半潜式无人水尺观测器的制作方法

本发明属于水尺观测设备领域，尤其是涉及一种半潜式无人水尺观测器。

背景技术：

随着船舶运输业的发展，船舶水尺计重的准确度越来越受到人们的关注。准确的计重结果能够有效地减少纠纷及保证各方利益。

水尺计重是根据阿基米德定律的原理经对承载货物的船舶吃水及船用物料的测定，根据船舶有关图表，测算船舶的排水量和有关物料重量，从而算出承载货物的重量。水尺计重的关键环节是对船舶吃水的测定。

目前，实际应用中主要采用的是拖轮观测、软梯观测、无人机观测等方法。传统水尺观测方法弊端：

1、拖轮观测法检验人员需爬码头前沿的直梯或旋梯，比较危险且租用船舶的费用比较高。拖轮观测法仅能观测3面水尺。

2、软梯观测检验人员比较危险。

3、无人机观测虽然费用低廉，但只能观测3面水尺，受天气制约比较大，大风天气和夜间无法观测，或者会影响拍摄图像的清晰度。

4、运输船舶靠岸时在靠近码头一侧距离码头岸基仅有1.2米左右的距离，水道非常狭窄，潜航器的横宽度太大就不能通行狭窄水道。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种测量结果准确、即时、稳定可靠、使用便捷的半潜式无人水尺观测器。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

半潜式无人水尺观测器，包括：

扁平鱼雷型的艇体和设置在艇体上方的舰桥；

观测机构，设置在舰桥上，用于获取船体六面水尺图像，并将图像传递给陆地终端；

驱动机构，包括设置在艇体上的用于控制艇体垂直运动的垂直推进机构和控制艇体水平运动的水平推进机构；

平衡系统，包括对称设置在艇体中部的左右两侧的可折叠的平衡翼和对称设置在艇体尾部的左右两侧的尾翼；

控制系统，设置在艇体内部用于控制观测机构、驱动机构和平衡系统；

电源，设置在艇体内部，用于为艇体上的设备提供电源。

进一步，所述观测机构包括第一观测单元，所述第一观测单元包括潜望镜和摄像机，所述摄像机位于舰桥内部，所述潜望镜设置在舰桥上，潜望镜用于将船舶吃水线图像经反射折向摄像机，摄像机将接收到的图像传递到陆地终端；

或所述观测机构包括第二观测单元，所述第二观测单元包括升降机构和摄像机，所述升降机构设置在舰桥上，所述摄像机固定在升降机构顶部，摄像机用于将拍摄的水尺图像传递到陆地终端。

进一步，所述水平推进机构包括4个水平推进器，且对称设置在艇体的左右两侧。

进一步，所述艇体上设有旋转装置，所述水平推进器安装在旋转装置上，旋转装置用于实现水平推进器从艇体的底部翻转到艇体的两侧。

进一步，所述旋转装置包括液压缸、旋转臂、液压伸缩杆和支撑轴，所述旋转臂的上端与支撑轴转动连接，旋转臂的下端固定连接水平推进器；所述液压伸缩杆为弧形伸缩杆，液压伸缩杆由液压缸驱动，液压伸缩杆的端部与旋转臂连接，液压伸缩杆的伸缩实现水平推进器从艇体的底部翻转90°到艇体的两侧。

进一步，所述垂直推进机构包括2个垂直推进器，且分别设置在艇体的头部和尾部，以配合实现所述半潜式无人水尺观测器的升降。

进一步，所述平衡翼与艇体铰接，所述平衡翼的上表面通过收放伸缩杆与舰桥铰接。

进一步，所述平衡翼远离艇体一端的上表面设有橄榄球型的硬质压载球囊，压载球囊内设有双向水泵；所述平衡翼靠近艇体的一端设有导流减压孔。

进一步，所述舰桥内设有港水密度检测舱，港水密度检测舱内设有港水密度检测机构。

进一步，所述港水密度检测机构包括收卷机构、悬吊机构和检测探头，所述检测探头的连接导线绕在收卷机构上，所述检测探头悬挂在悬吊机构上，所述导线与控制系统连接。

相对于现有技术，本发明所述的半潜式无人水尺观测器具有以下优势：

(1)本发明所述的半潜式无人水尺观测器，通过运维人员远程操作，通过控制系统控制该水尺观测器自行前往入港船舶附近，选取观测点，利用观测机构对船舶实际吃水进行观测，并实时传递至陆地控制中心，由专业作业人员利用计算机对实际船舶吃水进行数据读取，结果更准确，由于其可在水中实现浮潜或者半潜，受天气、海浪等影响较小。该水尺观测器采用垂直推进机构和水平推进机构结合，为水尺观测器提供动力，满足水尺观测器悬停的需要，并保证航行各种姿态控制。该水尺观测器还设有平衡系统，保证观测器在运行过程中的平稳运行。

