专利名称：一种走航式多参数测量浮标的制作方法
技术领域：
本发明涉及海洋环境参数测量技术领域，具体涉及一种走航式多参数测量浮标。
背景技术：
海洋环境参数测量是获取海洋各种环境参数的时空分布和变化规律，为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程等提供海洋环境基础数据。各种具体的海洋参数测量系统是实施各种海洋参数精确测量的前提，目前各类船舶是最直接、最基本的海洋现场观测采集平台，并充当其它多种观测设备的收放平台角色。由于船舶能够到达的水域会受到一定的限制，人们开始研究各种水下推进器。所谓水下推进器是一种新型自治式水下航行器，可用作海洋测量传感器的搭载平台，是获取海洋监测数据的重要装备，对海洋环境监测、能源、交通、渔业管理、水产养殖等领域具有重要的作用。由于不同海域或测量时间的需求，要求水下推进器满足作业范围广、连续作业时间长、作业费用少等特点，因此，水下推进器的能源供给问题成为当前水下推进器技术领域的一个研究热点。
发明内容
本发明实施例针对上述现有技术存在的问题，提供一种走航式多参数测量浮标， 以充分利用海洋能源，提高其续航能力，满足各种水域范围及测量时间的海洋参数测量的需求。为此，本发明实施例提供如下技术方案—种走航式多参数测量浮标，包括水下行进装置、水面搭载装置，以及设置在水面搭载装置上的测量与通信装置；其中，所述水下行进装置与所述水面搭载装置通过连接装置相连；所述水下行进装置，用于利用波能将所述水面搭载装置自主运送到预定海域；所述测量与通信装置，用于测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送；所述水下行进装置包括支架和成对桨翼，所述成对桨翼通过固定轴对称固定在所述支架两侧，并可绕所述固定轴同步转动。 优选地，所述水下行进装置还包括稳定构件，设置在所述支架的下方，并与所述支架的两端悬接，用于降低所述水下行进装置的重心。优选地，所述水下行进装置还包括缓冲装置，固定在所述支架上，并与所述连接装置相连，用于吸收冲击能量。优选地，所述缓冲装置为耐腐蚀的不锈钢板弹簧、或空气弹簧、或橡胶弹簧。优选地，所述连接装置包括第一缆索和两根第二缆索，所述第一缆索的一端连接所述水面搭载装置，另一端与所述两根第二缆索的一端相连，所述两根第二缆索的另一端分别与所述支架相连。优选地，所述走航式多参数测量浮标还包括方位调整装置，分别设置在所述水下行进装置和所述水面搭载装置上，用于使所述水下行进装置和所述水面搭载装置方位保持一致。优选地，所述方位调整装置包括分别设置在所述水下行进装置和所述水面搭载装置上的方位指示仪、舵、步进电机，以及设置在所述水面搭载装置上的步进电机驱动器及第一控制器；所述方位指示仪，用于指示所在的水下行进装置或水面搭载装置的方位数据；所述步进电机，用于驱动所在的水下行进装置或水面搭载装置上的舵转动；所述步进电机驱动器，用于驱动所述步进电机按设定的方向转动；所述第一控制器，用于在所述水下行进装置上的方位指示仪和水面搭载装置上的方位指示仪这二者指示的方位数据不同时，根据所述两个方位指示仪指示的方位数据的差异，向所述步进电机驱动器输出用于驱动所述步进电机的脉冲信号，以使所述水下行进装置和所述水面搭载装置方位保持一致。优选地，所述测量与通信装置包括测量设备，用于测量所述预定海域的海洋参数；通信设备，用于将所述测量设备测量得到的海洋参数通过卫星传送；第二控制器，用于对所述测量设备和所述通信设备进行控制和通信。优选地，所述走航式多参数测量浮标还包括设置在水面搭载装置上的电源装置， 用于提供所述走航式多参数测量浮标所需的电能。所述电源装置包括太阳能电池板、和/或蓄电池。本发明实施例提供的走航式多参数测量浮标，在与水下行进装置相连的水面搭载装置上设置测量海洋参数的测量与通信装置，水下行进装置利用波能将所述水面搭载装置自主运送到预定海域，然后由测量与通信装置测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送。利用波浪运动的能量，水面搭载装置随着波浪产生升沉运动， 通过这一升沉运动，使水下行进装置上固定在支架两侧的成对桨翼绕固定轴同步转动。水面搭载装置向上升起时，桨翼随边向下转动，水面搭载装置滑向波谷时，桨翼随边向上转动。在波浪推动水面搭载装置升沉作用下，桨翼转动形成的功角产生了向前滑翔的动力，拖动水面搭载装置前进，从而有效地利用了海洋能源，提高其续航能力，满足各种水域范围及测量时间的海洋参数测量的需求。
