CN113978621A - 一种水面浮标用的增稳装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水面浮标用的增稳装置，属于海洋观测设备领域；包括增稳装置外壳、通信模块、增稳模块、控制模块和重浮力调节模块；所述增稳装置外壳包括上半外壳和下半外壳，指示灯内嵌于上半外壳中上部、太阳能光伏板位于上半外壳表面且同轴；所述通信模块位于内部竖轴最上方的天线舱段，可使装置与外界进行通信和控制；所述增稳模块包括竖轴、横轴、配重轴和连接轴承，通过重力可实现对天线的机械增稳，保障天线竖直向上；所述控制模块包括对指示灯、光伏板和通信线缆等的控制组件；所述重浮力调节模块可调节装置整体的浮力情况。本发明可以实现对水下航行器等设备的稳定通信中继，扩大了水下设备的应用范围。

Description

一种水面浮标用的增稳装置

技术领域

本发明属于海洋观测设备领域，具体涉及一种水面浮标用的增稳装置。

背景技术

我国拥有着广阔的海洋面积，同时也拥有者丰富的海洋资源，对于海洋资源的观测和合理开发利用有相当意义上的必要性。目前，对于特定海洋水域的观测主要是由飞行器、水上浮标、船舶、水下航行器等来完成。对于以上设备观测特定海洋水域的传统方法可大致总结为：1、飞行器(如航拍直升机、旋翼无人机和固定翼无人机等)飞到目标区域上空，对待测区域进行观测、监测或记录，这种方式具有一定的快速性和便捷性，但是难以实现长时间的观测且噪音较大；2、水上浮标投放到目标水域，使用水下声学探测设备、防水相机和通信设备等进行探测，但是传统的水上浮标设备较大且都需要人维护，难以实现快速投放监测，对于小型可抛弃浮标又有着功能简单、大面积回收困难；3、船舶行驶到待测水域，使用船舶自身携带的装备进行对应目的的观测，但是相对耗费人力物力财力，对于有些观测成本较大；4、水下航行器行进到目标水域，使用自身相机和声学探测设备进行观测，或者ROV等航行器采用人工操作进行观测，但是传统航行器在下潜情况下就难以对齐进行实时控制和信息传递，且针对回转体型航行器漂浮时候的天线受水浪和风干扰的情况难以保证持续稳定的信号连接。

为了解决以上叙述的问题，一种水面浮标用的增稳装置被研制出来，这类增稳装置针对特定海域的观测提供了一种可产生持续稳定信号和可实时控制水下航行器的方案。一方面，增稳装置通过水面接插件连接水下航行器的通信控制线缆，给予其空中无线信号进行通信控制；另一方面，增稳装置自身可通过水密接插件5连接水声探测等声学设备，单独进行特定海域的观测，且可通过控制模块22传递信息给控制端，对于较大水域可通过多个增稳装置实现一定程度的协同观测。为海洋观测提供一种轻便、稳定、可靠的水面浮标用的增稳装置。

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，本发明提出一种水面浮标用的增稳装置，将水面浮标和增稳装置结合。通过释放增稳装置，使得AUV、ROV等水下航行器在水下定深、水面漂浮两种位置下和水面行进、水下行进两种状态下实现其天线实时通信和控制。通过机械增稳装置，可以实现在外界环境(如水浪、水流等)干扰时天线还能保持竖直向上的状态，以达到更好的信号连接效果，通过此增稳装置装置，可以实现水下航行器的水下实时控制、水下实时监测、水下作业等优势功能；同时，考虑到对于待观测水域的长时间探测需求，本发明还支持通过增稳装置只掉放水下声学设备的方式进行长时间的海洋水域观测，对于较大范围的水域可以使用多个增稳装置进行协同组网，获取的信息可以储存在自身控制模块22内并可无线回传。另外，考虑到能源补充和利用问题，为此特别在增稳装置的外围设计布满了太阳能光伏板2，保证增稳装置在出水状态下可以实时供电，还可将多余的电能通过线缆传给水下的航行器以增加其续航。

