CN110775199B - 一种可升沉的海流能潜标 - Google Patents

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Abstract

本发明属于潜标技术领域，具体涉及一种可升沉的海流能潜标。本发明结合潜标和潮流能发电装置的特点，有效地利用了广泛分布的海洋流场，持续为系统提供能源，保证潜标长时间不间断工作。本发明采用了传统的仿鱼雷结构形式，结构紧凑。在保证系统容积的条件下，有效地降低了系统阻力。本发明通过锚泊系统将潜标固定在一定的区域内，可以通过调节自身的重力来实现上浮、下潜和悬浮。本发明除了定期浮出水面利用尾部的天线杆进行通信与数据传输之外，其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。本发明具有很高的安全性和隐秘性，长航时，控制可靠，适用于区域海洋环境的长时间不间断监测。

Description

一种可升沉的海流能潜标
技术领域
本发明属于潜标技术领域，具体涉及一种可升沉的海流能潜标。
背景技术
潜标作为现代海洋离岸监测的重要基础设施，能够自主实时对水文、气象等要素进行全方面连续的监测，是海洋其他诸多探测手段在时空上的延伸拓展。潜标受固定锚的作用而锚定于特定的海底位置，通过系留索的释放器上浮回收，对水下环境资料的获取尤为重要，自身优良的隐秘性、稳定性是其他水下监测手段无法具有的。
公开号为CN108100167A的专利公开了一种自主前进式剖面潜标，包括竖向的中空筒状的耐压壳体，其摆翼装置、浮力调节装置、控制与数据存储系统；将剖面潜标通过绳索垂直投放到浅海中，剖面潜标自身调整达到平衡状态后，随即通过浮力调节装置不断地改变自身净浮力从而在水中实现上下运动。同时，由于该上下运动带动两侧摆翼随之上下摆动，产生向前的推力。剖面潜标在上浮、下潜过程中通过其自身携带的传感器模块可以采集温度、深度、压力等数据，并将采集到的数据都存储在存储模块中，整个过程通过锂电池组和移动电源供电，浮力调节过程和数据采集过程通过主控制板控制。当剖面潜标到达水面后，将采集到的数据通过剖面潜标内的GPS接收天线模块和通信天线向卫星发射，最终借助卫星将数据传输给用户。
现有的海洋潜标系统主要依靠系泊系统长期停留于海底，在完成监测任务后通过释放装置，上升至海平面被回收。其数据传输的实时性存在明显不足。而具有实时传输功能的潜标依赖用于通信的浮标。在一些重要的繁忙水域，它的安全性与隐秘性存在不足。除此之外，部分锚泊式潜标具有剖面运动的能力。但在海流的影响下，其剖面运动的能力会受到极大的限制。同时，剖面运动的调节方式能耗较高，其携带的能源系统难以满足超长作业时间的要求。综上所述，潜标隐秘性与实时性冲突问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。同时，潜标自身携带的能源难以满足更加高的设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供实现长时间监测区域内海洋环境的一种可升沉的海流能潜标。
本发明的目的通过如下技术方案来实现：包括外壳，外壳首部及尾部均设有整流罩，外壳内部设有浮力调节装置、用户任务模块、控制系统和电源模块；所述的用户任务模块通过水密接插件与控制系统连接；还包括发电装置和锚泊系统；所述的锚泊系统包括锚泊基座；所述的外壳下部设有拖环；所述的锚泊基座通过锚链与拖环连接；所述的发电装置包括发电机组和水轮机；所述的发电机组设置在外壳尾部整流罩的内部，发电机组与电源模块连接；所述的水轮机安装于外壳尾部，水轮机与发电机组连接；所述的外壳尾部上方安装有通信天线杆。
本发明还可以包括：
还包括纵向水翼；所述的纵向水翼安装于外壳尾部。且纵向水翼位于整流罩后方。
所述的浮力调节装置包括水箱、阀块和水泵；所述的水箱通过管道连通至外壳外部；所述的阀块控制水箱管道的闭合；所述的水泵与水箱连接。
所述的水箱布置于潜标浮心位置处。
所述的外壳整体为仿鱼雷结构。
本发明的有益效果在于：
本发明结合潜标和潮流能发电装置的特点，提供了一种结构简单而且易于实现的可升沉的海流能潜标。本发明有效地利用了广泛分布的海洋流场，持续为系统提供能源，保证潜标长时间不间断工作。本发明采用了传统的仿鱼雷结构形式，结构紧凑。在保证系统容积的条件下，有效地降低了系统阻力。本发明通过锚泊系统将潜标固定在一定的区域内，可以通过调节自身的重力来实现上浮、下潜和悬浮。本发明除了定期浮出水面利用尾部的天线杆进行通信与数据传输之外，其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。本发明具有很高的安全性和隐秘性，长航时，控制可靠，适用于区域海洋环境的长时间不间断监测。
附图说明
图1是本发明的工作原理图。
图2是本发明的内部结构剖视图。
图3是本发明的锚泊系统示意图。
图4是本发明的系统调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明的目的在于提供一种可升沉的海流能潜标，既能潜标的上浮或下潜，并能控制潜标的悬浮在一定深度，还能利用海流发电，保证系统能够长时间不间断工作，有效监测锚泊区域内的海洋环境。
