CN114932978B - 一种圆碟形沉浮式浮标 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程设备技术领域，具体公开一种圆碟形沉浮式浮标，包括圆碟形耐压壳，所述耐压壳内设有多组调节装置，所述调节装置包括腔体系统、弹球系统和驱动系统，所述腔体系统位于耐压壳内，所述步进电机与小转轮连接，所述小转轮与大转轮传动连接，所述大转轮与转轴连接，所述连接绳与转轴上的卡环连接，所述腔体系统上设有进出水管，所述进出水管延伸至耐压壳外部。其优点在于，通过往腔体系统内吸排水来同时实现浮标浮力调节和重心调节，实现浮标水下滑翔机动的功能，这样将传统的浮力调节装置和重心调节装置融合到一体，即能起到浮力调节作用也能起到重心调节作用。

Description

一种圆碟形沉浮式浮标

技术领域

本发明涉及海洋工程设备技术领域，具体为一种圆碟形沉浮式浮标。

背景技术

沉浮式浮标是监测海洋水文环境的一种有效工具，通过在指定水域布放浮标可以持续性监测环境水文气象参数变化。其中目前主流的沉浮式探测浮标，专用于海洋次表层温、盐、深剖面测量，具有被动漂流特性，例如Argo浮标。现有技术沉浮式浮标通过改变自身体积或重量来实现沉浮运动，但是这类浮标不具备机动调节的功能。目前圆碟形浮标可以实现水下滑翔功能，但是需要两套系统即浮力调节系统和重心调节系统，重心调节系统是通过在内部安装质量块，通过电机驱动调节质量块位置来改变重心位置实现浮标倾斜。浮力调节系统通常是通过安装电机油泵油囊等，通过泵往油囊注油改变体积来改变浮标浮力实现沉浮运动。综上调研可知，圆碟形浮标的浮力调节和重心调节需要两套单独系统，因此需要安装的设备也多，自身重量大，造成浮标的有效载荷减小和故障率高等缺陷。

发明内容

基于上述问题，本申请提供一种沉浮式浮标可以将浮力调节系统和重心调节系统融为一体，既能减小系统自身设备数量及重量，又能提高浮标有效载荷，降低因设备过多引起的故障率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种圆碟形沉浮式浮标，包括圆碟形耐压壳，所述耐压壳内设有多组调节装置，所述调节装置包括腔体系统、弹球系统和驱动系统，所述腔体系统位于耐压壳体内部，设有进出水管，所述进出水管延伸至耐压壳外部，所述弹球系统包括球形活塞、弹簧和定滑轮，所述球形活塞位于腔体系统内部，并与弹簧固定连接，所述弹簧与定滑轮固定连接，所述定滑轮与耐压壳连接；所述驱动系统包括支架、步进电机、传送带、大转轮、小转轮、转轴、轴承、隔离盘和卡环，所述支架与耐压壳固定连接，所述步进电机固定在支架上，所述大转轮固定在转轴上，所述小转轮固定在步进电机的电机轴上，所述大转轮与小转轮通过传送带连接，所述转轴通过轴承与耐压壳固定连接，所述隔离盘固定在转轴上，所述卡环固定在转轴上；所述卡环与连接绳的一端连接，所述连接绳另一端绕在定滑轮上，并穿过弹簧与球形活塞固定连接。

优选的，所述腔体系统成圆弧形状，腔体系统包括腔体和进出水管，腔体系统的材质为防腐耐压材料；所述的腔体系统成圆周阵列布置，腔体系统的数量为4n套，n为正整数，平均分布在四个象限内，腔体系统两端通过球形活塞保持密封。

优选的，所述转轴上、下两端安装有轴承，所述转轴通过上、下安装的轴承与耐压壳固定连接。

优选的，所述转轴上设有多个隔离盘，所述隔离盘位于轴承与大转轮之间，相邻两个所述隔离盘之间设有卡环。

优选的，包括通信导航系统，所述的通信导航系统包括导航模块、天线模块和通信模块；通信导航系统接收导航模块信号，并通过导航模块向控制系统回传数据，实现通信和导航定位功能；

所述控制系统负责驱动系统控制、传感器系统的数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、电源管理、路径规划及故障诊断。

优选的，当浮标下潜时，控制系统控制步进电机通过连接绳驱动球形活塞往两端运动迫使全部或者部分腔体系统内形成空腔状态，水会通过进出水管往部分或全部腔体内注入，使浮标重量增加，当浮标重力大于浮力时，达到下潜的目的；当下潜到预定水深时，控制系统步进电机通过连接绳释放球形活塞，此时腔体系统两端的球形活塞由于弹簧的弹性力会往腔体中间运动进行排水，当重力等于浮力时，实现浮标悬停，控制系统会控制步进电机的转数来控制每一组球形活塞的位置进而控制腔体内部的水量实现灵活控制浮标的重量；