本发明的技术方案是：

一种水面浮标用的增稳装置。其特征在于：包括增稳装置外壳、通信模块、增稳模块、控制模块22和重浮力调节模块21；所述增稳装置整体进行了水密处理，外壳使用高强度耐压材料，可以在水下工作；

所述增稳装置外壳包括外壳本体、指示灯1、太阳能光伏板2和水密接插件5；所述外壳本体为两个大小相同且上下对称可拆卸的上班外壳3和下半外壳4，中间留有圆形轨道供机械增稳模块使用；所述指示灯1为可控制的信号灯，可以通过控制模块22自定义设置点亮模式(默认状态下为红色频闪、呼吸)；所述太阳能光伏板2为半球壳型，可以在增稳装置漂浮状态下为电池充电；所述水密接插件5为水下航行器线缆和增稳装置的连接接口，可以连接天线和供电线；

所述通信模块包括天线舱段8、束线舱段9；所述天线舱段8为于增稳装置竖轴的最顶端，放置WiFi、电台、遥控装置和BDS/GPS等模块的天线，以便接收信号；所述束线舱段9包括通过上述天线的线缆，以及太阳能光伏板2、指示灯1的传输线；

所述增稳模块包括轴承、竖轴、配重轴以及横轴；所述轴承包含内外圈两层，中间通过大小滚珠和滚珠套筒动态连接，内圈连接横轴，外圈连接配重轴和竖轴；所述竖轴包括天线舱段8、束线舱段9、底部连接舱段16和配重球(包括配重轴两端、底部连接舱段16下面的配重球)，该部分主要起到支撑天线、连接走线的作用；所述配重轴包括配重杆13和两端的配重球，配重杆13为实心、配重球为空心，两者之间通过螺纹拧紧相连接，空心配重球可以根据需要调整配重砝码的装载量；所述横轴的上视横截面和增稳装置外壳的上视横截面重合，起到连接机械增稳模块和外壳的作用，横轴的两端连接轨道滑球19，可通过轨道滑球19使横轴在增稳装置壳体中间的轨道滑动旋转；

所述控制模块22包括单片机控制电路和电源电池模块；所述单片机控制电路主要作用是处理指示灯1的点亮模式和调节电池的输入输出；所述控制电源电池模块主要是放置电池和储存太阳能光伏板2产生的电能；

所述重浮力调节模块21包括与增稳装置底壳内切的半圆壳，因为增稳装置自身的体积会产生一定大的浮力，所以在其中加入配重材料以平衡浮力的大小，正常情况下会调到浮力大于重力的状态，以便增稳装置能从水下以适当速度上浮。

本发明的进一步技术方案是：所述增稳装置外壳壳体为轻质非金属材料，上下外壳通过螺丝相连接，连接处配有同圆心的双O型圈，可以达到良好的防水效果；所述指示灯1和半球形太阳能光伏板2固定在增稳装置上半壳体上；所述水密接插件5在下半球壳的中轴线底部，用来连接线缆和增稳装置内部的天线及控制线。

本发明的进一步技术方案是：所述通信模块的天线舱段8和束线舱段9是上下连接的圆柱体，整个圆柱体处于增稳装置壳体俯视图的正中间，与轴承外圈10相连接。

本发明的进一步技术方案是，所述增稳模块为三个互相垂直的xyz轴(在假定某个轴为x的情况下)向上的三组杆及配重(配重球/天线舱段8/轨道滑球19)，分别与轴承自身的三个方向相连接。

本发明的进一步技术方案是，所述控制模块22与指示灯1和太阳能光伏板2的连线由中间的竖杆内部穿过；与水密接插件5里的连接直接直接固定在配重材料上。

本发明的进一步技术方案是，所述配重材料固定在增稳装置下半壳底部。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、增稳装置整体结构轻便、简约，便于固定在现有的水下航行器、ROV等的壳体外表面；该增稳装置与水下航行器上的线缆盘卷装置相配合，可实现其自由释放探测和回收存储。

2、增稳装置的通信由增稳装置壳体内部最高处的天线舱段8实现，整个壳体都是防水材料制成，故水下航行器可以携带着增稳装置作业；外壳大部分都是由非金属材料制成，故对壳体的信号不会产生太多干扰；下潜时航行器可以释放增稳装置，当增稳装置漂到水面上时就能接收到信号，实现航行器下潜时和漂浮时一样的通信控制状态。

