一种用于海洋监测的无人潜航器

1.本实用新型涉及潜航器技术领域，具体涉及一种用于海洋监测的无人潜航器。


背景技术：

2.无人潜航器是执行水下任务的重要载体。无人潜航器在执行任务的过程中需要消耗能量为推进器和内部电子设备供电。潜航器通常采用自带的可充电电池供电，然而，由于其内部空间有限造成所携带电池的功能有限，导致其续航能力严重受限。
3.此外，水下系统，如潜标、uuv等，可在水下进行连续作业活动。但水下系统由自身携带的蓄电池提供能源供给，其能源供给能力有限，是限制其性能提升的主要因素。同时，水下系统的单次使用寿命也受限于水下能源，必须在系统能源消耗完之前对其进行回收处理。
4.随着海洋监测技术的持续发展，实现监测数据的实时传输，成为研究热门。而潜标系统由于能源供给能力有限，传统潜标系统一方面面临打捞回收工作困难，另一方面是无法针对大范围海域同步数据监测的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述问题，本实用新型提供了一种用于海洋监测的无人潜航器，解决了现有潜航器和潜标因能源供给能力不足，无法针对大范围海域同步数据监测的问题。
6.为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
7.提供一种用于海洋监测的无人潜航器，其包括auv本体，auv本体内设有依次相连的设备舱、探测器舱和动力舱，探测器舱上方设置有可释放多个潜标的潜标集群，探测器舱和潜标之间设置有定位模块、充电模块和通信模块，探测器舱内设置有供电装置和与供电装置相连的控制模块，潜标集群、定位模块、充电模块和通信模块均与控制模块相连，动力舱内设置有与控制模块相连的推进模块。
8.本方案中，在潜航器上搭载潜标集群，当潜航器将潜标投放到指定位置，转化为供能系统，定期在潜标释放海域游弋为潜标充能，采用上述方案，采用无线充电技术，在潜航器在定位投放潜标完成后，游弋的在潜标的释放海域，持续的为潜标充能，提高潜标的续航能力，使潜标与潜航器组成完备的，针对大范围海域的海洋数据监测平台，以实现对大范围海域的同步数据监测。
9.进一步地，定位模块为gps全球定位系统。
10.本方案中，由gps全球定位系统组成定位模块，采用上述方案，可确定潜标与潜航器的相对位置，当潜标的储能不足时，可快速确定潜标位置，并指引潜航器驶入潜标的充电区域，准备为潜标充电。
11.进一步地，充电模块包括位于探测器舱上发射线圈，以及位于潜标上的接受线圈。
12.本方案采用发射线圈和接受线圈的配合，实现潜航器对潜标的无线充电，提高潜
标的续航能力。
13.进一步地，发射线圈与供电装置电性相连，接受线圈与潜标上的储电设备电性相连，发射线圈与接受线圈之间馈电对接组成磁耦合机构，磁耦合机构对潜标上的储电设备进行无线充电。
14.进一步地，发射线圈与接受线圈上均设置有谐振电路。
15.本方案中，发射线圈中设置有谐振电路，接受线圈上设置有谐振电路，采用上述方案，发射线圈中的谐振电路将电能转化为电磁波，接受线圈接受电磁波，且接受线圈中的谐振电路将电磁波转化为电能，储存在潜标的储电设备内。
16.进一步地，通信模块包括位于探测器舱内的水声通信机，水声通信机与控制模块相连。
17.本方案采用水声通信机与潜标建立水下通信连接，组成水下通信节点和水下监测节点，采用上述方案，潜标可通过水下通信向潜航器发送检测数据，潜航器完成通信和充能后，向岸基平台传输数据，完成完整数据传递过程。
18.进一步地，推进模块包括位于动力舱的电机，以及与电机转动相连的螺旋桨，电机与控制模块电性相连。
19.本方案采用与电机相连的螺旋桨提供潜航器推进的动力，由电机将电能转化为动能，并提供给螺旋桨，推动潜航器。
20.进一步地，供电装置为蓄电池组。
21.本实用新型公开了一种用于海洋监测的无人潜航器，其有益效果为：
22.1、本实用新型的定位模块、充电模块和通信模块相互配合，将潜标集群覆盖待监测区域，潜航器提高潜标的续航能力，收集潜标采集的海洋数据，并将收集的数据传输至岸基平台，完成针对大范围海域同步数据监测。
23.2、本实用新型的充电方式为“请求-响应式”，将潜航器设计为可以移动的水下充电平台，区别于传统接驳坞站，让潜航器作为充电平台去对位引导待充电设备，大幅提高了设备间的互操作和自动化程度。
