CN116552710A - 一种自适应增稳长续航的gnss浮标 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，涉及浮标领域，包括浮标体、浮体、减震模块、支臂，浮标体包括设备舱、发电机舱，发电机舱位于设备舱下方，发电机舱与设备舱之间设置有浮体平台，设备舱顶部搭载传感器模块，设备舱内设置有蓄电池、GNSS接收机、数据管理模块，发电机舱内设有波浪发电模块，浮体内设有垂直位移传感器，支臂一端与浮球连接，支臂另一端与波浪发电模块连接，支臂中部通过减震模块与浮体平台连接，垂直位移传感器、减震模块、传感器模块均与数据管理模块电性连接。本发明浮标能提高浮体姿态的稳定性，减少浮标体的震动，提高GNSS观测精度和可靠性，且波浪能和太阳能同时发电，大大提高了浮标的工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及浮标技术领域，尤其是一种自适应增稳长续航的GNSS浮标。
背景技术
高精度的海平面高度测量对于气候变化监测、区域或全球海平面高度模拟以及支持人类海洋活动具有重要意义。GNSS浮标是获得高精度、高分辨率海面高信息的重要设备，它能够长期、连续的、全天候的进行观测。目前的GNSS浮标体是一个整体，只能整体随波浪运动，这就会导致浮体产生大幅的左右摇摆，进而降低GNSS测量海面高的精度。且目前的GNSS浮标都是用太阳能发电的方式给蓄电池补充电能，太阳能只能在白天有阳关的时候发电，并且受天气的影响较大，发电效率较低，而GNSS接收机的功耗相对较大，这就给GNSS浮标的长期独立观测带来了极大的不确定性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种自适应增稳长续航的GNSS浮标。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，包括浮标体、浮体、减震模块、支臂，所述浮标体包括设备舱、发电机舱，所述发电机舱位于设备舱下方，所述发电机舱与设备舱之间设置有浮体平台，所述设备舱顶部搭载传感器模块，所述设备舱内设置有蓄电池、GNSS接收机、数据管理模块，所述发电机舱内设置有波浪发电模块，所述浮体内设置有垂直位移传感器，所述支臂一端与浮球连接，所述支臂另一端与波浪发电模块连接，所述支臂中部通过减震模块与浮体平台连接，所述垂直位移传感器、减震模块、传感器模块均与数据管理模块电性连接。
上述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，所述波浪发电模块数量与支臂及浮体数量相对应。
上述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，所述设备舱表面周向均匀分布有太阳能电池板，所述太阳能电池板及波浪发电模块均与蓄电池电性连接。
上述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，所述设备舱顶部的传感器模块包括避雷针、锚灯、GNSS天线、气象传感器、AIS。
上述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，所述减震模块为可变阻尼磁流变液减震器，所述可变阻尼磁流变液减震器内设置有电磁线圈、电磁液，所述电磁线圈可通过数据管理模块控制。
上述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，所述波浪发电模块包括发电机、传动齿轮、传动杆，所述支臂一端连接浮球，所述支臂另一端与传动杆连接，所述传动杆表面设置有可以与传动齿轮相啮合的齿，所述传动杆带动传动齿轮往复运动，所述传动齿轮一侧设置有棘轮机构，所述棘轮机构与传动轴连接，所述传动轴另一端与发电机连接。
本发明的有益效果是，发电机舱中放有三台波浪发电机，波浪发电机与太阳能电池板同时发电，发出的电由线缆传输到蓄电池存储，进而大幅增加设备的工作时间；浮标体由3根铝合金支臂支撑，支臂和浮体之间由可变阻尼磁流变液减震器连接，可变阻尼磁流变液减震器会随着波浪的起伏进行压缩和伸展运动，并且能够根据浮球中垂直位移传感器观测的波浪的大小，自适应调整减震器的阻尼，调整减震器的减震效果，进而吸收不同大小的波浪对于浮标体的冲击，达到自适应波浪大小的功能，起到吸收不同波浪的作用，提高浮体姿态的稳定性，减少浮标体的震动，提高GNSS观测精度和可靠性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明示意图；