当浮标需要在水下机动滑翔时，通过控制系统控制部分腔体系统的腔体注水或排水，改变浮标重心，使其向一侧倾斜，同时使浮标重量减小或增大，此时浮力大于或小于重力，浮标上升或下潜，上升或下潜过程中由于本身姿态倾斜，与坐标系形成夹角θ，浮标在上浮下潜过程中受到升力的作用会做滑翔机动；通过对不同象限的腔体系统进行吸排水，调节浮标自身重量和夹角θ，可以改变滑翔速度。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

通过往全部或者部分腔体系统内注排水来同时实现浮力调节和重心调节，这样将传统的浮力调节装置和重心调节装置融合到一体，即能起到浮力调节作用也能起到重心调节，将水作为调节介质不需要额外携带质量较大的质量块和油泵、油囊及内部存储的油液，整体结构得到极大简化，浮标整体重量减轻，这样就可以装载其他传感测量仪器设备，提高了有效载荷。

腔体系统设计成圆弧形状，与浮标标体内部圆形边缘相融合，降低了其在浮标内部所占空间，提高了储物空间。

腔体系统内部球形活塞分别由独立步进电机操纵，球形活塞通过柔性连接绳和弹簧来实现驱动，保证球形活塞在圆弧形腔体内部做圆弧运动时的顺畅性和系统的密封性，通过控制系统控制步进电机的转数来控制球形活塞的位置进而调节腔体内部的储水量，可以灵活改变四个象限上的载重，实现任意调节浮标在四个象限上的倾斜度的功能。

附图说明

图1为本发明结构侧视图。

图2为本发明结构俯视图。

图3为步进电机系统结构示意图。

图4为弹球系统结构示意图。

图5为本发明外轮廓图。

图6为本发明体坐标系与航向坐标系的三维空间示意图。

图7为本发明控制电路示意图。

图中，1-耐压壳，2-腔体系统，21-进出水管，22-腔体，3-弹球系统，31-球形活塞，32-弹簧，33-定滑轮，4-驱动系统，41-支架，42-步进电机，43-传送带，44-大转轮，45-小转轮，46-转轴，47-轴承，48-隔离盘，49-卡环，5-连接绳，6-控制系统，7-通信导航系统，701-导航模块，702-天线模块，703-通信模块，8-传感器系统，801-水压传感器，802-电子罗盘，803-倾角传感器，804-加速度传感器，9-能源系统，91-蓄能电池。

具体实施方式

以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。

图1-图6所示，一种圆碟形沉浮式浮标包括圆碟形耐压壳1和四组调节装置，四组调节装置分别位于四个象限内，调节装置包括腔体系统2、弹球系统3、驱动系统4、连接绳5；耐压壳1分为上下两部分壳体，通过螺栓连接，内部设有电子罗盘802、加速度传感器804、倾角传感器803和能源系统9；所述腔体系统2由腔体22、进出水管21和水压传感器801组成，腔体22的材质只要是防腐耐压材料都可以，如不锈钢以及非金属材料，腔体系统的数量为4n套，n为正整数，平均分布在四个象限内，所述腔体系统2通过进出水管21与耐压壳1固定连接；所述弹球系统3包括球形活塞31和弹簧32，弹簧32一端与定滑轮33固定连接，另一端与球形活塞31连接；所述驱动系统4由支架41、步进电机42、传送带43、大转轮44、小转轮45、转轴46、轴承47、隔离盘48、卡环49组成，所述支架41与耐压壳1固定连接，所述步进电机42固定在支架41上，所述支架41具有辐射型结构，所述大转轮44固定在转轴46上，所述小转轮45固定在步进电机42的电机轴上，所述大转轮44与小转轮45通过传送带43连接，所述转轴46上、下两端安装有轴承47，所述转轴46通过上、下安装的轴承47与耐压壳1固定连接，转轴46上设有多个隔离盘48，所述隔离盘48位于轴承47与大转轮44之间，相邻两个所述隔离盘48之间设有卡环49，所述连接绳5两端分别穿过卡环49、定滑轮33与球形活塞31连接。

图7中，所述的通信导航系统7包括导航模块701、天线模块702和通信模块703；通信导航系统接收导航模块701信号，并通过导航模块701向控制系统6回传数据，实现通信和导航定位功能，所述控制系统6负责驱动系统4、传感器系统8的数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、能源管理、路径规划及故障诊断。

能源系统9采用蓄能电池91，为传感器系统8、通信导航系统7和驱动系统4提供电能。

图6所示，球形活塞31为球形结构，其直径略大于或等于腔体22直径，保证腔体22的密封性，其作用相当于活塞，负责吸排水，弹簧32靠弹性力推动球形活塞，连接绳5绕在定滑轮33上，依靠步进电机42驱动连接绳5来拉动球形活塞31使球形活塞31保持缩回状态，由于水压的原因，外部的水会通过进出水管21进入腔体22内部，完成注水，当步进电机42转动释放连接绳5时，球形活塞31就会在弹簧32的弹性力作用下将球形活塞31弹出，相同腔体22内的两个球形活塞31相互靠近，将腔体22内的水排出完成排水。

