CN112776946A - 一种减震抗干扰装置、具有该装置的浮标及减震方法 - Google Patents

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Abstract

一种减震抗干扰装置，包括壳体、支架和电路板；壳体内腔的底部和顶部均为平面结构并相互平行，支架设置在壳体内部，支架顶部抵靠壳体顶部，支架底部设有万向轮和驱动轮，驱动轮上设置有用于驱动其运动的第一电机；支架上设有转轴，转轴的轴线方向平行于驱动轮的轴线方向；转轴上设有用于驱动其转动的第二电机，电路板安装在转轴上并与转轴同步转动。本发明中，支架与浮标内部不固定，通过转轴带动电路板转动与驱动轮带动支架线性运动的配合，实现了当标体摇荡时，通过对支架的移动和转轴的转动对电路板进行运动补偿，从而保证在纵荡方向和垂直于纵荡方向的纵摇方向上，电路板与标体运动分离但位移相同，防止电路板与壳体之间发生碰撞。

Description

一种减震抗干扰装置、具有该装置的浮标及减震方法
技术领域
本发明涉及海洋设备领域，尤其涉及一种减震抗干扰装置、具有该装置的浮标及减震方法。
背景技术
海洋浮标作为小型海上结构，因其便捷、易于安装的特点，常常用于监测某片区域的海洋环境参数。海洋浮标通常用锚固定，但由于海上复杂的气候特点，尤其是波浪对设备的巨大冲击力，容易引起浮标内部电路板晃动，极大的影响了设备的正常运作和使用寿命。
发明内容
为了解决上述现有技术中海洋浮标受到波浪冲击导致电路板易损害的缺陷，本发明提出了一种减震抗干扰装置、具有该装置的浮标及减震方法。
本发明的目的之一采用以下技术方案：
一种减震抗干扰装置，包括壳体、支架和电路板；壳体内腔的底部和顶部均为平面结构并相互平行，支架设置在壳体内部，支架顶部抵靠壳体顶部并形成滑动配合，支架底部设有万向轮和驱动轮，驱动轮上设置有用于驱动其运动的第一电机；支架上设有转轴，转轴的轴线方向平行于驱动轮的轴线方向；转轴上设有用于驱动其转动的第二电机，电路板安装在转轴上并与转轴同步转动；
电路板上设有信号处理器和信号收发器；信号收发器用于信号处理器与外部传感器之间的信号传导；信号处理器还分别连接第一电机和第二电机，信号处理器用于根据姿态传感器检测到的浮标运动特性信息计算电路板的线加速度和角加速度，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度；信号处理器用于根据所述线加速度控制第一电机工作，并用于根据所述角加速度控制第二电机工作。
优选的，壳体采用绝缘材料制成，所述底部铺设有间隔设置的正极导电带和负极导电带，相邻的正极导电带和负极导电带之间设有绝缘带；正极导电带用于连接供电模块的正极，负极导电带用于连接供电模块的负极；
支架底部还设有多个电刷，多个电刷呈多边形布置；支架运动过程中，至少一个电刷与任一正极导电带接触并导电，且至少一个电刷与任一负极导电带接触并导电；
电路板上还设有整流电路；整流电路分别连接各电刷，整流电路用于通过电刷获取电流信号，并将整流信号整流后用于电路板供电；
优选的，支架底部设有四个电刷，其中三个电刷布置在等边三角形的三个顶点上，最后一个电刷布置在所述等边三角形的中心点上；所述等边三角形的边长大于正极导电带的宽度与绝缘带的宽度之和，正极导电带与负极导电带等宽；电刷在平行于所述等边三角形所在平面上的最大宽度小于绝缘带的宽度。
优选的，支架底部设有两个万向轮和一个驱动轮，且万向轮和驱动轮呈等边三角形布置。
本发明的目的之二采用以下技术方案：
一种浮标，包括标体，标体内部设有空腔，空腔内设有上述的减震抗干扰装置；所述壳体与标体固定连接；所述标体上设有用于检测浮标的运动特性的姿态传感器，所述姿态传感器均通过信号收发器与信号处理器进行数据通信。
优选的，所述标体内部还设有蓄电池，所述蓄电池作为供电模块用于给电路板供电。
优选的，标体外部还设有太阳能电池板，标体置于海洋中时，所述太阳能电池板浮于海面上；所述太阳能电池板连接蓄电池用于供电。
优选的，标体上设有仪器架，仪器架上设有四面太阳能电池板，四面太阳能电池板围绕成上窄下宽的锥形台结构；仪器架顶部还设有航标灯；标体上设有与内腔连通的检修口，标体上还设有用于密封检修口的盖板。
本发明的目的之三采用以下技术方案：
一种浮标减震方法，包括以下步骤：
S1、获取上述的浮标，并在标体上设置用于给电路板供电的供电模块；
S2、通过所述姿态传感器获取浮标的运动特性，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度；
