CN116853426B - 一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法，深海浮标平台包括桅杆筒，所述桅杆筒内部安装有姿态传感器，所述姿态传感器用于监测所述深海浮标平台的倾斜角度；多个浮力筒，多个所述浮力筒对称且等间隔连接在所述桅杆筒的周围；所述浮力筒包括弹性浮体和水舱，所述弹性浮体位于所述水舱上方，所述水舱内部存放有压载水；其中任一个所述水舱和与其他所述水舱之间均连通有导管，所述导管内设有流量阀；阻尼板，所述阻尼板水平连接在相邻两个所述水舱之间的底部。本发明的深海浮标平台抗风浪流能力强，随风浪流摇摆幅度小，具有较高的稳定性，适合于在环境复杂和海况恶劣的深海域中使用。

Description

一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法

技术领域

本发明涉及海洋观测技术领域，具体来说涉及一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法。

背景技术

海洋环境观测信息对海洋安全保障、海洋环境监测预报、海气相互作用研究具有重要意义，海洋浮标是实现海洋环境自动观测的重要装备，浮标载体形式主要为圆盘形。

目前，海洋环境观测使用的浮标直径通常为3米-10米左右，直径3米左右和直径6米左右的标体自身重量轻，系留可采用缆绳等轻型锚系，可以布放于几千米深海；但是，由于浮标直径较小，搭载能力弱，供电能力弱，难以搭载大功率、大体积的设备，浮标抗恶劣海况能力也较差。直径10米左右以及直径15米的大型圆盘形浮标海上恶劣环境适应能力强，搭载能力、抗破坏能力强；但由于自身重量大，需要较为粗重的锚系，所以不适合200米以上的深远海部署应用。

此外，传统的圆盘形浮标在风浪环境下摇摆倾角较大，影响剖面风和海流的测量精度，难以满足稳定性要求高的深海海洋观测。

因此，迫切需要一种稳定性高的浮标，以满足深海海洋观测的要求。

发明内容

本发明针的目的在于提供一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法，浮标平台抗风浪流能力强，随风浪流摇摆幅度小，具有较高的稳定性，适合于在环境复杂和海况恶劣的深海海域中使用。

为此，本发明提供了一种高稳定性深海浮标平台，包括桅杆筒，所述桅杆筒内部安装有姿态传感器，所述姿态传感器用于监测所述浮标平台的倾斜角度；多个浮力筒，多个所述浮力筒对称且等间隔连接在所述桅杆筒的周围；所述浮力筒包括弹性浮体和水舱，所述弹性浮体的截面为圆环形，所述弹性浮体套设在所述水舱上方的外侧；所述水舱为圆柱体状，内部分为上下两层，下层存放有压载水；其中任一个所述水舱和与其余所述水舱之间均连通有导管，所述导管内设有流量阀；阻尼板，所述阻尼板水平连接在相邻两个所述水舱之间的底部。

优选的，还包括控制系统，所述控制系统用于根据所述姿态传感器监测到的所述深海浮标平台的倾斜角度，以控制所述流量阀的阀门开度。

优选的，竖直静止状态下，所述水舱内的压载水的体积小于或等于所述水舱体积的二分之一。

优选的，所述浮力筒的数量为四个，对应的所述水舱的数量为四个；其中任一个所述水舱均与其余三个所述水舱之间通过所述导管相连通。

优选的，所述导管包括四个围成正方形的第一导管，还包括两个垂直且相连通的第二导管；所述第一导管用于连通位于同一边上的两个所述水舱，所述第二导管用于连通对角线上的两个所述水舱。

