一种多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇的制作方法

本发明涉及一种水质采样无人艇，特别是涉及一种综合利用太阳能和波浪能的多层次推进、时空连续海水参数采样监测无人艇。

背景技术：

水质监测是人们研究海洋，开发海洋和利用海洋的重要手段。通过丰富的水质监测资料人们可以总结出特定水域的水质特点，进而为后续开发研究工作做出指导。为了获取详尽的水质检测资料，需要定期在检测海域时空连续或间断定时定点提取水样。尽管提取水样的工作并不复杂，所获取的水样体积也不大，但是为了完成这一任务却需要有数人组成的采样团队成员乘船出海完成，这样就增大了采样过程中的人力和物力的投入，造成不必要的浪费。基于此，为了使得水质采用更加方便、安全、高效，用可遥控的无人艇作为采样工作的替代工具不失为一种上佳之选。

由于水质采样往往涉及近岸100海里范围内的区域，需要无人艇具备良好的耐波性，续航力和可遥控性。现阶段市面上无人艇的船型多为小型船型，对目标水域范围内的波浪抵抗能力较低。而由于船体尺寸的限制，无人艇无法携带充足的储备能源和完备的遥控设备以应对远距离航行。虽然有些产品采用了利用光伏等可再生能源手段作为航行过程中的能量来源，但是单一的补充手段和有限的转化设备同样限制了续航力的延伸。因此从满足实际海水参数采集的操作需求的角度看，开发一型可以利用多种可再生能源、采用多种推进方式、可以时空连续海水参数采样、方便远程遥控并具有充足储备荷载的无人艇符合市场预期和实际需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于结合水质采样无人艇的工作特点，提供一种合理利用太阳能和波浪能作为动力来源的多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇，以实现远程遥控和稳定航行并节能。

本发明通过以下技术手段实现：

一种多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇，其特征在于，主要由主船体和拖曳体构成；所述拖曳体包括鱼雷型主体和波浪能驱动水翼；多个波浪能驱动水翼间隔设置在鱼雷型主体的两侧，波浪能驱动水翼通过转轴与鱼雷型主体上的开孔活动连接，波浪能驱动水翼绕转轴在正负20度的范围内运动；鱼雷型主体前端安装有压力传感器；

所述的主船体包括左右两侧的片体、纵梁、横梁、主梁、支柱和主控箱；左右两侧片体内装有蓄电池，左右两侧片体的尾部底端均安装有一台无刷电机推进器；左右两侧的片体间隔设置，片体上两根纵梁横向之间间隔设有多根横梁，片体上两根纵梁纵向之间间隔设有多根纵梁，左右两侧的片体的中部设有主梁；左右两侧的片体的纵梁和横梁上设有太阳能电池板；主梁与横梁连接；主梁的上方设有主控箱，后方与操纵舵相连；主控箱中部放置绞车及抽水泵，中部两端分别设有控制设备室和水样仓；水样仓与抽水泵连接；控制设备室设有控制设备；拖缆一端缠绕在绞车上，另一端穿过主控箱和主梁与拖曳体相连；拖缆为中空结构的钢质缆绳，中空中设有输电线和抽水管；抽水管一端连接抽水泵，另一端从拖曳体伸出；输电线一端与压力传感器和监测管道内壁上的传感器分别连接，另一端与控制设备串联；太阳能电池板与蓄电池连接；蓄电池与控制设备连接；控制设备分别与操纵舵、无刷电机推进器、抽水泵和绞车连接。

为进一步实现本发明目的，优选地，在每个片体上表面设有固定板，纵梁通过支柱与固定板连接。

优选地，所述的波浪能驱动水翼对称设置在鱼雷型主体的两侧。

优选地，所述的鱼雷型主体外周间隔设有监测管道；监测管道内壁上安装有化学元素传感器和物理传感器。

优选地，所述的纵梁为12根、横梁为8根、支柱为16根，纵梁、横梁、主梁和支柱焊接在一起形成框架结构，并通过支柱下端的固定板利用螺栓与左右两侧片体相连接；框架结构中间形成的空档，空档上安装太阳能电池板。

