CN113485331A - 一种自回归式海洋浮标及回归方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种自回归式海洋浮标及回归方法，属于海洋浮标领域；所述浮标包括浮标本体、左、右侧推进器、供电系统及控制系统；左、右侧推进器对称设置于浮标本体的两侧，用于为浮标提供动力；供电系统及控制系统安装于浮标本体内，用于为浮标提供电能及控制浮标的运动状态。当定位系统收集到的浮标位置超出预定的海域范围时，启动两个推进器实现浮标的自回归，其中一个控制浮标的自身旋转角度，当角度调整正确后，即推进器连线与浮标中心‑预定区域原点连线垂直，两个推进器同时工作，保证了浮标在二维坐标系上的位置始终处于预定区域内。本发明浮标自主移动到目标海域，减少了原有浮标布放和回收过程中所需要的人力物力以及时间上的消耗。
Description
技术领域
本发明属于海洋浮标领域，具体涉及一种自回归式海洋浮标及回归方法。
背景技术
海洋浮标是以锚定在海上的观测浮标为主体组成的海洋水文水质气象自动观测站。它能按规定要求长期、连续地为海洋科学研究、海上石油(气)开发、港口建设和国防建设收集所需海洋水文水质气象资料，特别是能收集到调查船难以收集的恶劣天气及海况的资料。海洋浮标，一般分为水上和水下两部分，水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，获得所需要的资料。
综合国内外海洋浮标的发展历史和现状，目前海洋浮标可粗略分为锚定型和漂流型两种类型。对深远海重点水域的探索和研究是当前和未来相当长时间内的国家战略，但是当前两种类型的浮标都无法满足相关研究需求。锚定型浮标通过锚链的固定在海域，由于锚链的长度限制，锚定型浮标大多应用于浅海海域，难以应用于深远海；另外漂流型浮标随波逐流的特点使其难以长期稳定在某个区域范围内，对海洋环境进行持续时间的观察。为了克服现有漂流型浮标难以长时间稳定在固定海域工作的缺点，亟需研制新型海洋浮标，既可在浅海海域进行长时间探测，也可在深海海域进行长时间探测。但目前相关浮标的研制还处于起步阶段，关于此方面的资料较少。专利CN104986293B公开了一种具有环形滑块系统的可自动复位浮标，但是其只能固定在某一特定位置，一旦所需要观测的海域范围发生变化，便需要人工去进行浮标的布放和回收，如此一来既造成人力物力上的消耗，同时也会花费大量时间，即存在无法实现自主移动到不同的侦测区域，且在目标侦测区域内稳定持续的探测海洋环境信息。
发明内容
要解决的技术问题：
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种自回归式海洋浮标及回归方法，在浮标受到风浪、涌、流、潮等影响漂出预定区域时，可以自主回归到目标范围内，实现浮标在特定区域中的自主、稳定、持续地进行海洋信息的采集与感知。当观测区域变化时，同时还可以自主移动到变化后的区域。
本发明的技术方案是：一种自回归式海洋浮标，其特征在于：包括浮标本体、左侧推进器、右侧推进器、供电系统及控制系统；所述左侧推进器和右侧推进器的轴向平行、并对称设置于浮标本体的两侧，用于为浮标提供动力；
所述供电系统及控制系统安装于浮标本体内，用于为浮标提供电能及控制浮标的运动状态。
本发明的进一步技术方案是：所述供电系统及控制系统包括GPS定位系统、电子罗盘、通信系统、中心控制系统、环境信息传感器组、电源模块；所述中心控制系统用于接收各模块的信号，并输出指令；所述电子罗盘安装于浮标本体内，并位于左、右侧推进器的对称轴上，将电子罗盘的安装位置设定为参考点。
本发明的进一步技术方案是：所述GPS定位系统由GPS定位芯片和天线模块构成。
本发明的进一步技术方案是：所述中心控制系统为控制处理电子板上的STM32主控制器芯片，嵌入有高精度自回归算法。
本发明的进一步技术方案是：所述电源模块包括太阳能电池组件、稳压模块、蓄电池和太阳能控制器；太阳能电池组件吸收太阳能，并将其转化为电能储存在蓄电池中，为浮标的工作器件提供电能。
本发明的进一步技术方案是：所述通信系统由电路板上的无线通信模块和地面上的接收工作站组成。
本发明的进一步技术方案是：所述环境信息传感器组包括水上海洋信息采集模块和水下海洋信息采集模块，水上海洋信息采集模块为位于水上部分的气象要素传感器，水下海洋信息采集模块为位于底部的海洋环境信息传感器组。
