浮标的控制流程图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1和图2，本发明的节能自守位声纳定位浮标由天线单元、太阳能风帆、风帆转动轴、风帆转动机构、风向风速仪、姿态与定位密封舱、方向舵机、方向舵板、主推进器、辅助推进器、水平翼、主控密封舱、动力电池、电控电池、防水电缆、水声换能器等组成，其中天线单元由北斗复合天线、无线电天线、警示灯、天线支架、天线杆组成。

所述的天线单元由北斗复合天线1、无线电天线2、警示灯3、天线支架4、天线杆5组成。警示灯3起警示作用，既可以在声纳浮标晚上工作时作为信号灯，发生故障时进行灯信号报警，又为声纳浮标的回收作业提供了保障。北斗复合天线1和无线电天线2通过天线支架4和天线杆5架设在声纳浮标的顶部，其中无线电天线既可以将声纳浮标当前的自身位置、姿态、水声等工作信息发送给母船，也可以接收来自母船的控制指令，进而使声纳浮标执行相应的工作模式；北斗复合天线能接收北斗和GPS定位信息，以确保定位信息准确、稳定与可靠，当无线电通讯发生故障时，仍可以通过北斗短报文形式报告声纳浮标当前的位置信息,以方便事后搜索救援，是无线电通讯方式的有益补充和安全保障。

所述的太阳能风帆6安装在声纳浮标的风帆转动轴7上，风帆转动轴7套在天线杆5外面，通过风帆转动机构8安装在声纳浮标主体上。利用太阳能风帆可以为浮标工作提供风能动力，减少动力能源消耗；同时将太阳能作为声纳浮标电控能源的补充，达成增加声纳浮标工作时长的目标，并且为电控电池充电。

所述的风向风速仪9、姿态与定位密封舱10安装在声纳浮标主体的上表面。风向风速仪9主要利用风向和风速两个传感器确定当前位置的风矢量，风速大小利用风杯的转速测得，相对风向利用风向标测得，声纳浮标根据风矢量来控制风帆转动机构以调整风帆的转向，为浮标工作提供风能动力；姿态与定位密封舱内安装有姿态传感器和定位信号接收器，为声纳浮标提供航向、姿态与位置等信息，并将这些数据通过防水电缆传递给主控密封舱。

所述的方向舵板12安装在声纳浮标的后面，方向舵机11安装在声纳浮标主体的内部，方向舵机11通过连接机构控制方向舵板12的转动，可以使声纳浮标在运动过程中实现转向。

所述的两个主推进器13和两个辅助推进器14对称安装在声纳浮标主体的两侧如图2所示，四个推进器分别安装在水平翼15上，水平翼15安装在声纳浮标主体的两侧；推进器主要有两个作用，一是当风动力不够时，开启推进器以保证声纳浮标在自主机动航行时达到期望的航速；二是当声纳浮标姿态摇摆超过设定的角度时，开启推进器以调整声纳浮标的姿态。

所述的主控密封舱16安装在声纳浮标的内部，负责与姿态与定位密封舱进行数据交互，监控自身所有设备的工作状态，采集水声换能器信号并处理，然后将所有数据，以定时方式通过无线电台和无线电天线发送给监控中心；并且根据风向、风速、姿态、航向和位置等信息，以及从监控中心接收的规划任务，动态调整声纳浮标的风帆、舵机、推进器来执行相应动作。

所述的动力电池17、电控电池18安装在声纳浮标的内部，动力电池为声纳浮标的推进器提供动力能源，电控电池为除推进器之外所有电控密封舱、传感器和执行机构等提供电控能源。

所述的水声换能器20吊在声纳浮标的下部，通过防水电缆19与声纳浮标相连，当水声换能器开启后，自动接收来自水底目标的声信号，并将该信号传输给主控密封舱，主控密封舱对该信号进行处理，利用几何原理水声定位方法，测得该水底目标的位置。

为便于使用，改进的节能自守位浮标工作模式主要分为：

1、自主机动模式

根据监控中心规划的航速，航线或布阵需求，启动自主机动航行模式，根据风速风向数据，声纳浮标开始动态调整风帆来增加风能动力使浮标前进，如果航行速度满足规划的航速需求或声纳浮标姿态摇摆未超过设定的角度，就不需要开启推进器；如果航行速度低于航速需求较大，或声纳浮标姿态摇摆超过设定的角度，则浮标开启推进器以提高航速或调整姿态。

2、自守位模式

自守位模式也称动力定位模式。由监控中心首先规划一个目标守位点(经、纬度)，以及守位外径和守位内径，浮标向目标点自主机动航行时，只要进入守位内径时，如果推进器是运转状态则立即停止，使浮标进入自由漂浮状态，同时动态调整风帆使其增加风阻力，阻碍声纳浮标自由漂到守位外径之外；当浮标飘到守位外径之外时，浮标调整风帆使其增加风推力，使浮标再次向目标点自主航行。

结合图3，本发明的自守位声纳浮标的工作过程，包括如下步骤：

(1)在自守位声纳定位浮标下水之前，需要检查声纳浮标各模块能否正常工作，即依次检测声纳浮标的无线电天线、北斗复合天线、推进器、舵机、水声换能器等设备能否正常工作，以及声纳浮标的各种工作状态数据是否正常。

(2)各模块功能经检测均正常后，声纳浮标起吊下水，监控中心通过无线电天线给浮标发送任务指令，声纳浮标启动自主机动模式，根据规划的航速、航线或布阵要求，以及当前声纳浮标的航行姿态和所处位置、航向、风速、风向等数据，主控密封舱控制声纳浮标动态调整太阳能风帆、方向舵机和推进器，并自主航行至目标守位点守位内径范围内。当声纳浮标的航行速度未达到规定的航速要求，或姿态超过设定姿态角度时，声纳浮标开启推进器以提高航速或调整姿态。

