專(zhuān)利名稱(chēng)：水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水下自主航行觀(guān)測(cè)裝置，特別是涉及水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的安全保
障裝置。
背景技術(shù)：
隨著探索海洋步伐的加快，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到占地球75%面積的海洋必將成為人類(lèi)生存和發(fā)展的新領(lǐng)域，將對(duì)人類(lèi)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步起到重要作用。然而由于海洋環(huán)境的復(fù)雜性，至今人們對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)依然非常有限，目前人們獲取海洋數(shù)據(jù)的方法也是有限的。小型水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)是海洋環(huán)境觀(guān)測(cè)的一種高新技術(shù)，是當(dāng)前和今后一段時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)外研究開(kāi)發(fā)的技術(shù)熱點(diǎn)，是海洋技術(shù)開(kāi)發(fā)的最前沿與制高點(diǎn)。水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)主要用于無(wú)人、大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的水下環(huán)境觀(guān)測(cè)，以及海洋工程方面的現(xiàn)場(chǎng)接近觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)的要素包括物理學(xué)參數(shù)、海洋地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)參數(shù)、海洋化學(xué)參數(shù)、海洋生物學(xué)參數(shù)
坐寸ο水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的主要特點(diǎn)是能夠根據(jù)觀(guān)測(cè)任務(wù)的需要，搭載所需要的觀(guān)測(cè)儀器和設(shè)備，在設(shè)定的航線(xiàn)上自主航行并進(jìn)行水下走航測(cè)量，獲得的數(shù)據(jù)通過(guò)有效的通訊手段(衛(wèi)星、網(wǎng)絡(luò))傳送到用戶(hù)。平臺(tái)作用距離在幾十到上百公里。水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的無(wú)人系統(tǒng)，用以代替人類(lèi)進(jìn)行復(fù)雜、艱苦的工作，它涉及到電子、計(jì)算機(jī)、流體、結(jié)構(gòu)、材料、液壓、水聲、導(dǎo)航控制等多門(mén)學(xué)科，現(xiàn)有的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)涉及的關(guān)鍵技術(shù)較多，在研發(fā)的過(guò)程中主要關(guān)注平臺(tái)技術(shù)的本身，極少考慮平臺(tái)的安全保障裝置。個(gè)別系統(tǒng)在觀(guān)測(cè)平臺(tái)上安裝聲信標(biāo)或前視聲納，在觀(guān)測(cè)平臺(tái)發(fā)送意外而找不到其位置時(shí)，通過(guò)聲信標(biāo)確定觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置；在觀(guān)測(cè)平臺(tái)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，通過(guò)前視聲納實(shí)現(xiàn)規(guī)避障礙物。但是，水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置缺乏專(zhuān)門(mén)的研究和開(kāi)發(fā)。海洋環(huán)境復(fù)雜多變，水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的安全顯得尤為重要，任何意外都可能造成設(shè)備的丟失。水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴，可靠性要求高，其安全保障裝置的專(zhuān)門(mén)研發(fā)十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)工作環(huán)境復(fù)雜、可靠性要求高，其安全保障裝置又缺乏專(zhuān)門(mén)研究和開(kāi)發(fā)，本發(fā)明推出一種水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置，其目的在于通過(guò)監(jiān)控裝置將定位、導(dǎo)航、通信裝置與監(jiān)測(cè)傳感器、拋載釋放裝置以及航行控制系統(tǒng)連接一起，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，尋找事故先兆，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取措施解決，實(shí)現(xiàn)避碰和緊急上浮，使水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的水下作業(yè)安全可靠。本發(fā)明涉及的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置包括監(jiān)控裝置、定位裝置、電子羅盤(pán)、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標(biāo)、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統(tǒng)。監(jiān)控裝置連接定位裝置、電子羅盤(pán)、聲信標(biāo)、溫濕度傳感器、漏水傳感器、拋載釋放裝置和電源控制模塊，航行控制系統(tǒng)連接前視聲納、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置和電源控制模塊，監(jiān)控裝置和航行控制系統(tǒng)保持通信聯(lián)系。監(jiān)控裝置安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，由具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的單片機(jī)構(gòu)成。