虚拟锚泊剖面浮标的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种虚拟锚泊剖面浮标，在上壳体内安装有姿态调整模块，姿态调整模块包括倾向调整机构和偏斜调整机构，偏斜调整机构包括角度电机和由其驱动的回转架体，角度电机固定在上壳体内，角度电机的输出轴的中心线与该浮标的主轴线重合；倾向调整机构安装在回转架体内，倾向调整机构包括直线电机、丝杆、丝母和偏心重块，丝杆与角度电机的输出轴垂直，丝杆由直线电机驱动，在丝杆上通过螺纹连接有丝母，丝母与偏心重块固接，偏心重块置放在回转架体内，二者形成滑动连接，直线电机固定在回转架体上，直线电机和偏心重块分设在该浮标轴线的两侧。本发明通过调节位姿能够实现在海洋某GPS点的虚拟锚系功能。
【专利说明】虚拟锚泊剖面浮标
【技术领域】
[0001]本发明属于机电一体化领域，特别是一种用于海洋环境剖面观测的自主运动平台O
【背景技术】
[0002]当前美国自主研发了三款典型水下滑翔器，即Washington大学的Seaglider，Scripps研宄所的Spray和Webb Research公司的Slocum水下滑翔器，三款水下滑翔器均通过改变其自身净浮力实现上浮和下潜运动，同时改变其横滚和俯仰姿态角度，利用其固定翼完成水平方向的滑翔运动，三款典型水下滑翔器均突出其前向运动的功能，其前向速度较快，适合在水平方向跟踪设定路径，然而，其在垂直方向的运动速度相对较慢，不适合对某GPS点位的垂直水柱进行快速剖面观测。此外，当前Argo计划使用的自主漂流剖面浮标通过改变自身净浮力实现上浮和下潜运动，然而其没有姿态调节机构实现水平方向主动运动，只能随波逐流。
【发明内容】
[0003]本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种虚拟锚泊剖面浮标，该浮标通过在上浮和下潜过程中调节自身倾斜角度进而实现在海洋某区域克服水平流影响完成位置保持功能。
[0004]本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种虚拟锚泊剖面浮标，包括壳体和固定在所述壳体外的平板翼，所述壳体设有上壳体、中壳体和下壳体，在所述下壳体的下端固接有导流罩，在所述上壳体的上端固接有上端盖，在所述下壳体内安装有浮力驱动模块，在所述中壳体内安装有电池包，在所述上壳体内安装有姿态调整模块，所述姿态调整模块包括倾向调整机构和斜偏调整机构，所述倾向调整机构包括角度电机和由其驱动的回转架体，所述角度电机固定在所述上壳体内，所述角度电机输出轴的中心线与该浮标的主轴线重合；所述斜偏调整机构安装在所述回转架体内，所述斜偏调整机构包括直线电机、丝杆、丝母和偏心重块，所述丝杆与所述角度电机的输出轴垂直，所述丝杆由所述直线电机驱动，在所述丝杆上通过螺纹连接有所述丝母，所述丝母与所述偏心重块固接，所述偏心重块置放在所述回转架体内，二者形成滑动连接，所述直线电机固定在所述回转架体上，所述直线电机和所述偏心重块分设在该浮标主轴线的两侧。
[0005]在所述下壳体的下端设有与其密封连接的下端盖，所述上端盖、所述上壳体、所述中壳体和所述下壳体从上至下依次密封连接，所述下端盖和所述上端盖将所述壳体的内腔密封为一封闭腔室，在所述上端盖上设有真空堵头，所述浮力驱动模块包括设置在所述导流罩内的外油囊以及设置在所述下壳体内的阀块、电磁阀、微型轴向柱塞泵、三通、内油囊、高压油泵和油泵电机，所述外油囊和所述阀块分别与所述下壳体固接，所述阀块内设有储油腔和三个油口，其中第一个所述油口与所述外油囊连接，第二个所述油口与所述微型轴向柱塞泵的出油口连接，第三个所述油口通过所述电磁阀和所述三通与所述内油囊连接，所述微型轴向柱塞泵的进油口与所述三通的第三个口连接，所述微型轴向柱塞泵由所述高压油泵带动，所述高压油泵由所述油泵电机驱动。
[0006]在所述上端盖上设有温度传感器和压力传感器。
[0007]所述上壳体与所述中壳体通过上肋环密封连接，所述中壳体与所述下壳体通过下肋环密封连接，在所述上肋环和所述下肋环上均固接有机翼座，在所述机翼座上固定有所述平板翼；所述角度电机固定在所述上肋环上，所述电池包固定安装在所述下肋环上。