本发明主要包括潜标和锚泊系统。其中，潜标16采用传统的仿鱼雷结构，主要由首部整流罩1、用户任务模块2、水密接插件3、拖环4、水箱5、阀块6、水泵7、低功耗控制系统8、电源模块9、通信天线杆10、发电机组11、尾部整流罩12、固定式水翼13、导流罩14和水轮机15构成。首部整流罩1和尾部整流罩12分别位于艏部和尾部，起导流作用并提供搭载空间。阀块6、水泵7、低功耗控制系统8和电源模块9被放置在耐压舱中。水箱5布置在潜标16的浮心附近。水箱5通过连通软管和穿板接头，与水泵7、阀块6和外界水环境连接，形成一个闭合的浮力调节机构。其中阀块6控制不同通道的开合，改变水泵7的抽排水方向，调节水箱5中压载水的体积，驱动潜标的上浮或下潜。用户任务模块2与低功耗控制系统8通过水密接插件3进行数据交流与通信。通信天线杆10位于尾部上方，并突出一定的长度以保证通信信号的强度。4个固定式水翼13位于尾部，抑制滑翔器的横滚运动。发电机组11被放置在尾部整流罩12提供的搭载空间中，与导流罩14和水轮机15构成一个完整的海流能发电装置。在区域海流存在的情况下，该发电装置能持续不断地为系统提供能源。而锚泊系统由锚泊基座17和零浮力锚链18构成。锚泊基座17被放置在一定深度的海底，通过锚链18与拖环4相连，使得潜标16固定在一定的区域内。
发电机组11被放置在尾部整流罩12提供的搭载空间中，与导流罩14和水轮机15构成一个完整的海流能发电装置。该装置能有效地利用广泛存在的海流，持续不断地为系统提供能源，保证潜标16长时间不间断工作。
潜标16采用了传统的仿鱼雷结构形式，结构紧凑。在保证系统容积的条件下，有效地降低了系统阻力。
锚泊基座17和锚链18将潜标16固定在一定的区域内。潜标16可以通过调节自身的重力来实现上浮、下潜和悬浮。除了定期浮出水面利用尾部的天线杆10进行通信与数据传输之外，其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。
结合图1介绍了可升沉的海流能潜标的工作原理。
海流对潜标的作用力表现为阻力D。锚链对潜标的拉力为T。在本发明中，滑翔器保持正浮力B。三者的合力决定潜标的运动状态。因此，潜标可以通过浮力调节装置调节自身的重力，改变潜标的正浮力值B，从而实现上浮、下潜和悬浮的运动效果。
结合图2，潜标16主要包括：首部整流罩1、用户任务模块2、水密接插件3、拖环4、水箱5、阀块6、水泵7、低功耗控制系统8、电源模块9、通信天线杆10、发电机组11、尾部整流罩12、固定式水翼13、导流罩14和水轮机15。
首部整流罩1和12分别位于艏部和尾部，起导流作用并提供搭载空间。阀块6、水泵7、低功耗控制系统8和电源模块9被放置在耐压舱中。水箱5布置在潜标16的浮心附近，通过连通软管和穿板接头，与水箱5、阀块6和外界水环境连接，形成一个闭合的浮力调节机构。阀块6控制不同通道的开合，改变水泵7的抽排水方向，调节水箱5中压载水的体积，驱动潜标的上浮或下潜。用户任务模块2与低功耗控制系统8通过水密接插件3进行数据交流与通信。通信天线杆10位于尾部上方，并突出一定的长度以保证通信信号的强度。4个固定式水翼13位于尾部，抑制滑翔器的横滚运动。发电机组11被放置在尾部整流罩12提供的搭载空间中，与导流罩14和水轮机15构成一个完整的海流能发电装置。
结合图3介绍了可升沉的海流能潜标的锚泊系统。
由于锚泊的特点，锚链对潜标的作用不可忽略，尤其是在有海流的环境。为了降低可能存在的不利影响，选择零浮力细绳作为锚链。锚泊基座17被放置在有海流的目标区域，沉入海底。零浮力锚链18的长度数倍于海底深度。其两端分别与锚泊基座17和潜标16相连，把潜标16固定在目标区域内。
结合图4介绍系统调节流程。
本系统的执行器是阀块6和水泵7，被控对象是潜标的深度，其给定量为潜标的期望深度，控制量为水箱5中压载水的体积。
根据任务需求(水面通信或者水下潜伏)，系统给定潜标的期望深度。进行运动状态调节时，系统比较潜标的期望深度和当前深度。控制器根据比较的结果，控制阀块6不同通道的开合，改变水泵7的抽排水方向。用户任务模块2检测潜标的当前深度值，并将检测结果反馈给控制系统比较，闭环调节，从而达到精确控制潜标深度的效果。
本发明的工作过程如下：
1)初始状态，潜标16处于水面，埋艏，使得尾部天线杆10露出水面；
2)用户任务模块2通信和数据传输后，向控制系统8下达下潜指令。控制系统8指令水泵7工作。阀块6控制不同通道的开合，使得水泵7往水箱5里面注水，增加压载水，从而减小潜标16的正浮力值，使得潜标16下沉；
3)控制系统8根据用户任务模块2提供的深度信息微调水箱5中压载水的体积，以达到定深控制的效果；
4)潜标16达到预定的潜伏状态后，控制系统8休眠，等待下一次唤醒；
5)一定时间后，用户任务模块2唤醒控制系统8，向控制系统8下达上浮指令。控制系统8指令水泵7工作。阀块6控制不同通道的开合，使得水泵7从水箱5排水，减少压载水，从而增加潜标16的正浮力值，使得潜标16上浮；
6)重复以上工作流程。
本发明结合潜标和潮流能发电装置的特点，提供了一种结构简单而且易于实现的可升沉的海流能潜标。本发明有效地利用了广泛分布的海洋流场，持续为系统提供能源，保证潜标长时间不间断工作。本发明采用了传统的仿鱼雷结构形式，结构紧凑。在保证系统容积的条件下，有效地降低了系统阻力。本发明通过锚泊系统将潜标固定在一定的区域内，可以通过调节自身的重力来实现上浮、下潜和悬浮。本发明除了定期浮出水面利用尾部的天线杆进行通信与数据传输之外，其大部分时间悬浮在水下一定的深度，具有很高的安全性与隐秘性。本发明具有很高的安全性和隐秘性，长航时，控制可靠，适用于区域海洋环境的长时间不间断监测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (1)