优选的，两个所述第二导管的相交处设有连接舱，所述连接舱通过两个所述第二导管与四个所述水舱相连通。

优选的，还包括连接架，所述连接架用于实现四个所述浮力筒的连接、以及用于将四个所述浮力筒连接在所述桅杆筒上。

优选的，所述连接架由多个空心连接管组成，所述连接管内可供电缆穿过。

优选的，所述弹性浮体的内径等于所述水舱的外径，所述弹性浮体用于提供浮力且起到防碰撞作用。

本发明还提供了所述的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法，包括如下步骤：定义位于同一个边的两个所述水舱所在的一侧为第一侧，与第一侧相对应的两个所述水舱所在的一侧为第二侧；第一阶段：所述深海浮标平台从竖直状态向第一侧摇摆至倾斜，第二侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第一侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变大，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变小，以减小压载水流经所述导管的水量和水速；第二阶段：所述深海浮标平台从最大倾斜角度向着第二侧摇摆复位至竖直状态，第二侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管继续向着第一侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变小，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变大，以增大压载水流经所述导管的水量和水速；第三阶段：所述深海浮标平台从竖直状态向第二侧摇摆至倾斜，第一侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第二侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变大，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变小，以减小压载水流经所述导管的水量和水速；第四阶段：所述深海浮标平台从最大倾斜角度向着第一侧摇摆复位至竖直状态，第一侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第二侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变小，所述姿态传感器发送信号给控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变大，以增大压载水流经所述导管的水量和水速。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供了一种高稳定性深海浮标平台及其摇摆控制方法，高稳定性深海浮标平台包括桅杆筒，所述桅杆筒内部安装有姿态传感器，所述姿态传感器用于监测所述浮标平台的倾斜角度；多个浮力筒，多个所述浮力筒对称且等间隔连接在所述桅杆筒的周围；所述浮力筒包括弹性浮体和水舱，所述弹性浮体的截面为圆环形，所述弹性浮体套设在所述水舱上方的外侧；所述水舱为圆柱体状，内部分为上下两层，下层存放有压载水；其中任一个所述水舱和与其余所述水舱之间均连通有导管，所述导管内设有流量阀；阻尼板，所述阻尼板水平连接在相邻两个所述水舱之间的底部。本发明的深海浮标平台抗风浪流能力强，随风浪流摇摆幅度小，具有较高的稳定性，适合于在环境复杂和海况恶劣的深海域中使用。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的结构示意图；

图2是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的正视图；

图3是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的俯视图；

图4是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的部分结构俯视图；

图5是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的部分结构剖视图；

图6是本发明高稳定性深海浮标平台的一种实施例的部分结构剖视图；

图7是本发明高稳定性深海浮标平台摇摆时的一种实施例的部分结构剖视图；

图8是本发明高稳定性深海浮标平台摇摆时的一种实施例的部分结构剖视图；

图9是本发明高稳定性深海浮标平台的浮力筒的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。

如图1-图9所示，本发明的高稳定性深海浮标平台包括桅杆筒10，桅杆筒10内部安装有姿态传感器，姿态传感器用于监测深海浮标平台的倾斜角度；多个浮力筒20，多个所述浮力筒20对称且等间隔连接在桅杆筒10的周围；浮力筒20包括弹性浮体21和水舱22，弹性浮体21的截面为圆环形，弹性浮体21套设在水舱22上方的外侧；水舱22为圆柱体状，内部分为上下两层，下层存放有压载水；其中任一个水舱22和与其余水舱22之间均连通有导管，导管内设有流量阀30；阻尼板40，阻尼板40水平连接在相邻两个水舱22之间的底部。

本发明的深海浮标平台抗风浪流能力强，随风浪流摇摆幅度小，具有较高的稳定性，适合于在环境复杂和海况恶劣的深海域中使用。

多个浮力筒20对称且等间隔连接在桅杆筒10的周围，这种分散式、对称式的浮力筒20布置，大大降低了流阻面积和迎浪面积，降低了浪、流对深海浮标平台的影响,提高了浮标平台抗风浪流的能力。同时，可以保证浮标平台在深海中受力均匀，有利于提高浮标平台整体结构的稳定性。

本实施例中，桅杆筒10的高度为浮力筒20高度的2倍-5倍，其中水舱22的底部基本与桅杆筒10的底部相平齐，有利于深海浮标平台加工和组装，同时也便于浮标平台的布放和维护。

竖直状态时，水舱22的下部和桅杆筒10的底部沉入水中，弹性浮体21和桅杆筒10的上部露出水面；因此，与圆盘形浮标（同多个浮力筒20都内切的圆周的直径与该圆盘形浮标的外径基本相同）相比，本发明的浮标平台的排水量大大减少，浮标平台系留所需的锚系尺寸大大减小，可降低浮标平台深远海部署的作业难度，减少锚系成本。

