一种用于海洋探测的浮标微系统技术方案

本发明专利技术公开了一种用于海洋探测的浮标微系统，所述浮标微系统包括浮标、水下采集系统、定位系统、数据存储系统，其中：所述定位系统、数据存储系统搭载在浮标上；所述水下信息采集系统位于水下用于采集磁信号和水声信号；所述定位系统用于采集加速度信号与GPS信号，监测浮标的位置与姿态信息；所述数据存储系统用于将定位系统与水下采集系统的信息轮询读取并储存在SD卡上。本发明专利技术的浮标微系统体积微小易于布放，结构稳定入水安全，在缩减了浮标体积的同时完成水下磁、水声信息、加速度及GPS信号的监测及存储。

A buoy micro system for ocean exploration

The invention discloses a buoy micro-system for ocean exploration. The buoy micro-system comprises a buoy, an underwater acquisition system, a positioning system and a data storage system, wherein the positioning system and a data storage system are mounted on the buoy, and the underwater information acquisition system is located underwater for acquiring magnetic signals and underwater sound. The positioning system is used to collect acceleration signals and GPS signals to monitor the position and attitude information of the buoy, and the data storage system is used to read and store the information between the positioning system and the underwater acquisition system by polling and storing it on the SD card. The buoy micro-system of the invention is small in size and easy to deploy, and the structure is stable and safe for entering water. The buoy can realize the monitoring and storage of underwater magnetic, underwater acoustic information, acceleration and GPS signals while reducing the volume of the buoy.

