專利名稱：水下自主航行觀測平臺安全保障裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及水下自主航行觀測裝置，特別是涉及水下自主航行觀測平臺的安全保
障裝置。
背景技術：
隨著探索海洋步伐的加快，人們越來越認識到占地球75%面積的海洋必將成為人類生存和發展的新領域，將對人類發展和社會進步起到重要作用。然而由于海洋環境的復雜性，至今人們對海洋的認識依然非常有限，目前人們獲取海洋數據的方法也是有限的。小型水下自主航行觀測平臺技術是海洋環境觀測的一種高新技術，是當前和今后一段時間內國內外研究開發的技術熱點，是海洋技術開發的最前沿與制高點。水下自主航行觀測平臺主要用于無人、大范圍、長時間的水下環境觀測，以及海洋工程方面的現場接近觀測，觀測的要素包括物理學參數、海洋地質學和地球物理學參數、海洋化學參數、海洋生物學參數
坐寸ο水下自主航行觀測平臺的主要特點是能夠根據觀測任務的需要，搭載所需要的觀測儀器和設備，在設定的航線上自主航行并進行水下走航測量，獲得的數據通過有效的通訊手段(衛星、網絡)傳送到用戶。平臺作用距離在幾十到上百公里。水下自主航行觀測平臺是一個復雜的無人系統，用以代替人類進行復雜、艱苦的工作，它涉及到電子、計算機、流體、結構、材料、液壓、水聲、導航控制等多門學科，現有的水下自主航行觀測平臺涉及的關鍵技術較多，在研發的過程中主要關注平臺技術的本身，極少考慮平臺的安全保障裝置。個別系統在觀測平臺上安裝聲信標或前視聲納，在觀測平臺發送意外而找不到其位置時，通過聲信標確定觀測平臺的位置；在觀測平臺前方出現障礙物時，通過前視聲納實現規避障礙物。但是，水下自主航行觀測平臺安全保障裝置缺乏專門的研究和開發。海洋環境復雜多變，水下自主航行觀測平臺的安全顯得尤為重要，任何意外都可能造成設備的丟失。水下自主航行觀測平臺技術復雜、價格昂貴，可靠性要求高，其安全保障裝置的專門研發十分必要。
發明內容
針對水下自主航行觀測平臺工作環境復雜、可靠性要求高，其安全保障裝置又缺乏專門研究和開發，本發明推出一種水下自主航行觀測平臺安全保障裝置，其目的在于通過監控裝置將定位、導航、通信裝置與監測傳感器、拋載釋放裝置以及航行控制系統連接一起，通過數據分析，尋找事故先兆，發現問題及時采取措施解決，實現避碰和緊急上浮，使水下自主航行觀測平臺的水下作業安全可靠。本發明涉及的水下自主航行觀測平臺安全保障裝置包括監控裝置、定位裝置、電子羅盤、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標、衛星通信裝置、無線通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統。監控裝置連接定位裝置、電子羅盤、聲信標、溫濕度傳感器、漏水傳感器、拋載釋放裝置和電源控制模塊，航行控制系統連接前視聲納、衛星通信裝置、無線通信裝置和電源控制模塊，監控裝置和航行控制系統保持通信聯系。監控裝置安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，由具有大容量數據存儲能力的單片機構成。監控裝置通過RS232串行接口與定位裝置、電子羅盤、航行控制系統和聲信標連接，通過A/D端口與漏水傳感器連接，通過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。航行控制系統安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，是大功能計算機組成的控制系統。航行控制系統與監控裝置、衛星通信裝置、無線通信裝置和前視聲納通過RS232串行接口連接。電子羅盤安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，電子羅盤應安裝在觀測平臺的幾何中心，同時電子羅盤的正北方向應指向觀測平臺航行體的頭部。
