CN114194335A - 一种带动力装置的智能型漂流浮标 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋监测技术领域，特别涉及一种带动力装置的智能型漂流浮标,包括：浮标球体、自供电系统、驱动单元、控制器、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘。自供电系统连接在浮标球体的上端；驱动单元连接在浮标球体的下端；信息采集模块集成在浮标球体上；通信定位模块及电子罗盘集成在浮标球体内部；自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘分别与控制器电性连接。本发明提供的带动力装置的智能型漂流浮标，通过信息采集模块采集所需的各种环境信息；同时设置有通信定位模块及电子罗盘，能够获取实时位置及航向，当该漂流浮标靠近海岸线时，使漂流浮标运动至安全位置，防止漂流浮标搁浅而不能正常工作。

Description

一种带动力装置的智能型漂流浮标

技术领域

本发明涉及海洋监测技术领域，特别涉及一种带动力装置的智能型漂流浮标。

背景技术

表层漂流浮标是在海面随海流移动的浮标，一般由浮体、定位模块、数据传输模块、电池和传感器等组成，用其漂流轨迹来监测目标海域的海流、水温等信息。影响其使用寿命的因素主要有两点：一是电池容量，若电池耗尽，浮标将无法继续工作；二是工作时可能被洋流推向海岸或岛礁上搁浅，尤其是在近海区域。目前很多漂流浮标安装了太阳能电池板，电能供应得到了保障，但容易搁浅的问题尚未有效解决。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的浮标容易搁浅的技术问题，提供了一种带动力装置的智能型漂流浮标。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种带动力装置的智能型漂流浮标，包括：浮标球体、自供电系统、驱动单元、控制器、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘；

所述自供电系统连接在所述浮标球体的上端；

所述驱动单元连接在所述浮标球体的下端；

所述信息采集模块集成在所述浮标球体上；所述通信定位模块及所述电子罗盘集成在所述浮标球体内部；

所述自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块及所述电子罗盘分别与所述控制器电性连接。

进一步的，所述控制器包括：

第一处理单元，用于从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息，根据拉格朗日算法计算当前浮标移动方向及速率；将当前浮标移动方向确定为海流的流向，将当前浮标移动的速率确定为海流的流速；

第二处理单元，用于从所述信息采集模块获取波浪数据、温度数据及设备状态信息；

第三处理单元，用于获取离线电子海图，从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息，将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，则发出控制信号控制所述驱动单元驱动浮标球体远离海岸线的方向航行；

存储单元，用于存储离线电子海图、海流的流向、海流的流速、波浪数据、温度数据及设备状态信息。

进一步的，所述第三处理单元包括：

第一处理模块，用于从所述存储单元获取当前当前所述区域的离线电子海图，从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息；将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离；

第二处理模块，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，计算出该漂流浮标远离海岸线的目标航向角度，以及从所述电子罗盘获取该漂流浮标的实时航向角度，发出控制信号控制所述驱动单元照目标航向角度航行，直至该漂流浮标距离海岸线的距离达到设定的安全区域。

