CN117621729A - 一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，机身外部设置密封内壳、浮力外壳声呐测距模块和深度传感器；浮力外壳围设于密封内壳外部；浮力外壳上设置多个收纳槽，密封内壳上铰接设置多根机臂；每根机臂绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内；机身内部设置电气控制装置和气动控制装置，述电气控制装置根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳的浮力、控制机臂旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态；能够精准控制剖面工作深度，增强对水下地形的适应能力，可实现自动布放与回收，省时省力，在系统出水时第一时间将预处理的剖面观测数据传回基站，时效性高。

Description

一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，具体涉及一种基于水陆两栖无人机的水下光场剖面监测系统中的面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置。

背景技术

构建和完善立体水体环境监测体系势在必行。

现有技术中的监测体系可以按照搭载平台分为固定式和可移动式。固定式监测平台如岸基站、锚系浮标等可以提供长时间序列观测数据，但是采样的覆盖范围有限；移动式面源观测平台包括卫星、无人机等，可以提供各种时空尺度的水体信息，然而无法获取水体剖面数据。随着无人船、水下机器人、漂流浮标等的逐渐成熟，可移动式自主剖面观测系统已经成为应用和研究热点。

自动剖面漂流浮标可以按照设定的时间间隔定期自动沉浮，在下沉和上升过程中对水体参数进行剖面测量，并在水表面经通讯设备传输数据。现有技术中的自动剖面漂流浮标多设计为深海监测用途，无法应用到水深较浅且地形复杂湖库型水体。此外，漂流浮标的定期回收需要依靠人工逐个打捞，费时费力。因此，需要在现有技术基础上根据湖库型剖面监测应用场景进一步完善。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，能够精准控制剖面工作深度，增强对水下地形的适应能力，可实现自动布放与回收，省时省力，在系统出水时第一时间将预处理的剖面观测数据传回基站，时效性高。

本发明所采用的技术方案为：

一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,包括有密封内壳和浮力外壳，浮力外壳围设于密封内壳外部；所述浮力外壳上设置有多个收纳槽，密封内壳上铰接设置有多根机臂；每根机臂能够绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内；

所述密封内壳上设置有至少一个声呐测距模块和至少一个深度传感器；

所述密封内壳内部设置有电气控制装置和气动控制装置，所述电气控制装置用于根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳的浮力、控制机臂旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态。

进一步的，所述浮力外壳为由浮力材料构成的椭球体；浮力外壳上沿圆周方向均匀设置多个竖直方向的收纳槽；

所述密封内壳的外壁顶端对应于每个收纳槽的位置分别设置有铰接机构，每根机臂的上端分别铰接连接在铰接机构上，每根机臂的下端分别设置有飞行旋翼。

进一步的，所述浮力外壳包括有多个分隔设置的扇形的球瓣，相邻两个球瓣之间的分隔空间构成收纳槽；

每个球瓣分别由一个扇形内圆柱面、两个直径面和一个扇形外球面围合构成；每个球瓣分别通过内圆柱面固定粘接于密封内壳的外表面上。

进一步的，每个所述球瓣的内部分别设置有矩形的浮力调节腔，每个浮力调节腔内分别设置浮力气囊。

进一步的，所述浮力外壳的至少一个球瓣的下部设置有凹槽腔，所述凹槽腔用于定位安装声呐测距模块。

进一步的，每个所述球瓣上设置排列有若干竖直方向上的第一通孔，每个第一通孔的上下两端分别开口于球瓣的外球面上；

每个所述球瓣的两个直径面上排列设置有若干对圆孔，每对圆孔之间通过横向的弧形孔道互相贯通。

再进一步的，所述密封内壳的顶端套设有上固定环和下滑环，所述铰接机构设置于上固定环与下滑环之间；

所述上固定环和下滑环分别由多段扇形的环片组合构成；下滑环的相邻两段环片之间还设置有滑轮。

再进一步的，所述上固定环和下滑环的环片数量与浮力外壳的球瓣数量相同、交错设置；

每个所述球瓣的上段中部设置有导向槽，所述导向槽用于提供滑轮的滑移行程空间。

再进一步的，所述上固定环上对应于每个收纳槽的位置分别设置有固定座，下滑环上对应于每个收纳槽的位置分别设置有铰接座，机臂根部通过一对叉板铰接连接于固定座与铰接座之间，且一对叉板的后端通过一导向轴滑动设置于铰接座中部的滑槽内；