优选地，所述的左右两侧片体内部被分为四个区域，尾部区域用于安装有无刷电机推进器；两储备舱间设有舱室，舱室设有一层舱底甲板，舱底甲板放置蓄电池；蓄电池为12块，选用雷克12v/200ah铅酸蓄电池；两储备舱为无人艇提供储备浮力或临时作为储物仓。

优选地，所述的主控箱正下方及主梁对应位置开有通孔供拖缆穿过，所开通孔应相对拖缆直径留有5-10cm的裕度，并且在通孔周围做加强处理。

优选地，所述的控制设备选用arm嵌入式开发控制板tms320c6657，其上整合有华为me909s-120minipcie4g无线通信模块，30mhz短波通信模块及gps定位芯片；

优选地，所述的雷型主体与波浪能驱动水翼均由铝合金材料制成，其中鱼雷型主体尺寸为φ0.3×2.15m，壁厚为10mm；所述的波浪能驱动水翼翼型为naca0018，弦长为0.4m，翼展为1.4m，壁厚为5mm。

优选地，所述的左右两侧片体采用玻璃钢材料制造长为6m，宽为0.4m，型深为0.55m，片体壁厚为5mm；舱底甲板与片体1的材料相同；所述的主梁由q235钢材料制成，规格为5.01×0.3×0.3m，壁厚为5mm；所述的纵梁由q235钢材料制成，规格为1.58×0.05×0.05m，壁厚为2mm；所述的横梁由q235钢材料制成，规格为1.766×0.05×0.03m，壁厚为2mm；所述的支柱由q235钢材料制成，规格为0.2×0.05×0.04m，壁厚为2mm；所述的太阳能电池板5共12块，选用额定功率为200w的硬质光伏板；所述的拖缆的直径为3cm，抽水管的直径为1cm，输电线的直径为0.5cm；所述的无刷电机推进器选用48磅船用推进器；所述的绞车选用24v小型电动绞车；所述的操纵舵的舵叶翼展为0.4m，弦长为0.4m，舵杆长为0.23m，直径为5cm，舵机为48v鲨鱼无刷舵机。

相比于现有技术，本发明有如下技术优势：

1)本发明采用波浪能驱动水翼所产生的推进力作为克服拖曳阻力的一种辅助手段，使无人艇可以更高效地完成海水参数采水作业。拖曳体在拖曳过程中所受的阻力较大，如果不加以考虑，不但会影响无人艇的航行速度，也会造成更大的能量损耗。为解决这一问题，发明人发现，将波浪能驱动水翼与拖曳体相结合，利用无人艇整体在波浪中的垂向运动，可以使波浪能驱动水翼在重力和水动力的作用下产生向前的推力，进而抵消拖曳体在拖曳过程中所受的部分阻力。

2)本发明可以实现在时间和空间上的连续采样，并对样本进行实时分析。本发明融合了波浪能驱动水翼技术，降低了拖曳阻力，在航行时也可以将鱼雷型主体放入水中进行时间上的连续采样。安装在鱼雷型主体前端的压力传感器则可以检测鱼雷型主体所处位置的水压，而根据水压数据，控制设备可以判断鱼雷型主体所处水深，通过绞车调节拖缆长度，控制鱼雷型主体的水深位置，可以实现空间上的连续深度控制采样作业。而设置在鱼雷型主体四周的管道内安装有相关化学元素及物理传感器，当拖曳过程中水流过管道时，可以对海水参数进行实时分析和监测。

3)本发明耐波性能更好，储备能源及载荷充足。由于船体采用左右两侧片体组成的双体船的构造形式，使本发明无人艇可以应对更大更复杂的波浪，从而更加适合远距离的航行。另一方面，双体船结构形式也增大了无人艇所搭载设备的布置空间，使其可以携带更多蓄电池和装备以应对更为复杂的情况。