(2)本发明所述的水平推进器可以从艇体底部翻转到艇体侧面，增大了横稳性，实现航行的自平衡性。

(3)本发明所述的垂直推进器实现水下平衡艇体升降时间更短，操控更容易，使得潜航器机动性更灵活。

(4)本发明所述的平衡翼上设有压载球囊，当平衡翼展开时，向内泵水，使得球囊充满水，对双侧平衡翼进行压载，达到降低横向重心，增大横向稳定性，避免伸缩杆伸缩引起的重心不稳。平衡翼上还设有导流减压孔，连通翼上翼下液体，使得平衡翼翼体上下压力平衡，使得平衡翼顺利展开。

(5)本发明所述的艇体上设有用于检测港水密度的密度检测机构，通过收卷机构和悬吊机构的配合使用，使检测探头能够在港水中升降，以获得不同深度的港水密度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的外观示意图；

图2为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的内部结构示意图；

图3为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的仰视图；

图4为本发明实施例所述的平衡翼的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的水平推进器的运动状态图；

图6为本发明实施例所述的水平推进器和垂直推进器的驱动电机的驱动流程图。

附图标记说明：

1-艇体；11-耐压舱；111-控制系统；112-电源；12-垂直推进器安装槽；2-舰桥；21-港水密度检测舱；211-探头放置槽；3-观测机构；31-潜望镜；32-摄像机；33-电动伸缩杆；4-港水密度检测机构；41-减速电机；42-卷扬机；43-气缸；44-悬臂；45-引导滑轮；46-检测探头；5-收放伸缩杆；51-防水护套；6-平衡翼；61-导流减压孔；62-压载球囊；7-水平推进机构；71-水平推进器；72-液压缸；73-旋转臂；74-狭缝；75-液压伸缩杆；76-支撑轴；8-垂直推进机构；81-垂直推进器；9-尾翼。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的外观示意图，如图1所示，半潜式无人水尺观测器，包括：

扁平鱼雷型的艇体1和设置在艇体1上方的舰桥2；

观测机构3，设置在舰桥2上，用于获取船体六面水尺图像，并将图像传递给陆地终端；

其中，水尺是船舶吃水的标志，用以度量船舶的吃水。在船舶首、尾和中部的两侧船壳板上均漆有水尺，通常称为六面水尺。该观测器绕船舶转一圈，观测机构3便可分别记录下船体六面水尺图像。

驱动机构，包括设置在艇体1上的用于控制艇体1垂直运动的垂直推进机构8和控制艇体1水平运动的水平推进机构7；

平衡系统，包括对称设置在艇体1中部的左右两侧的可折叠的平衡翼6和对称设置在艇体1尾部的左右两侧的尾翼9；

控制系统111，设置在艇体1内部，用于控制观测结构、驱动机构和平衡系统；

电源112，设置在艇体1内部，用于为艇体上的设备和动力提供电源，电源可以采用可充电锂电池。

具体的，该观测器的艇体1长度为1.5-2.5之间，宽0.4-0.5米，高0.3-0.4米，平衡翼6翼展0.5米左右，艇体1内还设有压载水舱，其设计排水量300-500kg左右，工作深度约在0-3米。

由于运输船舶靠岸时在靠近码头一侧距离码头岸基仅有1.2米左右的距离，水道非常狭窄且，长度大约有3百米左右，而且在码头岸基还有规则分布靠泊橡胶护垫，有时靠泊橡胶护垫会完全浸入水中，所以要观测船舶内侧中部水尺采用水面艇是无法完成的，所以必须采用该观测器。通行狭窄水道要求潜航器的横宽度要求较高，即潜航器的设计型宽不能太宽最大不能超过0.5米，整个潜航器的型体不能过大，以保证艇体能够在狭窄的水道中行驶。

