基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网制造技术

本发明专利技术公开了一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统(3)，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星(9)和通讯卫星(10)组成的卫星系统与陆地数据终端系统(3)相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。本发明专利技术通过节点间通讯，提高定位精度和调查效率，实时数据回传。

【技术实现步骤摘要】
基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网
本专利技术涉及移动海洋观测网
，具体是一种以智能浮标和多台智能潜水器为观测节点，实现“大气-海面-海中-海底”高精度、高效率、立体化海洋调查的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网。
技术介绍
海洋占地球表面70%以上，海洋-大气的物质和能量的交换、洋流的变迁、温盐分布均在全球气候变化中起着重要的调节器作用;海洋申蕴含着海洋油气资源、多金属结核、富钴锰结核、可燃冰资源、热液矿藏等大量矿产资源，具有巨大的经济价值;海底地形、声速变换紧密关系到水下战场环境，关系到国家、人民安全。可见，海洋调查是关系到国家经济发展、社会进步、国防安全的重要工作。浮标(Buoys)是一种重要的海洋观测手段，具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标研制于20世纪40-50年代，60年代在海洋调查中开始试使用，70年代中期技术趋于成熟进入实用阶段。浮标根据是否被锚定分为锚定浮标(Mooredbuoys)和漂流浮标(Driftingbuoys)。目前，美国、俄罗斯、加拿大、英国、法国、西德、日本、挪威、荷兰、和澳大利亚等十多个国家研制和使用的锚泊浮标有200多个，漂流浮标1000多个。其中，部分先进的漂流浮标增加了浮力调节单元，实现垂直方向的自动升降采样，被称为自动升降浮标。然而，在水平方向依然没有控制能力，只能随波逐流。潜水器(Underwatervehicle)是另外一种先进的海洋观测手段，具有水下观察、水下作业和水下航行能力，可代替潜水员执行更深海域的水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务。1554年意大利人塔尔奇利亚专利技术制造了木质球形潜水器;1717年英国人哈雷设计了第一款有价值的潜水器，用于探寻沉船宝物，但是没有动力的，须由管子和绳索与水面上的母船保持联系;20世纪50年代以后，出现了各种以科学考察为目的的自航深潜器;1960年，美国利用新研制的深潜器首次下潜马里亚纳海沟(下潜深度10916米);1953年，第一艘无人遥控潜水器问世;1980年法国“逆戟鲸”号无人深潜器下潜6000米;1997年日本Kaiko号无人潜水器首次下潜到10911万米深的马里亚纳海沟底部。潜水器已完成多种科学研究及救生、修理、寻找、探查、摄影等工作，如“阿尔文"号曾找到过落入地中海的氢弹和“泰坦尼克"号沉船，墨西哥湾漏油事件的抢险救援中大量使用无人潜水器。然而，由于潜水器航速低，作业效率低、作业成本高、水下定位精度差、定位依赖于母船或专门设置的海底基站，且与水面(或陆地)终端的实时通讯困难。海洋观测(OceanObservation)是基于卫星、飞机、调查船、浮标、潜水器、声学设备手段的，水下调查装备的定位精度差、通讯的实时性差一直是主要技术瓶颈，从而导致调查效率低、调查成本高、暂时无法实现对大范围海域时间、空间上的连续、智能观测，这对于我们了解海洋、开发海洋是非常不利的。
技术实现思路
针对现有技术中存在的浮标在运动控制能力方面的不足以及潜水器在水下定位和通讯方面的困难，提供了一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，该移动海洋观测网具备小型水平推进器和浮力调节器的智能浮标(AutonomousBuoy)和具备水平、垂直运动能力的小型智能潜水器(AutonomousUnderwaterVehicle)，针对现有海洋观测网络中建立基于多台智能浮标和多台智能潜水器的海洋观测网络，通过节点间通讯提高水下节点定位精度和系统的调查效率。本专利技术是通过以下技术方案实现的。一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统3，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星9和通讯卫星10组成的卫星系统与陆地数据终端系统3相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。