CN115783196B - 一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，包括：供能与数据交换仓、支架、电池桩、一级弹开脱离机构和二级弹开脱离机构，所述供能与数据交换仓中设置有回收用电池组和控制模块，所述供能与数据交换仓设置在支架的顶部，所述电池桩阵列分布在支架的底部，所述一级弹开脱离机构分别设置在电池桩与支架的底部之间，所述二级弹开脱离机构设置在供能与数据交换仓与支架的顶部之间，所述电池桩包括电池仓及设置在电池仓中的能量供给电池。通过上述方式，本发明所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，以较低的布放成本为AUV进行水下无线充电与数据交换，实现了供能与数据交换仓的便捷回收。
Description
技术领域
本发明涉及水下能量供给与数据交换平台回收技术领域，特别是涉及一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法。
背景技术
近20年来，与无人机的井喷式发展类似，水下无人航行器（AUV）也步入了发展的快车道。目前，世界上的水下无人航行器已达数百种，活跃在海洋科学、海洋工程、水下安防和水下作战等领域。我国水下无人航行器的也正朝着系列化、集群化、体系化高速发展。然而，AUV因自身设计原因，动力存储和数据存储均是限制其长时间、长航程、隐蔽连续水下作业的瓶颈。
面对日益增加的水下无人航行器数量，航行器水面母船的供能和数据传输保障负担非常大，但是通过母船或者岸基的水下航行器保障方式不利于航行器搭载敏感负载或在敏感海域的长时间连续进行隐蔽作业的需求。因此，设计一套适用于海底水下航行器的能源储能供给与数据备份交换平台对水下无人航行器群落的长期、连续及隐蔽观测能力将带来极大提升。
在水下装备自主回收技术领域，水下潜标的回收技术较为成熟，采用电磁结构的机械释放器连接潜标的柔性缆，通过对释放器电磁开关控制释放器打开完成对柔性缆结构的潜标释放；对于向水下接驳盒这样的大型坐底设备，一般采用水下机器人下水后找到接驳盒，释放接驳盒的固定装置，释放接驳盒中的正浮力信标至水面，水面母船打捞信标后通过信标完成对接驳盒定位，再通过水下机器人的帮助下对接驳盒完成起重缆的固定安装，最后通过船上的甲板绞车把接驳盒通过起重缆打捞上水面。
2004年，日本东北大学和NEC开发了水下非接触电能传输系统，通过母船向AUV进行感应耦合式非接触充电。2014年，浙江大学研发了一套以水下观测网络为构建基础的水下平台，可以实现水下与AUV之间的非接触充电和非接触信号传输。前者依旧需要通过母船进行供电的保障，无法实现隐蔽性需求，后者则通过水下观测网络，水下观测网络布放与回收复杂，耗时久，一次性投入大，布放与回收期间目标很大，很难在一些敏感海域进行快速布放。
潜标释放器主要适用于锚系设备，但水下供能与数据交换平台需要平台保持结构稳定性，如设计成锚系释放，则会影响数据通讯质量，产生多普勒效应，增加误码率，同时也会降低供能传输的效率。传统如水下接驳盒的回收耗时久，动用的资源多，价格昂贵，且同样不适合在敏感海域对其进行快速回收。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，进行AUV的水下能量供给与数据交换，提升隐蔽形和回收效率。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种可回收的水下能量供给与数据交换平台，包括：供能与数据交换仓、支架、电池桩、一级弹开脱离机构和二级弹开脱离机构，所述供能与数据交换仓中设置有回收用电池组和控制模块，所述供能与数据交换仓设置在支架的顶部，所述电池桩阵列分布在支架的底部，所述一级弹开脱离机构分别设置在电池桩与支架的底部之间，所述二级弹开脱离机构设置在供能与数据交换仓与支架的顶部之间，所述电池桩包括电池仓及设置在电池仓中的能量供给电池，所述回收用电池组和能量供给电池分别与控制模块相连接，进行供电和切换，所述控制模块分别与一级弹开脱离机构及二级弹开脱离机构相连接，进行弹开脱离的控制。