監(jiān)控裝置通過(guò)RS232串行接口與定位裝置、電子羅盤(pán)、航行控制系統(tǒng)和聲信標(biāo)連接，通過(guò)A/D端口與漏水傳感器連接，通過(guò)I/O端口與溫濕度傳感器、電源控制模塊和拋載釋放裝置連接。航行控制系統(tǒng)安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，是大功能計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)。航行控制系統(tǒng)與監(jiān)控裝置、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置和前視聲納通過(guò)RS232串行接口連接。電子羅盤(pán)安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，電子羅盤(pán)應(yīng)安裝在觀(guān)測(cè)平臺(tái)的幾何中心，同時(shí)電子羅盤(pán)的正北方向應(yīng)指向觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體的頭部。
溫濕度傳感器安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，安裝在艙內(nèi)散熱量最大的設(shè)備附近，監(jiān)測(cè)航行體艙內(nèi)的溫度是否正常。漏水傳感器安裝在航行體艙內(nèi)的下部，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)航行體是否漏水。由于觀(guān)測(cè)平臺(tái)艙內(nèi)體積有限，監(jiān)控裝置與電子羅盤(pán)、溫濕度傳感器、漏水傳感器的安裝位置不宜過(guò)遠(yuǎn)，這樣可以減少連線(xiàn)長(zhǎng)度，降低連線(xiàn)的復(fù)雜程度。航行控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，散熱量很大，將計(jì)算機(jī)的散熱片通過(guò)金屬片連到航行體的艙壁，熱量通過(guò)航行體的艙壁散出去。聲信標(biāo)安裝在觀(guān)測(cè)平臺(tái)前上部，甲板單元可通過(guò)聲信標(biāo)發(fā)出聲的信號(hào)確定觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置。前視聲納安裝在觀(guān)測(cè)平臺(tái)前下部，航行控制系統(tǒng)通過(guò)前視聲納探測(cè)前方的障礙物。拋載釋放裝置安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)中下部，由釋放機(jī)構(gòu)和拋載物組成。當(dāng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)發(fā)生意外時(shí)，監(jiān)控裝置啟動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)，將拋載物拋棄，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有正浮力，上浮到海面。監(jiān)控裝置自動(dòng)采集并存儲(chǔ)觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置、方向、姿態(tài)、溫度、濕度、是否漏水等信息，并定時(shí)從航行控制系統(tǒng)獲得觀(guān)測(cè)平臺(tái)的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，尋找事故先兆，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取措施解決。當(dāng)監(jiān)控裝置發(fā)現(xiàn)觀(guān)測(cè)平臺(tái)的姿態(tài)、溫度、濕度出現(xiàn)異常，或者檢查到觀(guān)測(cè)平臺(tái)漏水，監(jiān)控裝置啟動(dòng)拋載釋放裝置，將觀(guān)測(cè)平臺(tái)攜帶的拋載物拋棄，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有正浮力，實(shí)現(xiàn)緊急上浮。觀(guān)測(cè)平臺(tái)到達(dá)水面后自動(dòng)定位，通過(guò)衛(wèi)星通信裝置和無(wú)線(xiàn)通信裝置將觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置和狀態(tài)信息發(fā)送到甲板單元，以利于盡快回收。當(dāng)監(jiān)控裝置與航行控制系統(tǒng)通信異常時(shí)，或者通過(guò)分析航行控制系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)觀(guān)測(cè)平臺(tái)工作異常，監(jiān)控裝置通過(guò)電源控制模塊給航行控制系統(tǒng)斷電，延時(shí)10秒后，監(jiān)控裝置通過(guò)電源控制模塊給航行控制系統(tǒng)重新上電，航行控制系統(tǒng)重新啟動(dòng)，使航行控制系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。如果航行控制系統(tǒng)仍不能正常工作，監(jiān)控裝置也可啟動(dòng)拋載釋放裝置，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)緊急上浮。航行控制系統(tǒng)將觀(guān)測(cè)平臺(tái)上的各種設(shè)備和系統(tǒng)有效地組織起來(lái)，使其能夠協(xié)調(diào)工作，完成水下自主航行平臺(tái)使命任務(wù)。主要完成總體控制、航行與姿態(tài)控制、采集與通訊、導(dǎo)航與定位等功能。航行控制系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星通信裝置和無(wú)線(xiàn)通信裝置與甲板單元進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，接收甲板單元命令，同時(shí)向甲板單元傳送觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置和狀態(tài)信息。