[0008]所述导流罩为椭球形。
[0009]所述外油囊的口部采用螺母锁固在所述下端盖上，所述外油囊的口部与所述阀块的第一个所述油口通过接头连接。
[0010]所述丝杆为梯形丝杆。
[0011]所述偏心重块为铜质重块。
[0012]本发明具有的优点和积极效果是:通过采用在壳体内增加姿态调整模块的结构，使浮标的倾斜方向和倾斜角度可调，进而使浮标在上浮和下潜运动时具有水平运动能力，通过锯齿形的剖面运动补偿水平流吹偏位移，靠近并保持在所测GPS点位垂直水柱内，实现其在海洋某GPS点的虚拟锚系功能。本发明面向某GPS点位海洋垂直水柱的快速精确测量而开发，与水下滑翔器和剖面漂流浮标相比，具有如下突出特点:平台主轴线保持竖直并在上浮和下潜运动时，可以实现随波逐流的剖面运动，如同传统Argo浮标；平台主轴线作水平周向360度、竖向正负45度范围内(即顶角为90度的圆锥体范围内)的姿态调整，可实现逆流运动和水平位置保持的功能。本发明自带能源，利用姿态调节模块和浮力驱动模块，借助自升力和平板翼实现水平和竖直方向的运动，克服海流的水平吹偏影响，如同哨兵一般保持在海洋GPS点位，并在该区域的垂直水柱内进行长时序测量，是一款针对海洋环境观测应用而研发的新型自主剖面运动平台。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明的结构示意图；
[0014]图2为本发明的浮力驱动模块结构示意图；
[0015]图3为本发明的姿态调整模块结构示意图。
[0016]图中:1、下壳体，2、下肋环，3、机翼座，4、平板翼，5、上肋环，6、上壳体，7、上端盖，8、温度传感器，9、压力传感器，10、真空堵头，11、姿态调整模块，12、电池包，13、中壳体，14、浮力驱动模块，15、下端盖，16、导流罩，17、外油囊，18、螺母，19、电磁阀，20、微型轴向柱塞泵，21、高压油泵，22、电机座，23、联轴器，24、油泵电机，25、内油囊，26、三通，27、堵头，28、阀块，29、接头，30、直线电机，31、回转架体，32、丝杆，33、丝母，34、偏心重块，35、角度电机。
【具体实施方式】
[0017]为能进一步了解本发明的
【发明内容】
、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:
[0018]请参阅图1?图3，一种虚拟锚泊剖面浮标，包括壳体和固定在所述壳体外的平板翼4，所述壳体设有上壳体6、中壳体13和下壳体1，在所述下壳体I的下端固接有导流罩16，导流罩上开有透水孔，在所述上壳体6的上端固接有上端盖7，在所述下壳体I内安装有浮力驱动模块14，在所述中壳体13内安装有电池包12 ;在所述上壳体6内安装有姿态调整模块11，所述姿态调整模块11包括倾向调整机构和斜偏调整机构，所述倾向调整机构包括角度电机35和由其驱动的回转架体31，所述角度电机35固定在所述上壳体6内，所述角度电机35的输出轴的中心线与该浮标的主轴线重合；所述斜偏调整机构安装在所述回转架体31内，所述斜偏调整机构包括直线电机30、丝母33、丝杆32和偏心重块34，所述丝杆32与所述角度电机35的输出轴垂直，所述丝杆32由所述直线电机30驱动，在所述丝杆32上通过螺纹连接有所述丝母33，所述丝母33与所述偏心重块34固接，所述偏心重块34置放在所述回转架体31内，二者形成滑动连接，所述直线电机30固定在所述回转架体31上，所述直线电机30和所述偏心重块34分设在该浮标主轴线的两侧。
[0019]偏心重块34在直线电机30的驱动下可以改变偏离虚拟锚泊剖面浮标主轴线的位移，从而改变虚拟锚泊剖面浮标的重心偏离主轴线的位移，进而改变虚拟锚泊剖面浮标的斜偏角度，当偏心重块34处在主轴线的位置时，虚拟锚泊剖面浮标保持一个竖直的姿态。当偏心重块34和丝母33以及直线电机30的装配体在角度电机35的驱动下360度转动时，虚拟锚泊剖面浮标的倾斜方向可以沿周向改变。虚拟锚泊剖面浮标通过改变姿态调整模块11中偏心重块34相对浮标主轴线的位移和围绕浮标主轴线的旋转角度，能够改变自身的斜偏角度和倾斜方向，此时，若因浮力驱动模块的作用而产生上浮和下潜运动，则虚拟锚泊剖面浮标会因为平板翼4和其自升力所产生的水动力作用而产生水平运动，该水平运动速度和方向与虚拟锚泊剖面浮标的斜偏角度和倾斜方向存在正关系。