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例走航式多参数测量浮标的基本结构示意图；图2是本发明实施例走航式多参数测量浮标的行进示意图；图3是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的主视图；图4是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的俯视图；图5是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的侧视图；图6是本发明实施例走航式多参数测量浮标中方位调整装置的一种框图；图7是本发明实施例走航式多参数测量浮标中测量与通信装置的一种框图。
具体实施例方式为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。本发明实施例走航式多参数测量浮标，由利用波能自主行进的水下行进装置代替船只航行所需的动力来源，以与水下行进装置相连的水面搭载装置作为测量与通信的平台，实现对预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送。如图I所示，是本发明实施例走航式多参数测量浮标的基本结构示意图。在该实施例中，所述走航式多参数测量浮标包括水下行进装置12、水面搭载装置13，以及设置在水面搭载装置13上的测量与通信装置14 ;其中，所述水下行进装置12与所述水面搭载装置13通过连接装置11相连。其中，水下行进装置12用于利用波能将水面搭载装置13自主运送到预定海域；测量与通信装置14用于测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送。在本明实施例中，所述水下行进装置12包括支架121和成对桨翼122，所述成对桨翼122通过固定轴123对称固定在所述支架121两侧，并可绕所述固定轴123同步转动。本发明实施例走航式多参数测量浮标，可以根据实际需要来设置测量与通信装置中所需的测量设备，比如，搭载相应的设备，进行气象(风速、风向、气温、湿度、气压、能见度等)、水文(水温、盐度、水深、声学、表面多要素等)、波浪等资料的自动测量，也可用于海上石油平台及海洋、陆地观测站作为气象水文观测仪器使用。下面结合海浪特性进一步说明本发明实施例走航式多参数测量浮标的运动性能。海浪是极不规则的，不但主风向上的波浪要素和形状多种多样，而且波浪前进的方向由主风向朝外向扩散，形成一个复杂的不规则波场。仅存在于主风向方向上且有着无穷长单向的、不同间距的波峰彼此保持平行的二因次不规则波，称为长峰不规则波。涌可近似地视为长峰波。但通常可以假定二因次不规则波是由无数不同波幅和波长的单规则波即简谐波线性迭加而成的。波浪的水质点以近似于圆形的轨迹作圆周运动，无限水深情况下波动沿水深方向以指数规律衰减。水质点的振幅公式为aekz(z < O)；其中，a为波幅，a0为表面波幅；k为波数，k = 2 π X λ ；λ为波长。根据上述公式可知当水深Z =-2 /k= λ /2 时,水质点的振幅为ha = a0/e11 = 4. 3% a0 ；
当水深Z = -2 JI /k = λ 时,水质点的振幅为ha = a0/e2π = O. 019% a。。可见，当水深为波长的一半时，水质点的运动已经非常小，表明该处的流体几乎不动了，可以忽略不计。因此当水底深度大于半个波长时，底面对波动的影响很小，即使流体域是有限深度的，但波动与无限深水域的情况已没有差别。例如中浪波长为30米，水下振幅是水面振幅的O. 2倍处的水深为7. 6米，两处振幅的绝对差值为I米。中浪波长为90米，水下振幅是水面振幅的O. 6倍处的水深为7. 3 米，两处振幅的绝对差值亦为I米。由上述推导可知，水下振幅小于水面振幅，表面波水分子和水下一定深度处水分子垂向运动产生速度差，从而使所述走航式多参数测量浮标水下行进装置的桨翼转动，获得向前运动的动力。如图2所示，是本发明实施例走航式多参数测量浮标的行进示意图。当走航式多参数测量浮标由波谷向波峰爬升时，由水面搭载装置提供的浮力拖动水下行进装置向上运动，因此水下行进装置上的桨翼所产生的动力与波浪的波高、水分子垂直面内加速度有关。当走航式多参数测量浮标由波峰滑向波谷时，桨翼滑行的动力来自水下行进装置本身的重力。在实际应用中，可以设计多对上述成对桨翼，如图I所示，这些成对桨翼通过固定在支架121上的联动杆124相连，从而可以使这些成对桨翼各自围绕自己的固定轴同步转动的同时保持联动。所述成对桨翼的攻角可以根据实际应用需要来设定，比如为30度。