一种具有自发电功能的浮标装置

1.本发明属于结构设计技术领域，涉及一种浮标装置，尤其涉及一种具有自发电功能的浮标装置。


背景技术：

2.作为海工装备中必不可少的水下作业设备，水上无人平台(包括浮标、滑翔机、auv等)制造技术密集性高，可在深海水域代替人工在水下长时间作业，能提供实时视频、声呐图像，在海洋观测、勘探、水下极端环境作业中潜能巨大，尤其在深海打捞、水下科学研究样品取样等方面更是发挥着无可替代的作用。眼下，浮标装置逐渐走进公众视野，也成为深海竞争领域中的“新蓝海”。面对复杂多变的海洋环境，浮标装置所具有的仿真、智能控制、水下定位等技术都能做出及时有效应对，未来有望实现游刃有余的水下漫步。
3.海洋浮标作为一种新兴的现代化海洋监测技术，逐步受到各海洋国家的重视和利用，相比其他监测手段，海洋浮标可在恶劣的海洋环境条件下和浮标工作寿命时间内，对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测。它作为离岸监测的重要工具，与调查船、调查飞机和海洋观测站一起，对海洋环境诸多要素进行全面综合的监测，比较直观、简便和经济。目前，多功能浮标自给式能源绝大多数采用太阳能加蓄电池组合方式，对于小型浮标安装位置受到局限，可以考虑风能和波能补给，或作为辅助补给，解决小型浮标自给能源不足的问题。
4.但是随着互联网、人工智能、智能制造等技术的升级，浮标装置的探索范围、精度不断刷新纪录，也逐步应用于商业、民用等领域，以智能化、网络化和体系化的最优性能在海洋科技创新的新时代里大展拳脚。然而值得注意的是，高性能注定带来的高能耗，如何继续深度解决相关能量供给问题，受到广泛关注。一方面如上所述，未来浮标装置执行任务的多样化，尤其是水文观测、科学实验等需要载荷笨重的仪器设备，对浮标装置的动力设备提出了更高的要求。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有自发电功能的浮标装置，实现海洋环境下的自主发电、充电等工作模式。该装置助力于国家智慧海洋工程建设，以机械传动与电磁控制技术为核心，采用电磁线圈+伸缩式底座的机构模式，实现发电前的转向、固定与充电完成后的固定解除、强制解除。
6.本发明采用以下技术方案实现：
7.考虑到对于某一浮标装置，自身所能携带的电池数量、重量有限，海洋工作环境过于宽广、复杂，需要在浮标装置本身设计自发电装置，以实现更长的续航能力。本发明的具有自发电功能的浮标装置，包含特制转轴a、一次性转轴b若干、电磁线圈、伸缩式底座、蓄电池组、信号发射塔、智能控制系统、外部保护罩、更换架等部件。
8.上述技术方案中，进一步地，所述更换架位于浮标装置内上方，存储固定有若干根
所述一次性转轴b，根据所述控制系统指令逐根垂直释放一次性转轴b；所述控制系统与信号发射塔相互配合，以确定适宜的自发电位置并引导浮标装置进行转向、固定；所述的特制转轴a和一次性转轴b呈十字形相互配合，实现对所述蓄电池组的自主发电充电；
9.所述特制转轴a具体为：主体为抗腐蚀不锈钢结构，横向贯穿浮标，左右两端设计有桨叶结构；中部设计有传动螺纹，用于向一次性转轴b传递旋转力；左中部和右中部设计为磁性材料；
10.进一步地，所述浮标中部固定有2个电磁线圈，2个电磁线圈分别与特制转轴a的左端和右端的磁性材料区域相嵌套，从而产生电流供给蓄电池组；所述磁性材料为磁铁材质；
11.所述的电磁线圈与蓄电池组、控制系统相连接，可由蓄电池组反向输出电流至电磁线圈，使得特制转轴a反向旋转、继而带动一次性转轴b反向旋转退回、解除固定状态。
12.进一步地，所述的电磁线圈，由两个半圆环和一个滚轮组成，半圆环由蓄电池组供电，可以产生不同磁性、不同大小的磁力；所述的滚轮连接电磁线圈与外部保护罩基底，带动电磁线圈呈现出不同的偏转角度。
13.进一步地，所述的一次性转轴b的具体结构为：主体为塑料管材质，顶端设计有尖头螺纹，用于插入或钻入前方珊瑚浅礁；中部设计有传动螺纹，用于接收特制转轴a的传递力；底部设置有铁磁性材料；所述外部保护罩内还设有伸缩式底座；所述一次性转轴b通过其底部与所述伸缩式底座以磁性吸附的形式连接用于自身旋转。
14.更进一步地，所述的伸缩式底座通过一根电阻丝与蓄电池连接，所述控制系统调节蓄电池供电产生热量，使得磁性衰减，解除磁性吸附；
15.所述的伸缩式底座设计为螺纹伸缩结构，螺纹伸长方向与一次性转轴b顶端前进方向一致。
16.进一步地，所述的控制系统内嵌rfid芯片，日常处于休眠状态，被激活后接收适宜的发电充电位置信息；所述的控制系统接收到适宜的发电充电位置信息后，通过调整电磁线圈磁性、偏转角度，使得特制转轴a发生偏转，进而改变浮标前进方向；所述的信号发射塔设于适合于固定和充电的珊瑚浅礁区域，用于激活控制系统中的rfid芯片。
