CN111762304A - 近海养殖区环境监测水下滑翔机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种近海养殖区环境监测水下滑翔机，其包括机舱和尾部机翼；所述机舱的外部结构呈球形，该机舱的首尾两端分别为首部湿舱与尾部湿舱，两者之间连接中间耐压干舱，所述中间耐压干舱与所述首部湿舱和尾部湿舱是相互隔绝的；在所述机舱中的前部设置浮力调节机构，在该中间耐压干舱内由前到后依次布置有二自由度姿态调节机构和控制系统单元；该尾部机翼包括机翼板和固定轴，该固定轴设置在所述机舱的尾部，该机翼板安装在所述固定轴上。本发明提供的近海养殖区环境监测水下滑翔机具有自主、灵活的优点。
Description
技术领域
本发明涉及海洋、湖泊、养殖场等水域生态环境监测领域，更具体的说，是设计一种近海养殖区环境监测水下滑翔机。
背景技术
近年来，随着渔业的迅速发展，对水域环境生态信息的监测的需求不断增加。目前，大部分水域生态环境信息的获取通过定点安置的传感器获得，然而，定点安置的传感器布置困难、不易维护且获取的水域信息不全面。水下滑翔机具有高效、灵活、运行时间长等特点，适合应用于水域生态环境的监测。但近海养殖区域内水下环境复杂，通常有挂载或保护水下养殖物的水下结构物与水下植物等，这些因素不利于滑翔机的运行。
发明专利CN104813975A公开了一种“水下无人作业水产养殖机器人”，通过线缆连接水下机器人与水上遥控站，利用摄像头反馈水下情况，实现水上的遥控控制，然而，并不能实现真正的无人运行，并且由于线缆的限制，并不能运行于较广泛的区域。发明专利CN102963514公开了一种“便携式水下海洋环境监测滑翔机”，通过改变浮力控制沉浮，通过改变重心位置调节姿态，具有自主运行时间长的优点，后掠布置的机翼可以防止水草的缠绕，但较大的翼展不能有效避免人造水下结构物的挂碰，不利于运行在环境复杂的养殖区域，发明专利CN103287558A公开了一种“蝶形水下滑翔机”，通过四个对称分布的内置水袋调节浮力与姿态，实现运动方向的灵活调节，然后，其姿态调节机构的布局方式难以实现较大攻角的运动，不能有效滑越水下垂直布置的结构物。
因此，针对近海养殖区的情况，如何结合水下机器人的避免挂碰布局、大攻角运动能力，便利的传感器布局方式，以扩展其应用领域并提高其观测能力，成为当前研发新型海洋养殖领域航行器所关注的问题。
发明内容
本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种自主、灵活的近海养殖区环境监测水下滑翔机。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种近海养殖区环境监测水下滑翔机，包括机舱、尾部机翼构成；
所述机舱的外部结构呈球形，该机舱的首尾两端分别为首部湿舱与尾部湿舱，两者之间连接中间耐压干舱，所述中间耐压干舱与所述首部湿舱和尾部湿舱是相互隔绝的；在机舱中的前部设置浮力调节机构，在该中间耐压干舱内由前到后依次布置有二自由度姿态调节机构和控制系统单元；该尾部机翼包括机翼板和固定轴，该固定轴设置在所述机舱的尾部，该机翼板安装在所述固定轴上。
优选地，所述机翼板为四块，交叉互相垂直地固定布局在该固定轴上。
所述首部湿舱包括一首部导流罩，该首部导流罩与中间耐压干舱通过轴向布置的螺丝相连。
所述尾部湿舱包括尾部湿舱导流罩，该尾部湿舱导流罩与中间耐压干舱通过轴向布置的螺丝相连。
湿舱是不做密封处理的空间，水可以进入湿舱，所以首部湿舱和尾部湿舱里面是有水的。而中间耐压干舱里面是没有水的。