所述智能浮标系统包括若干个智能浮标1，其中，每一个智能浮标1均包括：浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13、浮标天线安装支架14、浮标本体15、浮标水密接插件16、浮标电子舱17、浮标推进器系统18、浮标第一通讯换能器19、浮标第一定位换能器20、浮标换能器安装支架21、浮标用户传感器以及浮标控制系统;其中：所述浮标本体15为圆形球体，其内部设有存储空间，方便上浮下沉及水平运动，浮标本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料;所述浮标卫星定位天线11、浮标卫星通讯天线12、浮标无线通讯天线13均布置在浮标本体15的上部，并通过浮标天线安装支架14加高固定，以提高通讯性能;所述浮标电子舱17安装于浮标本体15的内部，为独立的耐压干舱，并通过浮标水密接插件16与外部设备电连接;所述浮标水密接插件16分布于浮标电子舱17的上下舱盖上;所述浮标推进器系统18包括4组推进器，所述4组推进器在浮标本体重心所在水平面上呈十字对称分布，且重心需始终低于浮标本体的浮心，以提高浮标本体运动时的稳定性;所述浮标第一通讯换能器19和浮标第一定位换能器20在浮标本体的外部下方一米处，并通过浮标换能器安装支架21与浮标本体15刚性连接连接，以减小浮标本体16对声信号的反射;所述浮标用户传感器安装在以下任一位置：-浮标本体15内部;-浮标电子舱17内部;-浮标天线安装支架14上;-浮标换能器安装支架21上;所述浮标控制系统设置于所述浮标电子舱17内部。所述浮标控制系统包括:浮标无线通讯单元22、浮标卫星定位单元23、浮标卫星通讯单元24、浮标电机控制单元25、浮标电机组、浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33、浮标电池34、浮标电源管理单元35、浮标用户接口36、浮标数据存储单元37、浮标水泵38、浮标漏水检测单元39、浮标第二通讯换能器40、浮标水声通讯单元41、浮标水声定位单元42、浮标第二定位换能器43以及浮标核心控制单元44;其中：所述浮标无线通讯单元22与浮标无线通讯天线13连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标卫星定位单元23与浮标卫星定位天线11连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标卫星通讯单元24与浮标卫星通讯天线12连接，并与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标电机组包括4组电机，所述浮标电机控制单元25与4组电机相连，分别控制浮标推进器系统18的4组推进器的转速，从而控制智能浮标1的运动轨迹;所述浮标电机控制单元25与浮标核心控制单元44进行串口通讯;所述浮标深度计30、浮标高度计31、浮标陀螺仪32、浮标罗盘33的数据均由浮标核心控制单元44采集，并作为智能浮标1的运动控制系统的状态反馈信号;所述浮标电池34通常采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况可采用太阳能电池或温差发电;所述浮标电池34为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元35管理;所述浮标电源管理单元35与浮标核心控制单元44间采取串口通讯;所述浮标用户接口36是浮标核心控制单元44提供的常见电源和控制接口，包括:RS232、RS485、1O、AD、±5VDC、±12VDC、±24本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统(3)，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星(9)和通讯卫星(10)组成的卫星系统与陆地数据终端系统(3)相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查。

【技术特征摘要】
1.一种基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，包括智能浮标系统、智能潜水器系统以及陆地数据终端系统(3)，所述智能浮标系统和智能潜水器系统分别通过由定位卫星(9)和通讯卫星(10)组成的卫星系统与陆地数据终端系统(3)相连接，其中，智能浮标系统用于完成海面至浅海域的自治升沉调查，智能潜水器系统用于完成海面至海底的自治潜航调查；所述智能浮标系统包括若干个智能浮标(1)，其中，每一个智能浮标(1)均包括：浮标卫星定位天线(11)、浮标卫星通讯天线(12)、浮标无线通讯天线(13)、浮标天线安装支架(14)、浮标本体(15)、浮标水密接插件(16)、浮标电子舱(17)、浮标推进器系统(18)、浮标第一通讯换能器(19)、浮标第一定位换能器(20)、浮标换能器安装支架(21)、浮标用户传感器以及浮标控制系统；其中：所述浮标本体(15)为圆形球体，其内部设有存储空间，方便上浮下沉及水平运动，浮标本体材料需采用耐腐耐碰撞的金属材料；所述浮标卫星定位天线(11)、浮标卫星通讯天线(12)、浮标无线通讯天线(13)均布置在浮标本体(15)的上部，并通过浮标天线安装支架(14)加高固定，以提高通讯性能；所述浮标电子舱(17)安装于浮标本体(15)的内部，为独立的耐压干舱，并通过浮标水密接插件(16)与外部设备电连接；所述浮标水密接插件(16)分布于浮标电子舱(17)的上下舱盖上；所述浮标推进器系统(18)包括4组推进器，所述4组推进器在浮标本体重心所在水平面上呈十字对称分布，且重心需始终低于浮