控制系统111包括对该观测器起主要控制作用的中控、起导航作用的导航系统、实现通信作用的通信系统。

其中，导航系统采用捷联惯导系统和北斗导航系统，还有磁罗经、陀螺罗经、温盐传感器等导航定位设备提供潜航器的位置、航向、深度、姿态等信息保证航行安全和作业安全。

通信系统：可以包括：无线电通信：wifi/2.4ghz无线电通信，卫星通信：铱星通信。示例性的，可以采用现有技术中的各种通信芯片实现，所述通信芯片的数据传输位针脚与摄像机的数据传输接口通过接线连接，以实现将采集到的图像通过无线传输的方式传输至远端。示例性的，所述通信芯片可以采用2.4ghz无线电通信方式，可以选用nrf24e1芯片，其第5针脚和第6针脚分别与摄像机的数据传输接口中的rxd和txd端口电连接。此外，也可以通过上述芯片实现其它信息，例如导航位置信息及深度、姿态等信息的远传。

并且，也可利用其它通信芯片实现驱动机构和平衡系统的控制，示例性的，利用通信芯片输出的电频信号控制设置于电源与驱动机构之间的继电器的通断，进而实现对驱动系统的控制，具体的，所述通信芯片可以选用mt7681芯片，其支持多个数据通道。其中一组数据通道包括发送端口和接收端口，可以将发送端口与继电器的控制端的一端电连接，另一端接地，可以发送端口发出高电平时，实现继电器吸合，进而实现控制驱动机构电源之间的导通，实现对驱动机构的控制。并可采用相同的方式实现对电动液压缸的控制。

对于平衡结构，由于其动作相对于驱动机构更为多样化，其具体控制相对也更为复杂。在本实施例中，通常可以采用现有的电机控制器实现对平衡机构与需要进行精准控制的部件，例如6se6440-2ud33-0ea1西门子微控制器。其可以通过预设的各种编程信息，将通信芯片传输的各种控制信号通过通信针脚发送至电机控制器，电机控制器将控制信号转换通过pid和模拟数字转换器实现对多个微电机的控制。其中模拟数字转换器用于测量与脉冲宽度调制同步的电机绕组的电流，并馈送回控制算法，并控制逆变器使用pwm控制技术来驱动电机。以实现对电机的精准控制，进而实现对平衡机构和取像结构的中各个部件运动的精准控制。

为了增强该观测器的实用性，艇体结构主要包括耐压舱结构和非耐压舱结构，耐压舱结构主要布置电源、导航和航行控制设备，采用铝合金或碳纤维等材料制成。非耐压舱主要布置驱动机构及浮力调节压载水舱。

如图2所示，为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的内部结构示意图。其中，作为示例而非限定，所述观测机构3可以包括第一观测单元，所述第一观测单元包括潜望镜31和摄像机32，所述摄像机32位于舰桥2内部，所述潜望镜31设置在舰桥2上，潜望镜31用于将船舶吃水线图像经反射折向摄像机32，摄像机32将接收到的图像传递到陆地终端。

具体的，所述潜望镜31为多节套筒式结构，其具体节数可以根据实际需要选取。各节套筒之间设有防水密封圈，最外层套筒和最内层套筒中设有用于折射光线的镜片。潜望镜31的最外层套筒伸入舰桥2内部，摄像机32位于最外层套筒对应设置的镜片的光线出口处。舰桥2上固定有平行于潜望镜31的电动伸缩杆33，电动伸缩杆33的顶端通过连接杆与潜望镜31的最内层套筒的顶端固定连接，使得电动伸缩杆33伸缩时，带动潜望镜31伸缩，可调节摄像机32拍摄的视角。

所述潜望镜31的结构还可以采用现有潜水艇采用的潜望镜结构。

所述观测机构(3)还可以包括第二观测单元，所述第二观测单元包括升降机构和摄像机(32)，所述升降机构设置在舰桥(2)上，所述摄像机(32)固定在升降机构顶部，摄像机(32)用于将拍摄的水尺图像传递到陆地终端。其中，摄像机32可以采用现有的水下防水摄像机，例如可以采用宝派360全景运动dv配合vrbox一体机，升降机构可以采用防水电动伸缩杆，例如可以采用宏霸hb：dj808电动推杆。

摄像机32拍摄的画面通过远程图传系统传播。远程图传主要是在舰桥上安装5.8ghz的图传设施或wifi卡匹配相应的摄像头进行远程图传，将运输船舶实时吃水情况用视频方式记录下来，传给后方办公室的工作人员。

作为优选的，所述水平推进机构7包括4个水平推进器71，且对称设置在艇体1的左右两侧。

其中，水平推进器71可以选择无轴泵喷推进器。无轴泵喷推进器利用无刷电机原理将整个泵喷导流管制造成一个轮毂形状的电机，将转子内嵌螺旋桨形状的桨叶。转子转动带动桨叶将水流沿导管泵出，通过水流的反作用力使艇身获得推进动力。节省了电机所占体积，为艇体提供了更大的能源储备空间。

