详情

原文传递一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标

专利名称：	一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标
摘要：	本发明公开了一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，包括浮标艇体、控制系统、可升降感知平台、推进操纵系统、通信导航定位系统、外部感知系统和能源系统，浮标艇体由下潜体、上部平台和中部支柱构成，浮标艇体几何形状数值全部基于兼顾浮标艇体操纵性、耐波性、快速性和监测功能特性综合优化计算确定；本发明可监测风速、风向、气压、温湿度、水温、PH、含氧量等多种数据，能实现对水面环境的监控和对船只的导航，通过与可升降感知系统的配合能够达到更优效果；同时本发明添加推进操纵系统，密切配合通信导航定位系统，使浮标具有自动回位、污染源跟踪等多种能力，有效解决传统浮标的缺陷与不足，实现大范围监测和高海况下作业。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	江苏科技大学
发明人：	杨松林;程占元;余永强;马朝朝;施妍;张迪;曹志伟;徐陆乐
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-25T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-18T00:00:00+0800
申请号：	CN201910553038.4
公开号：	CN110341888A
代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：	楼高潮
分类号：	B63B22/00(2006.01);B;B63;B63B;B63B22
申请人地址：	212003 江苏省镇江市梦溪路2号
主权项：	1.一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其包括浮标艇体、控制系统(112)、可升降感知平台、推进操纵系统、通信导航定位系统、外部感知系统和能源系统，其中，所述浮标艇体的底部设置有所述推进操纵系统和能源系统，其特征在于，所述浮标艇体的上端设置有所述可升降感知平台，所述可升降感知平台上设置有所述外部感知系统，所述控制系统(112)能够根据所述外部感知系统对外部环境的感知状态来自动升降调节所述可升降感知平台的升降运动。 2.根据权利要求1所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述浮标艇体包括下潜体(1)和中部支柱(2)，其中，所述中部支柱(2)与下潜体(1)的连接处采用平滑曲面过渡，所述可升降感知平台可升降的安装在中部支柱(2)上，其中，所述下潜体(1)的前部为半球形、近似半球形或圆锥形，中部为圆柱形，尾部为圆锥形或近似圆锥形，其长度为1～20米，长宽或长高比值为2.1～8.6，前部、中部和尾部艇体三者的比值为1.4～2.6:3.8～4.8:2.5～3.6；或所述下潜体(1)的前部为半椭球型，中部为椭圆柱型、尾部为双圆锥形或椭圆锥形，其长度为1～20米，长宽比值为2～8，长高比值为2.2～12，前部、中部和尾部艇体三者的比值为1.6～2.8:3.6～4.9:2.2～3.8。 3.根据权利要求1所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述可升降感知平台包括支撑体(3)、上部平台(4)和升降系统，其中，所述上部平台(4)固定安装在所述支撑体(3)的顶部，所述支撑体(3)的下端采用所述升降系统可升降的安装在所述中部支柱(2)的上端，所述支撑体为椭圆柱形，且支撑体与中部支柱的长度或高度比值为0.3～0.5，所述支撑体(3)可升降的高度为支撑体高度的0.4～0.9倍。 4.根据权利要求3所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述升降系统包括步进电机(202)、步进电机驱动器(201)、联轴器(203)、丝杆(204)以及丝杆螺母(205)，其中，所述的步进电机与步进电机驱动器固定于中部支柱(2)的内腔内中下部，所述步进电机(202)通过联轴器(203)与丝杆(204)连接，所述丝杆与所述丝杆螺母(205)配合，所述丝杆螺母(205)固定在支撑体(3)的底部。 5.根据权利要求2所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述中部支柱(2)为变截面椭圆柱型，垂向高度与浮标艇体的下潜体长度比值为0.9～6.2，上截面椭圆长短轴比值为5.5～12、下截面椭圆形长短轴比值为3.5～7；所述上部平台(4)为椭圆形水平平台，上部椭圆形水平平台长宽比值为2.6～3.9。 6.