[0020]在所述下壳体I的下端设有与其密封连接的下端盖15，所述上端盖7、所述上壳体6、所述中壳体13和所述下壳体I从上至下依次密封连接，所述下端盖15和所述上端盖7将所述壳体的内腔密封为一封闭腔室，在所述上端盖7上设有真空堵头10，所述浮力驱动模块14包括设置在所述导流罩16内的外油囊17以及设置在所述下壳体I内的阀块28、电磁阀19、微型轴向柱塞泵20、三通26、内油囊25、高压油泵21和油泵电机24，所述外油囊17和所述阀块28分别与所述下壳体固接，所述阀块28内设有储油腔和三个油口，其中第一个所述油口与所述外油囊17连接，第二个所述油口与所述微型轴向柱塞泵20的出油口连接，第三个所述油口通过所述电磁阀19和所述三通26与所述内油囊25连接，所述微型轴向柱塞泵20的进油口与所述三通26的第三个口连接，所述微型轴向柱塞泵20由所述高压油泵21带动，所述高压油泵21由所述油泵电机24驱动。所述油泵电机24与所述高压油泵21通过联轴器23连接，所述油泵电机24安装在电机座22上，电机座22安装在所述高压油泵21上，高压油泵21连接在微型轴向柱塞泵20上。
[0021]使用前，打开真空堵头，将壳体内的空气抽出，使其内部形成真空。当虚拟锚泊剖面浮标漂浮在海表面预实现下潜运动时，电磁阀19打开，由于虚拟锚泊剖面浮标舱体内部存在真空，于是在舱外大气压力和舱内负压力的作用下，外油囊17中的油通过电磁阀19流入内油囊25，虚拟锚泊剖面浮标自身的净浮力减小，净重力增加，即重力大于浮力，从而实现下潜运动；当虚拟锚泊剖面浮标运行到一定深度预实现上浮运动时，关闭电磁阀19，启动微型轴向柱塞泵20，将内油囊25中的油通过三通26的第三个口吸入到微型轴向柱塞泵20的进油口，并从微型轴向柱塞泵20的出油口排出，进入到阀块28，继而进入到外油囊17中，此时，虚拟锚泊剖面浮标自身的排水量增加，净浮力增加，即浮力大于重力，从而实现上浮运动。
[0022]在本实施例中，在所述上端盖7上可以设有温度传感器8、压力传感器9、GPS天线、无线通讯和卫星通讯天线，以及客户需求的科学传感器。所述上壳体6与所述中壳体13通过上肋环5密封连接，所述中壳体13与所述下壳体I通过下肋环2密封连接，在所述上肋环5和所述下肋环2上均固接有机翼座3，在所述机翼座3上固定有所述平板翼4。所述角度电机35固定在所述上肋环5上。所述电池包12固定安装在所述下肋环2上，在所述上肋环5和所述下肋环2的外圆面上沿周向均布安装有四个机翼座3，上肋环5和下肋环2之间连接了中壳体13，确保上肋环5、下肋环2和中壳体13之间相互拉紧。在所述阀块28上还设有工艺孔，在所述工艺孔上安装有堵头27。所述导流罩16为椭球形。所述外油囊17的口部采用螺母18锁固在所述下端盖15上，所述外油囊17的口部与所述阀块28的第一个所述油口通过接头29连接。所述丝杆32采用梯形丝杆。所述偏心重块34为铜质重块。
[0023]虚拟锚泊剖面浮标的设计目标是实现海洋某GPS点垂直水柱的信息测量，然而由于海流的作用，虚拟锚泊剖面浮标会偏离该GPS点，因此将虚拟锚泊剖面浮标内部增加姿态调整模块11，从而使其具有水平运动能力，进而补偿水平流吹偏位移，回归所测量GPS点垂直水柱范围内。当虚拟锚泊剖面浮标在海表面进行GPS定位时，发现自身处于所测量GPS点位内，则其上浮和下潜运动过程中，偏心重块34被直线电机30移动到浮标主轴线上，虚拟锚泊剖面浮标保持竖直姿态，没有水平位移，只有垂向位移。当虚拟锚泊剖面浮标在海表面进行GPS定位时，发现自身偏离了所测量GPS点位，则虚拟锚泊剖面浮标根据自身距离所测量GPS点的位移和自身指向所测GPS点的方向，调整姿态调整模块11中的偏心重块34的位置，即下潜过程中将偏心重块34移动到背离所测GPS点的位置，上浮过程中将偏心重块34移动到靠近所测GPS点的位置，这样以来，虚拟锚泊剖面浮标通过一个锯齿形的轨迹靠近所测GPS点位垂直水柱。