本发明的进一步技术方案是：所述浮标本体的上方通过支撑杆安装有外部平台，外部平台上设置有接口，用于连接其上安装的太阳能电池板、风向风速测定仪、相机和传声器，实现对浮标周围海面环境的信息获取；浮标本体上方的周向设置又外置盖板，用于保护浮标的电子器件，避免海浪涌进浮标内部。
本发明的进一步技术方案是：所述浮标本体的周面上开有浮标本体限位孔，两个限位孔分别位于左、右推进器的上方，用于引入推进器的线缆，通过线缆内部电池为两侧推进器供电。
一种自回归式海洋浮标的回归方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：所述浮标开始工作前，将其初始位置的GPS坐标位置设置为构建的算法二维坐标系中的坐标原点；同时设定浮标工作范围的半径，该半径值为中心控制系统控制推进器是否开始工作的阈值；
步骤二：当所述浮标开始工作，所述GPS定位系统实时工作，每5秒采集一次位置坐标，将得到的GPS位置坐标数据通过串口传输到中心控制系统中的STM32主控制器芯片，STM32主控制器根据传输得到的数据，判断其与坐标原点的距离；
当距离超过设定的浮标工作范围半径时，STM32主控制器通过串口通信向推进器发送开始工作的指令；同时，电子罗盘每秒采集一次参考点相对于正北方向所旋转过的角度，设逆时针转动角度为正；
步骤三：所述中心控制系统发出工作指令，控制相应推进器开始工作；
首先，确定浮标的实时GPS位置坐标和原点坐标，得到两个坐标点连线相对于正北方向的角度；然后，根据采集到的浮标参考点相对于正北方向所旋转过的角度进行判断，如果前者角度值大于后者角度值，且为正值时，则正桨工作使得浮标本身逆时针旋转；如果为负值，则反桨工作使得浮标本身顺时针旋转；经过多次调整，最终使得二者差的绝对值在允许的误差范围之内；
步骤四：当浮标的参考点落在两个坐标点的连线上，STM32主控制器向驱动系统发送两个推进器同时工作的指令，此时浮标开始沿着两个坐标点的连线作直线运动；同时中心控制系统继续5秒采集一次GPS坐标信息，当浮标的GPS坐标和原点坐标之间的距离小于设定的工作半径时，中心控制系统向推进器发送停止工作的指令，浮标自回归过程结束。
有益效果
本发明的有益效果在于：采用GPS定位系统，实现了对浮标海上位置的实时测定。中心控制系统和驱动系统的应用，可实现浮标在指定海域内的自主回归功能，具体实现过程如下所述：当定位系统收集到的浮标位置超出预定的海域范围时，启动两个推进器实现浮标的自回归，其中一个控制浮标的自身旋转角度，当角度调整正确后，即推进器连线与浮标中心-预定区域原点连线垂直，两个推进器同时工作，保证了浮标在二维坐标系上的位置始终处于预定区域内。基于上述的协同工作，相比较于深海中漂流型浮标具有随波逐流的特性，无法长时间稳健在指定区域内观测的特点，本发明浮标创新性的实现了在海洋上的自主回归的功能，可以在指定范围内的稳定工作，以达到对指定区域的海洋环境长时间观测。同时本浮标上预留有大量的可装载空间，可以在实际的工作情况下根据所需，加装相应的观测传感器系统，使得浮标可以扩展成为一个多功能可移动式的海面平台配合多种传感器组进行探测作业。
通信系统的应用，除了可以让本发明将采集到的海洋环境数据信息及时传输到地面工作站，可以实现对海洋环境的实时监测；另外还可以使浮标接收到来自地面的控制信号，当观测海域发生变化时，本发明浮标自主移动到目标海域，减少了原有浮标布放和回收过程中所需要的人力物力以及时间上的消耗。
附图说明
图1为本发明的正视图；
图2为本发明的外观结构示意图；
图3为本发明的俯视图；
图4为本发明的侧视图；
图5为本发明的壳体剖视图；
图6为本发明的主系统构成图；
图7为本发明的自回归算法实现流程图；
附图标记说明：1、浮标本体，2、右侧推进器，3、外部平台，4、左侧推进器，5、外置盖板，6、支撑杆，7、浮标本体限位孔，8、内部电子板平台支撑杆，9、电子板平台，10、海洋环境信息传感器组，11、底部挂钩。
具体实施方式
下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明一种自回归式海洋浮标，包括浮标本体1、左侧推进器4、右侧推进器2、供电系统及控制系统；左侧推进器4和右侧推进器2的轴向平行、并对称设置于浮标本体1的两侧，用于为浮标提供动力；所述供电系统及控制系统安装于浮标本体1内，用于为浮标提供电能及控制浮标的运动状态，包括GPS定位系统、电子罗盘、通信系统、中心控制系统、环境信息传感器组、电源模块；所述中心控制系统用于接收各模块的信号，并输出指令；所述电子罗盘安装于浮标本体1内，并位于左、右侧推进器的对称轴上，将电子罗盘的安装位置设定为参考点。所述供电系统及控制系统还包括图像采集模块，图像采集模块包括高清相机、图传发射设备和手机接收设备，可以在地面工作站上实现对海面环境的实时监测。