3、增稳装置的增稳结构对于由外界环境带来的干扰有着长期、持续的抵抗作用，因为是机械装置，故不需要电源供电就能达到增稳的效果；根据重力，三轴的机械结构可使得增稳装置中的信号天线保持竖直向上的状态，从而获取更稳定的信号，达到持续通信、控制的目的。

4、增稳装置的控制结构可控制增稳装置的指示灯1状态，从而可以从外面直接看清楚当前增稳装置的状态；增稳装置也可以单独加装声学探测装置，由电池和太阳能光伏板2供电，实现对目标水域船只、水下潜器的长时间监测等传统任务，通过多个增稳装置的协同探测监测，可以实现特定水域协同组网的功能。

5、增稳装置的重浮力调节模块21可以根据需要调节重浮力的相对大小，以使增稳装置获得合适的竖直上浮速度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明的三维示意图；

图2为本发明的正视示意图；

图3为本发明的俯视示意图；

图4为本发明的仰视示意图；

图5为本发明的俯视剖面示意图；

图6为本发明的三维剖面示意图；

图7为本发明的内部结构仰视示意图；

图8为本发明的内部结构右视示意图；

图9至图11为本发明的工作状态示意图；

图12为增稳装置和水下航行器连接工作示意图；

本发明附图标记说明：

1-指示灯，2-太阳能光伏板，3-上半外壳，4-下半外壳，5-水密接插件，6-外O型圈，7-内O型圈，8-天线舱段，9-束线舱段，10-轴承外圈，11-轴承内部系统，12-轴承内圈，13-配重杆，14-两端配重球，15-横杆，16-底部连接舱段，17-底部配重球，18-轨道滑珠，19-轨道滑球，20-轨道滑珠杆，21-重浮力调节模块，22-控制模块。

具体实施方式

下面通过附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释所发明的增稳装置，而不能理解成对本发明的限制。本实施例是一种水面浮标用的增稳装置。

在本实施例的描述中需要理解的是，术语“横轴”、“竖轴”、“配重轴”、“内”、“外”、“上”、“下”、“底部”、“竖直”等指示方位或位置关系的词是基于附图所指到的方位或位置关系，仅用于方便描述本发明，而不是说明所述元件必须具有的特定方位和位置关系，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图8，本发明提供了一种增稳装置，包括增稳装置外壳、通信模块8、增稳模块、控制模块22和重浮力调节模块21；所述增稳装置为上下两个半壳组成的球体，壳体为高强度耐压非金属材料，可以在水下和水面上工作。

参照图1至图6，本实施例所述增稳装置外壳包括外壳本体、指示灯1、太阳能光伏板2和水密接插件5；所述外壳本体包括上半外壳3、下半外壳4、外O型圈6和小O型圈7(O型圈6、7在上下两半外壳中间，密封时两外壳之间使用双O型圈可具备良好的密封效果，O型圈需要涂抹密封硅脂等材料以保证良好的密封性)；所述指示灯1为彩色可控灯(灯的接线通过天线舱段8、束线舱段9、轴承外圈10、底部连接舱段16、底部配重球17和控制模块22相连接)，可以通过控制模块22的单片机进行自定义控制(频闪模式或呼吸灯模式)；所述太阳能光伏板2和指示灯1的控制及电源的走线相同，太阳能光伏板2可以用来实时给增稳装置电池供电(电池在控制模块22里面)；所述水密接插件5位于下半外壳4的底部，用于连接增稳装置和水下航行器的线缆。

参照图5、图6、图8，本实施例所述通信模块包括天线舱段8和束线舱段9；所述天线舱段8主要放置WiFi、电台、遥控装置和BDS/GPS等模块的天线，以便接收信号，通过增稳模块可以使得天线一直处于竖直向上的状态；所述束线舱段9主要包括天线舱段8、指示灯1和太阳能光伏板2的连接线，起到理线的作用；整个通信模块(两个舱段)与轴承外圈10相切固定连接，与指示灯1、太阳能光伏板2由软线连接(所述软线为指示灯1和太阳能光伏板2相应的连接线，软线预留足够竖轴最大偏转所需的长度)。