所述固定座之间与铰接座之间设置有机臂展开气囊；

所述上固定环与下滑环之间还设置有复位机构。

最后，所述电气控制装置包括有电源、电源管理控制模块、数据传输遥控模块和飞行控制模块，电源、电源管理控制模块、数据传输遥控模块和飞行控制模块按照自下至上的顺序依次设置于密封内壳的内腔；

所述密封内壳的顶部还设置有深度传感器和防水开关，密封内壳的底部还通过透明半球罩设置有云台摄像头组件；

所述气动控制装置包括有耐压储气罐和隔膜真空气泵，耐压储气罐经隔膜真空气泵连接至机臂展开气囊和浮力气囊；所述隔膜真空气泵用于将耐压储气罐内的气体输送至机臂展开气囊和浮力气囊内，或者将机臂展开气囊和浮力气囊内的气体抽吸回输至耐压储气罐内。

本发明的有益效果为：

一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，机身外部设置密封内壳、浮力外壳声呐测距模块和深度传感器；浮力外壳围设于密封内壳外部；浮力外壳上设置多个收纳槽，密封内壳上铰接设置多根机臂；每根机臂绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内；机身内部设置电气控制装置和气动控制装置，电气控制装置根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳的浮力、控制机臂旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态；能够精准控制剖面工作深度，增强对水下地形的适应能力，可实现自动布放与回收，省时省力，在系统出水时第一时间将预处理的剖面观测数据传回基站，时效性高。

附图说明

图1～图2是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在折叠收缩时的立体结构示意图；

图3是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在折叠收缩时的平面结构示意图；

图4是图3的俯视结构示意图；

图5是图3的仰视结构示意图；

图6是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在展开时的立体结构放大示意图；

图7是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在展开时去作浮力外壳的立体结构放大示意图；

图8是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在折叠收缩时去除浮力外壳的立体结构放大示意图；

图9～图11是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的内部结构放大示意图；

图12～图13是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的浮力外壳立体结构放大示意图；

图14是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的浮力外壳平面结构放大示意图；

图15是图14的俯视结构放大示意图；

图16是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的单瓣球瓣的平面结构示意图；

图17是图16的A-A剖面结构放大示意图；

图18是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的单瓣球瓣另外一个视角的平面结构示意图；

图19是图18的B-B剖面结构放大示意图；

图20是图18的C-C剖面结构放大示意图；

图21是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的气路连接结构示意图；

图22是本发明实施例一面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的电路连接结构示意图。

具体实施方式

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、完整地描述，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。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。

如图1～22所示，本发明为了解决现有技术中的技术问题，提供一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，整体策划方案首先构思提供一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的机械结构，主要支撑结构由密封内壳27和浮力外壳28组合构成，浮力外壳28围绕设置在密封内壳27的外部，使得本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的机身通过密封内壳具有足够的机械强度和密封性能，同时通过浮力外壳28具有漂浮的能力。

在浮力外壳28上设置多个收纳槽，在密封内壳27的外壁上铰接安装多根机臂33；每根机臂33能够绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内，从而能够根据使用需求展开切换至飞行状态或者折叠收纳切换至漂浮状态。还可以在每根机臂33的外部再套装一层浮力套34，进一步提高漂浮能力，以及漂浮稳定可靠性能。

在密封内壳27上设置至少一个声呐测距模块29和至少一个深度传感器47，通过声呐测距模块29和深度传感器47实时监测本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的深度、距离等位置信息。

在密封内壳27的内部设置电气控制装置和气动控制装置，通过电气控制装置根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳28的浮力、控制机臂33旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态；调节浮力外壳28的浮力同时还可以控制下潜深度，以适应不同漂浮场合的不同使用需求。

进一步的，浮力外壳28为由浮力材料构成的椭球体结构，椭球体结构便于在水中漂浮。

在浮力外壳28上沿圆周方向均匀设置多个竖直方向的收纳槽，在密封内壳27的外壁顶端对应于每个收纳槽的位置分别设置铰接机构，每根机臂33的上端分别铰接连接在铰接机构上，每根机臂33的下端分别设置飞行旋翼。每个机臂33可绕铰接点旋转打开至水平方向呈飞行状态，以便通过机臂末端的飞行旋翼进行飞行，或者每个机臂可绕接点旋转至竖直方向呈折叠收缩状态，以便从飞行状态切换至入水状态，同时通过浮力外壳提供浮力，避免猛烈撞击水面和快速完全沉入水下，确保运行稳定可靠。