图2为本发明波浪发电模块示意图；
图3为本发明浮体上下运动幅度小时减震模块内部状态示意图；
图4为本发明浮体上下运动幅度大时减震模块内部状态示意图；
图5为本发明传动齿轮与传动杆连接示意图；
图6为本发明浮标工作流程图。
图中1.避雷针，2.锚灯，3.GNSS天线，4.气象传感器，5.AIS，6.设备舱，7.太阳能电池板，8.发电机舱，9.支臂，10. 磁流变液减震器，11.棘爪，12.浮体，13.线缆，14.发电机，15.传动杆，16.传动齿轮，17.传动轴，18.弹簧，19.电磁液，20.活塞孔，21.电磁线圈，22.棘轮。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
如图1所示，本实施例公开了一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，包括浮标体、浮体12、减震模块、支臂9，本实施例中浮体12为浮球，浮标体包括设备舱6、发电机舱8，发电机舱8位于设备舱6下方，发电机舱8与设备舱6之间设置有浮体平台，设备舱6顶部搭载传感器模块，设备舱6内设置有蓄电池、GNSS接收机、数据管理模块，发电机舱8内设置有波浪发电模块，浮体内设置有垂直位移传感器，支臂9一端与浮体连接，支臂9另一端与波浪发电模块连接，支臂9中部通过减震模块与浮体平台连接，垂直位移传感器、减震模块、传感器模块均与数据管理模块电性连接。
在本实施例中，支臂9为铝合金支臂，支臂设置有三根，三根支臂周向均匀分布，三个支臂对应的发电机舱内设置有三组波浪发电模块。
设备舱6表面周向均匀分布有太阳能电池板7，太阳能电池板7及波浪发电模块均与蓄电池电性连接。设备舱6顶部的传感器模块包括避雷针1、锚灯2、GNSS天线3、气象传感器4、AIS5。
如图3-4所示，减震模块为可变阻尼的磁流变液减震器10，可变阻尼磁流变液减震器内设置有电磁线圈21、电磁液19，电磁线圈21可通过数据管理模块控制。可变阻尼磁流变液减震器内采用电磁液19，浮球中的垂直位移传感器将测得的垂直位移传递给数据管理模块，数据管理模块根据垂直位移的大小向电磁模块发出脉冲信号，电磁模块在一毫秒内瞬间反应，电磁线圈21内产生电压并产生磁场，使得电磁液19粒子通过活塞孔20到达缸体中，并改变电磁液粒子的排列方式，从而改变减震器的阻尼效果，实现高达每秒1000次调整减震器减震效果的作用，达到稳定浮标体、防止浮球随波浪起伏影响浮体稳定的作用。可变阻尼磁流变液减震器结构简洁，功耗极低，控制应力范围大，并可实现对阻尼力的瞬间精确控制。可变阻尼磁流变液减震器可以随着波浪的起伏进行压缩和伸展运动，可变阻尼磁流变液减震器最大行程为1.5m，可变阻尼磁流变液减震器可以最大程度上吸收海浪对浮标体的冲击，尽可能的保证浮标体呈近似水平的姿态，减少浮标体的晃动和震动，提高浮标体的稳定性和可靠性，减少浮标体的姿态对GNSS观测的影响，提高GNSS观测的精度。
如图4所示，浮体内的垂直位移传感器将浮体的垂直位移发送信号给数据管理模块，数据管理模块发送脉冲信号给磁流变液减震器，当浮体的垂直加速度增大，电磁模块在一毫秒内瞬间反应，线圈内的电流也随之增大，电磁线圈内产生电压并产生磁场，使得电磁液粒子通过活塞孔到达缸体中，使得电磁液粒子垂直压力方向排列，从而增大减震器的阻尼效果，反之，电流减小，阻尼也减小（减震器内部状态如图3所示），因此根据浮体的垂直位移情况对输入电流的调节，即可控制阻尼器阻尼力的大小。
如图2所示，波浪发电模块包括发电机14、传动齿轮16、传动杆15，支臂9一端连接浮体，支臂9另一端与传动杆15连接，传动杆15表面设置有可以与传动齿轮16相啮合的齿，传动杆15带动传动齿轮16往复运动，传动齿轮16一侧设置有棘轮机构，棘轮机构与传动轴17连接，传动轴17另一端与发电机的齿轮固定连接。支臂随波浪上下起伏会带动传动杆上下活动，进而带动传动齿轮往复转动，传动齿轮带动轴做单向转动，进而带动发电机发电，发出的电由线缆13传输到蓄电池存储。本实施例搭载3台波浪发电机，其传动杆的设计行程可达1.5m，发电效率更高，发电功率更大，且传动杆的不间断的上下运动会带动发电机持续的发电，有效的解决了波浪发电效率低下的问题，大幅增加设备的工作时间，提高了设备持久独立工作的稳定性。