弹性浮体21的材料密度小于水，弹性浮体21可以用于给浮标平台提供主要剩余浮力，还可以提高防碰撞能力，对水舱22、桅杆筒10以及内部安装的设备起到保护作用。

阻尼板40可增大浮标平台的运动阻尼以及附加惯性质量，可以有效减缓浮标平台的摇摆和升沉，从而可以减缓浮标平台随风浪流的摇摆幅度。阻尼板40的材质可以为CCSB级船用钢，耐腐蚀性能好，使用寿命长。

本发明的高稳定性深海浮标平台还包括控制系统，控制系统用于根据姿态传感器监测到的深海浮标平台的倾斜角度，以控制流量阀30的阀门开度。

压载水位于水舱22底部，降低了浮力筒20的重心高度，弹性浮体21位于水舱22顶部，提高了浮力筒20的浮心高度，弹性浮体21与水舱22内的压载水互相配合，构成不倒翁形式，提高了浮力筒20的回复力矩，从而提高了深海浮标平台抗风浪流的能力，使得深海浮标平台整体更适合于在海况恶劣的深海中使用。

竖直静止状态下，水舱22内的压载水的体积小于或等于水舱22体积的二分之一，可以保证压载水和弹性浮体21能够有效配合，有效提高浮力筒20的回复力矩和浮标平台抗风浪流的能力。

水舱22内的压载水的具体体积可以根据实际要求进行设置，在此不做具体限制。

浮力筒20的数量优选为偶数，本实施例中，浮力筒20的数量为四个，对应的弹性浮体21的数量为四个、水舱22的数量为四个，其中任一个水舱22均与其余三个水舱22之间通过所述导管相连通。

在其他优选的实施例中，浮力筒20的数量还可以为3个、6个或者其他数，在此不做具体限制。

本实施例中，导管包括四个围成正方形的第一导管31，还包括两个垂直且相连通的第二导管32；其中，第一导管31用于连通位于同一边上的两个水舱22，第二导管32用于连通对角线上的两个水舱22。

四个第一导管31和两个第二导管32内均设有流量阀30，通过流量阀30可以调节流经导管内的压载水的水量和水速。

本实施例中，两个第二导管32的相交处设有密封连接舱33，连接舱33通过两个第二导管32与四个水舱22相连通。连接舱33与第二导管32基本处于同一平面上，保证压载水流动顺畅。

连接舱33位于桅杆筒10底部，通过水密隔板与桅杆筒10其他舱室隔开，水密方式可以为本技术领域通用的方式，在此不做具体限制。

第一导管31和第二导管32的材质可以为CCSB级船用钢，耐腐蚀性能好，使用寿命长。

弹性浮体21的内径等于水舱22的外径，保证弹性浮体21的尺寸和水舱22内的压载水体积互相配合，使得深海浮标平台在水中具有合适的吃水深度。

弹性浮体21的材料密度小于水，弹性浮体21用于给浮标平台提供主要剩余浮力，还可以提高防碰撞能力，对水舱22、桅杆筒10以及内部安装的设备起到保护作用。

弹性浮体21的材质可以为EVA橡塑发泡材料，EVA表面喷涂聚脲耐磨涂料，具有高弹性、耐碰撞、不吸水的优点，可以使得弹性浮体21具备有效的浮力和防碰撞能力，且使用寿命长。

弹性浮体21套设在水舱22的外侧，弹性浮体21套设在水舱22外侧的方式为本技术领域通用的固定方式，在此不做具体限制。

弹性浮体21的竖直长度小于水舱22的竖直长度，弹性浮体21的顶面与水舱22的顶面相平齐。

水舱22的材质为钢材，结构稳固可靠，使用寿命长。水舱22上部还设有起吊眼板和带缆桩，便于浮标起吊和系缆固定；水舱22的底部设有横向眼环，用于浮标拖航时的水下拖拽点。

本发明的高稳定性深海浮标平台还包括连接架60，连接架60用于实现四个浮力筒20的连接、以及用于将四个浮力筒20连接在桅杆筒10上。通过连接架60可以使得四个浮力筒20之间稳固可靠的连接，还可以将四个浮力筒20稳固连接在桅杆筒10上，连接架60可以起到加强连接的作用，避免四个浮力筒20扭转变形。