航行控制系統(tǒng)利用前視聲納探測(cè)前方的障礙物，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，航行控制系統(tǒng)啟動(dòng)蔽障程序，實(shí)現(xiàn)避碰。當(dāng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)出現(xiàn)異常時(shí)，監(jiān)控裝置啟動(dòng)拋載釋放裝置，將觀(guān)測(cè)平臺(tái)攜帶的拋載物拋棄，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有正浮力，實(shí)現(xiàn)緊急上浮。到達(dá)水面后觀(guān)測(cè)平臺(tái)自動(dòng)定位，通過(guò)衛(wèi)星通信裝置和無(wú)線(xiàn)通信裝置將觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置和狀態(tài)信息發(fā)送到甲板單元，以利于盡快回收。如果觀(guān)測(cè)平臺(tái)由于意外情況未上浮到水面，甲板單元可通過(guò)觀(guān)測(cè)平臺(tái)上的聲信標(biāo)確定觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置，實(shí)施打撈。觀(guān)測(cè)平臺(tái)完成任務(wù)后，回放監(jiān)控裝置存儲(chǔ)的各個(gè)工況下的狀態(tài)參數(shù)，可重現(xiàn)觀(guān)測(cè)平臺(tái)的歷史運(yùn)行過(guò)程，對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的分析，從而對(duì)觀(guān)測(cè)平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性進(jìn)行評(píng)估，并為航行體的控制策略的改進(jìn)和優(yōu)化提供可靠依據(jù)。


圖I為本發(fā)明涉及的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)外形結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置功能框圖。圖中標(biāo)記說(shuō)明I、航行體2、衛(wèi)星通信裝置3、無(wú)線(xiàn)通信裝置4、甲板單元5、定位裝置6、拋載釋放裝置7、聲信標(biāo)8、前視聲納9、航行控制系統(tǒng)10、監(jiān)控裝置11、電子羅盤(pán)12、溫濕度傳感器13、電源控制模塊14、漏水傳感器
具體實(shí)施例方式結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。圖I顯示小型水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置搭載儀器設(shè)備的基本狀況，圖2為水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置功能框圖。如圖所示，本發(fā)明涉及的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置包括監(jiān)控裝置10、定位裝置5、電子羅盤(pán)11、溫濕度傳感器12、漏水傳感器14、前視聲納8、拋載釋放裝置6、聲信標(biāo)7、衛(wèi)星通信裝置2、無(wú)線(xiàn)通信裝置3、電源控制模塊13和航行控制系統(tǒng)9。監(jiān)控裝置10連接定位裝置5、電子羅盤(pán)11、聲信標(biāo)7、溫濕度傳感器12、漏水傳感器14、拋載釋放裝置6和電源控制模塊13，航行控制系統(tǒng)9連接前視聲納8、衛(wèi)星通信裝置2、無(wú)線(xiàn)通信裝置3和電源控制模塊13，監(jiān)控裝置10和航行控制系統(tǒng)9保持通信聯(lián)系。水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)流線(xiàn)型的航行體I上搭載衛(wèi)星通信裝置2、無(wú)線(xiàn)通信裝置
3、定位裝置5、拋載釋放裝置6、聲信標(biāo)7和前視聲納8。定位裝置5安裝在航行體I的中上部，通過(guò)定位裝置5獲取航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置信息。衛(wèi)星通信裝置2和無(wú)線(xiàn)通信裝置3安裝在航行體I的中上部，將有位置信息的狀態(tài)信息發(fā)送到釋放母船上的甲板單元4，同時(shí)，接收甲板單元4的控制命令。拋載釋放裝置6位于航行體I下部的中間，保證拋載物拋載后，航行體I具備正浮力且航行體姿態(tài)維持不變。聲信標(biāo)7安裝在航行體I的前上部，便于與甲板單元4進(jìn)行聲通信。聲信標(biāo)7與監(jiān)控裝置10連接，獨(dú)立供電，定時(shí)向甲板單元4發(fā)送位置信息，當(dāng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)緊急拋載上浮失敗，甲板單元4可通過(guò)聲信標(biāo)7確定觀(guān)測(cè)平臺(tái)在海中的位置，實(shí)施打撈。前視聲納8安裝在航行體I的前下部，前視聲吶8用于發(fā)現(xiàn)航行體I前方的障礙物。為保證觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有較高的通信成功率，衛(wèi)星通信裝置2的天線(xiàn)高度應(yīng)不低于20厘米，無(wú)線(xiàn)通信裝置3的天線(xiàn)高度應(yīng)不低于35厘米，否則會(huì)影響觀(guān)測(cè)平臺(tái)的通信效果；為保證觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有較高的定位成功率，定位裝置5的天線(xiàn)高度應(yīng)不低于35厘米，確保觀(guān)測(cè)平臺(tái)的定位成功率。監(jiān)控裝置10安裝在航行體內(nèi)部，由單片機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)，至少具備4個(gè)RS232串行接口、I個(gè)A/D端口、4個(gè)I/O端口，監(jiān)控裝置10具備大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，用于存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)。監(jiān)控裝置10與定位裝置5、電子羅盤(pán)11通過(guò)RS232串行接口連接，監(jiān)控裝置10與漏水傳感器14通過(guò)A/D端口連接，監(jiān)控裝置10與溫濕度傳感器12通過(guò)2個(gè)I/O端口連接。監(jiān)控裝置10自動(dòng)定時(shí)采集并存儲(chǔ)定位裝置5、電子羅盤(pán)11、溫濕度傳感器12、漏水傳感器 14的數(shù)據(jù)，獲得觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置、方位、姿態(tài)、溫度、濕度信息，并存儲(chǔ)在大容量存儲(chǔ)器中。