具体的，水平推进器71分别设置在距离艇体1前后两端1/4处，所述艇体1上设有旋转装置，所述水平推进器71安装在旋转装置上，旋转装置用于实现水平推进器71从艇体1的底部翻转90°后到艇体1的两侧。

该翻转操作主要是解决该观测器能在运输船舶内侧靠港口一侧约1.2米的狭窄水道通行，以免水平推进器71与狭窄水道障碍物发生碰撞。当该观测器进入运输船外侧有风浪水域时，艇身底部的四个水平推进器71可以翻转90度，使得水平推进器71处于与艇身垂直相交平面上，从而提高半潜无人艇的横稳性，使其在风浪水环境下具有更好的适航性。

更具体的，如图5所示，为本发明实施例所述的水平推进器的运动状态图；作为示例而非限定，所述旋转装置可包括液压缸72、旋转臂73、液压伸缩杆75和支撑轴76，支撑轴76固定在艇体1内部的底部，所述旋转臂73的上端与支撑轴76转动连接，旋转臂73的下端固定连接水平推进器71，艇体1的底部设有供旋转臂73伸出和运动的狭缝74；所述液压伸缩杆75为弧形伸缩杆，当液压伸缩杆75完全缩回时，呈1/4圆弧状，当液压伸缩杆75完全伸出时，呈1/2圆弧状，液压伸缩杆75由液压缸72驱动，液压缸72可以采用任何一种可以驱动液压伸缩杆75伸缩的型号，比如ro圆形缸、cx油缸等。液压伸缩杆75的端部与旋转臂73连接。上述结构综合，可以使液压伸缩杆75的伸缩实现水平推进器73从艇体1的底部翻转到艇体1的两侧。

如图3所示，为本发明实施例所述的半潜式无人水尺观测器的仰视图。作为优选的，所述垂直推进机构8包括2个垂直推进器，且分别设置在艇体1的头部和尾部。

具体的，垂直推进器81也可以选择无轴泵喷推进器，垂直推进器81可以设置在距离艇体1前后两端1/3处的底部，且在艇体1的底部设有垂直推进器安装槽12。

为了实现对水平推进机构和垂直推进机构的控制，艇体1内设有航行控制器和用于调节每一个推进器的速度的电子调速器，航行控制器通过向电子调速器发送调速指令，进而由电子调速器控制电机的转速。其中，电机的驱动流程图如图6所示。

在上述方案中，要实现正向前进时，四个水平推进器71等速正向旋转。要实现反向前进时，四个水平推进器71等速反向旋转。要实现左右转向时，左右两侧的水平推进器71的速度大小决定向左还是向右转向，两侧速度差决定转弯幅度大小；比如向左转向，利用电子调速器将右侧电机速率调大，使艇身右侧速度大于左侧速度，实现左转向，转弯幅度，由两侧速度差决定。要实现水平悬停时，四个水平推进器71等速前面两个和后面两个推进器对向旋转来实现。

该观测器的上浮和下潜是通过对压载水舱的打排压载水和垂直推进器共同调节的。其原理是，海水经通海阀进入压载水舱，使艇体重量增加，开始下沉。当艇体1浮力略大于重力，艇体1几乎完全浸入水中，完成了由水面艇到潜艇的转变，接下来利用两个垂直推进81来实现艇体水下的上浮和下潜。潜在水下的艇体也应满足水下的平衡条件，但是潜在水下状态时，由于受到盐度、温度、海流、深度的各种因素的影响，水下平衡受到各种干扰，总是不能保持原有的平衡，常规潜艇利用注水排水方式来实现水下平衡，本发明创造利用环境感知器通过传感器判定艇体所受浮力的大小，控制两个垂直推进器正反向推力来实现半潜艇的水下平衡运动，示例性的，所述环境感知器可以包括重力传感器，在重力传感器采集到的参数为0时，可以确定艇身浮力与重力相一致。

在伸缩杆升起时，观测器的重心位置发生变化，其重心相对于未升起时升高。而且在受到风力影响时，观测器容易产生摇动，会影响拍摄图像清晰度。为了保证该观测器状态稳定，以及便于吃水线拍摄的更准确，设置了起平衡作用的平衡翼。如图4所示，为本发明实施例所述的平衡翼的结构示意图。