进一步的，所述自供电系统包括：太阳能电池板、充电电路及锂电池包；

所述太阳能电池板采用柔性材质，包覆在所述浮标球体的上端；

所述充电电路及所述锂电池包设置在所述浮标球体内部；

所述太阳能电池板通过所述充电电路与所述锂电池包电性连接，所述锂电池包与所述控制器电性连接。

进一步的，所述驱动单元包括：驱动架及推进器；

所述驱动架的上部设置为法兰结构，所述驱动架的下部设置为柱状流线型结构；

所述驱动架上设置有四个安装孔；每个所述安装孔内安装一所述推进器；四个所述推进器设置成两组，两组所述推进器呈90°设置。

进一步的，所述推进器包括：导流罩、电机驱动器、直流无刷电机及转子叶轮；

每个所述安装孔内固定一所述导流罩；每个所述导流罩内设置一所述转子叶轮；

所述电机驱动器设置在所述驱动架内，所述电机驱动器与所述控制器电性连接；所述电机驱动器与所述直流无刷电机电性连接；所述直流无刷电机与所述转子叶轮连接。

进一步的，所述信息采集模块包括：波浪传感器、温度传感器及气压传感器；

所述波浪传感器安装在所述浮标球体的内部，所述温度传感器及所述气压传感器安装在所述浮标球体的外部；

所述波浪传感器、温度传感器及所述气压传感器分别通过串口与所述控制器电性连接。

进一步的，所述通信定位模块采用GPS与北斗无源双模定位。

本发明提供的带动力装置的智能型漂流浮标至少具备以下有益效果或优点：

本发明提供的带动力装置的智能型漂流浮标，自供电系统连接在浮标球体的上端；驱动单元连接在浮标球体的下端；信息采集模块集成在浮标球体上；通信定位模块及电子罗盘集成在浮标球体内部；自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘分别与控制器电性连接。本发明提供的带动力装置的智能型漂流浮标，通过信息采集模块能够采集所需的各种环境信息；该漂流浮标设置有自供电系统，能够满足其维持正常工作所需的电能；同时设置有通信定位模块及电子罗盘，能够获取自身的实时位置及航向，当该漂流浮标靠近海岸线时，控制器控制驱动单元工作，使漂流浮标运动至安全位置，防止漂流浮标搁浅而不能正常工作。

附图说明

图1为本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标外部结构示意图；

图2为本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标内部结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1-浮标球体，2-太阳能电池板，3-驱动架，4-推进器，12-充电电路，13-锂电池包，14-控制器，15-波浪传感器，16-温度传感器，17-气压传感器，18-SD卡，19-电机驱动器，21-电子罗盘，22-通信定位模块。

具体实施方式

本发明针对现有技术中存在的浮标容易搁浅的技术问题，提供了一种带动力装置的智能型漂流浮标。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，应当说明的是，各实施例中的术语名词例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位的词语，只是为了简化描述基于说明书附图的位置关系，并不代表所指的元件和装置等必须按照说明书中特定的方位和限定的操作及方法、构造进行操作，该类方位名词不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以结合具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供了一种带动力装置的智能型漂流浮标，如图1及图2，其主要包括：浮标球体1、自供电系统、驱动单元、控制器14、信息采集模块、通信定位模块22及电子罗盘21。自供电系统连接在浮标球体1的上端，自供电系统用于为漂流浮标各用电单元提供电能。驱动单元连接在浮标球体1的下端，启动单元用于驱动浮标球体1向不同的方向运动。信息采集模块集成在浮标球体1上，信息采集模块用于采集海浪信息、温度、气压等环境信息。通信定位模块22及电子罗盘21集成在浮标球体1内部，其中通信定位模块22用于对漂流浮标进行定位，电子罗盘21用于获取漂流浮标的航向信息。自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块22及电子罗盘21分别与控制器14电性连接，控制器14为控制中心，获取信息采集模块、通信定位模块22及电子罗盘21的反馈信息，并控制驱动单元动作。

如图1及图2，该控制器14包括：第一处理单元、第二处理单元、第三处理单元及存储单元等功能单元。其中：

第一处理单元用于从通信定模块获取实时位置的经纬度信息，根据拉格朗日算法计算当前浮标移动方向及速率；将当前浮标移动方向确定为海流的流向，将当前浮标移动的速率确定为海流的流速；海流的流向、海流的流速信息发往存储单元(可采用SD卡18)进行存储。通信定位模块22采用GPS与北斗无源双模定位，水平定位精度不大于10m，通信链路采用北斗一代短报文系统，通信频度不小于1分钟，单次通信内容不大于78个字节。