所述滑翔机首部湿舱中装置有水下摄像头，摄像头对应的首部湿舱的壳体上开有通孔，供摄像头探出。
优选地，所述首部湿舱中装置有4个呈设定角度布置的所述水下摄像头。
进一步地，所述固定轴的末端连接一机体尾部支架，在该机体尾部支架上挂载如下至少一种水质探头：温度、盐度、PH值、叶绿素、氧溶解度、氨氮、硫化物、亚硝酸盐传感器等水文生态探头。
所述中间耐压干舱内固连内部支架，所述浮力调节机构、姿态调节机构和控制系统单元都设置在该内部支架上。
进一步地，所述浮力调节机构布置在滑翔机的首部，包括外油囊、内油囊、齿轮泵、电磁阀和管路。所述齿轮泵与电磁阀通过柔性管路与外油囊和内油囊相连。
所述齿轮泵是双向型泵，所述电磁阀是常闭型阀，所述齿轮泵与所述外油囊和所述内油囊的连接结构可以是：能够将油从外油囊向内油囊输送，也能够从内油囊向外油囊输送。
电磁阀开启，齿轮泵向一个方向运转，向外油囊输油时，滑翔机浮力变大，齿轮泵反向运转，向内油囊输油时，滑翔机浮力变小。
所述外油囊设置在所述首部湿舱内，所述内油囊、齿轮泵和电磁阀均设置在所述中间耐压干舱中。
所述内油囊呈圆环体，依靠一油囊支撑架支撑固定，在所述内油囊的上下两端粘贴有磁性标识物，在所述油囊支撑架上的相应位置上设置磁感应元件，所述磁性标识物与所述磁感应元件构成位置开关，通过固定在油囊支撑架上的磁感应元件反馈内油囊截面的变化是否达到限位值。
优选地，所述呈圆环状内油囊与油囊支撑架的支撑固定结构为：所述内油囊最大圆周与最小圆周边缘有突出的飞边，油囊支撑架将该飞边夹住，从而固定所述内油囊，并且保证内油囊的中心位置基本不变。
所述二自由度姿态调节机构通过轴承与设置在所述机舱内的所述内部支架相连接，布置在滑翔机的形体中心位置。
所述二自由度姿态调节机构包括一姿态调整块，还包括一直线传动机构和一转动机构，分别连接该姿态调整块，使得该姿态调整块能够移动和转动。
具体地，所述姿态调节块穿设在一根中间光轴上，该中间光轴通过球形机舱的直径，所述直线传动机构为：所述姿态调节块上设置一丝杆螺母，螺接在一根平行于所述中间光轴的丝杆上，所述丝杆可转动地固定在一姿态调整架上，该丝杆连接一齿轮箱的输出轴，该齿轮箱的输入轴连接一驱动电机，该齿轮箱和驱动电机设置在所述姿态调整架上；该姿态调整架可转动地设置在所述中间光轴上；所述转动机构包括在所述中间光轴和所述姿态调整架之间设置的齿轮传动机构。
具体地，该齿轮传动机构包括一中心齿轮，固定在所述中间光轴上，一周向齿轮与中心齿轮啮合，该周向齿轮上的齿轮轴固定在所述姿态调整架上，齿轮轴上设置一蜗轮，与该蜗轮啮合的蜗杆以及蜗杆连接的蜗杆驱动电机设置在所述姿态调整架上。
所述控制系统单元固定在所述内部支架上，所述控制系统单元含有电源模块、电机驱动模块、通信模块、数据采集模块、数据处理模块。各个模块通过电缆连接所述浮力调节机构和姿态调节机构中相应的电机、电磁阀等，驱动和控制各个机构的动作。
所述控制系统单元还包括异常报警模块，所述异常报警模块包括与外部环境接触的压力传感器与信息处理单元，所述异常报警模模块通过压力传感器的反馈值判断滑翔机是否被动离开水面。所述压力传感器设置在本滑翔机的外表面上。
所述中间耐压干舱由前耐压壳体与后耐压壳体组成，前耐压壳体和后耐压壳体密封地连接。
优选地，所述前耐压壳体和后耐压壳体的接口上开设有密封槽，一中间密封件插设在同时插设在两个所述密封槽中，使得中间耐压干舱与外界隔绝，所述前耐压壳体和后耐压壳体的连接结构是：所述前耐压壳体和所述后耐压壳体通过与设置在所述中间耐压干舱内的内部支架固连而相连接。
优选地，所述前耐压壳体和所述后耐压壳体与所述内部支架分别通过螺杆紧固。
所述尾翼与尾部湿舱导流罩相连。
优选地，所述尾翼带有45度的后掠角，防止水下结构物或水下植物的挂碰。