【技术实现步骤摘要】
一种用于海洋探测的浮标微系统
本专利技术属于海洋水下信息采集
，涉及一种海洋浮标，具体涉及一种集成了水下采集系统、定位系统与数据存储系统的海洋探测浮标微系统。
技术介绍
针对水下信息的探测一般有两种方法，一种是将传感器装置在测量船上，随船移动进行探测。但测量船目标大、隐蔽性弱及船体自身噪声对探测系统的影响限制了这种方法的应用。另一种是将探测系统搭载在浮标上。海洋浮标是为了测量海洋的环境数据而放置在海平面上的浮动结构，它可以在恶劣海况下，无人看守、长时间不间断运行在海平面上，能够自动地对水下环境进行全面观测。但是浮标体积较大不适用于飞机抛洒等布放方式，且探测信息仅以水声信号为主，仅通过单个矢量水听器不能更好地对空间目标进行定位，因此研究能够综合探测磁信号与水声信号的浮标微系统具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对探测浮漂的应用环境和探测需求，提供了一种体积微小的用于海洋探测的浮标微系统，通过TMR磁传感器、水听传感器、MEMS加速度计、GPS传感器进行水下信息的可靠采集，并通过无线传输系统将数据发送至范围内无人机，使数据实现中继传输。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于海洋探测的浮标微系统，包括浮标、水下采集系统、定位系统、数据存储系统，其中：所述定位系统、数据存储系统搭载在浮标上；所述水下信息采集系统位于水下用于采集磁信号和水声信号；所述定位系统用于采集加速度信号与GPS信号，监测浮标的位置与姿态信息；所述数据存储系统用于将定位系统与水下采集系统的信息轮询读取并储存在SD卡上。相比于现有技术，本专利技术具有如下优点：1、本专利技术的浮标采用球形浮体加装整流罩的方式以保护结构，减少投掷入水时受到的海水冲击力。2、本专利技术的水下采集系统面向区域化海洋探测的微型磁异常、水声传感器的系统集成技术并保证传感系统的探测精度。3、本专利技术的定位系统利用三轴加速度计和GPS模块监测浮标位置与姿态信息，基于微处理器的低功耗模式工作，由GPS和加速度计定时器触发中断，唤醒微处理器进行信息通信。4、本专利技术的数据存储系统基于Freertos操作系统的多任务程序，通过挂载SD卡进行多传感器信号的存储，保证系统能够长时间记录水下信息。5、本专利技术的浮标微系统体积微小易于布放，结构稳定入水安全，在缩减了浮标体积的同时完成水下磁、水声信息、加速度及GPS信号的监测及存储。附图说明图1是本专利技术用于海洋探测的浮标微系统的整体结构框图；图2是浮标的结构示意图，a-浮标整体展开图，b-漂浮状态下的微浮标姿态；图3是定位系统的软件流程图；图4是水下信息采集系统的处理框图；图5是数据存储系统的软件框图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种用于海洋探测的浮标微系统，如图1所示，所述浮标微系统包括浮标1、水下信息采集系统2、定位系统3、数据存储系统4四部分，其中：所述浮标1的整体展开如图2a所示，其工作状态（漂浮状态）如图2b所示。浮标1为由上壳体1-1和下壳体1-2构成的内部中空的球形浮体，其整体外壳采用ABS材料，球形浮体采用上下拼接的方式，内部中空便于放置核心板。浮标1的内部设置有支撑骨架1-3，支撑骨架1-3分为三层，各部件基于支撑骨架安装，其中：太阳能电池板1-4和天线1-6置于支撑骨架1-3最上层；数据存储系统集成在无线传输系统1-5中，无线传输系统1-5位于太阳能电池板1-4下面且置于支撑骨架1-3中间层，与其天线1-6接近，定位系统3置于无线传输系统1-5的下面；电源管理电路1-7位于定位系统3的下面且置于支撑骨架1-3最下层，与下方的锂电池1-8接近；海浪能量收集器1-9、锂电池1-8位于球形浮体下部，锂电池1-8位于电源管理电路1-7下面。各部件中心位于轴线上。下壳体1-2的下部设置有整流罩1-11，下壳体1-2的下部和整流罩1-11之间设置有探头1-10，水下信息采集系统2位于探头1-10中，工作时探头1-10深入水下进行采集。整流罩1-11与探头1-10的设计质量分布保证空投过程质量分布平衡，重心位置确保空投下落过程的姿态稳定。并且微浮标入水时能经受巨大的冲击加速度，不会出现碎裂变形。整流罩1-11与球形浮体连接处采用水溶材料，便于分离；整流罩1-11厚度经过仿真计算确定，保证入水时应力形变不影响探头功能。所述水下信息采集系统2包括磁传感器和水听传感器，其中：所述磁传感器用于采集磁信号，水听传感器用于采集水声信号。由于水下信息采集系统2采集的微弱信号的信号幅度小，需要经过后续的处理后才容易被检测到，因此设计了图4所示信号处理电路，一是为了放大信号，二是为了让信号可以被数据存储系统4存储。水下采集系统2主要采集三轴磁传感器和三轴水听传感器共6路的信号，并将信号进行放大整形滤波与模数转换，将数据量存在缓冲区里等待数据存储系统处理。所述定位系统3包括MEMS加速度计、GPS传感器、微处理器，其中：加速度计用于采集加速度信号，GPS传感器用于采集GPS信号，监测浮标的位置与姿态信息，加速度信号和GPS信号通过串口上传给微处理器，由微处理器与数据存储系统通信。软件流程如图3所示，低功耗微处理器上电后初始化，读取加速度计判断是否正常工作，随后进入低功耗模式。当GPS数据引起中断时，判断定位信息的有效性，之后进入数据包解析并上传。加速度信息通过加速度计定时器触发中断，进行数据采集。定位信息均通过串口上传给微处理器，由微处理器与存储系统通信。所述数据存储系统4用于将定位系统3与水下采集系统2的信息轮询读取并储存在SD卡上。数据存储系统4的软件框图如图5所示，通过UART读取微处理器的定位数据，SPI串口读取水下信息（磁传感器、水听器），ADC_task作为spi主机轮询并接收转换完成的水听信号和磁信号，当数据缓冲区满则置位标志位1。uart_task接收到定位系统3上传的位置及加速度信息后设置标志位2以通知storage_task进行存储。storage_task挂载FATFS文件系统，实现各种信息的保存。存储文件类型为TXT格式，每组数据均有后缀表明其数据来源。本专利技术的数据存储系统4基于ESP32处理器进行多任务编程，esp32作为spi主机驱动外置高精度ADC实现了磁及水听多通道数据采集，通过串口接受定位系统上传的数据包，同时挂载了FATFS文件系统实现了各类数据的可靠存储。本专利技术浮标微系统的工作流程如下：入水后整流罩、球形浮体分离，配有质量块的探头入水，太阳能电池板与能量收集器开始工作，向锂电池供电，当锂电池达到固定电压后向水下信息采集系统供电，各传感器开始工作，并进行数据存储。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于海洋探测的浮标微系统，其特征在于所述浮标微系统包括浮标、水下采集系统、定位系统、数据存储系统，其中：所述定位系统、数据存储系统搭载在浮标上；所述水下信息采集系统用于采集磁信号和水声信号；所述定位系统用于采集加速度信号与GPS信号，监测浮标的位置与姿态信息；所述数据存储系统用于将定位系统与水下采集系统的信息轮询读取并储存在SD卡上。

【技术特征摘要】
1.一种用于海洋探测的浮标微系统，其特征在于所述浮标微系统包括浮标、水下采集系统、定位系统、数据存储系统，其中：所述定位系统、数据存储系统搭载在浮标上；所述水下信息采集系统用于采集磁信号和水声信号；所述定位系统用于采集加速度信号与GPS信号，监测浮标的位置与姿态信息；所述数据存储系统用于将定位系统与水下采集系统的信息轮询读取并储存在SD卡上。2.根据权利要求1所述的用于海洋探测的浮标微系统，其特征在于所述水下信息采集系统包括磁传感器和水听传感器，其中：所述磁传感器用于采集磁信号，水听传感器用于采集水声信号。3.根据权利要求1所述的用于海洋探测的浮标微系统，其特征在于所述定位系统包括加速度计、GPS传感器、微处理器，其中：加速度计用于采集加速度信号，GPS传感器用于采集GPS信号，加速度信号和GPS信号通过串口上传给微处理器，由微处理器与数据存储系统通信。4.根据权利要求1所述的用于海洋探测的浮标微系统，其特征在于所述数据存储系统通过UART读取微处理器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓为，张海峰，桑胜田，李晓明，蒋明，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23