进一步的，浮力外壳28具体由多个分隔设置的扇形的球瓣281组合构成，每两个相邻球瓣之间的分隔空间构成收纳槽；同时机臂折叠收缩后，其主体部分不会凸出至浮力外壳的外球面，整体结构保持近似于椭球体，漂浮过程中不会因触碰损坏或者钩挂其他物品安全性能好。

每个球瓣281分别由一个扇形内圆柱面2811、两个直径面2812和一个扇形外球面2813围合构成；每个球瓣281分别通过内圆柱面2811固定粘接在密封内壳27的外表面上，结构简单紧凑，操作方便，占用空间小。

进一步的，在每个球瓣281的内部分别设置矩形的浮力调节腔2814，在每个浮力调节腔2814的内部可以分别设置可以充放气的浮力气囊，通过浮力气囊可以调节浮力外壳的浮力。本例中的附图中未示出浮力气囊，浮力气囊的具体结构特征可与机臂展开气囊46的结构相同。

进一步的，在浮力外壳28的至少一个球瓣的下部还设置一个凹槽腔2815，通过凹槽腔2815可以定位安装声呐测距模块29，使得声呐测距模块29不外露，进一步确保浮力外壳的椭球体外形。

进一步的，在每个球瓣281上分别设置排列若干竖直方向上的第一通孔2816，每个第一通孔2816的上下两端分别开口于球瓣的外球面上，通过竖直方向上的第一通孔2816为本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置在进入水中时构成排水孔，确保入水时稳定可靠，不会侧翻歪倒。

在每个球瓣281的两个直径面2812上排列设置若干对圆孔，每对圆孔之间通过横向的弧形孔道2817互相贯通，通过弧形孔道2817进一步为本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置提供在进入水中时的排水孔道，进一步确保入水时稳定可靠，不会侧翻歪倒。

再进一步的，在密封内壳27的顶端套设上固定环37和下滑环44，铰接机构设置上固定环37与下滑环44之间；下滑环44沿着密封内壳的外壁上下滑动时，通过铰接机构推动机臂向上旋转打开或者向下旋转折叠收纳。

上固定环37与下滑环44分别由多段扇形的环片拼接组合构成圆环形结构，套设在密封内壳的外臂上端，相邻两个环片之间通过类似于抱箍的紧固结构固定连接，具体套设过程中，上固定环37紧固后通过过盈配合固定套设在密封内壳的外壁上端，下滑环44紧固后通过间隙配合可移动地套设在密封舱的外壁上。

并且在下滑环的相邻两段环片之间还分别设置一个滑轮442，下滑环44紧固后通过滑轮442可移动地套设于密封舱的外壁上。

再进一步的，上固定环37和下滑环44的环片数量相同，并且与浮力外壳28的球瓣的数量也相同，上固定环37与下滑环44的环片在竖直方向上互相对应，浮力外壳28的球瓣在竖直方向上与上固定环37和下滑环44的环片交错设置，每个球瓣的中心位置与相邻两个环片的间隔空间位置相对应，也即每个球瓣的中心位置与相邻两个环片之间的滑轮中心位置相对应。

在每个球瓣的上段中部设置导向槽2818，导向槽2818用于提供相邻两个环片的紧固连接端部与滑轮442的滑移行程空间。

再进一步的，铰接机构的具体结构如下：

在上固定环37上对应于每个收纳槽的位置分别设置一个向外凸出的矩形的固定座371，在下滑环44上对应于每个收纳槽的位置分别设置一个向外凸出的矩形的铰接座442，将机臂33的根部通过一对叉板35铰接连接在固定座371与铰接座442之间，每个叉板35为钝角V形板，具体夹角为135°；叉板的前半段固定连接接机臂上，叉板的中部铰连接在固定座的支点上；并且在一对叉板35的后端之间连接一根导向轴36，导向轴36滑动设置在铰接座442中部的滑槽443内。

固定座371和铰接座442向外凸出的距离小于或者等于浮力外壳的最大外径，使得机臂折叠收缩时，本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的整体外轮廓在竖直方向上的投影面积不超出椭球体在竖直方向上的投影面积的外轮廓，进一步确保入水时稳定可靠，不会侧翻歪倒，以及确保在漂浮在水面上时的平衡稳定性能，也不会受外部障碍物刮碰钩挂影响。

在固定座371与铰接座442之间再设置一个能够充放气的机臂展开气囊46；在上固定环37与下滑环44之间还设置弹簧的复位机构，复位机构具体可以为由拉伸弹簧49或者弹力绳等其他弹性件构成的弹簧复位机构。拉伸弹簧49具体安装结构如下：