S3、根据浮标的运动特性计算电路板的线加速度和电路板绕转轴转动的角加速度；浮标开始运动时，电路板在惯性作用下具有运动迟滞，根据所述线加速度和所述角加速度控制电路板运动，使得浮标停止运动时，电路板与浮标的相对位置进行复位；
S4、根据所述线加速度控制第一电机工作，根据所述角加速度控制第二电机工作。
优选的，步骤S3中，所述电路板的线加速度的计算公式为：
Figure BDA0002874857090000031
其中，IFFT表示反向快速傅里叶变换；对浮标的水平方向加速度信号a2(t)离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的位移值记作D(K)；n表示一个周期内采样的数据量；φ(w)表示滤波函数；α为浮标与水平面的倾角，μ为摩擦系数，N为支架(2)与标体(5)接触面的压力，m为支架(2)的质量；
所述电路板(3)的角加速度的计算公式为：
Figure BDA0002874857090000032
其中，对浮标的角加速度信号离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的转动角度记作D(k)'。
上述aθ(t)、a1(t)均为二阶微分函数。
本发明的优点在于：
(1)支架与浮标内部不固定，通过转轴带动电路板转动与驱动轮带动支架线性运动的配合，实现了当标体摇荡时，通过对支架的移动和转轴的转动对电路板进行运动补偿，从而保证在纵荡方向(水平面方向)和垂直于纵荡方向的纵摇方向上，电路板与标体运动分离但位移相同，防止电路板与壳体之间发生碰撞。
(2)将电路板和浮标分开，通过支架与浮标在波浪冲击时纵荡、纵摇运动的不同步性，实现基于加速度缓冲原理的减震抗干扰效果。波浪作用在浮标上时，会使浮标发生纵荡、纵摇现象，在波浪作用的瞬间，浮标会产生较大的瞬时加速度，由于电路板与浮标分开，在惯性的作用下，支架相对于浮标运动滞后，使得支架与固定连接浮标的壳体间发生相对运动，通过给予支架初始速度，可保证在每一次波浪冲击过程中，支架与浮标位移相同，即在每一次波浪冲击结束时，支架与壳体的相对位置关系实现复原。如此，通过支架与壳体之间的滑动配合，避免了浮标将受到的波浪冲击传递给支架和电路板；通过对支架和转轴的运动控制，实现了对支架和电路板的运动补偿，避免支架和电路板与壳体之间发生碰撞。
(3)通过正极导电带和负极导电带的设置，避免了壳体内部布线，从而避免了支架运动过程中被线路干扰的可能，保证了支架跟随标体无定向摇荡运动的可靠。通过电刷、正极导电带和负极导电带的设置，使得支架任意运动状态下均可与供电模块连接，并且通过整流电路对电路板获取的电流信号进行整流，保证了电路板在电刷与导电带的任意连接方式下均可获得有效供电，避免供电模块反接。
(4)两个万向轮和一个驱动轮分别布置在所述等边三角形的三个角点上。如此，保证了支架在壳体内部运动的灵活性，从而提高了支架跟随标体摇荡进行同步运动的敏感性。
附图说明
图1为本发明提出的一种减震抗干扰装置结构图；
图2为电刷在导电带上的多种位置示意图；
图3为本发明提出的一种浮标结构图；
图4为本发明提出的一种浮标减震方法流程图；
图5为浮标使用场景示意图；
图6为一次波浪冲击中电路板与壳体在垂直方向上的相对转动过程示意图；
图7为一次波浪冲击中支架与壳体在水平方向上的相对位移过程示意图。
1、壳体；11、正极导电带；12、负极导电带；13、绝缘带；
2、支架；21、转轴；22、第二电机；23、电刷；
3、电路板；
41、万向轮；42、驱动轮；43、第一电机；
5、标体；51、太阳能电池板；52、仪器架；53、航标灯；54、盖板；
具体实施方式
名词解释：
附加质量：物体在流体中变速运动，推动物体的力不仅要为增加物体的动能做功，还要为增加周围流体的动能做功。因此具有一定质量的物体要获得加速度，施加在它上面的力将大于物体质量与加速度的乘积，增加的这部分质量就是附加质量。
本实施方式提出的一种减震抗干扰装置，包括壳体1、支架2和电路板3。
壳体1内腔的底部和顶部均为平面结构并相互平行，支架2设置在壳体1内部，支架2顶部抵靠壳体1顶部并形成滑动配合，支架2底部设有万向轮41和驱动轮42。如此，支架2在壳体1内部顶天立地，避免了支架2相对于壳体1发生弹跳。本实施方式中，支架2与壳体1之间没有固定连接，当标体5收到冲击摇荡时，支架2通过万向轮41导向，从而使得支架2在壳体1内部相对于标体5同向运动。