具体的，平衡翼6的翼根纵向距离0.5米左右，翼尖纵向距离0.2米左右的梯形平衡翼，平衡翼迎风角纵向前端翼厚约5公分，翼尾厚度约为1公分。所述平衡翼6与于艇体1铰接，所述平衡翼6的上表面通过收放伸缩杆5与舰桥2铰接，通过收放伸缩杆5的伸缩带动平衡翼6展开。收放伸缩杆5的外部还套设有起防水作用的可伸缩的防水护套51，防水护套51具体可以采用日常生活中常见的伸缩软管。

当平衡翼6完全展开时，艇体和平衡翼横向距离大约1.5米左右。当收缩杆完全收缩时，平衡翼6可以与艇体侧面紧密贴合使得水流无阻碍。为了增加平衡翼6合上时与艇体1的贴合度，艇体1的侧面还可以设有用于放置平衡翼6的预留凹槽。

优选的，所述平衡翼6远离艇体1一端的上表面设有橄榄球型的硬质压载球囊62，压载球囊62内设有用于泵水的双向水泵，压载球囊62上还设有用于排气的电磁阀；所述平衡翼6靠近艇体1的一端设有导流减压孔61。

当平衡翼6展开时，利用双向水泵向压载球囊62内泵水，同时打开电磁阀将压载球囊62内的空气排出，使得压载球囊62充满水，对双侧平衡翼进行压载，达到降低横向重心，增大横向稳定性，抵消潜望镜31升高时导致横向稳性不足的缺陷，从而保证水尺观测摄录的图像稳定，无跳帧。

当无需压载球囊62进行压载时，利用双向水泵向压载球囊62外泵水，同时打开电磁阀使压载球囊62内充入空气。

由于平衡翼上下两侧存在压差，使得平衡翼展开困难。因此，在本实施例中，在平衡仪上设有导流减压孔61，所述导流减压孔61在收放伸缩杆5调展平衡翼6时，连通翼上翼下液体，使得平衡翼6翼体上下压力平衡，使得平衡翼6顺利展开。

在水尺计算中需对排水量进行港水密度校正。排水量或载重量表的制作，通常是以密度为1.025g/m³的标准海水或密度为1.000-1.025g/m³的淡水为基础确定的，因此当船舶处于不同的港水时，其排水量必须进行港水密度校正。

而且，水面至船底之间各层的港水密度是有差异的，一般说来水面密度较小，船底密度较大，特别是处于河口的港口，差异更大，港水密度的大小随着温度的变化而变化，所以传统抽样后应立即测定密度，不要远离抽样地，尤其在冬季，不能将港水样品放在室内测定，以防温差过大而影响测定结果。测定时须在避风处，以免受风吹动而使水面以及密度计摇摆，无法读得正确的密度值。

因此，在上述实施例的基础上，所述舰桥2内设有港水密度检测舱21，港水密度检测舱21内设有港水密度检测机构4。

作为示例而非限定，所述港水密度检测机构4包括收卷机构、悬吊机构和检测探头46，所述检测探头46的连接导线绕在收卷机构上，所述检测探头46悬挂在悬吊机构上，所述导线与控制系统连接111。检测探头46采用ctd温度盐度深度传感器，具体可以选用304plusctd温盐深仪。

具体的，港水密度检测舱21的内部设有减速电机41，减速电机41连接卷扬机42，卷扬机42上缠绕有连接导线，减速电机16与电源的通断由中控控制；港水密度检测舱21内还设有气缸43，气缸43上连接有竖直设置的伸缩杆，伸缩杆的顶端设有悬臂44，悬臂44上设有引导滑轮45，连接导线绕过引导滑轮45连接检测探头46；所述舰桥2上还设有探头放置槽211。其中，减速电机41、气缸43和悬臂44均由中控控制。

当需要检测港水密度，中控启动减速电机41和气缸43，使悬臂44升起，直到检测探头46完全从探头放置槽211中拉出；然后由中控控制悬臂44旋转，直至检测探头46悬在水面正上方；再启动减速电机41，卷扬机42将导线放长，至检测探头46进入水中。检测探头46将测得的港水密度传回中控，并由中控传到陆地检验人员的接收装置里，检测人员这时就可以读取数据进行水尺计重的港水密度修正工作。

此设计不仅解决了船舶附近港水密度垂向差异、水平差异、温度变化差异引发的排水量修正误差，提高了检验鉴定的结果准确性；同时也节约了港水密度测定的操作，节约了人力成本，缩短了检测时间，提高了工作效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。