4)本发明波浪能与太阳能同时为无人艇供能，增加了无人艇的动力来源，增大了无人艇的续航力。

5)本发明通信距离远，遥控便利。本发明所述无人艇，在近岸25km范围内采用4g通信模式，借助岸边所覆盖的4g基站，可以很好地实现远程遥控。当超过基站通信范围后，利用短波通信距离的优势可以实现在更远的距离上操控无人艇。

6)本发明操纵性较好。本发明所述无人艇利用推进器差速转动和操纵舵相互配合的操纵形式，可以更高效的实现对无人艇的操控，使无人艇变得更加灵活。

7)本发明生存能力强。本发明所述无人艇配备两台无刷电机推进器和一部操纵舵。当有一台无刷电机推进器失灵时，无人艇可以在操纵舵配合下，利用一台无刷电机推进器推进返回。当操纵舵出现故障时，无人艇也可以通过两台无刷电机推进器的转速差实现无人艇的转向，因此本发明所述无人艇具有更强大的生命力。

8)本发明制造简单，成本低廉。本发明所述无人艇采用模块化设计理念，整船各部分之间相对独立，可并行制造，从而节约建造工时。无人艇上所安装的设备也尽量选用市面上已有的设备型号，进一步降低了研发和制造的成本。

附图说明

图1是本发明多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇俯视图。

图2是本发明多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇主视图。

图3是本发明多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇右视图。

图4是本发明多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇拖曳示意图。

图5是主控箱内部布置示意图。

图6是片体内蓄电池布置示意图。

图7是拖缆内部管线分布示意图。

图8是拖曳体示意。

图9是波浪能驱动水翼上升运动受力示意图。

图10是波浪能驱动水翼下降运动受力示意图。

图中示出：片体1、固定板2、纵梁3、横梁4、太阳能电池板5、主梁6、主控箱7、操纵舵8、支柱9、无刷电机推进器10、拖曳体11、拖缆12、控制设备13、绞车14、抽水泵15、水样舱16、储备舱17、舱底甲板18、蓄电池19、抽水管20、输电线21、鱼雷型主体22、波浪能驱动水翼23、压力传感器24、监测管道25。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

如图1-图4所示，一种多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇，主要由主船体和拖曳体12构成；其中主船体包括左右两侧的片体1、纵梁3、横梁4、主梁6、支柱9和主控箱7；左右两侧片体1内装有蓄电池19，左右两侧片体1的尾部底端均安装有一台无刷电机推进器10；左右两侧的片体1间隔设置，在每个片体1上表面设有固定板2，片体1上设有纵梁3，优选纵梁3通过支柱9与固定板2连接；片体1上两根纵梁3横向之间间隔设有多根横梁4，片体1上两根纵梁3纵向之间间隔设有多根纵梁，左右两侧的片体1的中部设有主梁6；左右两侧的片体1的纵梁3和横梁4上设有太阳能电池板5；主梁6与横梁4连接；主梁6的上方设有主控箱7，后方与操纵舵8相连；如图5所示，主控箱7中部放置绞车14及抽水泵15，中部两端分别设有控制设备室和水样仓16；水样仓16与抽水泵15连接；控制设备室设有控制设备13；拖缆12一端缠绕在绞车14上，另一端穿过主控箱7和主梁6与拖曳体11相连；如图7所示，拖缆12为中空结构的钢质缆绳，中空中设有输电线21和抽水管20；抽水管20一端连接抽水泵15，另一端从拖曳体11伸出，用于抽取水样；输电线21一端与压力传感器24和监测管道25内壁上的传感器分别串联，另一端与控制设备13连接；太阳能电池板5与蓄电池19连接，为蓄电池19充电；蓄电池19与控制设备13连接，为其供电。控制设备13分别与操纵舵8、无刷电机推进器10、抽水泵15和绞车14连接，控制操纵舵8、无刷电机推进器10、抽水泵15和绞车14的电能配给和操作。