在每个固定座和铰接座的内端两侧分别固定设置一根长螺栓，每侧分别设置一根拉伸弹簧，每根拉伸弹簧的上下两端分别限位固定连接在长螺栓上；还可以在每根长螺栓的外端分别设置防脱凹槽，防止拉伸弹簧脱落，稳定可靠。

机臂需要展开时，对气囊46充气，对铰接座施加向下的推力作用，从而推动铰接座带动下滑环通过滑轮沿密封内壳的外壁向下移动，铰接座向下移动的同时，通过导向轴36带动一对叉板的后端绕铰接点向下旋转，一对叉板的前半段带机臂一起向上旋转，从而实现机臂的旋转打开。拉伸弹簧49同时被拉伸变形，产生弹性回复力。

机臂需要收缩时，对气囊46放气，气囊46体积缩小，铰接座失去气机臂展开囊的推力作用，同时在拉伸弹簧49的弹性回复力作用下，拉动铰接座向上复位，从而带动下滑环通过滑轮沿密封内壳的外壁向上移动；铰接座向上移动的同时，通过导向轴36带动一对叉板的后端绕铰接点向上旋转，一对叉板的前半段带机臂一起向下旋转，从而实现机臂的旋转折叠收缩；由于机臂外端安装有飞行旋翼，铰接座失去气机臂展开囊的推力作用后，飞行旋翼与机臂的自身重力作用同时也辅助推动机臂向下旋转，省时省力，操作方便，稳定可靠。

最后，密封内壳内部的电气控制装置主要结构为电源4、电源管理控制模块6、数据传输遥控模块22和飞行控制模块23等电气模块，电源4、电源管理控制模块6、数据传输遥控模块22和飞行控制模块23按照自下至上的顺序依次设置于密封内壳的内腔；重量最重的电源4设置于密封内壳的内腔下部，使得本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的重心位于机身下部，同时通过椭球体结构的浮力外壳和机臂上的浮力套、机臂展开气囊以及浮力气囊等结构使得本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的浮心位于机身上部，实现了浮心在上重心在下，确保本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置不会侧翻，稳定可靠。

并在密封内壳27的顶部还设置深度传感器47和防水开关，深度传感器47检测位置数据准确，防水开关确保防水性能的同时实现电源开关控制。在密封内壳的底部还通过透明半球罩24设置云台摄像头组件1；云台摄像头组件1透过透明半球罩24可以实时拍摄记录漂浮和数据采集过程。本发明的附图中未示出防水开关，具体可以按照现有技术中的常规防水开关结构进行适应性选择改进即可。

气动控制装置的主要结构为耐压储气罐5和隔膜真空气泵17，耐压储气罐5经隔膜真空气泵17连接至机臂展开气囊和浮力气囊；通过隔膜真空气泵17可以将耐压储气罐内的气体输送至机臂展开气囊和浮力气囊内，或者将机臂展开气囊和浮力气囊内的气体抽吸回输至耐压储气罐内，从而实现对机臂展开气囊和浮力气囊的浮力调节控制。

本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，机身外部设置密封内壳、浮力外壳声呐测距模块和深度传感器；浮力外壳围设于密封内壳外部；浮力外壳上设置多个收纳槽，密封内壳上铰接设置多根机臂；每根机臂绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内；机身内部设置电气控制装置和气动控制装置，述电气控制装置根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳的浮力、控制机臂旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态；能够精准控制剖面工作深度，增强对水下地形的适应能力，可实现自动布放与回收，省时省力，在系统出水时第一时间将预处理的剖面观测数据传回基站，时效性高。

实施例一中提供的面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，在浮力外壳28上设置四个收纳槽，在密封内壳27的外壁上铰接安装四根机臂33，在飞行状态时构成四旋翼无人机；浮力外壳28具体由四个分隔设置的扇形的球瓣281组合构成；上固定环37与下滑环44分别由四段扇形的环片拼接组合构成圆环形结构；在上固定环37上设置四个固定座371，在下滑环44上设置四个铰接座442。