参照图5至图8，本实施例所述增稳模块包括轴承、竖轴、配重轴以及横轴；所述轴承包括轴承外圈10、轴承内部系统11和轴承内圈12，轴承外圈10的外部有一圈空槽用于走线，轴承内部系统11包括大滚珠套筒、大滚珠和小滚珠，大滚珠套筒固定在轴承外圈10内部中间，末端为半球形与大滚珠相切，大滚珠与两个小滚珠外切，小滚珠位于轴承内圈12的外部U型槽里；所述竖轴包括天线舱段8、束线舱段9、底部连接舱段16和底部配重球17，主要起到降低重心和职称天线的作用，底部连接舱段16和底部配重球17与轴承外圈10的底部相切固定连接；所述配重轴包括配重杆13和两端配重球14，主要通过重力来使竖轴在倾斜状态下能够回到竖直向上的状态，其中配重杆13为实心、配重球14为空心，两者之间通过螺纹拧紧相连接，空心的配重球14可以根据需要调整配重砝码的装载量；所述横轴包括一个在增稳装置外壳的俯视横截面上的横杆15和两端的轨道滑球19，其中横杆15的中心点与增稳装置外壳中心点重合，两端的轨道滑球19关于增稳装置外壳中心点对称，轨道滑球19通过轨道滑珠18、轨道滑珠杆20来和增稳装置外壳内部轨道接触；在增稳时，横轴提供增稳装置外壳俯视图横截面方向的旋转运动，以供增稳模块在增稳装置外壳俯视图横截面方向的维度旋转。

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6和图8，本实施例所述控制模块22包括单片机控制电路和电源电池模块；所述单片机控制电路主要用来控制指示灯1的点亮模式以及调节电池的充放电，既可以对太阳能光伏板2产生的电能进行储存控制，也可以对指示灯1等用电设备进行输出管理；所述电源电池模块主要是放置电池和储存太阳能光伏板2所产生的电能；在增稳装置和水下航行器等装备连接时，控制模块22可以对需要增加的设备(例如在增稳装置内可增加工控机等来实现更多控制功能)提供控制和电源。

参照图1至图8，本实施例所述重浮力调节模块21包括与增稳装置下半底壳内切的半圆壳；所述半圆壳的正视图为弧形，半圆壳边缘有限位圈可以对增稳模块的偏转角度进行限制，避免因角度过大而造成的影响(如导致走线缠绕、重心上移过多等情况)；同时因为增稳装置自身的体积会产生一定大的浮力，所以在其中加入配重材料以平衡浮力的大小，正常情况下会调到浮力大于重力的状态，以便增稳装置能从水下以适当速度上浮；正常使用时，通过改变重浮力调节模块21的重量。来使得增稳装置自身的浮力大于重力。

增稳装置内部工作过程

参照图9至图11所示，所绘制图为增稳装置内部增稳工作状态，设海平面垂直于图纸平面。当增稳装置被水浪和风吹到该角度时，横轴处于不水平的状态(如图9所示)；根据重力，横轴会在上半外壳3和下半外壳4中间的轨道旋转至横轴水平状态(如图10所示)；同时，竖轴和轴承会在垂直于横轴的平面内旋转至天线竖直向上的状态(如图11所示)；以上过程成功保证了天线的方向竖直向上。

增稳装置用途1

参照图12所示，用于连接水下航行器的通信控制线缆；在工作时，航行器携带增稳装置(航行器与增稳装置的连接线缆通过收线器装置收纳在航行器外侧)进行正常的航行，到达待测海域准备下潜时控制航行器(或者设置自动控制)释放连接线缆，此时增稳装置就会留在水面上，航行器正常下潜；通信时，增稳装置通过通信模块与岸基显控台实现远程无线连接；当水下航行器的电量低时，可以通过太阳能光伏板2提供能源，因此增稳装置也可以提高航行器设备的续航。