第二处理单元用于从信息采集模块获取波浪数据、温度数据及设备状态信息。信息采集模块包括：波浪传感器15、温度传感器16及气压传感器17；波浪传感器15安装在浮标球体1的内部，温度传感器16及气压传感器17安装在浮标球体1的外部；波浪传感器15、温度传感器16及气压传感器17分别通过串口与控制器14电性连接。第三处理单元所获取的波浪数据、温度数据及设备状态信息一方面发送至存储单元进行存储，另一方面可通过网络上传至服务器，建立用户的下载渠道。波浪传感器15采用数字式姿态补偿算法，实时输出海表面波浪信息，如波高、波周期、波向。温度传感器16以铂材料作为感温元件，实时输出海表面浅层水温信息。气压传感器17采用高精度压力敏感元件，实时输出海表面气压信息。

第三处理单元用于从存储单元中获取离线电子海图，从通信定模块获取实时位置的经纬度信息，将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，则发出控制信号控制所述驱动单元驱动浮标球体1远离海岸线的方向航行。

具体的，第三处理单元包括：协同工作的第一处理模块及第二处理模块。第一处理模块用于从存储单元获取当前当前区域的离线电子海图，从通信定模块获取实时位置的经纬度信息；将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离(例如，将海岸线分为本国海岸线和邻国领海线两种)；若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值(例如，本国海岸线设置为5海里，邻国领海线设置为12海里)，第二处理模块计算出该漂流浮标远离海岸线的目标航向角度，以及从电子罗盘21获取该漂流浮标的实时航向角度，发出控制信号控制驱动单元照目标航向角度航行，直至该漂流浮标距离海岸线的距离达到设定的安全区域。其中，电子罗盘21采用硬磁和软磁校准算法，并使用三轴加速度计对大范围内的倾斜角进行航向补偿，使其在±180°横滚，±90°俯仰范围内都能提供高精度的航向信息，用于指示浮标当前的方位。

存储单元用于存储离线电子海图、海流的流向、海流的流速、波浪数据、温度数据及设备状态信息。

本发明提供的一优选实施例中，如图1及图2，该自供电系统包括：太阳能电池板2、充电电路12及锂电池包13。太阳能电池板2采用柔性材质，包覆在浮标球体1的上表面，充分利用浮体出水部分的面积获取太阳辐射能量，并且可采用太阳能MPPT最大功率跟踪技术，尽可能获取最大辐射能量。充电电路12及锂电池包13设置在浮标球体1内部。太阳能电池板2通过充电电路12与锂电池包13电性连接，锂电池包13与控制器14电性连接。锂电池的各充电电路12上串联低压降肖特基二极管，使太阳能电池板2之间不会干扰能量传输。选用BQ24192电池芯片对锂电池包13进行充电，充电电流限流3A，锂电池充满时的电压为4.2V。

本发明提供的一优选实施例中，如图1及图2，该驱动单元包括：驱动架3及推进器4。驱动架3采用ABS材质，驱动架3的上部设置为法兰结构，驱动架3的下部设置为柱状流线型结构。驱动架3上设置有四个安装孔；每个安装孔内安装一推进器4；四个推进器4设置成两组，两组推进器4呈90°设置。推进器4包括：导流罩、电机驱动器19、直流无刷电机及转子叶轮。每个安装孔内固定一导流罩；每个导流罩内设置一转子叶轮。电机驱动器19设置在驱动架3内，电机驱动器19与控制器14电性连接；电机驱动器19与直流无刷电机电性连接；直流无刷电机与转子叶轮连接。电机驱动器19接收控制器14下发巡航指令，控制电机的旋转角度和运转速度,以此来实现对占空比的控制,来达到对电机转速控制。控制推进器4x轴与y轴的转速差，进而调整浮标方位，通过控制推进器4转速大小，推动浮标在海表面行进，在此过程中，对路径进行自主修正。

如图1及图2，本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标的工作过程为:控制器14信息采集模块获取波浪数据、温度数据及设备状态信息。处理单元所获取的波浪数据、温度数据及设备状态信息一方面发送至存储单元进行存储，另一方面可通过网络上传至服务器，建立用户的下载渠道。控制器14从存储单元中获取离线电子海图，从通信定模块获取实时位置的经纬度信息，将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，则发出控制信号控制驱动单元驱动浮标球体1远离海岸线的方向航行直至航行至安全区域。