溫濕度傳感器安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，安裝在艙內散熱量最大的設備附近，監測航行體艙內的溫度是否正常。漏水傳感器安裝在航行體艙內的下部，以便及時發現航行體是否漏水。由于觀測平臺艙內體積有限，監控裝置與電子羅盤、溫濕度傳感器、漏水傳感器的安裝位置不宜過遠，這樣可以減少連線長度，降低連線的復雜程度。航行控制系統的計算機功能強大，散熱量很大，將計算機的散熱片通過金屬片連到航行體的艙壁，熱量通過航行體的艙壁散出去。聲信標安裝在觀測平臺前上部，甲板單元可通過聲信標發出聲的信號確定觀測平臺的位置。前視聲納安裝在觀測平臺前下部，航行控制系統通過前視聲納探測前方的障礙物。拋載釋放裝置安裝在水下自主航行觀測平臺中下部，由釋放機構和拋載物組成。當觀測平臺發生意外時，監控裝置啟動釋放機構，將拋載物拋棄，使觀測平臺具有正浮力，上浮到海面。監控裝置自動采集并存儲觀測平臺的位置、方向、姿態、溫度、濕度、是否漏水等信息，并定時從航行控制系統獲得觀測平臺的狀態參數，通過數據分析，尋找事故先兆，發現問題及時采取措施解決。當監控裝置發現觀測平臺的姿態、溫度、濕度出現異常，或者檢查到觀測平臺漏水，監控裝置啟動拋載釋放裝置，將觀測平臺攜帶的拋載物拋棄，使觀測平臺具有正浮力，實現緊急上浮。觀測平臺到達水面后自動定位，通過衛星通信裝置和無線通信裝置將觀測平臺的位置和狀態信息發送到甲板單元，以利于盡快回收。當監控裝置與航行控制系統通信異常時，或者通過分析航行控制系統的狀態參數，發現觀測平臺工作異常，監控裝置通過電源控制模塊給航行控制系統斷電，延時10秒后，監控裝置通過電源控制模塊給航行控制系統重新上電，航行控制系統重新啟動，使航行控制系統恢復正常工作。如果航行控制系統仍不能正常工作，監控裝置也可啟動拋載釋放裝置，使觀測平臺實現緊急上浮。航行控制系統將觀測平臺上的各種設備和系統有效地組織起來，使其能夠協調工作，完成水下自主航行平臺使命任務。主要完成總體控制、航行與姿態控制、采集與通訊、導航與定位等功能。航行控制系統通過衛星通信裝置和無線通信裝置與甲板單元進行無線通信，接收甲板單元命令，同時向甲板單元傳送觀測平臺的位置和狀態信息。
航行控制系統利用前視聲納探測前方的障礙物，當前方有障礙物時，航行控制系統啟動蔽障程序，實現避碰。當觀測平臺出現異常時，監控裝置啟動拋載釋放裝置，將觀測平臺攜帶的拋載物拋棄，使觀測平臺具有正浮力，實現緊急上浮。到達水面后觀測平臺自動定位，通過衛星通信裝置和無線通信裝置將觀測平臺的位置和狀態信息發送到甲板單元，以利于盡快回收。如果觀測平臺由于意外情況未上浮到水面，甲板單元可通過觀測平臺上的聲信標確定觀測平臺的位置，實施打撈。觀測平臺完成任務后，回放監控裝置存儲的各個工況下的狀態參數，可重現觀測平臺的歷史運行過程，對歷史數據進行必要的分析，從而對觀測平臺的經濟性、可靠性進行評估，并為航行體的控制策略的改進和優化提供可靠依據。
圖I為本發明涉及的水下自主航行觀測平臺外形結構示意圖。
圖2為水下自主航行觀測平臺安全保障裝置功能框圖。圖中標記說明I、航行體2、衛星通信裝置3、無線通信裝置4、甲板單元5、定位裝置6、拋載釋放裝置7、聲信標8、前視聲納9、航行控制系統10、監控裝置11、電子羅盤12、溫濕度傳感器13、電源控制模塊14、漏水傳感器
具體實施例方式結合附圖對本發明的技術方案作進一步描述。圖I顯示小型水下自主航行觀測平臺安全保障裝置搭載儀器設備的基本狀況，圖2為水下自主航行觀測平臺安全保障裝置功能框圖。如圖所示，本發明涉及的水下自主航行觀測平臺安全保障裝置包括監控裝置10、定位裝置5、電子羅盤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7、衛星通信裝置2、無線通信裝置3、電源控制模塊13和航行控制系統9。監控裝置10連接定位裝置5、電子羅盤11、聲信標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9連接前視聲納8、衛星通信裝置2、無線通信裝置3和電源控制模塊13，監控裝置10和航行控制系統9保持通信聯系。水下自主航行觀測平臺流線型的航行體I上搭載衛星通信裝置2、無線通信裝置
3、定位裝置5、拋載釋放裝置6、聲信標7和前視聲納8。定位裝置5安裝在航行體I的中上部，通過定位裝置5獲取航行觀測平臺的位置信息。衛星通信裝置2和無線通信裝置3安裝在航行體I的中上部，將有位置信息的狀態信息發送到釋放母船上的甲板單元4，同時，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維持不變。聲信標7安裝在航行體I的前上部，便于與甲板單元4進行聲通信。聲信標7與監控裝置10連接，獨立供電，定時向甲板單元4發送位置信息，當觀測平臺緊急拋載上浮失敗，甲板單元4可通過聲信標7確定觀測平臺在海中的位置，實施打撈。前視聲納8安裝在航行體I的前下部，前視聲吶8用于發現航行體I前方的障礙物。為保證觀測平臺具有較高的通信成功率，衛星通信裝置2的天線高度應不低于20厘米，無線通信裝置3的天線高度應不低于35厘米，否則會影響觀測平臺的通信效果；為保證觀測平臺具有較高的定位成功率，定位裝置5的天線高度應不低于35厘米，確保觀測平臺的定位成功率。