自主前进式剖面潜标的制作方法

本实用新型涉及海洋探测技术领域，具体涉及一种低能耗、高续航的自主前进式剖面潜标。

背景技术：

近年来，随着海洋资源的开发与对海洋环境的研究的加深，人们对于全球范围的海洋进行的调查显得尤为重要。从上个世纪起，人们开始不断依靠科考船、水下运载器、海底机器人、自沉浮式剖面探测浮标、海底探测网、甚至是卫星遥感等先进的科学技术不断探索全球各个范围内的海域，但是仍有许多人们未知的领域以及足够多的全球范围内长时间的海洋数据。

海洋科考船常常用于各种实验设备的测试与特定海域的数据获取，常常作为其他的海洋探测工具的母船与他们结合使用。海底探测网用于特定区域的长时间探测，通常布置在沿岸海域。锚系式浮标锚定于海洋指定位置，长时间、自动、连续、原位测量海洋数据。自沉浮式剖面探测浮标(Argo浮标)用于大范围内的海洋信息获取并定时将数据传送给卫星，人们可以获得大量的海洋数据，根据运动范围可以把它划分到潜标的范围内。然而自沉浮式剖面探测浮标在运动过程中位置并不可控，而是“随波逐流”的，且这些浮标在使用寿命结束后也无法回收。载人水下运载器可以搭载各种传感器、机械手，在潜航员的控制下在水下完成多种高难度、复杂的任务，这是其他任何海洋探测工具都无法实现的，但是其下潜成本非常高，科研人员的安全保障也有很大的风险。无人水下运载器可分为有缆、无缆这两种，有缆水下运载器与科考船或载人水下运载器一同工作，探测范围有限但是操作性好，能完成许多复杂的工作；而无缆水下运载器没有脐带缆的限制可以进行大范围的工作，但是受到尺寸和电源的限制只能进行部分工作。

现在的海洋探测方法向多元化、无人化、长时间、大范围的方向发展。人们结合使用各种海洋探测工具来丰富工作内容，或是赋予特定的海洋探测工具以特定的功能和使命来提高工作效率。为了更深切地获取全球范围内的海洋信息数据，科学家们需要更多的海洋探测工具来获取更大地理范围、更长时间跨度的信息。

公告号为CN101487704A的中国专利文献公开了一种海洋监测用潜标，包括：壳体，在壳体内安装有支撑架，内、外皮囊分别通过气阀杆与电磁换向阀的接口相连通；在支撑架上固定有一个步进电机，步进电机的输出轴的转动传递给套在丝杠上的丝杠螺母；所述的丝杠的一端固定有丝杠防转件并且其另一端与活塞相连，液压缸的出口端与所述的电磁换向阀相连通；在壳体内安装有传感器、声通信模块，在母舰上安装有主控计算机和向所述的声通信模块发出定位信号的超短基线系统，在支撑架上连接有电池组、单片机；主控计算机输出运动控制命令给声通信模块、单片机同时接收来自单片机的数据信号，单片机通过其接口发出信号给电动机、换向阀。采用本装置能够根据预定程序或外部指令下潜、定深、上浮。但该实用新型的潜标只能实现自主控制上浮、下潜功能，不能实现自主前进功能且控制系统比较复杂，能耗比较高。

公告号为CN102167136A的中国专利文献公开了一种海洋升降潜标系统，在该系统中，浮标通过通信系留缆连接水下绞车；浮标与水下绞车之间的通信系留缆上靠近浮标的部分等间距设置多个剖面测量仪器；水下绞车固定在主浮体上；目标探测系统和ADCP均设置在主浮体上；锚泊系留机构包括采用锚链串接的玻璃浮球、应答释放器和压载锚。控制中心控制浮标系统定时浮出海面和潜入海中；目标探测系统探测活动目标，当判定有活动目标进入预设范围时，控制中心控制浮标系统潜入海中。浮标在浮出海面时，将所接收的各种数据传输给地面岸站。该实用新型可以实现海洋探测数据的实时传输，但是该实用新型只能实现垂直方向的上升、下潜运动，不能实现水平方向的运动，所以探测区域有限，且该实用新型的结构复杂，能耗高。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供了一种自主前进式剖面潜标。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案如下：

提供一种自主前进式剖面潜标，包括竖向的中空筒状的耐压壳体，其两端分设上下端盖；还包括摆翼装置、浮力调节装置、控制与数据存储系统；

所述摆翼装置包括至少一副对称安装于耐压壳体两侧的摆翼，摆翼为流线型水翼结构，通过转动轴装在设于耐压壳体上的安装位中；在转轴上套设了扭簧，扭簧的一端卡在摆翼上，另一端卡在安装位处；

