CN110884632B - 一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统 - Google Patents
一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,属于海洋技术工程领域,包括固定于海底且与海底观测网络通讯连接的接驳基站,接驳基站上设有:导引机构,设于接驳基站的顶部,用于引导混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳;限位机构,与混合式垂直剖面仪的头部相适应,设有用于触发锁紧机构的触发机构和无线电能/信号发射单元;锁紧机构,对混合式垂直剖面仪进行锁紧;所述混合式垂直剖面仪上设有无线电能/信号接收单元,用于与无线电能/信号发射单元对接完成充电和信号传输。接驳基站固定于海底,并对垂直往返剖面运动的混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳,接驳成功后,接驳站对垂直剖面仪通过水下无线电能补给以及无线数据传输。
Description
技术领域
本发明涉及海洋技术工程领域,具体地说,涉及一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统。
背景技术
海洋是人类社会可持续发展的宝贵财富和可拓展空间,海洋中蕴藏着丰富的生物资源和矿产资源,而且覆盖地球71%的海洋对于地球的生态环境和气候变化都有着重大的影响。此外,我们国家拥有着狭长的海岸线,国际上对海洋领土的争端从未停止,因此,海洋跟国家安全息息相关。目前,世界各国都在加快探索海洋观测海洋开发海洋的步伐。
对于海洋的观测,手段之一是通过布放于深海中的海底观测网对某一海域进行定点静态的观测,其特点是带缆线,成本高,布放难度极,并且观测范围局限,海底观测网的通讯与能源补给问题能够通过海缆解决。水下自主航行器是新型的海洋环境移动观测设备,它拥有自主的动力和导航系统,可以装载各种传感器,对海洋环境进行动态、立体的观测,但是其本身续航能力与信息存储能力是有限的,目前,研究者们通过建立水下接驳基站与水下潜航器组成接驳系统来解决这一问题,当水下自主航行器成功停靠在接驳基站后,接驳基站对水下自主航行器进行充电以及信号传输。当前的接驳系统普遍都是水平方向上对水下自主航行器的接驳。水下剖面仪也是一种观测手段,其能够依靠浮力调节机构使自身在水下垂直纵剖面内进行快速的垂直剖面监测,并且可进行坐底静默监测,能量消耗非常低,但是其缺乏水平自由度的直接调节能力,很难克服因洋流产生的漂移。
为了隐蔽性的考虑,当前布放在海底的基站通常是需要无缆线、自带大容量锂电池的形式。为了实现这些海底基站与陆上基站的电能与信息联系,传统的方案之一是:通过缆线使海底的基站与陆地上的岸基相连,数据传输具有很强的实时性,但是该种方法成本高昂,受环境影响很大;另一种方案是:在海面上设有浮标,浮标与水下观测网络之间通过水下声通信进行数据传输,浮标获得数据后再通过卫星通讯传送至陆地上的工作人员,但是水声通讯的数据传输速率极低,远远不能满足大量数据传送的要求。本发明则结合当前水下接驳系统与剖面仪的特点,将剖面仪改装成一个混合式的剖面仪,在竖直方向上与海底的基站进行接驳,接驳后进行信号与电能传输,传输结束后,剖面仪上浮到水面,实现电能与信号海面与海底之间的“搬运”。
发明内容
本发明的目的为提供一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,克服了现有技术中水声通讯的数据传输速率极低,远远不能满足大量数据传送要求的问题。
为了实现上述目的,本发明提供的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,包括固定于海底且与海底观测网络通讯连接的接驳基站,接驳基站上设有:
导引机构,设于接驳基站的顶部,用于引导混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳;
限位机构,与混合式垂直剖面仪的头部相适应,设有用于触发锁紧机构的触发机构和无线电能/信号发射单元;
锁紧机构,对混合式垂直剖面仪进行锁紧;
所述混合式垂直剖面仪上设有无线电能/信号接收单元,用于与无线电能/信号发射单元对接完成充电和信号传输。