驱动轮42上设置有用于驱动其运动的第一电机43，如此，通过第一电机43可使得支架2在纵荡方向即水平面方向上与壳体1保持同步，即通过第一电机43的运动补偿消弭支架2相对于标体5的运动滞后性，使得电路板3与标体5相对静止。
支架2上设有转轴21，转轴21的轴线方向平行于驱动轮42的轴线方向。转轴21上设有用于驱动其转动的第二电机22，电路板3安装在转轴21上并与转轴21同步转动。如此，通过转轴21带动电路板3转动与驱动轮42带动支架2线性运动的配合，实现了当标体5摇荡时，通过对支架2的移动和转轴21的转动对电路板3进行运动补偿，从而保证在纵荡方向水平面方向和垂直于纵荡方向的纵摇方向上，电路板3与标体5运动分离但位移相同，防止电路板3与壳体1之间发生碰撞。
即，本实施方式中，浮标工作时，当浮标被波浪冲击，浮标即时发生运动，浮标运动包括在水平方向上的纵荡运动和在垂直方向上的纵摇运动。此时，由于惯性作用，电路板3具有运动迟滞特性，将与浮标和壳体1产生相对位移，然后才跟随浮标运动。本实施方式中，通过电路板3与壳体1的运动分离，在浮标受到波浪冲击后，考虑到电路板3在惯性作用下产生的运动迟滞性，通过第一电机43和第二电机22对电路板3在壳体1内的运动进行独立控制，使得当浮标和电路板3运动结束时，电路板3相对于大地的运动路程与浮标相对于大地的的运动路程相同，即电路板3在壳体1内进行复位，从而保证电路板3与壳体1之间不会发生碰撞。具体的，在一次波浪冲击中，电路板3与壳体1的相对运动过程如图6图7所示。
图6所示为浮标随着波浪在垂直方向上纵摇运动时，电路板3绕转轴21运动示意图，箭头所示为浮标纵摇运动方向。运动起始阶段，如图6左图所示，电路板3中心线与壳体1中心线重合，即两者夹角a1＝0；浮标开始运动时，由于电路板3运动迟滞，夹角a1实现最大值，当电路板3随着转轴21转动过程中，其实是夹角a1逐渐减小的过程，当浮标和转轴21停止运动时，夹角a1＝0，实现一个波浪周期内电路板3相对于壳体1的转动角度复位。
图7所示为浮标随着波浪在水平方向上纵荡运动时，支架2相对于壳体1的运动示意图，箭头所示为浮标纵荡运动方向。运动起始阶段，如图7左图所示，在水平方向上，支架2中心点与壳体1两条棱边的距离分别为L1和L2，且支架2与壳体1的中心线重合，即两者夹角b1＝0；浮标纵荡运动过程中，支架2中心点与壳体1两条棱边的距离分别为L1'和L2'，且支架2与壳体1的中心线夹角为b1。浮标开始运动时，由于支架2运动迟滞，夹角b1、|L1-L1|'和|L2-L2|'均实现最大值，当支架2被第一电机驱动，其实是夹角b1、|L1-L1|'和|L2-L2|'逐渐减小的过程，当浮标和支架2停止运动时，夹角b1、|L1-L1|'和|L2-L2|'均等于0，实现一个波浪周期内支架2相对于壳体1的位置复位。
本实施方式中，电路板3上设有信号处理器和信号收发器。信号收发器用于信号处理器与外部传感器之间的信号传导，外部传感器包括用于检测浮标运动特性的姿态传感器和用于检测环境参数的水质传感器。具体的，环境参数包括：温度、溶解氧和PH值等。
信号处理器还分别连接第一电机和第二电机，信号处理器用于根据姿态传感器检测到的浮标的运动特性计算电路板3的线加速度和角加速度，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度。信号处理器还用于根据所述线加速度控制第一电机43工作，并用于根据所述角加速度控制第二电机22工作。
壳体1采用绝缘材料制成，所述底部铺设有间隔设置的正极导电带11和负极导电带12，相邻的正极导电带11和负极导电带12之间设有绝缘带13。正极导电带11用于连接供电模块的正极，负极导电带12用于连接供电模块的负极。如此，位于壳体1内的电路板3可通过连接正极导电带11和负极导电带12得电工作。
本实施方式中，支架2底部还设有多个电刷23，多个电刷23呈多边形布置。支架2运动过程中，至少一个电刷23与任一正极导电带11接触并导电，且至少一个电刷23与任一负极导电带12接触并导电。
电路板3上还设有整流电路。整流电路分别连接各电刷23、信号处理器和信号收发器，整流电路用于通过电刷获取电流信号，并将整流信号整流后输送给信号处理器和信号收发器供电。本实施方式中，通过电刷23、正极导电带11和负极导电带12的设置，使得支架2任意运动状态下均可与供电模块连接，并且通过整流电路对电路板3获取的电流信号进行整流，保证了电路板3在电刷23与导电带的任意连接方式下均可获得有效供电，避免供电模块反接。