增稳装置用途2

用于连接水下声学探测装置；在工作时，将增稳装置投放在特定水域进行正常增稳装置的探测工作，因为自身的增稳结构和水密特性，既可以实现稳定的控制通信无线连接，又能达到良好的防水效果；太阳能光伏板2可以提供一定量续航电量，可保证增稳装置长时间的探测。

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 (6)

1.一种水面浮标用的增稳装置，其特征在于：包括增稳装置外壳、通信模块、增稳模块、控制模块(22)和重浮力调节模块(21)；所述增稳装置整体进行了水密处理，外壳使用高强度耐压材料，可以在水下工作；

所述增稳装置外壳包括外壳本体、指示灯(1)、太阳能光伏板(2)和水密接插件(5)；所述外壳本体为两个大小相同且上下对称可拆卸的上班外壳(3)和下半外壳(4)，中间留有圆形轨道供机械增稳模块使用；所述指示灯(1)为可控制的信号灯，可以通过控制模块(22)自定义设置点亮模式；所述太阳能光伏板(2)为半球壳型，可以在增稳装置漂浮状态下为电池充电；所述水密接插件(5)为水下航行器线缆和增稳装置的连接接口，可以连接天线和供电线；

所述通信模块包括天线舱段(8)、束线舱段(9)；所述天线舱段(8)为于增稳装置竖轴的最顶端，放置WiFi、电台、遥控装置和BDS/GPS等模块的天线，以便接收信号；所述束线舱段(9)包括通过上述天线的线缆，以及太阳能光伏板(2)、指示灯(1)的传输线；

所述增稳模块包括轴承、竖轴、配重轴以及横轴；所述轴承包含内外圈两层，中间通过大小滚珠和滚珠套筒动态连接，内圈连接横轴，外圈连接配重轴和竖轴；所述竖轴包括天线舱段(8)、束线舱段(9)、底部连接舱段(16)和配重球，该部分主要起到支撑天线、连接走线的作用；所述配重轴包括配重杆(13)和两端的配重球，配重杆(13)为实心、配重球为空心，两者之间通过螺纹拧紧相连接，空心配重球可以根据需要调整配重砝码的装载量；所述横轴的上视横截面和增稳装置外壳的上视横截面重合，起到连接机械增稳装置和外壳的作用，横轴的两端连接轨道滑球(19)，可通过轨道滑球(19)使横轴在增稳装置壳体中间的轨道滑动旋转；

所述控制模块(22)包括单片机控制电路和电源电池模块；所述单片机控制电路主要作用是处理指示灯(1)的点亮模式和调节电池的输入输出；所述控制电源电池模块主要是放置电池和储存太阳能光伏板(2)产生的电能；

所述重浮力调节模块(21)包括与增稳装置底壳内切的半圆壳，因为增稳装置自身的体积会产生一定大的浮力，所以在其中加入配重材料以平衡浮力的大小，正常情况下会调到浮力大于重力的状态，以便增稳装置能从水下以适当速度上浮。

2.根据权利要求1所述水面浮标用的增稳装置，其特征在于：所述增稳装置外壳壳体为轻质非金属材料，上下外壳通过螺丝相连接，连接处配有同圆心的双O型圈，可以达到良好的防水效果；所述指示灯(1)和半球形太阳能光伏板(2)固定在增稳装置上半壳体上；所述水密接插件(5)在下半球壳的中轴线底部，用来连接线缆和增稳装置内部的天线及控制线。

3.根据权利要求1所述水面浮标用的增稳装置，其特征在于：所述通信模块的天线舱段(8)和束线舱段(9)是上下连接的圆柱体，整个圆柱体处于增稳装置壳体俯视图的正中间，与轴承外圈(10)相连接。

4.根据权利要求1所述水面浮标用的增稳装置，其特征在于：所述增稳模块为三个互相垂直的xyz轴向上的三组杆及配重，分别与轴承自身的三个方向相连接。

5.根据权利要求1所述水面浮标用的增稳装置，其特征在于：所述控制模块(22)与指示灯(1)和太阳能光伏板(2)的连线由中间的竖杆内部穿过；与水密接插件(5)里的连接直接直接固定在配重材料上。

6.根据权利要求1所述水面浮标用的增稳装置，其特征在于：所述配重材料固定在增稳装置下半壳底部。

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