如图2、图4和图8所示，拖曳体11包括鱼雷型主体22和波浪能驱动水翼23；多个波浪能驱动水翼23间隔设置在鱼雷型主体22的两侧，优选波浪能驱动水翼23对称设置在鱼雷型主体22的两侧，波浪能驱动水翼23通过转轴与鱼雷型主体22上的开孔活动连接，波浪能驱动水翼23可以绕转轴在正负20度的范围内运动；鱼雷型主体22前端安装有压力传感器24，鱼雷型主体22外周间隔设有监测管道25；监测管道25内壁上安装有化学元素传感器和物理传感器。鱼雷型主体22上所开孔并不贯穿其外壁。

如图1所示，优选纵梁3为12根、横梁4为8根、支柱9为16根，纵梁3、横梁4、主梁6和支柱9焊接在一起形成完整的框架结构，并通过支柱9下端的固定板8利用螺栓与左右两侧片体1相连接。框架结构中间形成的空档可以用于太阳能电池板5的安装。

优选主控箱7正下方及主梁6对应位置开有通孔供拖缆12穿过，所开通孔应相对拖缆12直径留有5-10cm的裕度，并且在通孔周围需要做特殊加强处理。

如图6所示，优选左右两侧片体1内部被分为四个区域，尾部区域用于安装有无刷电机推进器10；两储备舱17之间设有舱室，舱室设有一层舱底甲板18，舱底甲板18上放置蓄电池19；蓄电池19优选为12块，选用雷克12v/200ah铅酸蓄电池。两储备舱17为无人艇提供储备浮力或临时作为储物仓。

优选控制设备13选用arm嵌入式开发控制板tms320c6657，其上整合有华为me909s-120minipcie4g无线通信模块，30mhz短波通信模块及gps定位芯片。

优选鱼雷型主体22与波浪能驱动水翼23均由铝合金材料制成，其中鱼雷型主体尺寸为φ0.3×2.15m，壁厚为10mm；波浪能驱动水翼23翼型为naca0018，弦长0.4m，翼展1.4m，壁厚为5mm。

优选左右两侧片体1采用玻璃钢材料制造长为6m，宽为0.4m，型深为0.55m，片体壁厚为5mm。舱底甲板18与片体1的材料相同。

优选主梁6由q235钢材料制成，规格为5.01×0.3×0.3m，壁厚为5mm；

优选纵梁3由q235钢材料制成，规格为1.58×0.05×0.05m，壁厚为2mm；

优选横梁4由q235钢材料制成，规格为1.766×0.05×0.03m，壁厚为2mm；

优选支柱9由q235钢材料制成，规格为0.2×0.05×0.04m，壁厚为2mm。

优选太阳能电池板5共12块，选用额定功率为200w的硬质光伏板；

优选拖缆12直径为3cm，抽水管20直径为1cm，输电线21直径为0.5cm，三者长度可以根据实际采水需求在0m-2m范围内调节。

优选无刷电机推进器10选用48磅船用推进器；绞车14选用24v小型电动绞车；

优选操纵舵8的舵叶翼展为0.4m，弦长为0.4m，舵杆长为0.23m，直径为5cm，舵机为48v鲨鱼无刷舵机。操纵舵8与控制设备13相连。

优选抽水泵15为钜泰12v微型水泵。

本发明一种多层次推进时空连续海水参数采样监测无人艇由两台无刷电机推进器10推进航行，在航行过程中，通过整合于控制设备13上的gps芯片发送的信号，根据无人艇离岸距离更换无人艇的遥控信号格式。当无人艇处于25km范围内时，采用4g通信信号，当无人艇离岸距离超过25km时，切换为短波通信信号。岸上工作人员对无人艇施加的操纵指令经控制设备13接收并处理后，将操纵指令以电信号的形式传递给无刷电机推进器10和操纵舵8。2台无刷电机推进器10根据指令产生转速差，与此同时操纵舵8偏转，在二者合力作用下实现船体的操纵。

