水下智能浮动观测装置及其控制系统制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种水下智能浮动观测装置，包括罩舱机构、调节机构、控制观测机构；所述调节机构、控制观测机构均设置在罩舱机构内；通过调节机构能够驱使罩舱机构实现上浮、下潜、纵向剖面潜入、横向剖面滑行中的任一种或任多种动作。本发明专利技术提供的水下智能浮动观测装置，还包括机翼组件(6)；所述机翼组件(6)包括机翼伸缩机构(601)、水平机翼(602)；所述罩舱机构，包括耐压舱(19)；所述耐压舱(19)侧部设置有水平机翼容纳槽；本发明专利技术要解决的问题是针对当前海洋观测装备工作时间短、工作范围狭窄，无法长期、连续按照预定轨迹进行航行精细观测这一技术难点，提供了一种水下智能浮动观测装置及对应的控制系统。

Underwater intelligent floating observation device and its control system

The invention provides an underwater intelligent floating observation device, including a cover mechanism, a regulating mechanism and a controlling observation mechanism; the regulating mechanism and a controlling observation mechanism are all arranged in the cover mechanism; and the cover mechanism can be driven to float, submerge, dive in longitudinal section and glide in transverse section by the regulating mechanism. One or more actions. The invention provides an underwater intelligent floating observation device, which also includes a wing assembly (6); the wing assembly (6) includes a wing expansion mechanism (601) and a horizontal wing (602); the cover mechanism, including a ballast chamber (19); the side of the ballast chamber (19) is provided with a horizontal wing receptacle; and the problem to be solved by the invention is aimed at the current sea. The short working time and narrow working range of ocean observation equipment make it difficult for long-term and continuous fine observation according to the predetermined trajectory. This paper provides an intelligent floating observation device and its corresponding control system.

【技术实现步骤摘要】
水下智能浮动观测装置及其控制系统
本专利技术涉及一种海洋观测仪器，具体地，涉及一种水下智能浮动观测装置及其控制系统。
技术介绍
深海大洋是地球气候系统的重要调节器，但也是目前认识极为有限的气候系统组分。深海大洋拥有巨大的资源与能源，其不同时间尺度的变化对整个地球生态环境、气候有着深远的影响。1)深海大洋吸收了整个气候系统超过90％的热量盈余以及人类活动排放的CO2，因此，深海大洋在地球气候系统中扮演着碳汇与热汇的双重角色，这从根本上减少了进入地球系统的净辐射，从而减缓了全球变暖的速率。2)另一方面，深海大洋对热量与CO2的吸收，导致了海洋物理、生物地球化学环境以及生态系统的巨大变化，包括极端气候事件的频繁发生、海平面上升、海洋酸化、海洋缺氧以及海洋生物资源、海底天然气水合物资源变化等。因此，揭示深海大洋物理-生物地球化学-生态系统过程变化以及相互作用机制，认识全球变暖对深海大洋环境影响的时空分布特征及机理，对于预测深海大洋环境及气候变化，把握深海大洋资源变动具有重大的科学意义。为满足对深海大洋长期连续的、高时空覆盖率的多学科综合观测，实现深海大洋变化的“透明性”，各类海洋移动观测平台或观测类智能浮动观测装置应用而生。目前应用于海洋移动观测平台的技术主要包括：ROV、AUV、Glider、Argo浮标等。