24.3、本实用新型建立一个完整水下潜标系统，潜标与潜标之间、潜标与潜航器之间均保持稳定联系，潜标将采集到的观测数据保存至本地存储单元后，通过其通信节点发送数据给潜航器，进而回传至岸基数据中心。
25.4、本实用新型的数据传输系统中，引入水声通信技术，拓宽水下通信方式，另外，系统还集成了传统固定监测节点潜标与移动传输节点auv通信的工作模式，提高海洋观测数据传输的时效性和效率。
附图说明
26.图1为本实用新型的一种用于海洋监测的无人潜航器的结构示意图。
27.图2为本实用新型的发射线圈和接收线圈的结构示意图。
28.图3为本实用新型的充电、通信的示意图。
29.图4为本实用新型的定位装置的测距理论图。
30.其中，1、auv本体；2、设备舱；3、探测器舱；4、动力舱；5、潜标集群；6、潜标；7、供电装置；8、推动装置；9、电机；10、螺旋桨；11、发射线圈；12、接收线圈。
具体实施方式
31.面对本实用新型的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本实用新型，但应该清楚，本实用新型不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本实用新型的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本实用新型构思的实用新型创造均在保护之列。
32.实施例1
33.参考图1为本实施例的一种用于海洋监测的无人潜航器的机构示意图，目的是提高潜标的续航能力，完成针对大范围海域同步数据监测。
34.一种用于海洋监测的无人潜航器包括auv本体1，auv本体1内设有依次相连的设备舱2、探测器舱3和动力舱4，探测器舱3上方设置有可释放多个潜标6的潜标集群5。
35.具体的，探测器舱3和潜标6之间设置有定位模块、充电模块和通信模块。
36.定位模块确定auv本体1和潜标6之间的相对位置，充电模块实现auv本体1对潜标6的充电，通信模块实现auv本体1接受潜标6采集到的海洋数据，并将采集到的数据传输至岸基平台。
37.如图4所示为定位装置的测距理论图，目的是确定潜航器和潜标的相对位置，定位模块为gps全球定位系统，由水声定位单元组成，采用现有的水声定位技术，水声定位作为建立在超声波传播技术基础之上的水下定位技术，通过水声通道测定声波信号传播时间或相位差，进行水下定位。
38.探测器舱3内设置有供电装置7和与供电装置7相连的控制模块，供电装置7为蓄电池组，潜标集群5、定位模块、充电模块和通信模块均与控制模块相连，动力舱4内设置有与控制模块相连的推进模块8。
39.控制模块为现有的c51单片机，其具体型号为dspic30f系列单片机，该单片机作为电控元件部分，主要包括处理器、控制器两个部分。处理器和控制器通过can总线进行连接，蓄电池组电池连接到控制器的电源端口；舵机连接到控制器，控制器在接收到处理器的运动指令后，控制舵机转动实现潜航器的运动。
40.以上述控制模块为核心，搭载gps全球定位系统可以进行实时定位，搭载无线通信模块可以实现信息的交互，电源管理模块可以对电量进行管理以及控制auv的上浮和下潜。
41.控制模块具体用于控制定位模块定位、充电模块启动、供电装置7、通信模块和动力部件执行对应功能。
42.一方面，它以定位模块的数据作为输入，调度auv本体1的精确移动，进入预期充电区域。
43.另一方面，它可以协调供能装置，辅助控制auv端充电模块的运行。
44.推进模块8包括位于动力舱4内的电机9，以及与电机9转动相连的螺旋桨10，电机9与控制模块电性相连。
45.在潜航器的auv本体1上搭载潜标集群5，当auv本体1将潜标6投放到指定位置后，auv本体1转化为供能系统，采用无线充电技术，定期在潜标6的释放海域游弋，持续的为潜标6充能，提高潜标的续航能力，使潜标6与auv本体1组成完备的、针对大范围海域的海洋数据监测平台，以实现对大范围海域的同步数据监测。
46.实施例2
47.如图2所示为发射线圈和接收线圈的结构示意图，如图3所示为充电、通信的示意图，目的是提高潜标的续航能力，一下对充电模块的各部件详细展开。