所述中心控制系统安装于电子板平台9上，电子板平台9通过内部电子板平台支撑杆8安装于浮标本体1内，包括控制处理电子板上的STM32主控制器芯片和信号线，嵌入有高精度自回归算法。所述GPS定位系统由GPS定位芯片和天线模块构成。所述电源模块包括太阳能电池组件、稳压模块、蓄电池和太阳能控制器；太阳能电池组件吸收太阳能，并将其转化为电能储存在蓄电池中，为浮标的工作器件提供电能；蓄电池位于内部电子板平台9下方。
所述的通信模块包括电路板上的无线通信模块、放置于外部平台的天线和地面工作站上的信号发生控制器。
所述环境信息传感器组包括水上海洋信息采集模块和水下海洋信息采集模块，水上海洋信息采集模块为位于水上部分的气象要素传感器，水下海洋信息采集模块为位于底部的海洋环境信息传感器组10。
所述浮标本体1的上方通过支撑杆6安装有外部平台3，外部平台3上设置有接口，用于连接其上安装的太阳能电池板、风向风速测定仪、相机和传声器，实现对浮标周围海面环境的信息获取；浮标本体1上方的周向设置又外置盖板5，用于保护浮标的电子器件，避免海浪涌进浮标内部，如图2所示。
所述的浮标本体，如图4所示，浮标本体1的周面上开有浮标本体限位孔7，两个限位孔分别位于左、右推进器的上方，用于引入推进器4、2的线缆，通过线缆内部电池为两侧推进器供电。
所述的推进器驱动系统，如图1、3所示，浮标本体1两侧的推进器关于壳体对称放置，实现两个推进器在相同转速下同时工作时，可以直线运动；在某一侧推进器工作的情况下，可以实现浮标自身的原地转动，从而实现了浮标角度的改变，确保推进器连线与浮标中心-原点连线垂直。
浮标本体1的壳体底部还设置有底部挂钩11，用于连接负载。
具体的，本发明自回归式海洋浮标自回归工作方式为，在深远海的预定区域内，浮标中的GPS模块实时工作，不断获取浮标的实时位置信息，主处理器根据得到的位置信息，不断判断与预定区域原点的位置关系。当判断出本浮标离开预定区域后，中心控制系统开始工作，控制系统依据两个推进器间连线与浮标中心-预定区域原点连线夹角，控制单个推进器工作，实现浮标在初始位置的自身角度改变，直至推进器连线与浮标中心-预定区域原点连线垂直为止。然后，同时启动两侧推进器使浮标向原点作直线运动，直到本浮标整体进入预定区域内。本发明的主要核心实现在于中心控制系统中的软件部分即自回归算法。具体算法实现流程如下：
1)在本发明开始稳定工作前，设置所在的初始位置的GPS坐标位置为构建的算法二维坐标系中的坐标原点。同时设定浮标工作范围的半径，该半径值为中心控制系统控制推进器是否开始工作的阈值；。
2)当所述浮标开始工作，本发明浮标所携带的GPS模块实时工作，每5秒采集一次本发明的GPS位置坐标，将得到的GPS位置坐标数据通过串口传输到中心控制系统中的STM32主控制器芯片部分，STM32主控制器根据传输得到的数据，判断其与坐标原点的距离，该距离超过设定的工作范围半径，STM32主控制器通过串口通信向推进器发送开始工作的指令。同时，电子罗盘每秒一次采集浮标上的参考点(参考点位于两侧推进器的中轴线上，即电子罗盘的安装位置)相对于正北方向所旋转过的角度(本算法统一规定逆时针转动角度为正)。
3)所述中心控制系统发出工作指令，控制相应推进器开始工作，此时利用浮标的GPS位置坐标和原点坐标，得到两点坐标连线相对于正北方向的角度，根据采集到的此时浮标参考点相对于正北方向所旋转过的角度，如果前者角度值大于后者角度值，且为正值时，则正桨工作使得浮标本身逆时针旋转；如果为负值，则反桨工作使得浮标本身顺时针旋转。经过多次调整，最终使得二者差的绝对值在设定的阈值范围之内(根据实际情况角度差值可以适当调整)。
4)当浮标的参考点落在两个坐标点的连线上，STM32主控制器向驱动系统发送两个推进器同时工作的指令，此时浮标开始沿着坐标连线作直线运动，此时中心控制系统仍5秒一次采集GPS坐标信息，当浮标的GPS坐标和原点坐标之间的距离小于设定的工作半径时，STM32主控制器向推进器发送停止工作的指令，浮标自回归过程结束。
以上便是本发明浮标实现自回归功能的完整步骤，当浮标持续稳定地保持在预定区域时，浮标上的传感器组开始工作，采集所需要的温盐深等数据，外部平台上安装有风向、风速测定仪，测得海面的风向、风速等数据，通过通信系统将数据传回地面工作站。