本实施方式中，通过正极导电带11和负极导电带12的设置，避免了壳体1内部布线，从而避免了支架2运动过程中被线路干扰的可能，保证了支架2跟随标体5无定向摇荡运动的可靠。
本实施方式中，支架2底部设有两个万向轮41和一个驱动轮42，且万向轮41和驱动轮42呈等边三角形布置，即两个万向轮41和一个驱动轮42分别布置在所述等边三角形的三个角点上。如此，保证了支架2在壳体1内部运动的灵活性，从而提高了支架2跟随标体5摇荡进行同步运动的敏感性。
本实施方式中，支架2底部设有四个电刷23，其中三个电刷23布置在等边三角形的三个顶点上，最后一个电刷23布置在所述等边三角形的中心点上。所述等边三角形的边长大于正极导电带11的宽度与绝缘带13的宽度之和，正极导电带11与负极导电带12等宽。电刷23在平行于所述等边三角形所在平面上的最大宽度小于绝缘带13的宽度。如此，当支架2在壳体1内任意运动时，均可保证正极导电带11和负极导电带12分别与不同的电刷23接触，从而保证电路板3的供电。
本实施方式中，还提出了一种浮标，其包括标体5。标体5内部设有空腔，空腔内设有上述的减震抗干扰装置。所述壳体1与标体5固定连接。所述标体5上设有用于检测浮标的运动特性的姿态传感器，所述姿态传感器均通过信号收发器与信号处理器进行数据通信，以方便信号处理模块根据各传感器的检测值，计算浮标的运动特性，并进一步计算当电路板3与浮标同步运动时所需的线加速度和角加速度。
本实施方式中，所述标体5内部还设有蓄电池，所述蓄电池作为供电模块用于给电路板3供电。具体的，蓄电池的正极连接正极导电带11，蓄电池的负极连接负极导电带12。
本实施方式中，标体5外部还设有太阳能电池板51，标体5置于海洋中时，所述太阳能电池板51浮于海面上。所述太阳能电池板51连接蓄电池用于供电。具体的，本实施方式中，标体5上设有仪器架52，仪器架52上设有四面太阳能电池板51，四面太阳能电池板51围绕成上窄下宽的锥形台结构，以增加受光面积。仪器架52顶部还设有航标灯53。
本实施方式中，标体5上设有与内腔连通的检修口，以方便减震抗干扰装置的检修，标体5上还设有用于密封检修口的盖板54，以便保护减震抗干扰装置。
本实施方式提出的一种浮标减震方法，用于对浮标内部的电路板进行减震保护。该方法包括以下步骤：
S1、获取上述的浮标，并在标体5上设置用于给电路板3供电的供电模块。
S2、根据所述姿态传感器获取浮标的运动特性，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度。
S3、根据浮标的运动特性计算电路板3的线加速度和电路板3绕转轴21转动的角加速度；浮标开始运动时，电路板在惯性作用下具有运动迟滞，根据所述线加速度和所述角加速度控制电路板3运动，使得浮标停止运动时，电路板3与浮标的相对位置进行复位。
S4、根据所述线加速度控制第一电机工作，根据所述角加速度控制第二电机工作。
具体的，步骤S3中，所述电路板3的线加速度的计算公式为：
Figure BDA0002874857090000101
其中，IFFT表示反向快速傅里叶变换；对浮标的水平方向加速度信号a2(t)离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的位移值记作D(K)；n表示一个周期内采样的数据量；φ(w)表示滤波函数；α为浮标与水平面的倾角，μ为摩擦系数，N为支架(2)与标体(5)接触面的压力，m为支架(2)的质量；
所述电路板(3)的角加速度的计算公式为：
Figure BDA0002874857090000102
其中，对浮标的角加速度信号离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的转动角度记作D(k)'。上述线加速度计算公式和角加速度计算公式中，相同的字符的含义相同，且电路板3的线加速度即为支架2在水平方向上的加速度。
上述aθ(t)、a1(t)均为二阶微分函数。
以下对以上公式aθ(t)、a1(t)构建进行说明。
一、计算支架水平方向的线加速度
支架2前进的加速度与浮标的水平加速度有关，而浮标的加速度与此时的波浪力有关，因此，求解浮标的运动关系如下：
浮标水平方向受到的力有波浪力和用于固定浮标的绳子在水平方向的分力，采用Morison公式对浮标所受波浪力进行求解。
拖拽力方程为：
Figure BDA0002874857090000103
惯性力方程为：
Figure BDA0002874857090000104