(3)声纳浮标定时向母船发送自身工作状态数据包，数据包内主要是声纳浮标当前位置的经纬度坐标、姿态、航向、风向、风速、推进器电流、动力电池和电控电池的电压、电流等自身工作状态信息。

(4)声纳浮标行进至目标守位点后，自动启动自守位模式，若此时推进器状态为运转状态则推进器立即停止，声纳浮标进入自由漂浮状态，同时动态调整太阳能风帆使其增加风阻力，减缓声纳浮标漂浮至守位外径之外的速度；若声纳浮标漂浮至守位外径之外，将动态调整太阳能风帆使其增加风推力，使声纳浮标再次进入目标守位点守位内径范围内。

(5)声纳浮标在自守位模式下，开启水声换能器，水声换能器启动后，自动探测并接收来自水底目标的声信号，并将其该信号传输给主控密封舱，主控密封舱对该信号进行处理，利用几何原理水声定位方法，测得该水底目标的位置，同时将探测到的信息通过无线电台和无线电天线发送给监控中心。

(6)太阳能风帆在声纳浮标工作过程中将采集太阳能，利用太阳能作为电控电池的能源补充，确保其能为声纳浮标的电控密封舱、传感器和传动机构等提供电控能源，延长声纳浮标的工作时间，并且为电控电池充电。

(7)当实验结束后，监控中心向声纳浮标发送回收点的经、纬度坐标，声纳浮标重新进入自主机动模式，自动航行至回收点等待回收。

Claims (6)

1.一种节能自守位声纳定位浮标，包括天线单元、方向舵机(11)及方向舵板(12)、主推进器(13)、辅助推进器(14)、水平翼(15)、主控密封舱(16)、动力电池(17)、电控电池(18)和水声换能器(20)，其特征是：所述的天线单元由北斗复合天线(1)、无线电天线(2)、天线支架(4)和天线杆(5)组成的复合天线；还包括太阳能风帆(6)，太阳能风帆通过风帆转动轴(7)安装在天线杆外，风帆转动轴(7)下部通过风帆转动机构(8)安装在声纳浮标主体上，太阳能风帆连接电控电池(18)。

2.根据权利要求1所述的节能自守位声纳定位浮标，其特征是：声纳浮标主体的上表面安装有风向风速仪(9)和姿态与定位密封舱(10)，风向风速仪(9)利用风向和风速两个传感器确定当前位置的风矢量；姿态与定位密封舱(10)内安装有姿态传感器和定位信号接收器，通过北斗复合天线(1)为声纳浮标提供航向、姿态与位置信息，并将这些信息通过防水电缆传递给主控密封舱(16)。

3.根据权利要求1或2所述的节能自守位声纳定位浮标，其特征是：天线支架(4)上设置有警示灯(3)。

4.根据权利要求1或2所述的节能自守位声纳定位浮标，其特征是：两个主推进器(13)和两个辅助推进器(14)对称安装在声纳浮标主体的两侧，四个推进器分别安装在水平翼(15)上，水平翼(15)安装在声纳浮标主体上。

5.根据权利要求3所述的节能自守位声纳定位浮标，其特征是：两个主推进器(13)和两个辅助推进器(14)对称安装在声纳浮标主体的两侧，四个推进器分别安装在水平翼(15)上，水平翼(15)安装在声纳浮标主体上。

6.一种权利要求1所述的节能自守位声纳定位浮标的控制方法，其特征是：

(1)监控中心通过无线电天线给浮标发送任务指令，声纳浮标启动自主机动模式，根据规划的航速、航线或布阵要求，以及当前声纳浮标的航行姿态和所处位置、航向、风速、风向数据，主控密封舱控制声纳浮标动态调整太阳能风帆、方向舵机和推进器，并自主航行至目标守位点守位内径范围内，当声纳浮标的航行速度未达到规定的航速要求、或姿态超过设定姿态角度时，声纳浮标开启推进器提高航速或调整姿态；

(2)声纳浮标定时向母船发送自身工作状态数据包，数据包内主要是声纳浮标当前位置的经纬度坐标、姿态、航向、风向、风速、推进器电流、动力电池和电控电池的电压、电流，自身工作状态信息；

(3)声纳浮标行进至目标守位点后，自动启动自守位模式，若此时推进器状态为运转状态则推进器立即停止，声纳浮标进入自由漂浮状态，同时动态调整太阳能风帆使其增加风阻力，减缓声纳浮标漂浮至守位外径之外的速度；若声纳浮标漂浮至守位外径之外，将动态调整太阳能风帆使其增加风推力，使声纳浮标再次进入目标守位点守位内径范围内；

(4)声纳浮标在自守位模式下，开启水声换能器，水声换能器启动后，自动探测并接收来自水底目标的声信号，并将该信号传输给主控密封舱，主控密封舱对该信号进行处理，利用几何原理水声定位方法，测得该水底目标的位置，同时将探测到的信息通过无线电台和无线电天线发送给监控中心；

(5)太阳能风帆在声纳浮标工作过程中采集太阳能，利用太阳能作为电控电池的能源补充，确保其能为声纳浮标的电控密封舱、传感器和传动机构提供电控能源，延长声纳浮标的工作时间，并且为电控电池充电；

(6)监控中心向声纳浮标发送回收点的经、纬度坐标，声纳浮标重新进入自主机动模式，自动航行至回收点等待回收。

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