针对本发明，尚有可改进的地方，可以增加声纳系统，实现对水下目标的探测定位；可改进浮标尺寸以使用更多类型的传感器系统。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种自回归式海洋浮标，其特征在于：包括浮标本体、左侧推进器、右侧推进器、供电系统及控制系统；所述左侧推进器和右侧推进器的轴向平行、并对称设置于浮标本体的两侧，用于为浮标提供动力；
所述供电系统及控制系统安装于浮标本体内，用于为浮标提供电能及控制浮标的运动状态。
2.根据权利要求1所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述供电系统及控制系统包括GPS定位系统、电子罗盘、通信系统、中心控制系统、环境信息传感器组、电源模块；所述中心控制系统用于接收各模块的信号，并输出指令；所述电子罗盘安装于浮标本体内，并位于左、右侧推进器的对称轴上，将电子罗盘的安装位置设定为参考点。
3.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述GPS定位系统由GPS定位芯片和天线模块构成。
4.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述中心控制系统为控制处理电子板上的STM32主控制器芯片，嵌入有高精度自回归算法。
5.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述电源模块包括太阳能电池组件、稳压模块、蓄电池和太阳能控制器；太阳能电池组件吸收太阳能，并将其转化为电能储存在蓄电池中，为浮标的工作器件提供电能。
6.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述通信系统由电路板上的无线通信模块和地面上的接收工作站组成。
7.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述环境信息传感器组包括水上海洋信息采集模块和水下海洋信息采集模块，水上海洋信息采集模块为位于水上部分的气象要素传感器，水下海洋信息采集模块为位于底部的海洋环境信息传感器组。
8.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述浮标本体的上方通过支撑杆安装有外部平台，外部平台上设置有接口，用于连接其上安装的太阳能电池板、风向风速测定仪、相机和传声器，实现对浮标周围海面环境的信息获取；浮标本体上方的周向设置又外置盖板，用于保护浮标的电子器件，避免海浪涌进浮标内部。
9.根据权利要求2所述自回归式海洋浮标，其特征在于：所述浮标本体的周面上开有浮标本体限位孔，两个限位孔分别位于左、右推进器的上方，用于引入推进器的线缆，通过线缆内部电池为两侧推进器供电。
10.一种权利要求2所述自回归式海洋浮标的回归方法，其特征在于具体步骤如下：
步骤一：所述浮标开始工作前，将其初始位置的GPS坐标位置设置为构建的算法二维坐标系中的坐标原点；同时设定浮标工作范围的半径，该半径值为中心控制系统控制推进器是否开始工作的阈值；
步骤二：当所述浮标开始工作，所述GPS定位系统实时工作，每5秒采集一次位置坐标，将得到的GPS位置坐标数据通过串口传输到中心控制系统中的STM32主控制器芯片，STM32主控制器根据传输得到的数据，判断其与坐标原点的距离；
当距离超过设定的浮标工作范围半径时，STM32主控制器通过串口通信向推进器发送开始工作的指令；同时，电子罗盘每秒采集一次参考点相对于正北方向所旋转过的角度，设逆时针转动角度为正；
步骤三：所述中心控制系统发出工作指令，控制相应推进器开始工作；
首先，确定浮标的实时GPS位置坐标和原点坐标，得到两个坐标点连线相对于正北方向的角度；然后，根据采集到的浮标参考点相对于正北方向所旋转过的角度进行判断，如果前者角度值大于后者角度值，且为正值时，则正桨工作使得浮标本身逆时针旋转；如果为负值，则反桨工作使得浮标本身顺时针旋转；经过多次调整，最终使得二者差的绝对值在允许的误差范围之内；
步骤四：当浮标的参考点落在两个坐标点的连线上，STM32主控制器向驱动系统发送两个推进器同时工作的指令，此时浮标开始沿着两个坐标点的连线作直线运动；同时中心控制系统继续5秒采集一次GPS坐标信息，当浮标的GPS坐标和原点坐标之间的距离小于设定的工作半径时，中心控制系统向推进器发送停止工作的指令，浮标自回归过程结束。
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