本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置优点在于：

1、本发明采用两栖剖面漂流浮标，相较于海洋剖面漂流浮标可以更加精准控制剖面工作深度，增加了对水下地形的适应能力，适合湖库型水体监测应用场景。

2、本发明采用无人平台可实现自动布放与回收，省时省力，并且在系统出水时第一时间将预处理的剖面观测数据传回基站，具有更好的时效性。

实施例一具体实施过程如下：

本发明是为了提升浮标测量平台可以快速回收并扩展一些其他功能提出的，可以说是一个新型的测量浮标。如上图所示：整体呈椭球形，外部中间是电子电源等密封内壳27由椭球形镂空浮力外壳28包围通过强力胶水固定，在椭球形内部开有空腔49以及凹槽50便于舱外浮力外壳28内的浮力气囊，声呐测距模块29的限位固定，以及机臂折叠铰接机构的上下旋转活动，也可以达到椭球上部分浮力大于下部分浮力使其整个浮标装置浮力增大，达到浮心在重心上方的目的。

本发明为了解决现有技术中的浮标测量平台不能快速回收等问题，策划一种可以快速回收并扩展一些其他功能的浮标测量平台，提供一种新型的测量浮标。

整体呈椭球体形结构，首先在机身的外部设置两层壳体，分别是圆柱筒形结构的密封内壳27和椭球形的浮力外壳28，由椭球形镂空浮力材料构成的浮力外壳28围绕设置在密封内壳27的外部，并通过强力胶水固定粘贴在密封内壳27的外壁上；使得本发明面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置的机身通过密封内壳具有足够的机械强度和密封性能，同时通过浮力外壳28具有漂浮的能力。

在椭球形浮力外壳28的内部开设浮力调节腔2814以及凹槽腔2815，便于舱外浮力外壳28的内置浮力气囊和声呐测距模块29的限位固定，以及机臂折叠铰接机构的上下活动，也可以达到椭球上部分浮力大于下部分浮力使其整个浮标装置浮力增大，达到浮心在重心上方的目的。

密封内壳27采用圆柱筒形结构，在密封内壳27的上下两端分别设置铝合金材质的上密封法兰25和下密封法兰26，上密封法兰25和下密封法兰26，分别通过两层防水密封O型胶圈密封连接在密封内壳27的上下两端，上下两端共四个密封胶圈；密封连接组装完成后需抽气至-20inHG进行真空度测试即气密性测试，同时抽气形成真空可进一步将密封胶圈锁死扣紧。

在密封内壳27的内底部固定安装云台摄像头组件1，云台摄像头组件1固定在内部支架2的底端上；在密封内壳27的底端与下密封法兰26之间还卡装一个半球形的亚克力罩24，云台摄像头组件1可以通过透明亚克力罩24进行实时拍照以及录像等。

内部支架2由四根支撑柱以及多层水平方向的支撑板组合构成；在内部支架2内部位于云台摄像头组件1上方的空间自下至上依次通过螺丝固定安装电源4、耐压储气罐5、电源管理控制板6、分压分电板7、隔膜真空气泵17、应急气体小钢瓶14、气路控制板19、微型计算机20、漏水检测传感器18、电磁继电器21、数据传输遥控模块22以及飞行控制板23；电源管理控制板6为其他电子配件进行供电以及控制电源的通断，同时具备电压电流检测功能便于显示电源剩余电量。

在上密封法兰25的顶面上设置四个穿线螺栓，以及一个深度传感器47和一个防水开关，四个穿线螺栓分别是第一穿线螺栓40、第二穿线螺栓41、第三穿线螺栓42和第四穿线螺栓；当需要增加其他设备时再开孔安装穿线螺栓即可，至于导线通过环氧树脂进行防水密封，密封后在进行气密性测试确保密封完整，其中第一穿线螺栓40用于密封连接从舱内的耐压储气罐5连接至舱外的浮力外壳28内置的四个浮力气囊的高压气管；第二穿线螺栓41用于密封连接从舱内的耐压储气罐5连接至舱外的四个机臂展开气囊46的高压气管；第三穿线螺栓42用于密封连接声呐测距模块29导入舱内的电气导线；第四穿线螺栓用于密封安装深度传感器47。

本发明的附图中未示出防水开关，具体可以按照现有技术中的常规防水开关结构进行适应性选择改进即可。

在舱体外围设置上下两套铝合金套件，即上固定环37与下滑环44，用于铰接安装连接折叠机臂33，上固定环37与下滑环44分别由四段扇形的环片拼接组合构成圆环形结构，套设在密封内壳的外臂上端，相邻两个环片之间通过类似于抱箍的紧固结构固定连接，具体套设过程中，上固定环37紧固后通过过盈配合固定套设在密封内壳的外壁上端，下滑环44紧固后通过间隙配合可移动地套设在密封舱的外壁上。上固定环37的每个环片中部设置向外凸出的矩形固定座371，在固定座两侧固定安装一对等腰直角三角形支板，一对支板的一条直角边固定连接在固定座上，即一对支板的直角顶角和一个底角通过长螺栓固定连接在固定座上，一对支板的另外一个底角作为铰接连接点；下滑环44的每个环片中部设置向外凸出的矩形铰接座442，机臂通过一对叉板铰接连接在一对支板上；一对叉板的后端之间连接一根导向轴36，导向轴36滑动设置在铰接座442中部的滑槽443内。