可见，本发明实施例走航式多参数测量浮标，由利用波能自主行进的水下行进装置代替船只的动力装置，以与水下行进装置相连的水面搭载装置作为测量与通信的平台， 实现对预定海域的海洋参数的测量，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送。水面搭载装置向上升起时，桨翼随边向下转动，水面搭载装置滑向波谷时，桨翼随边向上转动，使走航式多参数测量浮标向前滑翔运动，从而有效地利用了海洋能源，提高其续航能力。本发明实施例走航式多参数测量浮标的运动方向不受风向的限制，可以顺浪、横浪、逆浪前进，满足各种水域范围及测量时间的海洋参数测量的需求。在实际应用中，本发明实施例走航式多参数测量浮标并不仅限于图I所示结构， 还可以有其它结构方式，对此本发明实施例不做限定。如图3所示，是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的主视图；图4是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的俯视图；图5是本发明实施例走航式多参数测量浮标中水下及水上部分的一种具体结构的侧视图。下面同时参照图3、图4和图5对本发明实施例走航式多参数测量浮标做进一步详细说明。与图I所示实施例相同的是，在该实施例中，所述走航式多参数测量浮标包括通过连接装置11相连的水下行进装置12及水面搭载装置13。其中，水下行进装置12包括 支架121和成对桨翼122，所述成对桨翼122通过固定轴123对称固定在所述支架121两侧，并可绕所述固定轴123同步转动。在该实施例中，为了更好地保持所述水下行时装置12行进的平稳性，水下行进装置12还可进一步包括稳定构件125，设置在支架121的下方，并与支架121的两端悬接， 用于降低所述水下行进装置的重心，提高稳定性，也可用作安装测量仪器的支架，还能提高水下行进装置的航向稳定性。另外，为了使水面搭载装置13与水下行进装置12的连接更牢固，如图3所示，还可以进一步在水下行进装置12上设置缓冲装置126，该缓冲装置126固定在支架121上，并与连接装置11相连，以吸收冲击能量。具体地，所述缓冲装置126可以是耐腐蚀的不锈钢板弹簧，或其它耐腐蚀材料制
作的空气弹簧、橡胶弹簧等。在本发明实施例中，所述连接装置11与缓冲装置126的连接方式可以有多种，比如单点连接、双点连接等方式。图3中示出了一种具体的双点连接方式，其中，缓冲装置126由第一缆索111和两根第二缆索112组成，第一缆索111的一端连接水面搭载装置13，另一端与所述两根第二缆索112的一端相连，所述两根第二缆索112的另一端分别连接到缓冲装置126的不同位置。当然，如果没有缓冲装置126，所述两根第二缆索112的另一端也可以分别连接到支架121上的不同位置。上述缆索可以采用免扭转不锈钢缆或者是凯芙拉缆、不锈钢铠装电缆，以保证其在实际应用环境中具有抗拉、耐腐蚀的性能。上述缆索的长度不宜太长。由于水下行进装置在上下运动时将受到惯性力和垂直方向的流体阻力，太长的缆索形成的缓冲可能会造成水下行进装置与表面波运动不一致， 在下滑时造成迟后现象，影响水下部分吸收波能的效果。但是缆索太短，水下行进装置会离水面太近，水质点的运动速度衰减不大，同样不利于水下行进装置吸收波能的效果。为此， 在实际应用中，可以设计第一缆索和两根第二缆索连接后的垂直长度可以设计为7 8米。当然，在双点连接方式中，也可以仅使用两根缆索，将这两根缆索的一端一起连接到水面搭载装置13，这两根缆索的另一端分别连接到水下行进装置12的不同位置。当然，也可以采用如图I所示的单点连接方式。需要说明的是，缆索与水下行进装置和水面搭载装置的连接可以通过锁环来实现。另外，本发明实施例并不限定上述通过缆索实现的连接装置，还可以采用其它方式实现的连接装置，具体可以根据所述走航式多参数测量浮标所应用的具体环境来确定。在本发明实施例中，水面搭载装置13可以设计为一只微型的水密小船，以搭载不同的业务处理平台或设备。为了更有效利用波能，船长可以小于1/4波长，以避免发生跨浪现象，影响波能的利用率。以一级涌浪波长小于10米计，则船长应小于2. 5米。比如，设计船长2. 4米，船宽 O. 6米，长宽比为4。设定船的吃水为O. 21m，干舷O. 09m，排水量=O. 18m3。如果通过柔性缆索连接水面搭载装置13和水下行进装置12，则在外力的作用下， 上下两部分的方位可能会产生不一致。为了使该走航式多参数测量浮标能按要求的方向前进，无论是顺浪、还是逆浪、或者横浪，需要使水面搭载装置13和水下行进装置12的航向保持一致。