溫濕度傳感器12安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體I內(nèi)部，安裝在艙內(nèi)散熱量最大的設(shè)備附近，監(jiān)測(cè)航行體I艙內(nèi)的溫度是否正常。溫濕度傳感器12安裝在航行控制系統(tǒng)9的PC104工控機(jī)附近。漏水傳感器14安裝在航行體艙體內(nèi)的下部，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)航行體是否漏水。監(jiān)控裝置10與拋載釋放裝置6通過(guò)I/O端口連接，拋載釋放裝置6由釋放機(jī)構(gòu)和拋載物兩部分組成，當(dāng)航行體需要緊急上浮時(shí)，監(jiān)控裝置10啟動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)，將拋載物拋載，使航行體上浮。監(jiān)控裝置10與航行控制系統(tǒng)9通過(guò)RS232串行接口連接通信，采集并存儲(chǔ)觀(guān)測(cè)平臺(tái)的狀態(tài)參數(shù)。監(jiān)控裝置10與電源控制模塊13通過(guò)I/O端口連接，監(jiān)控裝置10通過(guò)電源控制模塊13控制航行控制系統(tǒng)9上電、掉電。航行控制系統(tǒng)9安裝在航行體內(nèi)部，由PC104工控機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)。航行控制系統(tǒng)9與前視聲納8通過(guò)RS232串行接口連接，航行控制系統(tǒng)9利用前視聲納8探測(cè)前方的障礙物，當(dāng)前方有障礙物時(shí)，航行控制系統(tǒng)9啟動(dòng)蔽障程序，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)避碰。航行控制系統(tǒng)9與衛(wèi)星通信裝置2和無(wú)線(xiàn)通信裝置3通過(guò)RS232串行接口連接，航行控制系統(tǒng)9通過(guò)衛(wèi)星通信裝置2和無(wú)線(xiàn)通信裝置3與甲板單元4進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，接收甲板單元4的命令，同時(shí)向甲板單元4傳送觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置和狀態(tài)信息。
權(quán)利要求
1.一種水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置，其特征在于包括監(jiān)控裝置、定位裝置、電子羅盤(pán)、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標(biāo)、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統(tǒng)，監(jiān)控裝置連接定位裝置、電子羅盤(pán)、聲信標(biāo)、溫濕度傳感器、漏水傳感器、拋載釋放裝置和電源控制模塊，航行控制系統(tǒng)連接前視聲納、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置和電源控制模塊，監(jiān)控裝置和航行控制系統(tǒng)保持通信聯(lián)系；監(jiān)控裝置安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，由大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力的單片機(jī)構(gòu)成，通過(guò)RS232串行接口與定位裝置、電子羅盤(pán)、航行控制系統(tǒng)和聲信標(biāo)連接，通過(guò)A/D端口與漏水傳感器連接，通過(guò)I/O端口與溫濕度傳感器、電源控制模塊和拋載釋放裝置連接；航行控制系統(tǒng)安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)航行體內(nèi)部，是大功能計(jì)算機(jī)組成的控制系統(tǒng)，與監(jiān)控裝置、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置和前視聲納通過(guò)RS232串行接口連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置，其特征在于所述聲信標(biāo)安裝在觀(guān)測(cè)平臺(tái)前上部，甲板單元可通過(guò)聲信標(biāo)發(fā)出聲的信號(hào)確定觀(guān)測(cè)平臺(tái)的位置；所述前視聲納安裝在觀(guān)測(cè)平臺(tái)前下部，航行控制系統(tǒng)通過(guò)前視聲納探測(cè)前方的障礙物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置，其特征在于所述拋載釋放裝置安裝在水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)中下部，由釋放機(jī)構(gòu)和拋載物組成；當(dāng)觀(guān)測(cè)平臺(tái)發(fā)生意外時(shí)，監(jiān)控裝置啟動(dòng)釋放機(jī)構(gòu)，將拋載物拋棄，使觀(guān)測(cè)平臺(tái)具有正浮力，上浮到海面。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)安全保障裝置，包括監(jiān)控裝置、定位裝置、電子羅盤(pán)、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標(biāo)、衛(wèi)星通信裝置、無(wú)線(xiàn)通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)控裝置將定位、導(dǎo)航、通信裝置與監(jiān)測(cè)傳感器、卸載拋載釋放裝置以及航行控制系統(tǒng)連接一起，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，尋找事故先兆，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取措施解決，實(shí)現(xiàn)避碰和緊急上浮，使水下自主航行觀(guān)測(cè)平臺(tái)的水下作業(yè)安全可靠。
文檔編號(hào)G05B19/048GK102937795SQ201210468380
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者劉頡, 梁捷, 楊逍, 呂九紅, 路亞娟, 江民, 張曉娟 申請(qǐng)人:國(guó)家海洋技術(shù)中心