则波浪力计算公式为：
Figure BDA0002874857090000111
其中，CD为速度力系数，Cm为惯性力系数，V0为波浪与柱体的接触体积，u为水质点运动的速度，u'为水质点运动的加速度，ρ为海水的密度，L为海水的波长。由动量定理：
(m+m')a＝M×a＝FD+FI-f绳
其中，m为浮标质量，m’为浮标附加质量，M为浮标总质量，a为浮标水平方向上的加速度，FD为波浪力，FI为拖拽力，f绳为浮标在水平方向上受到绳的拉力。
通常情况下，认为水深大于4m的区域，海面上的波浪采用线性波理论计算，结合浮标实际使用情况，深水波的频率计算如下：
Figure BDA0002874857090000112
其中，V为深水波的波速，g为重力加速度，λ是波长，根据海况的经验波浪参数可以算得深水波的频率，频率的倒数即为波浪周期。现对支架在水平方向的运动加速度分析如下：
步骤一：
令T为水波周期，在一次水波周期T内，令浮标在水平方向上运动的距离等于支架2在水平方向上运动的距离。此处，浮标的运动距离和支架2的运动距离均以大地为参考。
Figure BDA0002874857090000113
其中v1为支架2初始速度，a1为支架2水平方向加速度，v2为浮标初始速度，a2为浮标水平方向加速度,且a2由标体上设置的姿态传感器获得。
步骤二：
选定浮标静止漂浮状态为初始状态，此时，V2＝0，V1为此时刻支架2的初始速度，满足：
Figure BDA0002874857090000121
同时有浮标任意时刻跟支架2的位移差必须小于壳体1内径的最小半径，有：
Figure BDA0002874857090000122
D表示壳体1内径的最小值。
步骤三：
由于传感器采集的浮标加速度点是离散的，时域和频域的表达对应关系可由离散傅里叶变换DFT描述，加速度信号a(t)的频谱X(k)对应关系如下：
Figure BDA0002874857090000123
Figure BDA0002874857090000124
式中：N为一个周期内采样的数据量；k表示采样点离散频率，取值为0,1,2，…，N-1，令a(n)为加速度信号a(t)的离散化表示。
步骤四：
对加速度信号a(n)(0<n<N-1)进行离散傅里叶变换(公式拉大)
Figure BDA0002874857090000125
取频率分量为k时加速度对应的位移值D(K)进行考虑，则：
D(K)＝dk1(k)+jdk2(k) (1.4.2)
Figure BDA0002874857090000126
Figure BDA0002874857090000131
式中，
Figure BDA0002874857090000132
Figure BDA0002874857090000133
步骤五：
对D(k)加入滤波函数φ(w)，其中滤波函数可以为低通滤波器。
则浮标在水平方向的移动的距离为：
Figure BDA0002874857090000134
则对式(1.2.2)两边求2阶微分，则支架2在水平方向上控制的临界加速度为：
Figure BDA0002874857090000135
由于支架2在水平方向上的加速度由第一电机采用PID(比例积分微分)控制，因此第一电机驱动支架2的加速度为:
Figure BDA0002874857090000136
其中，α为浮标与水平面的倾角，μ为摩擦系数，与两物体接触面有关，FN为支架2与浮标接触面的压力，m为支架2质量。
二、计算电路板纵摇的角加速度
电路板3转动的角加速度与浮标转动的角加速度有关，而浮标的角加速度与此时的波浪力也有关，因此，求解电路板3角加速度关系如下：
步骤一：
类似的有浮标纵摇运动动力学方程：
(I+IF)aθ＝Ivaθ＝MR+MD+MI (2.1)
式中，aθ为浮标绕重心的角加速度，I为浮标的转动惯量；IF为浮标的附加转动惯量，即浮标整体在运动时会带动周围的水产生的惯量；MR为恢复力矩，MD为拖拽力矩，MI为水质点加速度作用的惯性力矩。
步骤二：
根据船舶耐波性理论，浮体自由纵摇的近似固有周期为：
Figure BDA0002874857090000141
式中，Tφ自由纵摇固有周期，单位为s；nφ为浮体自由纵摇固有频率(rad/s)；Jφφ为转动惯量(kgm2)；D为排水量(kg)；h为横稳心高(m)。转动惯量对纵摇固有周期影响通常不敏感，依据霍夫哥阿德公式，有：
Figure BDA0002874857090000142