上述技术方案中,接驳基站固定于海底,通过光电复合缆与海底观测网络连接,并对垂直往返剖面运动的混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳,接驳成功后,接驳站对垂直剖面仪通过水下无线电能补给以及无线数据传输,该任务结束后,混合式垂直剖面仪竖直上浮到海面,通过卫星通讯将数据传送到岸上基站。整个过程效率高,且数据传输量大。
作为优选,接驳基站包括顶板、底板以及设置在顶板和底板之间的支撑杆,导引机构安装在顶板上。
为了方便混合式垂直剖面仪垂直入坞,作为优选,导引机构为安装在接驳基站顶部的漏斗状壳体。
作为优选,接驳基站的顶部设有位置调整单元,位置调整单元包括三个沿圆周方向均匀布置的水下灯,混合式垂直剖面仪通过光学引导进行位姿调整。三个水下灯摆成等边三角形,供剖面仪光学导引过程利用P3P算法进行相对位姿求解。
作为优选,限位机构为设置在导引机构底部的柱形支架,柱形支架为镂空设置。同时,柱形支架整体形状与混合式垂直剖面仪的外形相适应。
作为优选,接驳基站上设有定位单元,定位单元包括安装在接驳基站上的USBL发射端和安装在混合式垂直剖面仪上的USBL接收端。当剖面仪离水底较远时,安装于接驳基站的USBL发射端提供声学定位信号供混合式垂直剖面仪定位。
为了方便混合式垂直剖面仪的入坞锁定,作为优选,锁紧机构为固定在所述导引机构底端的电磁块,混合式垂直剖面仪的端部设有用于吸附到电磁块上的铁环。
作为优选,接驳基站上设有用于安装水下电路的耐压腔体,通过水密缆与其他供电设备以及通讯设备连接。
混合式垂直剖面仪上还设有摄像头、径向推进器、有囊、浮力调节模块、姿态调节模块、控制系统、尾翼、轴向推进器和尾部天线。混合式剖面仪通过调节径向推进器正反转,完成不同方向的偏航动作。通过调节位于剖面仪内部姿态调节模块的重块在机体轴线上的位置,完成俯仰调节。由透水舱段油囊体积的变化改变仪整体浮力的变化,实现混合式垂直剖面仪的上浮和下沉。混合式垂直剖面仪入坞后,接驳基站上的无线电能/信号模块发射单元与混合式垂直剖面仪上的无线电能/信号接收单元相耦合,并对混合式垂直剖面仪中的电池进行充电,以及通过水下WiFi进行无线通讯。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统成本较低,水下接驳基站与混合式垂直剖面仪的成本远远小于在海底铺设长距离缆线的费用;其次相比于缆线与浮标传输数据的方式,该系统传输数据的载体大部分时间隐藏在水面之下,因此具有极高的隐蔽性;混合式垂直剖面仪的整个上浮与下潜的运动主要通过自身浮力调节系统的调整,因此功耗较低。
附图说明
图1为本发明实施例中混合式垂直剖面仪的结构示意图;
图2为本发明实施例中接驳基站与混合式垂直剖面仪接驳的立体图;
图3为本发明实施例中接驳基站与混合式垂直剖面仪接驳的平面图;
图4为本发明实施例中无线电能/信号发射单元的剖面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
实施例
参见图1至图4,本实施例的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,包括固定于海底且与海底观测网络通讯连接的接驳基站。接驳基站包括顶板、底板以及设置在顶板和底板之间的支撑杆。
接驳基站上设有:
导引机构21,设于顶板上,用于引导混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳;本实施例的导引机构21为安装在顶板上且开口朝上的漏斗状壳体或喇叭状壳体;
限位机构16,与混合式垂直剖面仪的头部相适应,设有用于触发锁紧机构18的触发机构和无线电能/信号发射单元17,无线电能/信号发射单元17包含初级侧的发射天线20和初级侧的发射线圈19;本实施例的限位机构为设置在导引机构21底部的柱形支架,柱形支架为镂空设置;
锁紧机构18,对混合式垂直剖面仪进行锁紧;本实施例的锁紧机构18为固定在导引机构底端的电磁块,混合式垂直剖面仪的端部设有用于吸附到电磁块上的铁环1;
位置调整单元,包括三个沿圆周方向均匀布置的水下灯14,混合式垂直剖面仪通过光学引导进行位姿调整;三个水下灯14摆成等边三角形,供混合式垂直剖面仪光学导引过程利用P3P算法进行相对位姿求解;
定位单元,包括安装在接驳基站上的USBL发射端13和安装在混合式垂直剖面仪上的USBL接收端3;当剖面仪距离水底较远时,USBL发射端13提供声学定位信号供剖面仪定位;
耐压腔体15,安装有主控制电路,是接驳系统的核心,其通过水密缆与其他供电设备以及通讯设备连接。
混合式垂直剖面仪上设有无线电能/信号接收单元5,用于与无线电能/信号发射单元17对接完成充电和信号传输。
