一种浮标方位控制装置及控制方法与流程

本发明涉及浮标领域，特别涉及一种浮标方位控制装置及控制方法。

背景技术：

海洋环境复杂多变，海面以下的海流流速和流向在不停地变化，海面以上的风速和风向也在时刻变化。在风和海流的作用下，浮标在海面上会发生无规律的旋转运动。这会导致浮标的锚链或缆绳产生缠绕、打结等，同时，对于有固定观测方向的仪器设备也会产生不利影响。

在复杂的海洋环境中，大型海洋结构物如钻井平台等采用动力定位装置来实现位置和方位的固定不变。该装置通过多个螺旋桨推进器协调工作，产生反向力来抵消海洋环境对平台的作用力。但是该装置耗能巨大，不适应于浮标这种低功耗系统。

浮标是锚定于工作海域内的，通过锚系设计，浮标位置上精度要求已经可以满足。但是，对于单点系泊的浮标，锚系结构难以约束浮标的旋转运动，浮标的方位无法进行有效控制。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种浮标方位控制装置及控制方法，以达到在不影响水文观测的情况下，根据海流的流向，实时改变组合舵的舵向，用较小的功耗实现控制浮标方位的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种浮标方位控制装置，包括安装于浮标的水下仪器井内的驱动机构和安装于浮标底部的舵机构，所述驱动机构包括驱动装置和与驱动装置连接的驱动齿轮，所述舵机构包括从动齿轮和与从动齿轮连接的舵叶，舵机构上安装有信号反馈装置；所述浮标底部安装有滑动机构和设置于滑动机构上的传动齿轮，所述传动齿轮的两侧分别与驱动齿轮和从动齿轮相啮合；所述信号反馈装置和驱动装置均连接控制系统。

上述方案中，所述驱动装置包括伺服电机与伺服电机连接的减速机、联轴器和传动轴，所述传动轴末端与驱动齿轮相连。

上述方案中，所述舵机构还包括上轴承座和下轴承座，上轴承座内设有上轴承，下轴承座内设有下轴承；上舵轴上端穿过上轴承，下端与舵叶固定连接，从动齿轮安装于上舵轴上；下舵轴下端穿过下轴承，上端与舵叶固定连接；上轴承座与浮标底部焊接固定，下轴承座与浮标底部的支撑腿焊接固定。

上述方案中，所述信号反馈装置为编码器，且为非接触式绝对值编码器，并做防水密封处理，固定安装于下轴承座底部。

上述方案中，所述驱动机构设有一个，舵机构至少设置一个。

上述方案中，所述滑动机构包括固定于浮标底部的导轨，和设置于导轨上的滑块，所述传动齿轮与滑块固定；所述导轨为圆形，舵机构设置4个，均匀分布在浮标底部。

上述方案中，所述传动齿轮的内侧与驱动齿轮啮合，传动齿轮的外侧与从动齿轮啮合。

上述方案中，所述伺服电机、减速机和联轴器均位于浮标的水线以上，用密封装置将其与海水隔绝；所述伺服电机为可自锁的电机。

上述方案中，所述控制系统包括数据采集单元、数据处理单元、驱动单元和反馈单元；控制系统安装于浮标体的中间位置。

一种浮标方位控制装置的控制方法，包括如下步骤：控制系统利用浮标的海流传感器和方位传感器获取海流流向和浮标当前方位，然后给信号反馈装置加电，获取舵叶的当前角度位置；根据浮标的方位设定要求，计算出舵叶需要转动的角度，并向驱动装置发送驱动命令；驱动装置带动驱动齿轮转动，通过传动齿轮带动从动齿轮转动，进而带动舵叶转动；转动停止后，信号反馈装置再加电，检测舵叶的角度位置，并将信号反馈给控制系统，用于确认舵叶是否转动到指定角度；如果未到指定角度，控制系统可以根据角度差再向驱动装置发送驱动命令。

本发明的优点如下：

1、本浮标方位控制装置仅安装一套驱动机构，通过齿轮传动，可带动多套舵机构同时运动，并且保证了各舵叶运动的同步，降低了本装置的功耗；

2、本浮标方位控制装置的工作间隔可与浮标的数据采集间隔一致，也可以是数据采集间隔的整数倍，降低了浮标的整体功耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明实施例所公开的一种浮标方位控制装置正视图；

图2为本发明实施例所公开的浮标方位控制装置仰视图；

图3为本发明实施例所公开的浮标方位控制装置立体剖视图；

图4为本发明实施例所公开的驱动机构示意图；

图5为本发明实施例所公开的舵机构示意图；

图6为图5中a部分放大示意图；

图7为图5中b部分放大示意图；

图8为本发明实施例所公开的浮标方位控制装置与海流方向角度示意图一；

图9为本发明实施例所公开的浮标方位控制装置与海流方向角度示意图二；

图10为本发明控制系统组成示意图。

图中，1、浮标；2、伺服电机；3、减速机；4、联轴器；5、传动轴；6、驱动齿轮；7、上轴承座；8、上轴承；9、上舵轴；10、从动齿轮；11、舵叶；12、下舵轴；13、下轴承；14、下轴承座；15、编码器；16、导轨；17、滑块；18、传动齿轮；19、支撑腿；20、海流流向；21、舵向。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供了一种浮标方位控制装置，如图1-3所示，本装置可以在不影响水文观测的情况下，根据海流的流向，实时改变组合舵的舵向，用较小的功耗实现控制浮标方位的要求。