其中，g为重力加速度(m/s2)；c为经验系数，浮标通常取0.44，B为船宽，表示浮标的直径。
步骤三：
回复力矩：
MR＝ρgdV1sinθ (2.3.1)
式中，θ为浮标绕重心的旋转角度，逆时针为正，ρ为流体的密度，V1为浮标浸入水下部分的体积，d为浮标的重心到浮心距离。
由Morison公式变形，可得拖拽力矩：
Figure BDA0002874857090000143
式中，vn(h)为水深h微元处水质点速度沿浮标法向的分量，CDni、Si分别为浮标微元的切向拖拽力系数、微元的横截面积；l表示浮标FB1浸入水下部分的长度，dl表示浮标FB1在深度h下所对应的微元长度，具体可参照图5，其中SP1表示水平面，SZ1表示某一水质点。
求解得惯性力矩：
Figure BDA0002874857090000151
式中，an(l)为浮标绕重心l微元处转动时水平加速度沿浮标法向的分量，Cmni、Di分别为浮标微元的法向惯性力系数、柱体微元的直径。
步骤四：
浮标运动的惯性项为：
Figure BDA0002874857090000152
其中，aθ为角加速度，Cmni(l)为浮标微元的法向惯性力系数，Si为微元的横截面积。
步骤五：
将各项力矩代入式(1)中，得浮标纵摇运动的动力学方程为：
Figure BDA0002874857090000153
步骤六：
类似的，对浮标角位移进行离散傅里叶变换和滤波处理，根据浮标转动角度与电路板3的转动角度，可以得到电路板3的角加速度的控制关系：
Figure BDA0002874857090000154
其中，D(k)'为频率分量为k时角加速度作用下浮标转动的角度，φ(w)为低通滤波函数，aθ(t)为电路板3转动的角加速度，由第二电机采用PID控制方式驱动转轴21转动实现。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种减震抗干扰装置，其特征在于，包括壳体(1)、支架(2)和电路板(3)；壳体(1)内腔的底部和顶部均为平面结构并相互平行，支架(2)设置在壳体(1)内部，支架(2)顶部抵靠壳体(1)顶部并形成滑动配合，支架(2)底部设有万向轮(41)和驱动轮(42)，驱动轮(42)上设置有用于驱动其运动的第一电机(43)；支架(2)上设有转轴(21)，转轴(21)的轴线方向平行于驱动轮(42)的轴线方向；转轴(21)上设有用于驱动其转动的第二电机(22)，电路板(3)安装在转轴(21)上并与转轴(21)同步转动；
电路板(3)上设有信号处理器和信号收发器；信号收发器用于信号处理器与外部传感器之间的信号传导，外部传感器包括用于检测浮标运动特性的姿态传感器；信号处理器还分别连接第一电机和第二电机，信号处理器用于根据姿态传感器检测到的浮标的运动特性计算电路板(3)的线加速度和角加速度，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度；信号处理器还用于根据所述线加速度控制第一电机(43)工作，并用于根据所述角加速度控制第二电机(22)工作。
2.如权利要求1所述的减震抗干扰装置，其特征在于，壳体(1)采用绝缘材料制成，所述底部铺设有间隔设置的正极导电带(11)和负极导电带(12)，相邻的正极导电带(11)和负极导电带(12)之间设有绝缘带(13)；正极导电带(11)用于连接供电模块的正极，负极导电带(12)用于连接供电模块的负极；
支架(2)底部还设有多个电刷(23)，多个电刷(23)呈多边形布置；支架(2)运动过程中，至少一个电刷(23)与任一正极导电带(11)接触并导电，且至少一个电刷(23)与任一负极导电带(12)接触并导电；
电路板(3)上还设有整流电路；整流电路分别连接各电刷(23)，整流电路用于通过电刷获取电流信号，并将整流信号整流后用于电路板(3)供电。
3.如权利要求2所述的减震抗干扰装置，其特征在于，支架(2)底部设有四个电刷(23)，其中三个电刷(23)布置在等边三角形的三个顶点上，最后一个电刷(23)布置在所述等边三角形的中心点上；所述等边三角形的边长大于正极导电带(11)的宽度与绝缘带(13)的宽度之和，正极导电带(11)与负极导电带(12)等宽；电刷(23)在平行于所述等边三角形所在平面上的最大宽度小于绝缘带(13)的宽度。
4.如权利要求1所述的减震抗干扰装置，其特征在于，支架(2)底部设有两个万向轮(41)和一个驱动轮(42)，且万向轮(41)和驱动轮(42)呈等边三角形布置。