优选地，所述尾翼由碳纤维材料制成。
本滑翔机还设有天线，所述天线与所述尾翼相连，所述天线包括无线通信天线与GPS定位天线。
本发明提供的水下滑翔机兼容了水下自主航行器机动灵活的优点以及自主水下滑翔机连续工作时间长的优势，具有更广的使用范围，能够满足在内陆水域及近海养殖场的环境下，提供长期、实时、在线的生态环境监测数据的使用要求。
下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
附图说明
图1为本发明提供的水下滑翔机的结构示意图；
图2为本发明提供的水下滑翔机中浮力调节机构的结构示意图；
图3为本发明提供的水下滑翔机中姿态调节机构的结构示意图；
图4为本发明提供的水下滑翔机中水下摄像头布置的结构示意图。
图中，1为首部导流罩、2为首部湿舱、3为外油囊、4为浮力调节机构、5为内部支架、6为前耐压壳体、7为中间耐压干舱、8为中间密封件、9为后耐压壳体、10为二自由度姿态调节机构、11为水质探头、12为尾导流罩、13为控制系统单元、14为紧固螺杆、15为尾部机翼、16为内油囊、17为齿轮泵、18为电磁阀、19为管路、20为磁性标识物、21为磁感应元件、22为油囊支撑架、23为中间光轴、24为丝杆、25为姿态调整块、25a为丝杆螺母、26为中心齿轮、27为齿轮箱、28为蜗轮蜗杆、29为驱动电机、30为天线、31为水下摄像头。
具体实施方式
本实施例提供一种近海养殖区环境监测水下滑翔机，由机舱和尾部机翼15构成。如图1所示，机舱的外部结构呈球形，该机舱由三部分构成，首尾两端是首部湿舱2与尾部湿舱11，中间是中间耐压干舱7；首部湿舱包括一首部导流罩1，首部导流罩1与中间耐压干舱7通过轴向布置的螺丝相连。尾部湿舱包括尾部湿舱导流罩12，该尾部导流罩12与中间耐压干舱7通过轴向布置的螺丝相连。
首尾部的湿舱是不做密封处理的空间，水可以进入湿舱，故称为湿舱，所以首部湿舱和尾部湿舱里面是有水的。而干舱里面是没有水的。干舱是密封的且与湿舱是相互隔绝的。
中间耐压干舱7由前耐压壳体6与后耐压壳体9组成，前耐压壳体6和后耐压壳体9密封地连接。具体的密封连接结构是：前耐压壳体6和后耐压壳体9的接口上开设有密封槽，一中间密封件8同时插设在两个所述密封槽中，使得中间耐压干舱7与外界隔绝，前耐压壳体6和后耐压壳体9的连接结构是：在中间耐压干舱7内设置内部支架5，前耐压壳体6和后耐压壳体9通过紧固螺杆14固定在中间耐压干舱7内的内部支架5而相互连接起来。
尾部机翼15固定于滑翔机尾部，与尾部湿舱导流罩12固定相连。
在机舱中的前部设置浮力调节机构4，在中间耐压干舱7内由前到后依次布置有二自由度姿态调节机构10和控制系统单元13；
如图2所示，浮力调节机构4布置在滑翔机的首部，包括外油囊3、内油囊16、齿轮泵17、电磁阀18和管路19。齿轮泵17与电磁阀18通过柔性的管路19与外油囊3和内油囊16相连。
齿轮泵17是双向型泵，电磁阀18是常闭型阀，齿轮泵17与外油囊3和内油囊16的连接结构是：能够将油从外油囊3向内油囊16输送，也能够从内油囊16向外油囊3输送。
电磁阀18开启，齿轮泵17向一个方向运转，向外油囊3输油时，随着外油囊3的体积增大，滑翔机浮力变大，而此时，内油囊16的体积变小；齿轮泵17反向运转，向内油囊16输油时，外油囊3的体积减小，内油囊16体积增大，滑翔机浮力变小。外油囊3设置在首部湿舱2内，由此可以充分利用首部湿舱2内的空间；内油囊16、齿轮泵17和电磁阀18均设置在中间耐压干舱7中。