ROV通过脐带缆与水面上的上位机控制台相连，通过大功率矢量推进器实现机器人的下潜上浮和前后左右全方位精准移动。机器人可挂载水下相机和各类传感器，传感器采集的数据和视频等信息可通过脐带缆传送至控制台，从而实现水下机器人的实时监控、对工作的周围环境的观测。另外还可通过搭载的水下作业设备，如机械手、采样设备等实现对水下目标的对靶精确作业。当然，整个观测和作业过程都需要人工进行操作或干预。AUV是新一代水下机器人，通过自带的浮力驱动系统或者推进器动力推进实现下潜上浮，并且通过推进系统实现精确自主航行，在航行过程中可实现对海洋环境参数的采集。由于其外挂推进器，因此其工作时观测的机动性较高；且其控制依靠微处理器，配合各类导航模块及传感器，可实现全自主航行，因此成为完成各种水下任务的重要工具。另外，AUV具有活动范围不受电缆限制，隐蔽性好等特点，因此其应用范围较广。例如，民用领域，可用于铺设管线、海底考察、数据收集等；军用领域则可用于侦察、布雷、扫雷、援潜和救生等。由于无缆水下机器人等优点，所以从60年代中期起，工业界和军方开始对无缆水下机器人发生兴趣。UnderwaterGlider内部有浮力驱动系统和姿态调整系统，通过浮力驱动系统实现对滑翔机的浮力调整，从而实现滑翔机的下潜和上浮运动。配合姿态调整系统，通过改变整体重心的前后位置实现对滑翔机俯仰角的调节，从而实现滑翔机水下锯齿形剖面运动路线。由于其利用净浮力和姿态角调整获得推进力，能源消耗极小，只在调整净浮力和姿态角时消耗少量能源，因此具有效率高、续航力大(可达上千公里)的特点。虽然水下滑翔机的航行速度较慢，但其制造成本和维护费用低、可重复使用、并可大量投放等特点，满足了长时间、大范围和低噪声海洋探索的需要。Argo浮标和滑翔机工作原理和结构类似，由于其只具备垂直剖面内的竖直运动，因此其内部只有浮力驱动系统，通过浮力驱动系统对浮力调整，从而实现Argo浮标的下潜和上浮运动。Argo浮标的能耗更低，只在浮力调整时消耗少量能量，因此具备低噪声、高效和长周期的运动和观测能力，对海洋垂直剖面的观测具有重要的意义。总结来说，ROV、AUV、Glider、Argo浮标等海洋移动观测设备都可实现对海洋环境参数的观测或作业，但实现的功能都较为单一，或者说这几类装备只在某些方面具备一定优势，对于既能满足全方位精确观测又能达到长周期和大尺寸范围观测任务的综合性观测指标，当前已经成熟应用的海洋观测设备还无能为力；且满足这类要求的相关移动观测平台还未见报道。现有技术中，水下移动观测平台主要包括：无人遥控潜水器(RemoteOperatedVehicle，简称ROV)和水下自主航行器(AutonomousUnderwaterVehicle，简称AUV)。其中，因ROV需挂接脐带缆，限制了ROV下潜深度和作业范围，且ROV的操作和控制必须依赖人工，因此无法实现长周期、大尺寸范围的无人测量功能。AUV具有较强的抗流能力，运行灵活可实现小范围海域内的精确采集和测量。但因AUV外挂推进器，能耗较大，大大限制了AUV工作周期和工作范围。当然，除上述两类典型的航行器外，还有水下滑翔机(UnderwaterGlider)和Argo浮标(Arrayforreal-timegeostrophicoceanography)。其中，Argo浮标只能完成垂直式剖面观测，观测范围有限。且其水平方向易受海洋洋流的影响，产生“随波逐流”运动现象，因此其无法按照预定轨迹航行，限制了其精细化的观测能力。而UnderwaterGlider利用浮力调节模块和姿态调整模块，可实现对较大海域内的剖面观测，并且具备较低的运动噪声和较长的观测周期。但是其工作方式限制了其工作路径只能为剖面锯齿形路线，造成观测的机动性低且无法实现对目标的定点观测，因此，其并不能满足当前人类对海洋全面化、立体化、精确化观测的要求。传统的海洋观测手段，通常采用固定系泊设备和海面船进行采样观测。固定系泊虽然可以进行时变信息测量，却不能解决空间尺度变化的观测问题。作为传统的核心观测平台，海面船虽然能够观测海洋特性，但却存在运行成本昂贵以及缺乏持续观测能力等缺点。卫星可以高效完成海面观测，但缺乏海洋垂向尺度的探测能力。现有水下移动观测平台主要包括：ROV、AUV、Glider、Argo浮标等。ROV受到母船限制，无法实现全球范围的连续观测需求。并且ROV与AUV的作业成本高，技术复杂，需要庞大的现场技术支持团队，难以适应大范围长时间的观测要求。AUV虽然可以实现全自主导航控制，但因其需外挂推进器作为动力源，决定了其能耗较高。因此，其只适用于小范围的海洋精细化观测探测，难以满足长航程和大尺度范围的海洋环境测量。Glider观测装置只适用于点、面高分辨率采样观测，由于运动和轨迹模式单一，只能实现垂直剖面的锯齿形轨迹观测，机动性和灵活性较低，难以适应多样化的灵活观测需求。Argo浮标虽然面向全球大洋，但其只能实现垂直剖面观测，并跟随海流运动。缺乏机动性使得其难以实现对中小尺度过程的三维高分辨率采样观测。