在本发明一个较佳实施例中，所述供能与数据交换仓上设置有与控制模块相连接的AUV供能无线充电与数据交换模块、GPS传感器、北斗天线、双向应答水听器、光学导航模组以及环境传感器组，所述环境传感器组包括测流计和温盐仪。
在本发明一个较佳实施例中，所述电池桩的数量为3~6个，且环形阵列分布在支架的底部边缘。
在本发明一个较佳实施例中，所述一级弹开脱离机构包括第一脱开仓和第一爆炸螺栓，所述第一脱开仓固定在支架的底部，所述电池桩位于第一脱开仓的下方，所述电池桩的电池仓顶部设置有盖板，所述第一爆炸螺栓设置在第一脱开仓中并向下竖直延伸至对应的盖板中。
在本发明一个较佳实施例中，所述一级弹开脱离机构还包括第一定位块、第一脱开弹簧和第一线路接插组件，所述盖板中设置有数个与第一定位块一一对应的第一定位孔，所述第一定位块可升降地设置在第一定位孔中，所述盖板下方设置有与第一定位孔对应的第一弹簧保护罩，所述第一脱开弹簧设置在第一弹簧保护罩中进行第一定位块的弹性支撑，所述第一脱开仓底部设置有与第一定位块对应的第一定位槽，所述第一线路接插组件竖向设置在第一脱开仓与电池仓之间。
在本发明一个较佳实施例中，所述二级弹开脱离机构包括第二脱开仓和第二爆炸螺栓，所述第二脱开仓固定在支架的顶端中部，所述第二爆炸螺栓设置在供能与数据交换仓中并向下延伸至第二脱开仓的顶部。
在本发明一个较佳实施例中，所述二级弹开脱离机构还第二定位块、第二脱开弹簧和第二线路接插组件，所述第二脱开仓顶部设置有与第二定位块对应的第二导向孔，所述第二定位块可升降地设置在第二导向孔中，所述第二脱开仓中设置有位于第二导向孔下方的第二弹簧保护罩，所述第二脱开弹簧设置在第二弹簧保护罩中进行第二定位块的弹性支撑，所述供能与数据交换仓底部设置有与第二定位块对应的第二定位槽。
在本发明一个较佳实施例中，所述供能与数据交换仓上设置有浮力块，以确保回收时供能与数据交换仓及支架在海水中的上升浮力。
为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种水下能量供给与数据交换平台的回收方法，包括以下步骤：
将可回收的水下能量供给与数据交换平台布放在海底，通过供能与数据交换仓与AUV配合，为AUV进行充电供能和数据备份传输；
需要进行供能与数据交换仓的回收时，先通过控制模块进行一级弹开脱离机构的动作，进行电池桩与支架的分离；
若一级弹开脱离机构发生故障，电池桩与支架没有分离，再通过控制模块进行二级弹开脱离机构的动作，进行供能与数据交换仓与支架的分离，使得供能与数据交换仓上浮至水面；
若电池桩与支架顺利分离，二级弹开脱离机构不动作。
在本发明一个较佳实施例中，在进行一级弹开脱离机构的动作前，控制模块通过环境传感器组获得平台附近海域的洋流、盐度及温度，调整数个一级弹开脱离机构的动作时序，进行一级弹开脱离机构的依序爆破，使得供能与数据交换仓在当前洋流环境中平稳上浮，并在上浮时切换到回收用电池组进行供电，开启GPS传感器和北斗天线进行定位，以利于母船对供能与数据交换仓的打捞回收。
本发明的有益效果是：本发明指出的一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，为实现敏感海域快速布放、快速组网的需求，采用了含有一次性的能量供给电池的电池桩，以较低的布放成本为AUV进行无线充电与数据交换，回收时通过一级弹开脱离机构和二级弹开脱离机构确保了供能与数据交换仓的顺利上浮，避免因一级弹开脱离机构或二级弹开脱离机构故障导致的无法回收的问题，并利用环境监测数据辅助进行一级弹开脱离机构的动作时序控制，避免供能与数据交换仓在上浮过程中的翻转问题，提升回收过程的平稳性和安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法一较佳实施例的结构示意图；
图2是图1中A部分的局部放大图；
图3是图1的立体图；
图4是图1中一级弹开脱离机构和电池桩的结构示意图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1~图4，本发明实施例包括：
如图1~图4所示的可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，包括：供能与数据交换仓1、支架3、电池桩6、一级弹开脱离机构5和二级弹开脱离机构4，供能与数据交换仓1设置在支架3的顶部，电池桩6阵列分布在支架3的底部，支架3大体呈锥形或者金字塔形结构，确保重心在底部。