浮力调节机构4设置在中间耐压干舱7中的各个部件是这样设置的：在中间耐压干舱7内设置一油囊支撑架22，油囊支撑架22可以设置在内部支架5上，也可以单独固定在机舱的前耐压壳体内壁上。内油囊16呈圆环体，支撑固定在油囊支撑架22的框架内，圆环状内油囊16与油囊支撑架的支撑固定结构为：内油囊16最大圆周与最小圆周边缘有突出的飞边(图中未示出)，油囊支撑架22将该飞边夹住，从而将内油囊16固定在油囊支撑架22上，并且保证内油囊16的中心位置基本不变。在内油囊16的上下两端粘贴有磁性标识物20，在油囊支撑架上的相应位置上设置磁感应元件21，在如图2所示的实施例中，磁感应元件21设置在油囊支撑架22上，位于内油囊的外圆周的中间位置。通过固定在油囊支撑架22上的磁感应元件21可以这样来反馈内油囊16截面的变化是否达到限位值。
磁性标识物20与磁感应元件21组成位置开关，当内油囊16内液体较少时，其上的磁性标识物20接近磁感应元件21，磁感应元件21能够反馈信号。当内油囊16充满液体时，贴在内油囊16上下两侧的磁性标识物20顶在油囊支撑架22的上下框架杆上的极限位置，此时磁性标识物20远离磁感应元件21以致无反馈信号。内油囊16体积变小时，上下两侧的磁性标识物20与磁感应元件达到设定距离范围时，磁感应元件开始有信号，当磁感应元件21信号最强时，说明上下磁性标识物距离磁感应元件21很接近，此时内油囊16体积最小。而此时外油囊3体积最大，即本水下滑翔机的浮力最大。浮力调节机构调节浮力就是通过内油囊16显示外油囊3的体积大小而显示浮力大小的。
齿轮泵17的启动与否及转动方向，受控于控制系统单元和磁性标识物20与磁感应元件21构成的位置开关的反馈信息。
如图3所示，二自由度姿态调节机构10通过轴承与内部支架5相连接，布置在滑翔机的形体中心位置。
二自由度姿态调节机构包括一姿态调整块25，还包括一直线传动机构和一转动机构，分别连接该姿态调整块，使得该姿态调整块能够有移动和转动，实现二自由度姿态调节。
姿态调节块25穿设在一根中间光轴23上，姿态调节块25与中间光轴23之间设置轴承，中间光轴23通过球形机舱的直径，设置在内部支架5上。
所述直线传动机构为螺旋机构，在姿态调节块25上设置一丝杆螺母25a，螺接在一根平行于中间光轴23的丝杆24上，丝杆24可转动地固定在一姿态调整架25b上，该丝杆24连接一齿轮箱27的输出轴，该齿轮箱的输入轴连接一驱动电机，该齿轮箱27和驱动电机设置在姿态调整架25b上；姿态调整架25b通过轴承可转动地设置在中间光轴23上。驱动电机启动，带动丝杆24转动，即可使得丝杆螺母25a沿着丝杆24轴向移动，继而使得与丝杆螺母25a固连的姿态调节块25沿着中间光轴23轴向移动的一个自由度的调节。
所述转动机构为一齿轮传动机构，包括在中间光轴23和姿态调整架之间设置的齿轮传动机构。如图3所示，该齿轮传动机构包括一中心齿轮26，固定在中间光轴23上，一周向齿轮26a与中心齿轮26啮合，周向齿轮26a上的齿轮轴固定在姿态调整架25b上，齿轮轴上设置一蜗轮，与该蜗轮啮合的蜗杆以及蜗杆连接的蜗杆驱动电机29设置在姿态调整架25b上蜗杆驱动电机29通过蜗轮蜗杆28带动周向齿轮26a绕中心齿轮26转动，即带动姿态调整块25转动的另一个自由度的调节。
包括中间光轴、丝杆、丝杆螺母、齿轮传动机构、驱动电机及齿轮箱、蜗轮蜗杆、和蜗杆驱动电机构成的直线传动机构和一转动机构，使得所述二自由度姿态调节机构具有沿中间光轴移动与绕中间光轴旋转两个自由度。绕中间光轴旋转时改变滑翔机浮力中心与重心的上下相对位置，从而改变滑翔机机头的俯仰状态，沿中间光轴移动时改变滑翔机浮心与重心的左右相对位置，从而改变滑翔机机构的偏航状态。由于滑翔机整体呈球状，姿态调整机构的调节可以使机体达到很大的滑翔角度，俯仰角度最大可以达到正负90度。