根据权利要求1所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述推进操纵系统包括推进系统和操作系统，其中，所述推进系统水平布置，其包括直流电机(212)、直流电机驱动器(211)、万向节联轴器(213)、钢轴(214)、轴套(215)和螺旋桨(216)，其中，所述直流电机通过万向节联轴器(213)连接至钢轴(214)，所述钢轴(214)通过轴套(215)连接至螺旋桨(216)；所述操纵系统包括舵机(121)、舵臂(122)、舵杆(123)和倒置舵叶(124)，所述舵机(121)通过舵臂(122)与舵杆(123)连接，所述舵杆(123)上设置有所述倒置舵叶(124)。 7.根据权利要求6所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述螺旋桨(216)位于中部支柱与下潜体尾部的拐角处，倒置舵叶(124)位于螺旋桨后方，且螺旋桨中心线在浮标阻力线上。 8.根据权利要求2-7任意一项所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述通信导航定位系统包括设置在下潜体上的GPS模块(111)、无线传输模块(113)，所述下潜体上还设置有水温传感器(131)、PH传感器(132)和含氧量传感器(133)，所述能源系统包括设置在所述下潜体内的蓄电池(101)。 9.根据权利要求2-7任意一项所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标，其特征在于：所述外部感知系统包括设置在所述上部平台(4)上的摄像头模块(401)、风速传感器(402)，风向传感器(403)、温湿度传感器(404)和气压传感器(405)，所述上部平台(4)上还设置有浮标灯(406)和卫星天线(407)。 10.一种对具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标的综合优化计算方法，其用于确定与计算权利要求1-9任意一项所述的一种具有可升降感知平台的可移动的多功能浮标的参数，其特征在于，其包括以下步骤： (1)选取设计变量下潜体艏段长度Ld，下潜体平行中体段长度Lp，下潜体艉段长度Lr，下潜体中横剖面直径D，中部支柱高度Lm，中部支柱上部宽度Lb1，中部支柱下部宽度Lb2，吃水T，浮心纵向位置Lcb，螺距比PDP，方形系数Cb，水线长Lw，水线面系数Cw，重心高度Zg，螺旋桨直径DP，盘面比Aeo，螺旋桨转速N，设计航速VS，重心垂向位置与型深比δZD、航行纵倾角α、斜升角β、精度X1、工作温度X2、监测温度X3、测温精度X4、价格X5； (2)构建目标函数根据幂指数乘积的形式构造水面无人艇的综合性能总目标函数： F(x)＝f1(x)α1f2(x)α2f3(x)α3f4(x)α4 式中：f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)分别为快速性、操纵性、耐波性和监测功能特性的目标函数，α1,α2,α3,α4分别为三个系统的权重，且有α1α2α3α4＝1；每个子目标函数的具体表达式如下： f1(x)为快速性目标函数，其表达式采用与海军系数形式相近的快速性衡准因子作为快速性优化目标函数，式中：Δ——排水量；VS——设计航速；Rt——总阻力；η0——螺旋桨敞水效率；ηH——船身效率；ηR——相对旋转效率；ηS——轴系传送效率； f2(x)为操纵性目标函数，船舶的直线稳定性通常用无因次稳定性衡准数C′来表示，船舶的回转性用最小相对回转直径DS来表示，该值越小，船舶的回转性越好；船舶的转首性选择转首指数P(x)来表示，数值越大越好；为了表征三者在操纵性中的侧重程度，用不同的权值来表示，构造的无人艇操纵性优化目标函数如下：其表达式为，式中：β1、β2和β3分别为无因次稳定性衡准数C′、转首指数P(x)和最小相对回转直径DS的权值；其中β1、β2和β3均大于0，并且规定β1β2β3＝1； f3(x)为耐波性优化目标函数，将无因次衰减系数μ、纵摇指标ψ1/10和垂荡指标Z1/10采用幂指数乘积的形式构成，具体公式如下：式中：γ1、γ2、γ3分别为无人艇横摇、纵摇和垂荡各子系统的权值，需满足γ1、γ2、γ3>0，且γ1γ2γ3＝1；显然，目标函数值f3(x)越大表示船舶的耐波性能越好； f4(x)为监测功能的优化目标函数，在构造目标函数时，首先必须将每项指标归一化；根据各项指标的实际规律和统计特性，构造各项模糊指标切合实际的隶属度函数，对其综合评判并且进行响应面公式拟合得出各项系数，进而得出以PH传感器为例的目标函数值； f4(x)＝Y＝-0.016871756+0.196701459X1+0.166049664X2+0.1359418X3+0.223055114X4-0.309046794X 目标函数值f4(x)越大表示功能模块的性价比越好； (3)约束条件约束条件包括：设计变量上下限、静水浮性约束、推力阻力平衡约束、转矩平衡约束、初稳性高约束、横摇周期约束、螺旋桨需满足空泡约束。
所属类别：	发明专利