在每个固定座和铰接座的内端两侧分别固定设置一根长螺栓，每侧分别设置一根拉伸弹簧或者弹力绳等其他拉力配件，每根拉伸弹簧的上下两端分别限位固定连接在长螺栓上；还可以在每根长螺栓的外端分别设置防脱凹槽，防止拉伸弹簧脱落，稳定可靠。

上固定环37与下滑环44的尺寸、厚度等根据机臂展开气囊46的实际形状大小或其他情况而定。

在下滑环的相邻两段环片之间还分别设置一个滑轮442，下滑环44紧固后通过滑轮442可直线移动地套设于密封舱的外壁上。

内部结构特征：

在密封内壳27的内底部固定安装云台摄像头组件1，云台摄像头组件1固定在内部支架2的底端上；在密封内壳27的底端与下密封法兰26之间还卡装一个半球形的亚克力罩24，云台摄像头组件1可以通过透明亚克力罩24进行实时拍照以及录像等。

内部支架2由四根支撑柱以及多层水平方向的支撑板组合构成；在内部支架2内部位于云台摄像头组件1上方的空间自下至上依次通过螺丝固定安装电源4、耐压储气罐5、电源管理控制板6、分压分电板7、隔膜真空气泵17、应急气体小钢瓶14、气路控制板19、微型计算机20、漏水检测传感器18、电磁继电器21、数据传输遥控模块22以及飞行控制板23；电源管理控制板6为其他电子配件进行供电以及控制电源的通断，同时具备电压电流检测功能便于显示电源剩余电量。

气动控制装置还设置第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12和第五电磁阀13，由于电磁阀体积较小，将第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12和第五电磁阀13围绕安装固定在隔膜真空气泵17的周围空间内，充分提高空间利用率，并通过螺丝固定。应急气体小钢瓶14和气瓶接口件15固定安装在第一电磁阀9和第二电磁阀10上方的空间，应急气体小钢瓶14通过气瓶接口件15引出的气管连接到第四电磁阀12和第五电磁阀13，第四电磁阀12和第五电磁阀13上方的空间用于固定安装减压阀16，第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12、第五电磁阀13和减压阀16高压小钢瓶14及接口15以及隔膜真空气泵17通过螺丝固定在支架2上，在此上方支架上放置的是气路控制板19和微型计算机20以及漏水检测传感器18，并通过螺丝固定在支架2上，在此层上方放置的为电磁继电器21，通过螺丝固定在支架2上，在此层上方放置的是数据传输、遥控器模块22以及飞行控制板23。以上所述支架2可采用亚克力，铝合金等材质均可，耐压储气罐5可以为储存各种高压气体的各类材质高压气罐气瓶；第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12和第五电磁阀13可以采用二位二通常闭型电磁气阀，电磁继电器21可以采用微型数字型单路或多路继电器。

水下浮力调节装置的气路连接：

结合气路图，耐压储气罐5通过快插三通用高压气管与第一电磁阀9的OUT出气口连通以及第二电磁阀10的IN进气口连通，第二电磁阀10的OUT出气口以及第四电磁阀12的OUT出气口通过快插三通与隔膜真空泵17的IN进气口连接，隔膜真空泵17的OUT出气口通过三通分别于第一电磁阀9以及第五电磁阀13的IN进气口连接，经五电磁阀13的OUT出气口和第三电磁阀11的OUT出气口以及第四电磁阀12的IN进气口通过快插多通以及高压气管通过第一穿线螺栓40和第二穿线螺栓41连接至与外部折叠机臂气囊46以及浮力气囊，应急高压气体小钢瓶14通过气瓶接口件15连接到减压阀16的IN进气口，通过减压从OUT口输出接入到第三电磁阀11的IN口。最终连接至外部四个浮力气囊，用于实现控制浮力以及控制机臂的折叠与展开。高压气管可以为各类材质的耐高压气管。