标本体的浮心，以提高浮标本体运动时的稳定性；所述浮标第一通讯换能器(19)和浮标第一定位换能器(20)在浮标本体的外部下方一米处，并通过浮标换能器安装支架(21)与浮标本体(15)刚性连接连接，以减小浮标本体(15)对声信号的反射；所述浮标用户传感器安装在以下任一位置：-浮标本体(15)内部；-浮标电子舱(17)内部；-浮标天线安装支架(14)上；-浮标换能器安装支架(21)上；所述浮标控制系统设置于所述浮标电子舱(17)内部；和/或所述智能潜水器系统包括若干个智能潜水器(2)，其中，每一个智能潜水器(2)均包括：潜水器第一通讯换能器(45)、潜水器第一定位换能器(46)、潜水器导流罩(47)、潜水器电子舱(48)、潜水器水密接插件(49)、潜水器水袋(50)、潜水器水平翼(51)、潜水器垂直尾翼(52)、潜水器尾推进器(53)、潜水器无线通讯天线(54)、潜水器卫星通讯天线(55)、潜水器卫星定位天线(56)以及潜水器控制系统；其中：潜水器第一通讯换能器(45)和潜水器第一定位换能器(46)均布置于潜水器导流罩(47)的船首位置，以提高声信号性能；所述潜水器电子舱(48)为圆筒状耐压干舱，安装于潜水器导流罩内部，并通过潜水器水密接插件(49)与外部设备电连接；所述潜水器水密接插件(49)分布于潜水器电子舱(48)的上下舱盖平面上；所述潜水器导流罩(47)为椭球形结构，流体阻力小；潜水器导流罩与潜水器电子舱之间安装用户设备、传感器或加装用于船体静力学配平的浮力材料、压载铅块；所述潜水器水袋布置于潜水器导流罩(47)内部偏前侧、潜水器电子舱(48)的下部，用于运动控制过程中船体重力的调节；所述潜水器水平翼(51)为1对，1对潜水器水平翼分别安装于潜水器导流罩左右两侧，为固定翼，起稳定船体平衡的作用；所述潜水器垂直尾翼(52)为1对，1对潜水器垂直尾翼(52)分别安装于潜水器导流罩尾部上下两侧，紧跟潜水器水平翼(51)之后，为固定翼，起稳定船体平衡的作用；所述潜水器尾推进器(53)安装于潜水器导流罩(47)的尾部，用于提供水平推力；所述潜水器无线通讯天线(54)、潜水器卫星通讯天线(55)、潜水器卫星定位天线(56)均布置在向上的潜水器垂直尾翼(52)上，提高安装高度从而提高信号质量；所述潜水器控制系统设置于所述潜水器电子舱(48)内部。2.根据权利要求1所述的基于智能浮标和智能潜水器的移动海洋观测网，其特征在于，所述浮标控制系统包括：浮标无线通讯单元(22)、浮标卫星定位单元(23)、浮标卫星通讯单元(24)、浮标电机控制单元(25)、浮标电机组、浮标深度计(30)、浮标高度计(31)、浮标陀螺仪(32)、浮标罗盘(33)、浮标电池(34)、浮标电源管理单元(35)、浮标用户接口(36)、浮标数据存储单元(37)、浮标水泵(38)、浮标漏水检测单元(39)、浮标第二通讯换能器(40)、浮标水声通讯单元(41)、浮标水声定位单元(42)、浮标第二定位换能器(43)以及浮标核心控制单元(44)；其中：所述浮标无线通讯单元(22)与浮标无线通讯天线(13)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯；所述浮标卫星定位单元(23)与浮标卫星定位天线(11)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯；所述浮标卫星通讯单元(24)与浮标卫星通讯天线(12)连接，并与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯；所述浮标电机组包括4组电机，所述浮标电机控制单元(25)与4组电机相连，分别控制浮标推进器系统(18)的4组推进器的转速，从而控制智能浮标(1)的运动轨迹；所述浮标电机控制单元(25)与浮标核心控制单元(44)进行串口通讯；所述浮标深度计(30)、浮标高度计(31)、浮标陀螺仪(32)、浮标罗盘(33)的数据均由浮标核心控制单元(44)采集，并作为智能浮标(1)的运动控制系统的状态反馈信号；所述浮标电池(34)采用锂电池，当执行长期调查任务不方便更换电池的情况采用太阳能电池或温差发电；所述浮标电池(34)为整个控制系统供电，电池的电压、电流、温度、余量、绝缘情况由浮标电源管理单元(35)管理；所述浮标电源管理单元(35)与浮标核心控制单元(44)间采取串口通讯；所述浮标用户接口(36)是浮标核心控制单元(44)提供的常见电源和控制接口，包括：RS232、RS485、IO、AD、±5VDC、±12VDC、±24VDC、±48VDC；所述浮标数据存储单元(37)用于所有控制命令、传感器数据、位置信息、时间信息及系统日志的存储，浮标核心控制单元(44)对其进行读写操作；所述浮标水泵(38)设置于浮标电子舱(17)内部，用于接收浮标核心控制单元(44)控制信号，并将运行结果反馈给浮标核心控制单元(44)；浮标水泵的两端分别设有浮标水袋，并与舱外海水相连，通过调节浮标水袋存水量调节智能浮标(1)的重力，从而调节智能浮标(1)的上浮或下沉；所述浮标漏水检测单元(39)用于检测浮标电子舱(17)的独立舱体的漏水情况，并发送至浮标核心控制单元(44)，根据漏水情况和位置，浮标核心控制单元(44)将采取...

【专利技术属性】
技术研发人员：付斌，金莉萍，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：