在本实施例中，电池桩6包括电池仓62及设置在电池仓62中的能量供给电池61，电池仓62外表面可以增加耐腐蚀涂层，比如混凝土涂层，增加自重和耐腐蚀性，能量供给电池61能量耗尽后已无回收价值，需要长眠海底，通过混凝土涂层避免能量供给电池61的泄漏，确保环保效果。能量供给电池61可以采用高能量密度的磷酸铁锂电池、钛酸锂电池或者其他一次性的环保电池，磷酸铁锂电池的能量密度高，但承压能力较差，适合近海、水深较浅的海域，钛酸锂电池元素结构稳定，承压能力高且不易发热，适用于深海海域。
电池桩6的数量为3~6个，且环形阵列分布在支架3的底部边缘，如图3所示，采用4个电池桩6进行环形阵列分布，比较均匀。电池桩6的自重大，布放时，通过电池桩6确保支架3的竖向下潜，利用电池桩6与海底接触并缓冲，加强对供能与数据交换仓1的保护。
在本实施例中，供能与数据交换仓1中设置有回收用电池组和控制模块12，回收用电池组和能量供给电池61分别与控制模块12相连接，进行供电和切换，能量供给电池61的能量大，平常采用能量供给电池61为控制模块12供电，供能与数据交换仓1上浮回收时，切换成回收用电池组为控制模块12供电。
如图3所示，供能与数据交换仓1上设置有与控制模块12相连接的AUV供能无线充电与数据交换模块2、GPS传感器8、北斗天线7、双向应答水听器9、光学导航模组10以及环境传感器组11，通过AUV供能无线充电与数据交换模块2与AUV进行配合，利用电磁感应耦合的方式实现AUV的隐蔽式水下无线充电与数据交换，进行数据备份传输，并将能量供给电池61中的能量转移至AUV中。
双向应答水听器9用于在水中对AUV进行通讯和定位，并在回收工况中，对母船发出的回收信号进行接收和应答。光学导航模组10是一种发光器，用于在近距离对AUV进入平台无线充电与数据交换工位时的精确引导。
GPS传感器8用于回收工况中，供能与数据交换仓1浮出水面后进行GPS定位；北斗天线7用于回收工况中，方便供能与数据交换仓1浮出水面后与回收船只和陆基基地的通信。
控制模块12中包含了电池管理BMS模块、供电控制模块、电压转化模块、数据传输模块、声学及光学通信导航模块和环境采集控制模块，进行电池的管理、通讯、导航和环境采集。回收用电池组主要用于在回收工况下，为GPS传感器8和北斗天线7进行供电，使其能顺利完成海面定位和海面回收。
能量供给电池61的电量耗尽、需要进行数据转移或者撤离时，需要进行供能与数据交换仓1的回收，而为了顺利实现供能与数据交换仓1的上浮与回收，需要去除电池桩6，利用供能与数据交换仓1的浮力进行自主上浮。在本实施例中，供能与数据交换仓1上设置有浮力块，以确保回收时供能与数据交换仓1及支架3在海水中有足够的上升浮力。
电池桩6的去除可以采用一级弹开脱离机构5，在本实施例中，一级弹开脱离机构5分别设置在电池桩6与支架3的底部之间，进行电池桩6与支架3的连接与分离，形成4个分离面。若一级弹开脱离机构5不能顺利工作，还可以进行二级弹开脱离机构4的动作，二级弹开脱离机构4设置在供能与数据交换仓1与支架3的顶部之间，通过控制模块12分别与一级弹开脱离机构5及二级弹开脱离机构4相连接，进行弹开脱离的控制。
如图4所示，一级弹开脱离机构包括第一脱开仓51、第一爆炸螺栓52、第一定位块54、第一脱开弹簧55和第一线路接插组件53，第一脱开仓51固定在支架3的底部，可以焊接或者采用螺丝进行固定，结构稳定。
电池桩6位于第一脱开仓51的下方，电池桩6的电池仓62顶部设置有盖板63进行密封，第一爆炸螺栓52设置在第一脱开仓51中并向下竖直延伸至对应的盖板63中，实现对电池桩6的固定。
在本实施例中，盖板63中设置有数个与第一定位块54一一对应的第一定位孔，第一定位块54可升降地设置在第一定位孔中，第一定位块54可以采用阶梯轴结构，进行下移行程限位。盖板63下方设置有与第一定位孔对应的第一弹簧保护罩56，第一脱开弹簧55设置在第一弹簧保护罩56中进行第一定位块54的弹性支撑， 第一脱开仓51底部设置有与第一定位块54对应的第一定位槽，利用第一定位块54的头部进行第一脱开仓51的定位，提升结构稳定性。