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种水下智能浮动观测装置及其控制系统。根据本专利技术提供的一种水下智能浮动观测装置，包括罩舱机构、调节机构、控制观测机构；所述调节机构、控制观测机构均设置在罩舱机构内；通过调节机构能够驱使罩舱机构实现上浮、下潜、纵向剖面潜入、横向剖面滑行中的任一种或任多种动作。优选地，还包括机翼组件；所述机翼组件包括机翼伸缩机构、水平机翼；所述罩舱机构，包括耐压舱；所述耐压舱侧部设置有水平机翼容纳槽；当纵向剖面潜入时，所述机翼伸缩机构驱动水平机翼缩进至水平机翼容纳槽内，并能够使水平机翼容纳槽的口部与水平机翼在同一平面上；当横向剖面滑行时，所述机翼伸缩机构驱动水平机翼从水平机翼容纳槽内伸出；所述调节机构包括浮力调节系统、姿态调节系统本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下智能浮动观测装置，其特征在于，包括罩舱机构、调节机构、控制观测机构；所述调节机构、控制观测机构均设置在罩舱机构内；通过调节机构能够驱使罩舱机构实现上浮、下潜、纵向剖面潜入、横向剖面滑行中的任一种或任多种动作。

【技术特征摘要】
1.一种水下智能浮动观测装置，其特征在于，包括罩舱机构、调节机构、控制观测机构；所述调节机构、控制观测机构均设置在罩舱机构内；通过调节机构能够驱使罩舱机构实现上浮、下潜、纵向剖面潜入、横向剖面滑行中的任一种或任多种动作。2.根据权利要求1所述的水下智能浮动观测装置，其特征在于，还包括机翼组件(6)；所述机翼组件(6)包括机翼伸缩机构(601)、水平机翼(602)；所述罩舱机构，包括耐压舱(19)；所述耐压舱(19)侧部设置有水平机翼容纳槽；当纵向剖面潜入时，所述机翼伸缩机构(601)驱动水平机翼(602)缩进至水平机翼容纳槽内，并能够使水平机翼容纳槽的口部与水平机翼(602)在同一平面上；当横向剖面滑行时，所述机翼伸缩机构(601)驱动水平机翼(602)从水平机翼容纳槽内伸出；所述调节机构包括浮力调节系统(3)、姿态调节系统(20)；所述浮力调节系统(3)通过头部球端盖(2)与姿态调节系统(20)相连接；所述浮力调节系统(3)包括填充有液体的囊部(1)；所述囊部(1)包括外囊、内囊；通过液体在外囊、内囊之间抽离或推进实现囊部(1)体积发生变化，进而驱使水下智能浮动观测装置进行下潜、上浮；所述姿态调节系统(20)包括质量块；所述质量块位于水下智能浮动观测装置的质心位置处；所述质量块的重心相对于中轴线偏置设置；所述质量块绕轴向旋转时质量块重心的位移，能够使得罩舱机构整体的重心移到或者移出罩舱机构的中轴线；所述质量块沿轴向靠近或者远离艉部时质量块重心的位移，能够使得罩舱机构整体的重心沿轴向移动。3.根据权利要求1或2所述的水下智能浮动观测装置，其特征在于，所述控制观测机构包括能源系统(21)；所述能源系统(21)包括电池机构、发电机构；所述电池机构包括锂电池组(2101)；所述发电机构包括温差能发电部(2102)、波浪能发电部(2103)；由艏部至艉部方向，所述锂电池组(2101)、温差能发电部(2102)以及波浪能发电部(2103)依次设置；所述锂电池组(2101)的数量为多个；多个所述锂电池组(2101)通过串联和/或并联方式连接；所述控制观测机构，还包括电子舱(22)；所述电子舱(22)位于机翼组件(6)的内侧；所述电子舱(22)包括自主规划部(2201)、航行控制部(2202)以及负载传感器控制部(2203)；由艏部至艉部方向，所述航行控制部(2202)、负载传感器控制部(2203)以及自主规划部(2201)依次设置；所述耐压舱(19)包括耐压前舱(1901)、耐压中舱(1902)、耐压后舱(1903)以及耐压端盖(1904)；由艏部至艉部方向，所述耐压前舱(1901)、耐压中舱(1902)以及耐压后舱(1903)依次设置；所述耐压前舱(1901)、耐压中舱(1902)以及耐压后舱(1903)通过耐压端盖(1904)相互连接；所述耐压端盖(1904)的数量为多个。4.根据权利要求1所述的水下智能浮动观测装置，其特征在于，所述罩舱机构，还包括壳体(4)；所述壳体(4)包括艏部、中部以及艉部；所述艏部、艉部分别设置有前部导流罩(18)、尾部导流罩(2402)；所述前部导流罩(18)、尾部导流罩(2402)均有预设型线；所述前部导流罩(18)的预设型线由下列公式得到：所述尾部导流罩(2402)的预设型线由下列公式得到：式中：D0为剖面直径；Le为进流段长度；Lr为去流段长度；ne为进流段椭圆指数；nr为去流段抛物线指数；x1为直角坐标系XOY下前部导流罩(18)的预设型线方程中的自变量，x1的取...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴立新，连琏，黄琰，张浩，曹军军，姚宝恒，乔佳楠，马纯永，李春阳，于方杰，
申请(专利权)人：中国海洋大学，上海交通大学，中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37