控制系统单元13固定在内部支架5上，控制系统单元16含有电源模块、电机驱动模块、通信模块、数据采集模块、数据处理模块。各个模块通过电缆连接浮力调节机构4和姿态调节机构10中相应的电机、电磁阀等，驱动和控制各个机构的动作。
所述控制系统单元还包括异常报警模块，所述异常报警模块包括与外部环境接触的压力传感器与信息处理单元，模块通过压力传感器的反馈值判断滑翔机是否被动离开水面。所述压力传感器设置在本滑翔机的外表面上(图中未示出)。
尾部机翼15包括机翼板和固定轴，该固定轴设置在所述机舱的尾端，该机翼板安装在所述固定轴上。如图1所示，所述机翼板为四块，交叉互相垂直地固定布局在该固定轴上。所述固定轴的末端连接一机体尾部支架，在该机体尾部支架上挂载水质探头11，该水质探头11可以包括如下至少一种水文生态探头：温度、盐度、PH值、叶绿素、氧溶解度、氨氮、硫化物、亚硝酸盐传感器等。
滑翔机上还设有水下摄像头，在如图4所示的实施例中，首部湿舱2中装置4个水下摄像头31，四个摄像头呈一定角度布置，摄像头对应的首部湿舱的壳体上开有通孔，供摄像头探出。
所述尾翼带有45度的后掠角，防止水下结构物或水下植物的挂碰，所述尾翼由碳纤维材料制成。
本滑翔机还设有天线30，天线30与尾翼相连，天线30包括无线通信天线与GPS定位天线。
Claims (10)
1.一种近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于包括机舱和尾部机翼；
所述机舱的外部结构呈球形，该机舱的首尾两端分别为首部湿舱与尾部湿舱，两者之间连接中间耐压干舱，所述中间耐压干舱与所述首部湿舱和尾部湿舱是相互隔绝的；在所述机舱中的前部设置浮力调节机构，在该中间耐压干舱内由前到后依次布置有二自由度姿态调节机构和控制系统单元；该尾部机翼包括机翼板和固定轴，该固定轴设置在所述机舱的尾部，该机翼板安装在所述固定轴上。
2.根据权利要求1所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述首部湿舱包括一首部导流罩，该首部导流罩与中间耐压舱通过轴向布置的螺丝相连；和/或，
所述尾部湿舱包括尾部湿舱导流罩，该尾部湿舱导流罩与所述中间耐压干舱通过轴向布置的螺丝相连；和/或，
所述耐压干舱由前耐压壳体与后耐压壳体组成，前耐压壳体和后耐压壳体密封地连接；和/或，
所述固定轴的末端连接一机体尾部支架，在该机体尾部支架上挂载如下至少一种水质探头：温度、盐度、PH值、叶绿素、氧溶解度、氨氮、硫化物、亚硝酸盐传感器水文生态探头；和/或，
所述机翼板为四块，交叉互相垂直地固定布局在该固定轴上；和/或，
所述尾翼带有45度的后掠角；；和/或，
所述尾翼由碳纤维材料制成；和/或，
所述滑翔机首部湿舱中装置有水下摄像头，摄像头对应的首部湿舱的壳体上开有通孔，供摄像头探出；和/或，
还设有天线，所述天线与所述尾翼相连。
3.根据权利要求1所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述中间耐压舱内固连内部支架，所述浮力调节机构、姿态调节机构和控制系统单元都设置在该内部支架上。
4.根据权利要求1或3所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述浮力调节机构布置在滑翔机的首部，包括外油囊、内油囊、齿轮泵、电磁阀和管路；所述齿轮泵与电磁阀通过柔性管路与外油囊和内油囊相连；和/或，
所述二自由度姿态调节机构通过轴承与设置在所述机舱内的内部支架相连接，布置在滑翔机的形体中心位置；和/或，