混合式垂直剖面仪的组成包括:头部的铁环1、头部摄像头2、头部的USBL接收端3、径向推进器4(径向贯穿式螺旋桨)、无线电能/信号接收单元5(包含有接收线圈A和接收天线B)、油囊6、浮力调节模块7、姿态调节模块8、控制系统9、尾翼10、轴向推进器11(尾部螺旋桨)以及尾部天线12。混合式剖面仪通过调节位于剖面仪头部的径向推进器4正反转,完成不同方向的偏航动作。通过调节位于剖面仪内部姿态调节模块8的重块在机体轴线上的位置,剖面仪完成俯仰调节。由透水舱段油囊6体积的变化改变仪整体浮力的变化,实现剖面仪的上浮和下沉。剖面仪入坞后,接驳站上的无线电能/信号发射单元17与剖面仪上的无线电能/信号接收单元5相耦合,并对剖面仪中的电池进行充电,以及通过水下WiFi进行无线通讯。
接驳基站固定于海底,通过光电复合缆与海底其他设备连接,并对垂直往返剖面运动的混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳,接驳成功后,接驳站对混合式垂直剖面仪通过水下无线电能补给以及无线数据传输,该任务结束后,混合式垂直剖面仪竖直上浮至海平面,通过卫星通讯将数据传送到岸上基站。
整个接驳系统的工作流程如下:
1、混合式垂直剖面仪在海面接收信号后,通过调节自身浮力,开始下沉;
2、下沉过程中距离水下接驳基站较远时,采用USBL(5,13)声学定位,不断向海底基站靠近,在这过程中混合型垂直剖面仪不断通过头部径向推进器4调整航向角与以及中间舱段姿态调节模块8的重块来调整俯仰角与重心,以不断减小与接驳站中轴线之间的横向偏差与朝向角偏差;
3、当混合式垂直剖面仪与接驳站相距一定距离内,剖面仪头部摄像头1捕获到3个水下灯14位置,开启轴向推进器11依靠光学导引完成入坞;
4、剖面仪通过喇叭口状的导引机构21进入接驳站内,头部触碰到限位机构16时,触发电磁式的锁紧机构18上电,将剖面仪头部的铁环1吸附;
5、剖面仪锁紧后,无线电能/信号发射单元17与无线电能/信号接收单元5正好相耦合,接驳站与混合型垂直剖面仪利用这两模块其中的线圈和天线进行水下无线电能传输与无线信号传输;
6、充电与通信任务完成后,锁紧机构18断电,剖面仪上浮,在海面通过尾部天线12与卫星进行通讯,将数据传送至岸上工作人员,并再次准备下潜。
Claims (7)
1.一种应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,包括固定于海底的接驳基站,所述接驳基站上设有:
导引机构,设于所述接驳基站的顶部,用于引导混合式垂直剖面仪进行垂直方向上的接驳;
限位机构,与所述混合式垂直剖面仪的头部相适应,设有用于触发锁紧机构的触发机构和无线电能/信号发射单元;所述的限位机构为设置在所述导引机构底部的柱形支架;
锁紧机构,对所述混合式垂直剖面仪进行锁紧;
所述混合式垂直剖面仪上设有无线电能/信号接收单元,用于与所述无线电能/信号发射单元对接完成充电和信号传输;
所述接驳基站的顶部设有位置调整单元,所述位置调整单元包括三个沿圆周方向均匀布置的水下灯,所述的混合式垂直剖面仪通过光学引导进行位姿调整。
2.根据权利要求1所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述的接驳基站包括顶板、底板以及设置在所述顶板和底板之间的支撑杆,所述的导引机构安装在所述顶板上。
3.根据权利要求1或2所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述的导引机构为安装在所述接驳基站顶部的漏斗状壳体。
4.根据权利要求1所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述柱形支架为镂空设置。
5.根据权利要求1所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述的接驳基站上设有定位单元,所述定位单元包括安装在所述接驳基站上的USBL发射端和安装在所述混合式垂直剖面仪上的USBL接收端。
6.根据权利要求1所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述的锁紧机构为固定在所述导引机构底端的电磁块,所述的混合式垂直剖面仪的端部设有用于吸附到所述电磁块上的铁环。
7.根据权利要求1所述的应用于混合式垂直剖面仪的接驳系统,其特征在于,所述的接驳基站上设有用于安装水下电路的耐压腔体。
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