本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标至少具备以下有益效果或优点：

本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标，自供电系统连接在浮标球体的上端；驱动单元连接在浮标球体的下端；信息采集模块集成在浮标球体上；通信定位模块及电子罗盘集成在浮标球体内部；自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘分别与控制器电性连接。本发明实施例提供的带动力装置的智能型漂流浮标，通过信息采集模块能够采集所需的各种环境信息；该漂流浮标设置有自供电系统，能够满足其维持正常工作所需的电能；同时设置有通信定位模块及电子罗盘，能够获取自身的实时位置及航向，当该漂流浮标靠近海岸线时，控制器控制驱动单元工作，使漂流浮标运动至安全位置，防止漂流浮标搁浅而不能正常工作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，包括：浮标球体、自供电系统、驱动单元、控制器、信息采集模块、通信定位模块及电子罗盘；

所述自供电系统连接在所述浮标球体的上端；

所述驱动单元连接在所述浮标球体的下端；

所述信息采集模块集成在所述浮标球体上；所述通信定位模块及所述电子罗盘集成在所述浮标球体内部；

所述自供电系统、驱动单元、信息采集模块、通信定位模块及所述电子罗盘分别与所述控制器电性连接。

2.根据权利要求1所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述控制器包括：

第一处理单元，用于从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息，根据拉格朗日算法计算当前浮标移动方向及速率；将当前浮标移动方向确定为海流的流向，将当前浮标移动的速率确定为海流的流速；

第二处理单元，用于从所述信息采集模块获取波浪数据、温度数据及设备状态信息；

第三处理单元，用于获取离线电子海图，从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息，将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，则发出控制信号控制所述驱动单元驱动浮标球体远离海岸线的方向航行；

存储单元，用于存储离线电子海图、海流的流向、海流的流速、波浪数据、温度数据及设备状态信息。

3.根据权利要求2所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述第三处理单元包括：

第一处理模块，用于从所述存储单元获取当前当前所述区域的离线电子海图，从所述通信定模块获取实时位置的经纬度信息；将实时位置的经纬度信息拟合至离线电子海图中，判定实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离；

第二处理模块，若实时位置在离线电子海图中距离海岸线的距离小于设定值，计算出该漂流浮标远离海岸线的目标航向角度，以及从所述电子罗盘获取该漂流浮标的实时航向角度，发出控制信号控制所述驱动单元照目标航向角度航行，直至该漂流浮标距离海岸线的距离达到设定的安全区域。

4.根据权利要求1所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述自供电系统包括：太阳能电池板、充电电路及锂电池包；

所述太阳能电池板采用柔性材质，包覆在所述浮标球体的上端；

所述充电电路及所述锂电池包设置在所述浮标球体内部；

所述太阳能电池板通过所述充电电路与所述锂电池包电性连接，所述锂电池包与所述控制器电性连接。

5.根据权利要求1所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述驱动单元包括：驱动架及推进器；

所述驱动架的上部设置为法兰结构，所述驱动架的下部设置为柱状流线型结构；

所述驱动架上设置有四个安装孔；每个所述安装孔内安装一所述推进器；四个所述推进器设置成两组，两组所述推进器呈90°设置。

6.根据权利要求5所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述推进器包括：导流罩、电机驱动器、直流无刷电机及转子叶轮；

每个所述安装孔内固定一所述导流罩；每个所述导流罩内设置一所述转子叶轮；

所述电机驱动器设置在所述驱动架内，所述电机驱动器与所述控制器电性连接；所述电机驱动器与所述直流无刷电机电性连接；所述直流无刷电机与所述转子叶轮连接。

7.根据权利要求1所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述信息采集模块包括：波浪传感器、温度传感器及气压传感器；

所述波浪传感器安装在所述浮标球体的内部，所述温度传感器及所述气压传感器安装在所述浮标球体的外部；

所述波浪传感器、温度传感器及所述气压传感器分别通过串口与所述控制器电性连接。

8.根据权利要求1所述的带动力装置的智能型漂流浮标，其特征在于，所述通信定位模块采用GPS与北斗无源双模定位。

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