水下浮力调节装置的电路连接结构如下：

电源4与电源管理控制板6通过电气导线连接，防水开关与电源管理控制板6连接用于控制整个电路的供电，分压分电板7通过导线与电源管理控制板6的输出接口连接，分压分电板7输出口分别与气路及传感器控制板19(5V供电输出口)、电磁继电器21通过导线相连，电磁继电器21与第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12和第五电磁阀13以及隔膜真空泵17相连(此部分负极共地，正极都是单独与继电器各输出正极相连)，深度传感器47、声呐29、漏水传感器18为信号导线连接在气路及传感器控制板19上，各传感器从气路及传感器控制板19的UART和I2C口获得供能，并同时向气路及传感器控制板19发回采集的数据信息用于判断抉择，气路及传感器控制板19通过信号导线与电磁继电器21连接控制各第一电磁阀9、第二电磁阀10、第三电磁阀11、第四电磁阀12和第五电磁阀13以及隔膜真空泵17的供电通断，控制折叠机臂部分气囊还是浮力材料中的浮力气囊。气路及传感器控制板19通过信号导线与深度传感器、声呐测距模块29和云台摄像头等传感监测设备连接，而深度传感器、声呐测距模块29和云台摄像头等传感监测设备数据线也连接在气路及传感器控制板19上进行数据采集保存处理等，分压分电板7同时分电为飞行控制板23 5V供电，同时飞行控制板23信号线连接在电调上进而控制电机32，电调供电是电源管理控制板6供电。

具体工作原理如下：

浮标布放：

需要在湖泊中布置浮标时，先获取到需要布置浮标的点位数据信息，将点位数据信息上传至浮标平台，此时浮标机臂展开开始飞行到指定位置，开始下降，由于装载了摄像系统在整个过程可实时回传保存画面，在距离水面1-2m左右时飞行控制电机断电停转，浮标平台外形为椭球形且浮力靠上浮心在上重心在下，这样保证浮标平台不会侧翻，此时浮力材料中气囊为展开状态浮力大于重力，浮标漂流在水面可进行水表数据的采集；下潜和机臂折叠可以独立分开控制也可以同时控制。

需要下潜以及机臂折叠动作时，根据信号指令通过气路及传感器控制板19向电磁继电器21发送指令使第一电磁阀9、第四电磁阀12以及隔膜真空泵17通电状态开始工作，将外部浮力材料中浮力气囊以及机臂折叠气囊46中的气体抽回到舱内的耐压储气罐5中，即外部浮力材料中的浮力气囊以及机臂折叠气囊46的气体通过第四电磁阀12再经过隔膜真空泵17再通过第一电磁阀9导入到储气罐5中，在此过程中第二电磁阀10、第三电磁阀11和第五电磁阀13为常闭状态不参与运行。随着外部浮力材料中浮力气囊以及机臂折叠气囊46内的气体逐渐减少，其体积不断缩小，浮力减小，重力大于浮力开始下潜，同理，机臂折叠气囊46由于收缩以及弹簧等弹力配件39的弹性回复力作用，结合机臂33末端自身的重量，下滑环44开始向上滑动发生位移，并带动一对135°的叉板35，绕固定座上的一对三角连接板36的铰接支点开始向下旋转折叠，以此实现机臂部分的折叠，同时浮力逐渐降低，最终重力大于浮力产生下潜运动，在下沉过程中声呐测距模块29的以及深度传感器47都在实时读取数据并反馈给气路及传感器控制板19作为何时停止下沉的依据，当下沉到一定深度后，向外部浮力材料中浮力气囊充气进行上浮，上浮至水面时回收时，控制机臂33的展开等操作。浮标平台根据任务以及时间在水体中、下潜上浮循环采样、视频保存，并根据电池检测进行自动回收或手动发送指令回收。根据电池大小可布置在水体中几天到几十天不等以此满足长时间序列数据的采集工作。