为此，在本发明实施例中，所述走航式多参数测量浮标还可进一步包括方位调整装置(未图示)，分别设置在水下行进装置12和所述水面搭载装置13上，用于使水下行进装置12和水面搭载装置13方位保持一致。如图6所示，是本发明实施例走航式多参数测量浮标中方位调整装置的一种框图。在该实施例中，所述方位调整装置包括分别设置在所述水下行进装置和所述水面搭载装置上的方位指示仪(比如三维电子罗盘)、舵、步进电机，以及设置在所述水面搭载装置上的步进电机驱动器及第一控制器。其中，所述方位指示仪用于指示所在的水下行进装置或水面搭载装置的方位数据，也就是说，水下行进装置12和水面搭载装置13均通过各自的方位指示仪显示各自的方位数据。所述步进电机用于驱动所在的水下行进装置或水面搭载装置上的舵转动；所述步进电机驱动器用于驱动所述步进电机按设定的方向转动；所述第一控制器用于在所述水下行进装置上的方位指示仪和水面搭载装置上的方位指示仪这二者指示的方位数据不同时， 根据所述两个方位指示仪指示的方位数据的差异，向所述步进电机驱动器输出用于驱动所述步进电机的脉冲信号，以使所述水下行进装置和所述水面搭载装置方位保持一致。具体地，可以通过变换步进电机驱动器的控制方式来分别控制或同步控制水面搭载装置和水下行进装置上的步进电机，驱动舵转动，最终使上下方位一致。第一控制器可以设计成自动控制步进电机按需转动，也可以由遥控中心的操作人员通过卫星传输指令进行遥控变换航行方位。为了制造方便，水面搭载装置和水下行进装置可以采用尺寸相同的舵，当然，也可以采用不同的舵，对此本发明实施例不做限定。前面提到，在本发明实施例走航式多参数测量浮标中，可以根据实际需要来设置测量与通信装置。如图7所示，是本发明实施例走航式多参数测量浮标中测量与通信装置的一种框图。在该实施例中，所述测量与通信装置包括测量设备71，通信设备72和第二控制器73。其中测量设备71用于测量预定海域的海洋参数；通信设备72用于将所述测量设备71测量得到的海洋参数通过卫星传送；第二控制器73用于对所述测量设备71和所述通信设备72进行控制和通信。在实际应用中，上述测量设备71可以根据需要测量的海洋参数来进行具体测量设备的配置，比如，进行气象(风速、风向、气温、湿度、气压、能见度等)、水文(水温、盐度、 水深等)、波浪等的测量，则要分配配置相应的测量设备。这些测量设备可以设置在水面搭载装置上，也可以设置在水下行进装置上，比如，在水下行进装置的稳定构件上设置相应的测量设备。上述通信设备72可以是卫星调制解调器，射频调制解调器等，能够实现双向通信，可以由人工通过控制中心向第二控制器下发指令，比如，控制所述走航式多参数测量浮标的行进路径、控制各测量设备的开启时间、以及何时向控制中心传送测量数据等。当然， 所述走航式多参数测量浮标的行进路径也可以预先设定在第二控制器中，由所述第二控制器来自主控制行进路径。对此本发明实施例不做限定。另外，在实际应用中，前面提到的第一控制器和第二控制器可以采用两个独立的控制器，也可以采用同一个控制器。
在本发明实施例中，可以通过太阳能电池板、和/或蓄电池等电源装置(未图示) 为所述走航式多参数测量浮标提供电能，以满足所述走航式多参数测量浮标上用电设备所需的电能。上述电源设置在水面搭载装置上。当然，在本发明实施例走航式多参数测量浮标中，还可以设置应急装置，包括灯光、声响及无线电报警装置等，以保证所述系统运行的安全性。需要说明的是，本发明实施例中，水下行进装置与水面搭载装置上设备的连接、通信可以通过电缆来实现。可见，本发明实施例提供的走航式多参数测量浮标，在与水下行进装置相连的水面搭载装置上设置测量海洋参数的测量与通信装置，水下行进装置利用波能将所述水面搭载装置自主运送到预定海域，然后由测量与通信装置测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送。利用波浪运动的能量，水面搭载装置随着波浪产生升沉运动，通过这一升沉运动，使水下行进装置上固定在支架两侧的成对桨翼绕固定轴同步转动。水面搭载装置向上升起时，桨翼随边向下转动，水面搭载装置滑向波谷时，桨翼随边向上转动。在波浪推动水面搭载装置升沉作用下，桨翼转动形成的功角产生了向前滑翔的动力，拖动水面搭载装置前进，从而有效地利用了海洋能源，提高其续航能力，满足各种水域范围及测量时间的海洋参数测量的需求。以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式
对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式
及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