1.一种可升沉的海流能潜标，其特征在于：潜标整体采用传统的仿鱼雷结构，包括首部整流罩(1)、用户任务模块(2)、拖环(4)、水箱(5)、阀块(6)、水泵(7)、低功耗控制系统(8)、电源模块(9)、通信天线杆(10)、发电机组(11)、尾部整流罩(12)、固定式水翼(13)、导流罩(14)、水轮机(15)、锚泊系统；所述首部整流罩(1)和尾部整流罩(12)分别位于潜标的艏部和尾部，起导流作用并提供搭载空间；所述阀块(6)、水泵(7)、低功耗控制系统(8)、电源模块(9)放置在耐压舱中；所述水箱(5)布置在潜标的浮心附近，水箱(5)通过连通软管和穿板接头与水泵(7)、阀块(6)和外界水环境连接，形成闭合的浮力调节机构；所述阀块(6)用于控制不同通道的开合，改变水泵(7)的抽排水方向，调节水箱(5)中压载水的体积，驱动潜标的上浮或下潜；所述用户任务模块(2)与低功耗控制系统(8)通过水密接插件(3)进行数据交流与通信；所述通信天线杆(10)位于潜标的尾部上方，并突出一定的长度以保证通信信号的强度；所述固定式水翼(13)安装在潜标的尾部，用于抑制横滚运动；所述发电机组(11)放置在尾部整流罩(12)提供的搭载空间中，并与导流罩(14)和水轮机(15)构成海流能发电装置，在区域海流存在的情况下，该发电装置能持续不断地为系统提供能源；所述锚泊系统包括锚泊基座(17)和零浮力锚链(18)；所述锚泊基座(17)被放置有海流的目标区域，沉入海底；所述锚泊基座(17)通过零浮力锚链(18)与拖环(4)相连，使得潜标固定在一定的区域内；所述零浮力锚链(18)的长度数倍于海底深度；
初始状态时，潜标处于水面，埋艏，使尾部的通信天线杆(10)露出水面；用户任务模块(2)通信和数据传输后，向低功耗控制系统(8)下达下潜指令；低功耗控制系统(8)指令水泵(7)工作，阀块(6)控制不同通道的开合，使得水泵(7)往水箱(5)里面注水，增加压载水，从而减小潜标的正浮力值，使得潜标下沉；
低功耗控制系统(8)根据用户任务模块(2)提供的深度信息微调水箱(5)中压载水的体积，以达到定深控制的效果；潜标达到预定的潜伏状态后，低功耗控制系统(8)休眠，等待下一次唤醒；
一定时间后，用户任务模块(2)唤醒低功耗控制系统(8)，向低功耗控制系统(8)下达上浮指令；低功耗控制系统(8)指令水泵(7)工作，阀块(6)控制不同通道的开合，使得水泵(7)从水箱(5)排水，减少压载水，从而增加潜标的正浮力值，使得潜标上浮。
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