[0024]本发明通过改变自身浮力实现上升和下潜运动，在上升和下潜的同时，平台通过改变其姿态角度，利用平板翼完成水平360度方向的滑翔运动。虚拟锚泊剖面浮标内安装有GPS、无线通讯处理单元和罗盘，可以实现在海洋某GPS点的虚拟锚系功能，即在海流的影响下偏离某所在GPS时，平台可以通过剖面滑翔的功能回归到其期望锚系的GPS点。虚拟锚泊剖面浮标作为一款海洋移动平台，可以搭载海洋科学传感器实现海洋的某GPS点位垂直水柱的长时序观测。
[0025]尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种虚拟锚泊剖面浮标，包括壳体和固定在所述壳体外的平板翼，所述壳体设有上壳体、中壳体和下壳体，在所述下壳体的下端固接有导流罩，在所述上壳体的上端固接有上端盖，在所述下壳体内安装有浮力驱动模块，在所述中壳体内安装有电池包，其特征在于，在所述上壳体内安装有姿态调整模块，所述姿态调整模块包括倾向调整机构和斜偏调整机构，所述倾向调整机构包括角度电机和由其驱动的回转架体，所述角度电机固定在所述上壳体内，所述角度电机的输出轴的中心线与该浮标的主轴线重合；所述斜偏调整机构安装在所述回转架体内，所述斜偏调整机构包括直线电机、丝杆、丝母和偏心重块，所述丝杆与所述角度电机的输出轴垂直，所述丝杆由所述直线电机驱动，在所述丝杆上通过螺纹连接有所述丝母，所述丝母与所述偏心重块固接，所述偏心重块置放在所述回转架体内，二者形成滑动连接，所述直线电机固定在所述回转架体上，所述直线电机和所述偏心重块分设在该浮标主轴线的两侧。
2.根据权利要求1所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，在所述下壳体的下端设有与其密封连接的下端盖，所述上端盖、所述上壳体、所述中壳体和所述下壳体从上至下依次密封连接，所述下端盖和所述上端盖将所述壳体的内腔密封为一封闭腔室，在所述上端盖上设有真空堵头，所述浮力驱动模块包括设置在所述导流罩内的外油囊以及设置在所述下壳内的阀块、电磁阀、微型轴向柱塞泵、三通、内油囊、高压油泵和油泵电机，所述外油囊和所述阀块分别与所述下壳体固接，所述阀块内设有储油腔和三个油口，其中第一个所述油口与所述外油囊连接，第二个所述油口与所述微型轴向柱塞泵的出油口连接，第三个所述油口通过所述电磁阀和所述三通与所述内油囊连接，所述微型轴向柱塞泵的进油口与所述三通的第三个口连接，所述微型轴向柱塞泵由所述高压油泵带动，所述高压油泵由所述油泵电机驱动。
3.根据权利要求1所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，在所述上端盖上设有温度传感器和压力传感器。
4.根据权利要求2所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，所述上壳体与所述中壳体通过上肋环密封连接，所述中壳体与所述下壳体通过下肋环密封连接，在所述上肋环和所述下肋环上均固接有机翼座，在所述机翼座上固定有所述平板翼；所述角度电机固定在所述上肋环上，所述电池包固定安装在所述下肋环上。
5.根据权利要求1所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，所述导流罩为椭球形。
6.根据权利要求2所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，所述外油囊的口部采用螺母锁固在所述下端盖上，所述外油囊的口部与所述阀块的第一个所述油口通过接头连接。
7.根据权利要求1所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，所述丝杆为梯形丝杆。
8.根据权利要求1所述的虚拟锚泊剖面浮标，其特征在于，所述偏心重块为铜质重块。
【文档编号】B63B22/18GK104443278SQ201410640704
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】杨燕, 董永强, 赵坚, 孙秀军 申请人:天津城建大学