5.一种浮标，其特征在于，包括标体(5)，标体(5)内部设有空腔，空腔内设有如权利要求1至4任一项所述的减震抗干扰装置；所述壳体(1)与标体(5)固定连接；所述标体(5)上设有用于检测浮标的运动特性的姿态传感器，所述姿态传感器均通过信号收发器与信号处理器进行数据通信。
6.如权利要求5所述的浮标，其特征在于，所述标体(5)内部还设有蓄电池，所述蓄电池作为供电模块用于给电路板(3)供电。
7.如权利要求6所述的浮标，其特征在于，标体(5)外部还设有太阳能电池板(51)，标体(5)置于海洋中时，所述太阳能电池板(51)浮于海面上；所述太阳能电池板(51)连接蓄电池用于供电。
8.如权利要求7所述的浮标，其特征在于，标体(5)上设有仪器架(52)，仪器架(52)上设有四面太阳能电池板(51)，四面太阳能电池板(51)围绕成上窄下宽的锥形台结构；仪器架(52)顶部还设有航标灯(53)；标体(5)上设有与其内腔连通的检修口，标体(5)上还设有用于密封检修口的盖板(54)。
9.一种浮标减震方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取如权利要求5所述的浮标，并在标体(5)上设置用于给电路板(3)供电的供电模块；
S2、通过所述姿态传感器获取浮标的运动特性，所述运动特性包括浮标的水平方向加速度和角加速度；
S3、根据浮标的运动特性计算电路板(3)的线加速度和电路板(3)绕转轴(21)转动的角加速度；浮标开始运动时，电路板在惯性作用下具有运动迟滞，根据所述线加速度和所述角加速度控制电路板(3)运动，使得浮标停止运动时，电路板(3)与浮标的相对位置进行复位；
S4、根据所述线加速度控制第一电机工作，根据所述角加速度控制第二电机工作。
10.如权利要求9所述的浮标减震方法，其特征在于，步骤S3中，所述电路板(3)的线加速度的计算公式为：
Figure FDA0002874857080000031
其中，IFFT表示反向快速傅里叶变换；对浮标的水平方向加速度信号a2(t)离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的位移值记作D(K)；n表示一个周期内采样的数据量；φ(w)表示滤波函数；α为浮标与水平面的倾角，μ为摩擦系数，N为支架(2)与标体(5)接触面的压力，m为支架(2)的质量；
所述电路板(3)的角加速度的计算公式为：
Figure FDA0002874857080000032
其中，对浮标的角加速度信号离散后再经过傅里叶变换后，取频率分量为k时对应的转动角度记作D(k)'。
上述aθ(t)、a1(t)均为二阶微分函数。
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Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB689682A (en) * 1948-11-02 1953-04-01 Louis Eugene Widolt Montrose O Stabilising or anti-rolling equipment, particularly for ships
JPH03248990A (ja) * 1990-02-28 1991-11-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 浅水域用緊張係留装置
JPH0976991A (ja) * 1995-09-12 1997-03-25 Tokimec Inc 減揺装置および可動質量の運動周期変更方法
JPH09207881A (ja) * 1996-02-02 1997-08-12 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 船舶の減揺装置
JPH1067388A (ja) * 1996-08-28 1998-03-10 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 舶用減揺装置
JPH11269820A (ja) * 1998-03-20 1999-10-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 浮体橋の揺動低減装置
KR20050109809A (ko) * 2004-05-17 2005-11-22 한국해양연구원 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치