本专利的实施方案以某圆盘形浮标为例详细加以说明。

本专利的浮标方位控制装置的驱动机构安装在圆盘形浮标1的水下仪器井内，舵机构安装在浮标底部，以浮标1的垂直轴为中心呈圆形阵列布置。以4个舵构成的浮标方位控制装置为例，其在浮标1底部的布置形式如图2所示。

如图4所示，驱动机构的组成部分包含：伺服电机2、减速机3、联轴器4、传动轴5和驱动齿轮6。

如图5-7所示，舵机构的组成部分包含：上轴承座7、上轴承8、上舵轴9、从动齿轮10、舵叶11、下舵轴12、下轴承13、下轴承座14，下轴承座14底部安装有编码器15。

伺服电机2和编码器15均与控制系统电连接。如图10所示，控制系统包括数据采集单元、数据处理单元、驱动单元和反馈单元；控制系统安装于浮标体的中间位置。

驱动机构的伺服电机2通过螺栓与减速机3的输入端固定，减速机3的输出轴通过螺栓与浮标1标体固定，选用大减速比的减速机3，并选用带有自锁功能的伺服电机2，防止海流冲击舵叶11产生反转。联轴器4连接减速机3的输出轴和传动轴5，传动轴5的下端安装驱动齿轮6。

浮标1底部安装圆形导轨16，导轨16上的滑块17与传动齿轮18固定，驱动齿轮6与传动齿轮18内啮合。伺服电机2、减速机3、联轴器4均位于标体的水线以上，用密封装置将其与海水隔绝。

舵机构的上舵轴9上端穿过安装于上轴承座7内的上轴承8，下端与舵叶11连接，中间安装从动齿轮10，与传动齿轮18外啮合。上轴承座7与浮标1底部焊接固定。舵叶11采用流线型剖面，上端与上舵轴9连接，下端与下舵轴12连接，下舵轴12穿过安装于下轴承座14内的下轴承13。下轴承座14与支撑腿19焊接固定。上轴承8和下轴承13均选用推力轴承，以承受舵叶11及舵轴的重力。编码器15固定安装于下轴承座14的下端，采用非接触式绝对值编码器，并做防水密封处理。

为了进行水文和气象观测，浮标上通常会安装有方位传感器和海流传感器，因此可以获得浮标1的方位和海流的流向。为控制浮标1的方位，需要根据浮标1此时所处的方位和海流的流向来调整舵向，其原理是:当海流流向20与舵向21存在一定夹角时，海流会在舵面上产生一个水平方向的推力，该力推动浮标1旋转；当浮标1旋转到海流流向20与舵向21一致时，水平方向的推力消失，浮标1停止旋转。

假定需要控制浮标上箭头指向始终为北向，若浮标的初始方位为箭头指向北向，此时，海流流向20为东向，则需将舵向21也调整为东向，如图8所示。若浮标的初始方位为箭头指向顺时针偏转30°，即北偏东30°，海流流向20仍为东向，则需将舵向21在海流流向20的基础上也顺时针偏转30°，即调整为东偏偏南30°，如图9所示。此时，在海流的冲击下，组合舵带动浮标1产生一个逆时针的旋转运动，直至舵向与海流流向一致。此时，浮标上的箭头即指向北向。

该装置的舵向可360°调整，因此，不论海流流向和浮标初始方位如何改变，都可以实现将浮标的方位固定在指定方向上。

浮标方位控制装置的工作方式为：控制系统的数据采集单元采集浮标的海流传感器和方位传感器获取海流流向和浮标当前方位，然后给编码器15加电，获取舵叶11的当前角度位置；根据浮标1的方位设定要求，数据处理单元计算出舵叶11需要转动的角度，并向驱动单元发送驱动指令,驱动指令使伺服电机2转动，伺服电机2带动减速机3转动，再通过联轴器4，将转动传递到驱动齿轮5，驱动齿轮5转动，带动传动齿轮18沿着圆形导轨16转动，从而带动每个舵机构的从动齿轮10转动，进而带动上舵轴9、舵叶11和下舵轴12转动。转动停止后，反馈单元使编码器15再加电，采集舵叶11的当前角度位置，并将信号反馈给数据处理单元，用于确认舵叶11是否转动到指定角度。如果未到指定角度，控制系统可以根据角度差再向伺服电机2发送驱动命令。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。