另一方面，借助控制设备13上整合的gps芯片，该无人艇也可以实现自动航行，具体方式为：执行任务时，工作人员可先将预制航路数据输入控制设备13内，而后启动无人艇。在航行过程中，整合于控制设备13上的gps芯片将无人艇位置数据实时反馈给控制设备13，并与预制航路进行对比，当出现偏航时，控制设备13会控制无刷电机推进器10和操纵舵8，操纵无人艇回归正确航迹，从而实现无人艇的自主航行，直至完成全部规划航路。

与航行模式类似，本发明所述无人艇的取样模式分为三种，其工作方式如下所示：

根据gps芯片反馈的位置信息判断，当无人艇到达预设静止取样点时，控制设备13可以自动或根据遥控命令断开无刷电机推进器10的电路，无人艇停止，绞车14释放拖缆12，拖曳体11入水下沉。根据压力传感器24实时返回的水压数据，由控制设备13判断拖曳体11所处水深。当拖曳体11沉降到预定水深时，绞车14停止工作，抽水泵15开始工作，将水样通过抽水管20抽取上来，并排入水样舱16中。达到取水量后，抽水泵15停止工作，绞车14收紧拖缆12，拖曳体11从水中上升复位，无人艇启动开始重新航行。

根据gps芯片反馈的位置信息判断，当到达预设连续取样点时，控制设备13可以自动或根据遥控命令降低无刷电机推进器10的功率，降低无人艇航速至1-2节，然后绞车14释放拖缆12，拖曳体11入水下沉。根据压力传感器24实时返回的水压数据，由控制设备13判断拖曳体11所处水深。当拖曳体11沉降到预定水深时，绞车14停止工作。此时拖曳体11跟随无人艇向前运动，有部分水则会之流过监测管道25，并被管道内的传感器检测分析。分析所得数据回传至控制设备13备份后通过通信模块传输至陆地基站。当完成预设水深的检测分析工作后，绞车14收紧拖缆12，拖曳体11从水中上升复位，无人艇提高航速继续航行。

为了实现在空间和时间上的连续取样分析作业，需要在无人艇出发之前或在执行任务过程中，对取样分析作业过程进行规划，并将相应节点数据传输至控制设备13处，该节点数据主要由预设时间节点值和预设深度节点值两部分构成。根据gps芯片反馈的位置信息判断，当无人艇航行至预定连续取样分析点时，控制设备14可以自动或根据遥控命令进行采样分析作业。控制设备13会首先降低无刷电机推进器10的功率，使无人艇航速将至1-2节。然后控制设备13向绞车14发出指令，绞车14开始以恒定的速度向下释放拖缆12，拖曳体11入水。拖曳体11在下降的同时还会在无人艇的拖动下向前运动，而位于拖曳体11四周的水会有一部分因此流过监测管道25并被其中安装的化学及相关物理传感器分析，分析数据将会传输至控制设备13备份后通过通信模块传输至陆地基站。在绞车14释放拖缆时，控制设备13开始计时，并实时与存储的预设时间节点值进行比对。安装在拖曳体11上的压力传感器24会实时向控制设备13反馈压力数据，借此来判断拖曳体11所处的水深，当拖曳体11所处深度达到预设深度节点值时，绞车14开始以相同的恒定速度反向转动，收紧拖缆12，带动拖曳体11上升直至下一预设深度节点值，如此周而复始。当控制设备13所计时间达到预设时间节点值时，控制设备13会向绞车14发出指令收紧拖缆12。至拖曳体11复位后，控制设备13调整无刷电机推进器10的功率，无人艇航速提高继续航行。

如上所述，在实际工作过程中，无人艇需要将拖曳体11放入水中进行连续采样，而这就会不可避免的产生较大的拖曳阻力，进而对无人艇的快速性及续航力造成不利影响。为解决这一问题，发明人发现了以下两种解决办法：首先从产生拖曳阻力的机理上找寻解决方案。考虑到拖曳阻力与无人艇的航速成正相关关系，所以当无人艇释放和回收拖曳体11时，需要降低无人艇的航速，此航速以1节-2节为佳。