为了实现电线和信号线的铺设及快速断开，将第一线路接插组件53竖向设置在第一脱开仓51与电池仓62之间，在本实施例中，第一线路接插组件53包括竖向对接的插头和插座，插头和插座分别固定在第一脱开仓51底部和盖板63上，需要回收时，通过控制模块12进行第一爆炸螺栓52的爆炸动作，断开第一脱开仓51与电池仓62的硬性连接，通过第一脱开弹簧55进行第一定位块54的上推，迫使第一脱开仓51的上移，实现插头和插座的分离。
在本实施例中，环境传感器组11包括测流计和温盐仪，用于监测平台的原位环境数据，包括洋流、温度和盐度数据。为了避免供能与数据交换仓1在上浮过程中的翻转，控制模块12通过环境数据分析，调整数个一级弹开脱离机构5的动作时序，使得一级弹开脱离机构5安装生成的顺序进行依序爆破，利用第一脱开仓51与电池仓62分离时的小位移姿态变化，改变最终分离状态瞬间供能与数据交换仓1的重心浮心相对位置，平衡和抵消作用在供能与数据交换仓1的洋流所产生的姿态影响，增加其上浮过程中的姿态稳定性，防止供能与数据交换仓1在上浮过程中因洋流而产生翻转倾覆。
如图2所示，二级弹开脱离机构4包括第二脱开仓44、第二爆炸螺栓41、第二定位块45、第二脱开弹簧和第二线路接插组件42，第二脱开仓44固定在支架3的顶端中部，可以采用焊接或者螺丝进行固定，结构稳定。第二爆炸螺栓41设置在供能与数据交换仓1中并向下延伸至第二脱开仓44的顶部，进行第二脱开仓44与数据交换仓1的连接固定。
第二脱开仓44顶部设置有与第二定位块45对应的第二导向孔，第二定位块45可升降地设置在第二导向孔中，在本实施例中，第二定位块45也可以采用阶梯轴结构，进行下移行程限位，保留第二定位块45上部结构突出在第二脱开仓44顶部，确保第二脱开仓44与供能与数据交换仓1的间距稳定性。此外，供能与数据交换仓1底部设置有与第二定位块45对应的第二定位槽，进行供能与数据交换仓1在第二脱开仓44上方的定位，并提供结构稳定性。
第二脱开仓44中设置有位于第二导向孔下方的第二弹簧保护罩43，第二脱开弹簧设置在第二弹簧保护罩43中进行第二定位块45的弹性支撑，第二爆炸螺栓41爆炸后，通过第二脱开弹簧给予第二定位块45的弹力，加速供能与数据交换仓1与第二脱开仓44的分离。第二线路接插组件设置在供能与数据交换仓1和第二脱开仓44之间，进行电线和信号线的铺设及分离时的快速断开，施工便利。
一种水下能量供给与数据交换平台的回收方法，包括以下步骤：
将可回收的水下能量供给与数据交换平台布放在海底，通过供能与数据交换仓1与AUV配合，为AUV进行充电供能和数据备份传输；
需要进行供能与数据交换仓1的回收时，先通过控制模块12进行一级弹开脱离机构5的动作，进行电池桩6与支架3的分离，具体的，在进行一级弹开脱离机构的动作前，控制模块12通过环境传感器组获得平台附近海域的洋流、盐度及温度，调整数个一级弹开脱离机构的动作时序，进行一级弹开脱离机构5的依序爆破，使得供能与数据交换仓在当前洋流环境中平稳上浮，并在上浮时切换到回收用电池组进行供电，开启GPS传感器和北斗天线进行定位，以利于母船对供能与数据交换仓的打捞回收；
若电池桩6与支架3顺利分离，二级弹开脱离机构4不动作；
若一级弹开脱离机构5发生故障，电池桩6与支架3没有分离，再通过控制模块12进行二级弹开脱离机构4的动作，进行供能与数据交换仓1与支架3的分离，使得供能与数据交换仓1上浮至水面。
综上，本发明指出的一种可回收的水下能量供给与数据交换平台及回收方法，可以为水下设备进行能量供给与数据交换，延长水下设备的工作时间，提升水下设备的隐秘性，采用两级分离设计，互为备份，避免一级弹开脱离机构或二级弹开脱离机构故障带来的供能与数据交换仓无法回收的问题。