连接架60可以由多个空心连接管组成，连接管内可供电缆穿过，实现隐藏式走线，提高浮标平台的安全性。

桅杆筒10为内部中空的圆柱体状，桅杆筒10内部自上而下依次设有多个用于安装设备的设备舱，设备舱内可以安装采集设备、观测设备、通讯设备、电源设备、姿态传感器、控制系统等，在此不做具体限制。

桅杆筒10的内壁上固定有爬梯和舱门（未在图中示出），通过爬梯和舱门可以便于工作人员进出桅杆筒10。

桅杆筒底部10设有眼环（未在图中示出），眼环可以与锚系缆绳连接。

桅杆筒10顶部设有仪器平台70，仪器平台70上安装有观测设备，包括但不限于气象观测设备。

桅杆筒10顶部设有可打开闭合的舱盖，通过打开的舱盖可以实现仪器平台70与桅杆筒10内部的连通。

仪器平台70上设有太阳能供电设备，太阳能供电设备可以为本发明的高稳定性深海浮标平台进行供电。太阳能供电设备可以为本技术领域通用的太阳能供电设备，在此不做具体限制。

连接架60上设有甲板平台，甲板平台由格栅板构成，铺满桅杆筒10和浮力筒20之间的空隙，便于人员登上浮标作业；甲板平台四周设有护栏以及可用于水体观测的井架。

定义位于同一个边的两个水舱22所在的一侧为第一侧，与第一侧相对应的两个水舱22所在的一侧为第二侧。第一侧可以为右侧，第二侧可以为左侧；或者第一侧可以为左侧，第二侧可以为右侧，在此不做具体限制；本实施例中，以第一侧为右侧，第二侧为左侧为例进行说明。

姿态传感器可以安装在桅杆筒10内部重心位置，可以提高倾斜角度的检测精度；姿态传感器可以为本技术领域通用的姿态传感器，在此不做具体限制。

在浮标平台摇摆倾斜过程中，姿态传感器可以监测深海浮标平台的倾斜角度，流量阀30可以根据倾斜角度以调节导管内压载水的流量和流速，从而可以减缓浮标平台的摇摆倾斜幅度。

本发明的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法包括如下步骤：

如图7所示，第一阶段：在自身重力和浮力以及风浪流的影响下，深海浮标平台从竖直静止状态向右侧摇摆至倾斜；在此过程中，左侧的两个水舱22内的压载水通过第一导管31向着右侧两个水舱22内倾斜流动，姿态传感器监测到深海浮标平台的倾斜角变大，姿态传感器发送信号给控制系统，控制系统控制流量阀30的阀门开度变小，减小第一导管31内压载水的水量和水速，使得压载水尽可能少且慢的流入右侧的水舱22，从而可以减缓深海浮标平台向右侧的摇摆幅度；

如图8所示，第二阶段：在自身重力和浮力的作用下以及风浪流的影响下，深海浮标平台可以从最大倾斜角度向着左侧摇摆复位至竖直状态；在此过程中，左侧水舱22仍高于右侧水舱22，左侧的两个水舱22内的压载水通过第一导管30向着第一侧的两个水舱22内倾斜流动；姿态传感器监测到深海浮标平台的倾斜角变小，姿态传感器发送信号给控制系统，控制系统控制流量阀的阀门开度变大，增大第一导管31内压载水的水量和水速，使得压载水尽可能多且快的流入右侧的水舱22，从而减缓深海浮标平台向左侧的摇摆幅度，在复位的同时可以降低下一阶段的最大摇摆倾斜角度；

第三阶段：在自身重力和浮力的作用下以及风浪流的影响下，深海浮标平台从竖直状态继续向左侧摇摆倾斜；在此过程中，右侧两个水舱22内的压载水通过第一导管31向着左侧两个水舱22内倾斜流动，姿态传感器监测到深海浮标平台的倾斜角变大，姿态传感器发送信号给控制系统，控制系统控制流量阀30的阀门开度变小，减小第一导管31内压载水的水量和水速，使得压载水尽可能少且慢的流入左侧的水舱22，从而可以减缓深海浮标平台向左侧的摇摆幅度；