所述浮力调节装置包括设于耐压壳体内部的步进电机、丝杠螺母副、活塞杆和活塞筒；其中，步进电机与丝杠螺母副以键连接，丝杠螺母副与活塞杆的一端以螺纹连接，活塞杆的另一端接至位于活塞筒中的活塞；在下端盖外侧固定安装了外置皮囊，外置皮囊通过油路管与活塞筒内部连通且灌注液压油；

所述控制与数据存储系统设于耐压壳体内部，包括通过信号线分别与存储模块、GPS接收天线模块和传感器模块相连的主控制板，以及为步进电机和控制与数据存储系统供电的电源。

本实用新型中，在耐压壳体外侧设有一圈径向包围的卡箍，所述安装位设于卡箍上。

本实用新型中，在耐压壳体与上下端盖之间的相对端面上分别设置密封槽，在密封槽内装有用于密封的橡胶O形圈。

本实用新型中，在上端盖的外侧顶端设有杆状的通信天线，通信天线通过信号线接至GPS接收天线模块。

本实用新型中，所述电源包括5V的移动电源和24V的锂电池组；前者为主控制板供电，后者由锂电池串联或并联而成，为步进电机和传感器模块和GPS接收天线模块供电。

实用新型原理描述：

本实用新型的技术方案中，耐压壳体和上下端盖均为承受部件，组装后形成的中空腔体用于为机械执行机构、控制机构等提供密封空间；浮力调节装置用于实现整个机体的净浮力调节，外置皮囊在耐压壳体的外部直接与海水接触，其体积随其内部液压油的多少而变化，从而实现潜标的上浮或下沉。摆翼以ABS塑料制成，通过流线型水翼构造和扭簧的复位作用实现向前进推力的生成。控制与数据存储系统布置于耐压壳体内，为整个剖面潜标系统提供动力、控制运动、采集和存储数据。

通过绳索将剖面潜标垂直投放到0-100m的浅海中，剖面潜标自身调整达到平衡状态后，随即通过不断地改变自身净浮力在水中实现上下运动，同时剖面潜标两侧摆翼随之上下摆动，产生向前的推力。剖面潜标在上浮、下潜过程中通过其自身携带的各种传感器可以采集温度、盐度、深度、压力等数据，并将采集到的数据都存储在控制系统中，当剖面潜标到达水面后将采集到的数据向卫星发射，最终借助卫星将数据传输给用户。

作为优选，所述的耐压壳体选用圆柱形壳体，优点是易于加工制造，内部空间利用率高，流体运动阻力小。所述的耐压壳体选用尼龙作为耐压壳体的材料，具有良好的综合性能，耐腐蚀且易于加工。所述的耐压壳体内部安装有存储模块、GPS接收天线模块、传感器模块、主控制板等电子元器件。在使用过程中会需要替换电源、提取存储数据，所以在耐压壳体和上下端盖之间需要可靠的静密封，本实用新型采用的是橡胶O型圈密封的方法；O型圈安装在相应的封闭密封槽内，以保证在水下工作的时候不产生泄漏。作为进一步优选，O型圈选用线径5.3mm的规格，内径根据耐压壳体径向尺寸确定。

主控制板用于控制步进电机的动作、从传感器模块和GPS接收天线模块获取数据，向存储模块写入数据；作为应用示例，主控制板可采用的控制单元是Arduino UNO R3；存储模块用于存储自传感器模块获得的数据，作为应用示例可采用Arduino的Micro SD卡读写模块与一块2GB的Micro SD卡。所述的耐压壳体上端盖的正中心处安装通讯天线；耐压壳体内部的GPS接收天线模块通过通信天线与卫星进行通讯，将传感器模块获取的数据发送给用户。作为优选，传感器模块可包括压力传感器、温度传感器和深度传感器。

本实用新型所述自主前进式剖面潜标，其前进是靠本身的摆翼机构实现的。潜标在净浮力为正向上运动时，向下的来流使摆翼向下转动，并且在摆翼上产生向前的推力；同样的，在其净浮力为负向下运动时，向上的来流使摆翼向上转动，在摆翼上产生向前的推力。一上一下为一个周期的运动。剖面潜标的摆翼不需要任何能量驱动和控制，能量只消耗在浮力调节上，所以具有强大的续航能力。目前的潜标是靠洋流作用水平运动进行水下作业的，它的前进运动是靠外界能量驱动的，受环境影响大，工作范围有限。而本剖面潜标在无洋流等外界能量驱动下，也可以靠自身摆翼机构实现自主运动，这样就可以进行长时间、大海域海洋探测作业。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型创新性地提出了带摆翼的自沉浮式剖面探测潜标结构，使剖面潜标在水中一直以竖直状态进行浮力调节的同时，还能进行波浪式自主前进运动，运动中不存在本体的姿态调节过程。