回收浮标：

根据以上描述，当完成数据采集后只要浮出水面就可进行数据传输发送至地面端，完成远程数据的采样发送，完成长时间序列的采样；当需要回收浮标平台时，向外部浮力材料中浮力气囊充气进行上浮至漂浮在水面，控制机臂33展开准备起飞，气路及传感器器控制板19发送信号给电磁继电器21，将第二电磁阀10、第五电磁阀13控制在通电常开状态，隔膜真空泵17开始通电工作，密封内壳27内的储气罐5的高压气体通过耐压气管依次经第二电磁阀10、隔膜真空泵17和第五电磁阀13导入到外部折叠机臂气囊46中，此过程第一电磁阀9、第一电磁阀11和第四电磁阀12均处于断电常闭状态不参与运行。随着外部折叠机臂气囊46内的气体逐渐增加，折叠机臂气囊46体积也逐渐增大，此时在折叠机臂气囊46充气膨胀状态的体积变化作用下，推动下滑环44向下移动，由于机臂部分通过135°的一对叉板35连接在下滑环44的导轨上，因此机臂也随之发生运动变化，机臂又通过三角连接板与上方固定座和上固定环37连接，因此机臂33只能围绕铰接轴心旋转，从而实现机臂的旋转展开，最终完成机臂展开动作。此过程中深度传感器29、声呐测距模块47、漏水传感器18一直处于工作状态，气路及传感器器控制板19实时获取数据，作为是否是正常状态的依据，必要时采取紧急措施。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置，其特征在于：包括有密封内壳和浮力外壳，浮力外壳围设于密封内壳外部；所述浮力外壳上设置有多个收纳槽，密封内壳上铰接设置有多根机臂；每根机臂能够绕铰接点旋转展开或者折叠收纳至收纳槽内；

所述密封内壳上设置有至少一个声呐测距模块和至少一个深度传感器；

所述密封内壳内部设置有电气控制装置和气动控制装置，所述电气控制装置用于根据声呐测距模块和深度传感器采集的数据信息驱动气压控制装置调节浮力外壳的浮力、控制机臂旋转展开至飞行状态或者折叠收缩至漂浮状态。

2.根据权利要求1所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述浮力外壳为由浮力材料构成的椭球体；浮力外壳上沿圆周方向均匀设置多个竖直方向的收纳槽；

所述密封内壳的外壁顶端对应于每个收纳槽的位置分别设置有铰接机构，每根机臂的上端分别铰接连接在铰接机构上，每根机臂的下端分别设置有飞行旋翼。

3.根据权利要求1所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述浮力外壳包括有多个分隔设置的扇形的球瓣，相邻两个球瓣之间的分隔空间构成收纳槽；

每个球瓣分别由一个扇形内圆柱面、两个直径面和一个扇形外球面围合构成；每个球瓣分别通过内圆柱面固定粘接于密封内壳的外表面上。

4.根据权利要求3所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：每个所述球瓣的内部分别设置有矩形的浮力调节腔，每个浮力调节腔内分别设置浮力气囊。

5.根据权利要求3所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述浮力外壳的至少一个球瓣的下部设置有凹槽腔，所述凹槽腔用于定位安装声呐测距模块。

6.根据权利要求3所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：每个所述球瓣上设置排列有若干竖直方向上的第一通孔，每个第一通孔的上下两端分别开口于球瓣的外球面上；

每个所述球瓣的两个直径面上排列设置有若干对圆孔，每对圆孔之间通过横向的弧形孔道互相贯通。

7.根据权利要求4所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述密封内壳的顶端套设有上固定环和下滑环，所述铰接机构设置于上固定环与下滑环之间；

所述上固定环和下滑环分别由多段扇形的环片组合构成；下滑环的相邻两段环片之间还设置有滑轮。

8.根据权利要求7所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述上固定环和下滑环的环片数量与浮力外壳的球瓣数量相同、交错设置；

每个所述球瓣的上段中部设置有导向槽，所述导向槽用于提供滑轮的滑移行程空间。

9.根据权利要求7所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述上固定环上对应于每个收纳槽的位置分别设置有固定座，下滑环上对应于每个收纳槽的位置分别设置有铰接座，机臂根部通过一对叉板铰接连接于固定座与铰接座之间，且一对叉板的后端通过一导向轴滑动设置于铰接座中部的滑槽内；

所述固定座之间与铰接座之间设置有机臂展开气囊；

所述上固定环与下滑环之间还设置有复位机构。

10.根据权利要求9所述面向湖库水体环境监测的两栖剖面漂流装置,其特征在于：所述电气控制装置包括有电源、电源管理控制模块、数据传输遥控模块和飞行控制模块，电源、电源管理控制模块、数据传输遥控模块和飞行控制模块按照自下至上的顺序依次设置于密封内壳的内腔；

所述密封内壳的顶部还设置有深度传感器和防水开关，密封内壳的底部还通过透明半球罩设置有云台摄像头组件；

所述气动控制装置包括有耐压储气罐和隔膜真空气泵，耐压储气罐经隔膜真空气泵连接至机臂展开气囊和浮力气囊；所述隔膜真空气泵用于将耐压储气罐内的气体输送至机臂展开气囊和浮力气囊内，或

者将机臂展开气囊和浮力气囊内的气体抽吸回输至耐压储气罐内。