CN202193189U (zh) * 2011-07-20 2012-04-18 福州名成水产品市场有限公司 舰船带自动控制结构的减摇及能量回收装置
CN108150782A (zh) * 2018-02-02 2018-06-12 上海海事大学 一种六自由度波浪补偿平台
CN108298039A (zh) * 2018-01-15 2018-07-20 武汉理工大学 一种基于移动滑块的减横摇系统
KR20190071138A (ko) * 2017-12-14 2019-06-24 한국해양과학기술원 계류 모사 가이드장치
CN110550162A (zh) * 2019-09-09 2019-12-10 浙江海洋大学 一种船用抗震减摇结构
CN110641639A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 中国海洋大学 一种基于非线性能量阱的海洋平台减振馈能装置
CN111572715A (zh) * 2020-06-02 2020-08-25 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 姿态调整装置及调整控制方法、光学浮标

Patent Citations (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB689682A (en) * 1948-11-02 1953-04-01 Louis Eugene Widolt Montrose O Stabilising or anti-rolling equipment, particularly for ships
JPH03248990A (ja) * 1990-02-28 1991-11-06 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 浅水域用緊張係留装置
JPH0976991A (ja) * 1995-09-12 1997-03-25 Tokimec Inc 減揺装置および可動質量の運動周期変更方法
JPH09207881A (ja) * 1996-02-02 1997-08-12 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 船舶の減揺装置
JPH1067388A (ja) * 1996-08-28 1998-03-10 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 舶用減揺装置
JPH11269820A (ja) * 1998-03-20 1999-10-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 浮体橋の揺動低減装置
KR20050109809A (ko) * 2004-05-17 2005-11-22 한국해양연구원 감쇠력 자동조절기능이 있는 질량이동형 횡동요 감쇠장치
CN202193189U (zh) * 2011-07-20 2012-04-18 福州名成水产品市场有限公司 舰船带自动控制结构的减摇及能量回收装置
KR20190071138A (ko) * 2017-12-14 2019-06-24 한국해양과학기술원 계류 모사 가이드장치
CN108298039A (zh) * 2018-01-15 2018-07-20 武汉理工大学 一种基于移动滑块的减横摇系统
CN108150782A (zh) * 2018-02-02 2018-06-12 上海海事大学 一种六自由度波浪补偿平台
CN110550162A (zh) * 2019-09-09 2019-12-10 浙江海洋大学 一种船用抗震减摇结构
CN110641639A (zh) * 2019-09-26 2020-01-03 中国海洋大学 一种基于非线性能量阱的海洋平台减振馈能装置
CN111572715A (zh) * 2020-06-02 2020-08-25 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 姿态调整装置及调整控制方法、光学浮标

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