監控裝置10安裝在航行體內部，由單片機構成的控制系統，至少具備4個RS232串行接口、I個A/D端口、4個I/O端口，監控裝置10具備大容量數據存儲能力，用于存儲采集的數據。監控裝置10與定位裝置5、電子羅盤11通過RS232串行接口連接，監控裝置10與漏水傳感器14通過A/D端口連接，監控裝置10與溫濕度傳感器12通過2個I/O端口連接。監控裝置10自動定時采集并存儲定位裝置5、電子羅盤11、溫濕度傳感器12、漏水傳感器 14的數據，獲得觀測平臺的位置、方位、姿態、溫度、濕度信息，并存儲在大容量存儲器中。溫濕度傳感器12安裝在水下自主航行觀測平臺航行體I內部，安裝在艙內散熱量最大的設備附近，監測航行體I艙內的溫度是否正常。溫濕度傳感器12安裝在航行控制系統9的PC104工控機附近。漏水傳感器14安裝在航行體艙體內的下部，以便及時發現航行體是否漏水。監控裝置10與拋載釋放裝置6通過I/O端口連接，拋載釋放裝置6由釋放機構和拋載物兩部分組成，當航行體需要緊急上浮時，監控裝置10啟動釋放機構，將拋載物拋載，使航行體上浮。監控裝置10與航行控制系統9通過RS232串行接口連接通信，采集并存儲觀測平臺的狀態參數。監控裝置10與電源控制模塊13通過I/O端口連接，監控裝置10通過電源控制模塊13控制航行控制系統9上電、掉電。航行控制系統9安裝在航行體內部，由PC104工控機構成控制系統。航行控制系統9與前視聲納8通過RS232串行接口連接，航行控制系統9利用前視聲納8探測前方的障礙物，當前方有障礙物時，航行控制系統9啟動蔽障程序，使觀測平臺實現避碰。航行控制系統9與衛星通信裝置2和無線通信裝置3通過RS232串行接口連接，航行控制系統9通過衛星通信裝置2和無線通信裝置3與甲板單元4進行無線通信，接收甲板單元4的命令，同時向甲板單元4傳送觀測平臺的位置和狀態信息。
權利要求
1.一種水下自主航行觀測平臺安全保障裝置，其特征在于包括監控裝置、定位裝置、電子羅盤、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標、衛星通信裝置、無線通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統，監控裝置連接定位裝置、電子羅盤、聲信標、溫濕度傳感器、漏水傳感器、拋載釋放裝置和電源控制模塊，航行控制系統連接前視聲納、衛星通信裝置、無線通信裝置和電源控制模塊，監控裝置和航行控制系統保持通信聯系；監控裝置安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，由大容量數據存儲能力的單片機構成，通過RS232串行接口與定位裝置、電子羅盤、航行控制系統和聲信標連接，通過A/D端口與漏水傳感器連接，通過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；航行控制系統安裝在水下自主航行觀測平臺航行體內部，是大功能計算機組成的控制系統，與監控裝置、衛星通信裝置、無線通信裝置和前視聲納通過RS232串行接口連接。
2.根據權利要求I所述的水下自主航行觀測平臺安全保障裝置，其特征在于所述聲信標安裝在觀測平臺前上部，甲板單元可通過聲信標發出聲的信號確定觀測平臺的位置；所述前視聲納安裝在觀測平臺前下部，航行控制系統通過前視聲納探測前方的障礙物。
3.根據權利要求I所述的水下自主航行觀測平臺安全保障裝置，其特征在于所述拋載釋放裝置安裝在水下自主航行觀測平臺中下部，由釋放機構和拋載物組成；當觀測平臺發生意外時，監控裝置啟動釋放機構，將拋載物拋棄，使觀測平臺具有正浮力，上浮到海面。
全文摘要
本發明公開一種水下自主航行觀測平臺安全保障裝置，包括監控裝置、定位裝置、電子羅盤、溫濕度傳感器、漏水傳感器、前視聲納、拋載釋放裝置、聲信標、衛星通信裝置、無線通信裝置、電源控制模塊和航行控制系統。通過監控裝置將定位、導航、通信裝置與監測傳感器、卸載拋載釋放裝置以及航行控制系統連接一起，通過數據分析，尋找事故先兆，發現問題及時采取措施解決，實現避碰和緊急上浮，使水下自主航行觀測平臺的水下作業安全可靠。
文檔編號G05B19/048GK102937795SQ201210468380
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月19日 優先權日2012年11月19日
發明者劉頡, 梁捷, 楊逍, 呂九紅, 路亞娟, 江民, 張曉娟 申請人:國家海洋技術中心