当浮标需要下潜时，控制系统6控制步进电机42驱动球形活塞31对全部或者部分腔体22完成注水作业，控制系统6可以控制步进电机42的转数来控制注水量，当浮标重力大于浮力时，控制系统6可以控制停止注水或者继续注水，浮标开始下潜，通过控制注水量可以改变浮标的下潜速度，通过加速度传感器804来监测浮标的下潜速度，当浮标下潜到预定水深时，需要悬停时，控制系统6控制步进电机42驱动球形活塞31对全部或者部分腔体22完成排水作业，控制系统6可以控制步进电机42的转数来控制每个腔体22排水量，当排水到浮标重力等于浮力时，控制系统6控制停止排水，浮标开始悬停工作，当浮标工作完成需要上浮回传信号时，控制系统6控制完成对部分或全部腔体的排水，使浮标重力小于浮力，浮标开始上浮，同理通过控制腔体22的排水量可控制浮标上浮速度，当浮标上浮到水面时可以通过通信导航系统7实现通信回传数据和定位功能，当浮标需要在水下机动滑翔时，控制系统6控制驱动系统4往部分或者全部腔体22内注水或排水，来改变浮标重心和重量，使其向一侧倾斜，通过倾角传感器803监测浮标的倾斜度，同时使浮标重量减小或增大，此时浮力大于或小于重力，浮标上升或下潜，在浮标上升或下潜过程中由于本身姿态倾斜，与坐标系形成一夹角θ，浮标在上升下潜过程中受到升力的作用会做滑翔运动，实现水下机动的功能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种圆碟形沉浮式浮标，其特征在于，包括圆碟形耐压壳，所述耐压壳内设有多组调节装置，所述调节装置包括腔体系统、弹球系统和驱动系统，所述腔体系统位于耐压壳体内部，设有进出水管，所述进出水管延伸至耐压壳外部，所述弹球系统包括球形活塞、弹簧和定滑轮，所述球形活塞位于腔体系统内部，并与弹簧固定连接，所述弹簧与定滑轮固定连接，所述定滑轮与耐压壳连接；所述驱动系统包括支架、步进电机、传送带、大转轮、小转轮、转轴、轴承、隔离盘和卡环，所述支架与耐压壳固定连接，所述步进电机固定在支架上，所述大转轮固定在转轴上，所述小转轮固定在步进电机的电机轴上，所述大转轮与小转轮通过传送带连接，所述转轴通过轴承与耐压壳固定连接，所述隔离盘固定在转轴上，所述卡环固定在转轴上；所述卡环与连接绳的一端连接，所述连接绳另一端绕在定滑轮上，并穿过弹簧与球形活塞固定连接；

所述腔体系统成圆弧形状，腔体系统包括腔体和进出水管，腔体系统的材质为防腐耐压材料；所述的腔体系统成圆周阵列布置，腔体系统的数量为4n套，n为正整数，平均分布在四个象限内，腔体系统两端通过球形活塞保持密封。

2.根据权利要求1所述的一种圆碟形沉浮式浮标，其特征在于，所述转轴上、下两端安装有轴承，所述转轴通过上、下安装的轴承与耐压壳固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种圆碟形沉浮式浮标，其特征在于，所述转轴上设有多个隔离盘，所述隔离盘位于轴承与大转轮之间，相邻两个所述隔离盘之间设有卡环。

4.根据权利要求1所述的一种圆碟形沉浮式浮标，其特征在于，包括通信导航系统，所述的通信导航系统包括导航模块、天线模块和通信模块；通信导航系统接收导航模块信号，并通过导航模块向控制系统回传数据，实现通信和导航定位功能；

所述控制系统负责驱动系统控制、传感器系统的数据采集控制与管理、导航定位与通信控制、电源管理、路径规划及故障诊断。

5.根据权利要求4所述的一种圆碟形沉浮式浮标，其特征在于，

当浮标下潜时，控制系统控制步进电机通过连接绳驱动球形活塞往腔体的两端运动迫使全部或者部分腔体系统内形成空腔状态，水会通过进出水管往部分或全部腔体内注入，使浮标重量增加，当浮标重力大于浮力时，达到下潜的目的；当下潜到预定水深时，控制系统控制步进电机通过连接绳释放球形活塞，此时腔体系统两端的球形活塞由于弹簧的弹性力会往腔体中间运动进行排水，当重力等于浮力时，实现浮标悬停，控制系统会控制步进电机的转数来控制每一组球形活塞的位置进而控制腔体内部的水量实现灵活控制浮标的重量；

当浮标需要在水下机动滑翔时，通过控制系统控制部分腔体系统的腔体注水或排水，改变浮标重心，使其向一侧倾斜，同时使浮标重量减小或增大，此时浮力大于或小于重力，浮标上升或下潜，上升或下潜过程中由于本身姿态倾斜，与坐标系形成夹角θ，浮标在上浮下潜过程中受到升力的作用会做滑翔机动；通过对不同象限的腔体系统进行吸排水，调节浮标自身重量和夹角θ，可以改变滑翔速度。

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