所述控制系统单元固定在内部支架上，所述控制系统单元含有电源模块、电机驱动模块、通信模块、数据采集模块、数据处理模块；各个模块通过电缆连接所述浮力调节机构和姿态调节机构中相应的电机、电磁阀，驱动和控制各个机构的动作。
5.根据权利要求4所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述齿轮泵是双向型泵，所述电磁阀是常闭型阀，所述齿轮泵与所述外油囊和所述内油囊的连接结构是：能够将油从外油囊向内油囊输送，也能够从内油囊向外油囊输送；和/或，
所述外油囊设置在所述首部湿舱内，所述内油囊、齿轮泵和电磁阀均设置在所述中间耐压舱中；和/或，
所述二自由度姿态调节机构包括一姿态调整块，还包括一直线传动机构和一转动机构，分别连接该姿态调整块，使得该姿态调整块能够移动和转动；和/或，
所述控制系统单元还包括异常报警模块，所述异常报警模块包括与外部环境接触的压力传感器与信息处理单元，所述异常报警模模块通过压力传感器的反馈值判断滑翔机是否被动离开水面；所述压力传感器设置在本滑翔机的外表面上。
6.根据权利要求4所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述内油囊呈圆环体，依靠一油囊支撑架支撑固定，在所述内油囊的上下两端粘贴有磁性标识物，在所述油囊支撑架上的相应位置上设置磁感应元件，所述磁性标识物与所述磁感应元件构成位置开关，通过固定在油囊支撑架上的磁感应元件反馈内油囊截面的变化是否达到限位值。
7.根据权利要求6所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：呈圆环状的所述内油囊，最大圆周与最小圆周边缘有突出的飞边，所述油囊支撑架将该飞边夹住，从而固定内油囊，并且保证所述内油囊的中心位置不变。
8.根据权利要求5所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述姿态调节块穿设在一根中间光轴上，该中间光轴通过球形机舱的直径，所述直线传动机构为：所述姿态调节块上设置一丝杆螺母，螺接在一根平行于所述中间光轴的丝杆上，所述丝杆可转动地固定在一姿态调整架上，该丝杆连接一齿轮箱的输出轴，该齿轮箱的输入轴连接一驱动电机，该齿轮箱和驱动电机设置在所述姿态调整架上；该姿态调整架可转动地设置在所述中间光轴上；所述转动机构包括在所述中间光轴和所述姿态调整架之间设置的齿轮传动机构。
9.根据权利要求8所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：该齿轮传动机构包括一中心齿轮，固定在所述中间光轴上，一周向齿轮与该中心齿轮啮合，该周向齿轮上的齿轮轴固定在所述姿态调整架上，该齿轮轴上设置一蜗轮，与该蜗轮啮合的蜗杆以及蜗杆连接的蜗杆驱动电机设置在所述姿态调整架上。
10.根据权利要求2所述的近海养殖区环境监测水下滑翔机，其特征在于：所述前耐压壳体和后耐压壳体的接口上开设有密封槽，一中间密封件同时插设在两个所述密封槽中，使得中间耐压仓与外界隔绝，所述前耐压壳体和后耐压壳体的连接结构是：所述前耐压壳体和所述后耐压壳体通过与设置在所述耐压干舱内的内部支架固连而相连接；和/或，
所述前耐压壳体和所述后耐压壳体与所述内部支架分别通过螺杆紧固；和/或，
所述尾翼与尾部湿舱导流罩相连；和/或，
所述天线包括无线通信天线与GPS定位天线；和/或，
所述首部湿舱中装置的4个所述水下摄像头呈设定角度布置。
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