权利要求
1.一种走航式多参数测量浮标，其特征在于，包括水下行进装置、水面搭载装置，以及设置在水面搭载装置上的测量与通信装置；其中，所述水下行进装置与所述水面搭载装置通过连接装置相连；所述水下行进装置，用于利用波能将所述水面搭载装置自主运送到预定海域；所述测量与通信装置，用于测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送；所述水下行进装置包括支架和成对桨翼，所述成对桨翼通过固定轴对称固定在所述支架两侧，并可绕所述固定轴同步转动。
2.根据权利要求I所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述水下行进装置还包括稳定构件，设置在所述支架的下方，并与所述支架的两端悬接，用于降低所述水下行进装置的重心。
3.根据权利要求I所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述水下行进装置还包括缓冲装置，固定在所述支架上，并与所述连接装置相连，用于吸收冲击能量。
4.根据权利要求3所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述缓冲装置为耐腐蚀的不锈钢板弹簧、或空气弹簧、或橡胶弹簧。
5.根据权利要求I所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述连接装置包括第一缆索和两根第二缆索，所述第一缆索的一端连接所述水面搭载装置，另一端与所述两根第二缆索的一端相连，所述两根第二缆索的另一端分别与所述支架相连。
6.根据权利要求I至5任一项所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，还包括方位调整装置，分别设置在所述水下行进装置和所述水面搭载装置上，用于使所述水下行进装置和所述水面搭载装置方位保持一致。
7.根据权利要求6所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述方位调整装置包括分别设置在所述水下行进装置和所述水面搭载装置上的方位指示仪、舵、步进电机，以及设置在所述水面搭载装置上的步进电机驱动器及第一控制器；所述方位指示仪，用于指示所在的水下行进装置或水面搭载装置的方位数据；所述步进电机，用于驱动所在的水下行进装置或水面搭载装置上的舵转动；所述步进电机驱动器，用于驱动所述步进电机按设定的方向转动；所述第一控制器，用于在所述水下行进装置上的方位指示仪和水面搭载装置上的方位指示仪这二者指示的方位数据不同时，根据所述两个方位指示仪指示的方位数据的差异， 向所述步进电机驱动器输出用于驱动所述步进电机的脉冲信号，以使所述水下行进装置和所述水面搭载装置方位保持一致。
8.根据权利要求6所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述测量与通信装置包括测量设备，用于测量所述预定海域的海洋参数；通信设备，用于将所述测量设备测量得到的海洋参数通过卫星传送；第二控制器，用于对所述测量设备和所述通信设备进行控制和通信。
9.根据权利要求6所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，还包括设置在水面搭载装置上的电源装置，用于提供所述走航式多参数测量浮标所需的电能。
10.根据权利要求9所述的走航式多参数测量浮标，其特征在于，所述电源装置包括: 太阳能电池板、和/或蓄电池。
全文摘要
本发明涉及海洋环境参数测量技术领域，公开了一种走航式多参数测量浮标，包括水下行进装置、水面搭载装置，以及设置在水面搭载装置上的测量与通信装置；其中，所述水下行进装置与所述水面搭载装置通过连接装置相连；所述水下行进装置，用于利用波能将所述水面搭载装置自主运送到预定海域；所述测量与通信装置，用于测量所述预定海域的海洋参数，并将测量得到的海洋参数通过卫星传送；所述水下行进装置包括支架和成对桨翼，所述成对桨翼通过固定轴对称固定在所述支架两侧，并可绕所述固定轴同步转动。本发明走航式多参数测量浮标可以充分利用海洋能源，提高其续航能力，满足各种水域范围及测量时间的海洋参数测量的需求。
文档编号B63B22/00GK102582793SQ20121005866
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月7日 优先权日2012年3月7日
发明者蒋金良, 高伟丽 申请人:北京南风科创应用技术有限公司