48.充电模块包括位于探测器舱3上发射线圈11，以及位于潜标6上的接受线圈12，发射线圈11与接受线圈12上均设置有谐振电路。
49.谐振电路为现有技术，谐振的实质是电容中的电场能与电感中的磁场能相互转换，此增彼减，完全补偿。本实施例中的发射线圈11与接受线圈12上均采用现有成熟的谐振电路，且本实用新型并不保护其电路结构，故不再赘述其具体电路结构，但需要表明的是其电路结构及其连接关系是本领域人员能够理解并清楚的。
50.具体的，发射线圈11与供电装置7电性相连，接受线圈12与潜标6上的储电设备电性相连，发射线圈11与接受线圈12之间馈电对接组成磁耦合机构，使供电装置7对潜标6上的储电设备进行无线充电。
51.控制模块是根据上一步定位模块反馈的位置信息，控制auv本体1的推进和线圈之间的馈电对接，发射线圈11与接受线圈12之间馈电对接组成磁耦合机构，使供电装置7对潜标6上的储电设备进行无线充电。
52.磁耦合技术具体是指，auv本体1能够在水下充当移动电源使用，auv本体1与水下潜标6网络电性连接，用于给潜标机构供电。
53.auv本体1上设置有发射模块，发射模块包括供电装置7和若干发射线圈11。作为接收端的潜标6包括设置在水下的需要充电的用电元件，其结构包括接收线圈12和供电单元。
54.auv本体1中发射线圈11上的谐振电路将电能转换为电磁波，通过谐振体的电磁耦合技术，传输电磁波给充电设备中的谐振体，潜标6再经谐振电路将电磁波转换成电能，潜标供电单元储存电能，并为潜标6供电。
55.水下无线充电的工作原理为：
56.auv本体1接收到潜标6的充电指令，充电指令包括待充电设备的位置信息，根据接收到的信息，与待充电设备建立通讯连接，开启gps全球定位系统，利用载体为水下监测节点和水下通信节点的单信标定位技术，得到相对位置信息，以规划待充电设备发送的行进路线，根据行进路线，移动至待充电设备的可充电范围内，与待充电设备对接，向待充电设备充电。
57.实施例3
58.如图3所示为充电、通信的示意图，目的是潜航器与潜标之间建立水下通信，通信模块包括位于探测器舱3内的水声通信机，水声通信机与控制模块相连。
59.具体的，潜航器与潜标之间建立无线传输系统，该系统包括：水声通信机、水下监测节点和水下通信节点；水下监测节点，即潜标机构，水下通信节点，即潜航器。
60.潜航器与潜标建立水下通信的工作原理为：
61.水下监测节点，即潜标机构，在开始发送传感器数据前，通过水声通信机向水下通信节点发送对位引导信息；
62.水下通信节点，即潜航器，依据接收到的位置信息进行移动到指定通信区域，通过水声通信机与水下监测节点建立水下通信连接。
63.待潜标机构与潜航器双方确认连接后，潜标机构通过建立的水下通信连接向auv发送监测数据，完成完整数据传递过程。
64.案例
65.水下固定监测节点a(监测信息、存储信息的固定前端设备)若将得到的声学/光学传感数据信息传输，首先需要与接收节点进行定位确认，该过程可通过水声通信进行，若最终接收端为远距离的岸基平台c，超出了点对点水下光通信距离，此时需要中间有个移动节点b(如auv、uuv等，负责数据传输)辅助数据传输，类似于中继站，其工作流程如下：固定节点a向移动节点b发出定位导航信息，将b引导至可水下光通信可传输的距离，然后进行数据传输，此后，移动节点b在完成通信和充能工作后，向远距离的岸基平台c发出数据传输。
66.本方案一种用于海洋监测的无人潜航器的工作原理为：
67.本实用新型在实际应用中，如图1-图4所示，在潜航器的auv本体1上搭载潜标集群5，当auv本体1将潜标6投放到指定位置后，auv本体1转化为供能系统。
68.通过通信模块，使潜标6与auv本体1之间建立水下通信系统，通过定位模块和无线充电技术，定期在潜标6的释放海域游弋，持续的为潜标6充能，提高潜标的续航能力。
69.通过定位模块、充电模块和通信模块相互配合，将潜标集群5覆盖待监测区域，组成完备的、针对大范围海域的海洋数据监测平台，潜航器提高潜标6的续航能力，收集潜标6采集的海洋数据，并将收集的数据传输至岸基平台，完成针对大范围海域同步数据监测。
70.虽然结合附图对实用新型的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。