另一方面，发明人发现可以利用波浪能为减小拖曳阻力，这也是本发明拖曳体11中鱼雷型主体22和波浪能驱动水翼23结构设计的重要体现。由于无人艇的作业水域涉及离岸较远的区域，因此无人艇势必会遇到相对较大的波浪。在波浪中，无人艇会产生垂向的运动，并且将该运动通过拖缆12传递给拖曳体11使之也作垂向运动。在作垂向运动的过程中，拖曳体11的上所安装的可在正负20度范围内转动的波浪能驱动水翼23会受到水的作用而产生摆动，而摆动后的波浪能驱动水翼23会以一定的攻角受到前方来流的作用，进而产生升力和阻力。此时，波浪能驱动水翼23会受到自身重力，水的升力和阻力作用，而三者的合力表现为向前的推力，借助这部分推力可以进一步抵消拖曳体11所受到的拖曳阻力。波浪能驱动水翼23实际上充当了拖曳体11在水下的推进器，而位于水面的无人艇则由无刷电机推进器10负责推进，由此形成了上下多层次的推进模式，最大程度的降低无人艇与拖曳体11之间的系统内力，减小了两者之间的互相干扰，并在整体上利用了可再生的波浪能与太阳能一道为无人艇系统供能，实现了无人艇在续航力上的大幅度提升。

为进一步说明波浪能驱动水翼23实际上充当了拖曳体11在水下的推进器的工作原理，结合图9和图10作如下进一步说明：设定波浪驱动水翼为剖面为naca0018，翼展为1.4m的标准机翼。无人艇在水上航行时会受到波浪的影响而产生垂荡运动，当无人艇遭遇波浪波峰时，无人艇向上运动，并通过拖缆带动拖曳体向上运动。在向上运动的过程中，波浪驱动水翼会受到水作用的向下的阻力，并在阻力作用下绕转轴转动形成如例图9所示的形式。

当无人艇遭遇波谷的时候，无人艇向下运动，此时拖缆舒张，拖曳体则在自身重力的作用下向下运动。在向下运动的过程中，波浪驱动水翼会受到水作用的向上的阻力，并在阻力作用下绕转轴转动形成图例图10所示的形式。

无论在图9还是在图10中，利用力的分解原理，波浪驱动水翼都会产生一个在水平方向上的力，力的大小是：

推进力f＝|升力l×sinα-阻力d×cosα|

式中，α为合速度与水平方向的夹角。在实际运行过程中，因为naca0018为大升阻比翼型，所以升力l始终是大于阻力d的，并且根据实测数据，无人艇的垂荡速度v2是小于来流速度v1的，因此升力l×sinα始终是大于阻力d×cosα的，所以波浪驱动水翼可以始终提供向前的推进力。

在拖曳过程中，如果拖曳体不安装波浪驱动水翼，那么为了使拖曳体跟随无人艇做水平方向运动，无人艇需要通过拖缆为提供拖曳力，用于克服拖曳体及拖缆在水中所受到的阻力。而如果安装了波浪驱动水翼，在上述的原理下，波浪驱动水翼可以为拖曳体提供水平向前的推进力，这个推进力与阻力方向相反，因此可以在一定程度上抵消拖曳体和拖缆在水中航向的阻力。根据实验及数值模拟的结果，每一片波浪驱动水翼在设计工况下，即来流速度为2节左右时，最大可以提供超过60n的推进力，那么六片水翼最大可以提供超过360n的推进力，这个推进力甚至单台无刷电机推进器的最大推力(约217n)，因此安装了波浪驱动水翼可以很好地减小无人艇运动采样分析过程中所受到的阻力，有利于延长无人艇的航程和更好的完成采样取水任务。