以上仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，包括：供能与数据交换仓、支架、电池桩、一级弹开脱离机构和二级弹开脱离机构，所述供能与数据交换仓中设置有回收用电池组和控制模块，所述供能与数据交换仓设置在支架的顶部，所述电池桩阵列分布在支架的底部，所述一级弹开脱离机构分别设置在电池桩与支架的底部之间，所述二级弹开脱离机构设置在供能与数据交换仓与支架的顶部之间，所述电池桩包括电池仓及设置在电池仓中的能量供给电池，所述回收用电池组和能量供给电池分别与控制模块相连接，进行供电和切换，所述控制模块分别与一级弹开脱离机构及二级弹开脱离机构相连接，进行弹开脱离的控制，所述供能与数据交换仓上设置有与控制模块相连接的AUV供能无线充电与数据交换模块、GPS传感器、北斗天线、双向应答水听器、光学导航模组以及环境传感器组，所述环境传感器组包括测流计和温盐仪，所述供能与数据交换仓上设置有浮力块，以确保回收时供能与数据交换仓及支架在海水中的上升浮力，控制模块通过环境数据分析，调整一级弹开脱离机构的动作时序，使得一级弹开脱离机构按照生成的顺序进行依序爆破，利用一级弹开脱离机构与电池桩分离时的小位移姿态变化，改变最终分离状态瞬间供能与数据交换仓的重心浮心相对位置，平衡和抵消作用在供能与数据交换仓的洋流所产生的姿态影响，增加其上浮过程中的姿态稳定性，防止供能与数据交换仓在上浮过程中因洋流而产生翻转倾覆。
2.根据权利要求1所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，所述电池桩的数量为3~6个，且环形阵列分布在支架的底部边缘。
3.根据权利要求1所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，所述一级弹开脱离机构包括第一脱开仓和第一爆炸螺栓，所述第一脱开仓固定在支架的底部，所述电池桩位于第一脱开仓的下方，所述电池桩的电池仓顶部设置有盖板，所述第一爆炸螺栓设置在第一脱开仓中并向下竖直延伸至对应的盖板中。
4.根据权利要求3所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，所述一级弹开脱离机构还包括第一定位块、第一脱开弹簧和第一线路接插组件，所述盖板中设置有数个与第一定位块一一对应的第一定位孔，所述第一定位块可升降地设置在第一定位孔中，所述盖板下方设置有与第一定位孔对应的第一弹簧保护罩，所述第一脱开弹簧设置在第一弹簧保护罩中进行第一定位块的弹性支撑，所述第一脱开仓底部设置有与第一定位块对应的第一定位槽，所述第一线路接插组件竖向设置在第一脱开仓与电池仓之间。
5.根据权利要求1所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，所述二级弹开脱离机构包括第二脱开仓和第二爆炸螺栓，所述第二脱开仓固定在支架的顶端中部，所述第二爆炸螺栓设置在供能与数据交换仓中并向下延伸至第二脱开仓的顶部。
6.根据权利要求5所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，所述二级弹开脱离机构还包括第二定位块、第二脱开弹簧和第二线路接插组件，所述第二脱开仓顶部设置有与第二定位块对应的第二导向孔，所述第二定位块可升降地设置在第二导向孔中，所述第二脱开仓中设置有位于第二导向孔下方的第二弹簧保护罩，所述第二脱开弹簧设置在第二弹簧保护罩中进行第二定位块的弹性支撑，所述供能与数据交换仓底部设置有与第二定位块对应的第二定位槽。
7.一种水下能量供给与数据交换平台的回收方法，采用权利要求1~6任一所述的可回收的水下能量供给与数据交换平台，其特征在于，包括以下步骤：
将可回收的水下能量供给与数据交换平台布放在海底，通过供能与数据交换仓与AUV配合，为AUV进行充电供能和数据备份传输；
需要进行供能与数据交换仓的回收时，先通过控制模块进行一级弹开脱离机构的动作，进行电池桩与支架的分离；
若一级弹开脱离机构发生故障，电池桩与支架没有分离，再通过控制模块进行二级弹开脱离机构的动作，进行供能与数据交换仓与支架的分离，使得供能与数据交换仓上浮至水面；
若电池桩与支架顺利分离，二级弹开脱离机构不动作。
8.根据权利要求7所述的水下能量供给与数据交换平台的回收方法，其特征在于，在进行一级弹开脱离机构的动作前，控制模块通过环境传感器组获得平台附近海域的洋流、盐度及温度，调整数个一级弹开脱离机构的动作时序，进行一级弹开脱离机构的依序爆破，使得供能与数据交换仓在当前洋流环境中平稳上浮，并在上浮时切换到回收用电池组进行供电，开启GPS传感器和北斗天线进行定位，以利于母船对供能与数据交换仓的打捞回收。
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