(2)本实用新型的自主前进式剖面潜标，具有自主前进、实时性、结构简单、成本低等优点，能够实现海洋环境参数的长期测量并能实现实时监测，可用于提高海洋探测能力。

(3)自主前进式剖面潜标运动过程中的电能仅用于自身的浮力调节，通过自身机构的特点在不需要额外的电能的情况下便可实现在上下运动的同时自主前进，实现低能耗前提下的高续航。

附图说明

图1为本实用新型的整体外部结构示意图；

图2为本实用新型的整体内部结构示意图；

图3为本实用新型的耐压壳体结构示意图；

图4为本实用新型的浮力调节装置结构示意图；

图5为本实用新型的摆翼安装示意图。

图中的附图标记：1通信天线；2上端盖；3O形圈；4耐压壳体；5步进电机；6丝杠螺母副；7活塞杆；8活塞筒；9外置皮囊；10下端盖；11扭簧；12摆翼；13GPS接收天线模块；14移动电源；15传感器模块；16存储模块；17主控制板；18锂电池组；19卡箍。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型自主前进式剖面潜标作进一步详细说明。

如图1-4所示，自主前进式剖面潜标包括竖向的中空筒状的耐压壳体4，其两端分设上端盖2和下端盖10；在耐压壳体4与上下端盖之间的相对端面上分别设置密封槽，在密封槽内装有用于密封的橡胶O形圈3。在上端盖2的外侧顶端设有杆状的通信天线1。耐压壳体4的外侧设有间隔布置的两圈径向包围的卡箍19。摆翼装置包括分别安装在两个卡箍19上的摆翼12，摆翼12对称安装于耐压壳体4两侧，摆翼12为流线型水翼结构，通过转动轴装在卡箍19上的安装位中，在转轴上套设了扭簧11。扭簧11的一端卡在摆翼上，另一端卡在卡箍19上的安装位处。浮力调节装置包括设于耐压壳体4内部的步进电机5、丝杠螺母副6、活塞杆7和活塞筒8；其中，步进电机5与丝杠螺母副6以键连接，丝杠螺母副6与活塞杆7的一端以螺纹连接，活塞杆7的另一端接至位于活塞筒8中的活塞；在下端盖10外侧固定安装了外置皮囊9，外置皮囊9通过油路管与活塞筒8内部连通且灌注了液压油。外置皮囊9在外部直接与海水接触，其体积随内部液压油的多少而变化，从而实现剖面潜标的沉浮。控制与数据存储系统设于耐压壳体4内部，包括主控制板17，以及为步进电机5和控制与数据存储系统供电的电源。主控制板17通过信号线分别与存储模块16、GPS接收天线模块13和传感器模块15相连，GPS接收天线模块13通过信号线接至通信天线1。电源包括5V的移动电源14和24V的锂电池组18；移动电源14为主控制板供电，锂电池组18由锂电池串联或并联而成，为步进电机5、传感器模块15和GPS接收天线模块13供电。

如图5所示，剖面潜标在零浮力(或是速度为0时)，摆翼12处于水平状态，当上浮或是下沉时，在水流冲击作用下摆翼12相应地向下或是向上摆动时，会受到扭簧11带来的扭矩使其存在一个复位的趋势，不会造成过大的摆角。

本实用新型的工作过程如下：

将剖面潜标通过绳索垂直投放到浅海中，浅海的深度范围是0-100m，剖面潜标自身调整达到平衡状态后，随即通过浮力调节装置不断地改变自身净浮力从而在水中实现上下运动。具体地，通过步进电机5驱动丝杠螺母副6，使活塞杆7在活塞筒8中沿直线运动，从而使液压油在活塞筒8与外置皮囊9之间实现抽排，改变剖面潜标自身净浮力从而在水中实现上下运动。同时，由于该上下运动带动两侧摆翼12随之上下摆动，产生向前的推力。剖面潜标在上浮、下潜过程中通过其自身携带的传感器模块15可以采集温度、深度、压力等数据，并将采集到的数据都存储在存储模块16中，整个过程通过锂电池组18和移动电源14供电，浮力调节过程和数据采集过程通过主控制板17控制。当剖面潜标到达水面后，将采集到的数据通过剖面潜标内的GPS接收天线模块13和通信天线1向卫星发射，最终借助卫星将数据传输给用户。

需说明，以上所述仅为本实用新型的较佳实施举例，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。