支臂一端与浮体连接，另一端与传动杆连接，而传动杆可上下移动，当有波浪时，浮体首先对波浪产生响应发生垂直方向的位移，进而通过支臂将垂直位移传送给传动杆，传动杆上下运动发电，而由于支臂上设置有减震模块，支臂上下运动时，这种振动通过减震模块吸收不会将振动传递给浮标平台，进而保证了浮标平台上方检测设备的稳定性，同时还能通过波浪能实现发电，延长了浮标的工作时间。
如图5所示，本实施例中的棘轮结构包括棘轮22、棘爪11、弹性组件，弹性组件可以是弹簧或弹片，在本实施例中为弹簧18，棘轮22一侧与传动齿轮16中心位置通过轴承连接，棘轮另一侧中间位置与传动轴17固定连接，传动齿轮上安装有棘爪11，棘爪11与棘轮22相配合，棘爪11一侧与弹簧一端固定连接，弹簧另一端通过安装柱安装在传动齿轮表面。实际工作时，传动杆15上下运动带动传动齿轮往复运动，当传动齿轮顺时针运动时，棘爪沿棘轮表面划过，棘轮不转，此时传动轴也不转，当传动齿轮逆时针运动时，棘爪带动棘轮逆时针转动，进而带动传动轴逆时针转动，传动轴带动发电机的齿轮转动进行发电。传动杆的设计行程为1.5m，因为海面的起伏是时时刻刻发生的，所以支臂的持续运动就会带动发电机持续不断的发电，而且传动杆的行程足够长，因此，本发明设计的波浪发电系统可以保证持续、高效的发电，发出的电由线缆传输到蓄电池存储，进而大幅增加设备的工作时间。
如图6所示，本实施例浮标的工作流程为：太阳能光伏板和波浪发电系统持续给蓄电池充电，蓄电池给GNSS设备供电，使得GNSS接收机、气象传感器、锚灯及AIS等设备得以持续稳定工作；浮体内的垂直位移传感器将浮体的垂直位移发送信号给数据管理模块，数据管理模块发送脉冲信号给磁流变液减震器，磁流变液减震器进行阻尼调节，进而实现自适应抗浪增稳，减震器极大程度上吸收了波浪对浮标体的冲击，因此，浮标体的姿态会保持在相对稳定的状态，这样就会给GNSS观测提供更加平稳的环境，使得观测数据质量更好，观测精度更高。其中AIS为船舶自动识别系统，是指一种应用于船（海上载体）和岸、船（海上载体）和船之间的海事安全与通信的新型助航系统。AIS的功能有：识别船只（海上载体）；协助追踪目标；简化信息交流；提供其它辅助信息以避免碰撞发生。
以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于：包括浮标体、浮体、减震模块、支臂，所述浮标体包括设备舱、发电机舱，所述发电机舱位于设备舱下方，所述发电机舱与设备舱之间设置有浮体平台，所述设备舱顶部搭载传感器模块，所述设备舱内设置有蓄电池、GNSS接收机、数据管理模块，所述发电机舱内设置有波浪发电模块，所述浮体内设置有垂直位移传感器，所述支臂一端与浮球连接，所述支臂另一端与波浪发电模块连接，所述支臂中部通过减震模块与浮体平台连接，所述垂直位移传感器、减震模块、传感器模块均与数据管理模块电性连接。
2.根据权利要求1所述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于，所述波浪发电模块数量与支臂及浮体数量相对应。
3.根据权利要求1所述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于，所述设备舱表面周向均匀分布有太阳能电池板，所述太阳能电池板及波浪发电模块均与蓄电池电性连接。
4.根据权利要求1所述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于，所述设备舱顶部的传感器模块包括避雷针、锚灯、GNSS天线、气象传感器、AIS。
5.根据权利要求1所述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于，所述减震模块为可变阻尼磁流变液减震器，所述可变阻尼磁流变液减震器内设置有电磁线圈、电磁液，所述电磁线圈可通过数据管理模块控制，达到自适应调整减震阻尼的效果。
6.根据权利要求1所述的一种自适应增稳长续航的GNSS浮标，其特征在于，所述波浪发电模块包括发电机、传动齿轮、传动杆，所述支臂一端连接浮球，所述支臂另一端与传动杆连接，所述传动杆表面设置有可以与传动齿轮相啮合的齿，所述传动杆带动传动齿轮往复运动，所述传动齿轮一侧设置有棘轮机构，所述棘轮机构与传动轴连接，所述传动轴另一端与发电机连接。
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