第四阶段：在自身重力和浮力的作用下以及风浪流的影响下，深海浮标平台从最大倾斜角度向右侧摇摆复位至竖直状态；在此过程中，右侧水舱22仍高于左侧水舱22，右侧两个水舱22内的压载水通过第一导管31向着左侧两个水舱22内倾斜流动，姿态传感器监测到深海浮标平台的倾斜角变小，姿态传感器发送信号给控制系统，控制系统控制流量阀30的阀门开度变大，减小第一导管31内压载水的水量和水速，使得压载水尽可能多且快的流入左侧的水舱22，从而可以降低深海浮标平台的摇摆幅度，在复位的同时可以降低下一阶段的最大摇摆倾斜角度。

经过以上四个阶段，浮标平台完成一个周期的摇摆运动，如此往复。通过以上控制过程，压载水的周期流动始终滞后浮标摇摆运动约四分之一个相位，从而可以实现最佳的减摇效果，最大程度的减缓浮标平台的摇摆幅度，以提高浮标平台的稳定性。

浮标平台其他摇摆方向的控制方法跟上述过程一致，在此不再具体说明。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法，其特征在于，

所述高稳定性深海浮标平台包括：

桅杆筒，所述桅杆筒内部安装有姿态传感器，所述姿态传感器用于监测所述浮标平台的倾斜角度；

多个浮力筒，多个所述浮力筒对称且等间隔连接在所述桅杆筒的周围；

所述浮力筒包括弹性浮体和水舱，所述弹性浮体的截面为圆环形，所述弹性浮体套设在所述水舱上方的外侧；所述水舱为圆柱体状，内部分为上下两层，下层存放有压载水；

其中任一个所述水舱和与其余所述水舱之间均连通有导管，所述导管内设有流量阀；

阻尼板，所述阻尼板水平连接在相邻两个所述水舱之间的底部；

竖直静止状态下，所述水舱内的压载水的体积小于或等于所述水舱体积的二分之一；

所述桅杆筒的高度为所述浮力筒高度的2倍-5倍；

所述浮力筒的数量为四个，对应的所述水舱的数量为四个；其中任一个所述水舱均与其余三个所述水舱之间通过所述导管相连通；所述导管包括四个围成正方形的第一导管，还包括两个垂直且相连通的第二导管；所述第一导管用于连通位于同一边上的两个所述水舱，所述第二导管用于连通对角线上的两个所述水舱；两个所述第二导管的相交处设有连接舱，所述连接舱通过两个所述第二导管与四个所述水舱相连通；

还包括控制系统，所述控制系统用于根据所述姿态传感器监测到的所述深海浮标平台的倾斜角度，以控制所述流量阀的阀门开度；

所述的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法包括如下步骤：

定义位于同一个边的两个所述水舱所在的一侧为第一侧，与第一侧相对应的两个所述水舱所在的一侧为第二侧；

第一阶段：所述深海浮标平台从竖直状态向第一侧摇摆至倾斜，第二侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第一侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变大，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变小，以减小压载水流经所述导管的水量和水速；

第二阶段：所述深海浮标平台从最大倾斜角度向着第二侧摇摆复位至竖直状态，第二侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管继续向着第一侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变小，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变大，以增大压载水流经所述导管的水量和水速；

第三阶段：所述深海浮标平台从竖直状态向第二侧摇摆至倾斜，第一侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第二侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变大，所述姿态传感器发送信号给所述控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变小，以减小压载水流经所述导管的水量和水速；

第四阶段：所述深海浮标平台从最大倾斜角度向着第一侧摇摆复位至竖直状态，第一侧的两个所述水舱内的压载水通过所述导管向第二侧的两个所述水舱内倾斜流动，所述姿态传感器监测到所述深海浮标平台的倾斜角变小，所述姿态传感器发送信号给控制系统，所述控制系统控制所述流量阀的阀门开度变大，以增大压载水流经所述导管的水量和水速。

2.如权利要求1所述的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法，其特征在于，

还包括连接架，所述连接架用于实现四个所述浮力筒的连接、以及用于将四个所述浮力筒连接在所述桅杆筒上。

3.如权利要求2所述的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法，其特征在于，

所述连接架由多个空心连接管组成，所述连接管内可供电缆穿过。

4.如权利要求1所述的高稳定性深海浮标平台的摇摆控制方法，其特征在于，

所述弹性浮体的内径等于所述水舱的外径，所述弹性浮体用于提供弹力且起到防碰撞作用。