17.进一步地，所述的更换架由电磁竖板与两块导向板组成，所述电磁竖板通过电磁力分别固定连接若干根一次性转轴b，所述电磁竖板的磁力消失时两块导向板负责引导一次性转轴b垂直下落继而与特制转轴a形成十字形螺纹配合。
18.本发明中，在浮标开始发电前，特制转轴a、一次性转轴b在控制系统的调节下转动，将一次性转轴b插入前方礁石实现装置整体的固定；利用电磁线圈正向/反向旋转，加之利用加热升温对磁性的影响，实现正常状态/卡死状态下的一次性转轴b的转动收回或强行脱离，解除装置整体的固定。
19.在本发明中，特制转轴a的转动，初始将带动一次性转轴b旋转前进，或插或钻入浮标前方的珊瑚浅礁之中实现对浮标装置整体的固定；待浮标装置位置固定之后，随着特制转轴a左右两端的桨叶结构在水流带动下转动，特制转轴a与电磁线圈相配合自助发电并传递给蓄电池组。充分考虑到海上情况的复杂性，其中最显著的状况就是一次性转轴b无法退出珊瑚浅礁，此时伸缩式底座将在蓄电池电流加热的帮助下，强行解除浮标主体与一次性转轴b的磁性连接，使得浮标能解除固定。更换架上的一次性转轴b滑落，其将在伸缩式底座、电磁线圈等的支持下，与特制转轴a完成新的螺纹配合。
20.本发明的有益效果为：
21.本发明的浮标装置在电磁线圈磁力影响下，特制转轴a与一次性转轴b十字交叉，以传递相互之间的作用力。系统各部件设计巧妙、精准贴合，充分实现了海洋环境下将洋流动力转化为电能的工作流程。此外，控制系统将与信号发射塔相互配合，以确定适宜的自发电位置并引导浮标进行转向、固定，较大程度保障了自发电过程的可实施性。
22.本发明的浮标装置续航能力大幅提升；且可及时对恶劣状况进行规避；装置结构紧凑，配合巧妙，智能化程度较高，且可有效解决固定卡死的问题。
附图说明
23.图1系统整体结构图；
24.图2a)为特制转轴a示意图，b)为特制转轴a偏转示意图；
25.图3电磁线圈示意图；
26.图4a)为一次性转轴b示意图，b)为钻孔固定示意图，c)为脱离示意图；
27.图5a)为更换架主视图，b)为更换架右视图；
28.图中：1特制转轴a，2一次性转轴b，3电磁线圈，4伸缩式底座，5蓄电池组，6智能控制系统，7信号发射塔，8外部保护罩，9更换架。
具体实施方式
29.下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
30.整个发明可实施固定模式、解除固定模式与通信模式等多种工作形态的运行与切换。
31.参照图1，一种具有自发电功能的浮标装置，包含特制转轴a 1、一次性转轴b 2若干、电磁线圈3、伸缩式底座4、蓄电池组5、信号发射塔7、智能控制系统6、外部保护罩8、更换架9等部件。所述的特制转轴a 1和一次性转轴b 2相互配合，实现对蓄电池组5的自主发电充电。特制转轴a 1主体为抗腐蚀不锈钢结构，横向贯穿浮标，左右两端设计有桨叶结构；中部设计有传动螺纹，用于向一次性转轴b 2传递旋转力；左中部和右中部材料设计为磁性材料。
32.参照图1，关于所述通信模式，智能控制系统6，内嵌rfid芯片，日常处于休眠状态，被激活后接收适宜的发电充电位置信息。所述信号发射塔7被设置于适合于固定和充电的珊瑚浅礁区域，用于激活智能控制系统6中的rfid芯片。
33.参照图2、3，所述的电磁线圈3设于浮标装置中部，分别与特制转轴a 1左端和右端(磁铁材质区域)相嵌套，产生电流供给蓄电池组5。所述的电磁线圈3，由两个半圆环组成和一个滚轮组成，半圆环由蓄电池组5分别供电，可以产生不同磁性、不同大小的磁力。智能控制系统6通过改变半圆环的磁力大小、方向，对特制转轴a 1的角度进行微调；通过滚轮调整电磁线圈3的前后位置，对特制转轴a 1的角度进行较大调整。由此，随着特制转轴a 1的角度调整，浮标装置也随之改变前进方向。
34.参照图4，当确定好固定位置后，所述的一次性转轴b 2主体为塑料管材质，顶端设计有尖头螺纹，用于插入或钻入前方珊瑚浅礁；中部设计有传动螺纹，用于接收特制转轴a 1的传递力；底部铁磁性材料与所述伸缩式底座4利用磁性连接。图中所示的伸缩式底座4设
计为螺纹伸长/缩短结构，螺纹伸长(松开)方向与一次性转轴b 2顶端前进方向一致。由此，一次性转轴b 2在特制转轴a 1的带动下，产生前进的动力，前进距离为中间螺纹的长度，随后特制转轴a 1进入空转、发电状态。
35.参照图4，当完成充电任务后，所述的特制转轴a 1在蓄电池作用下产生后退的动力，带动一次性转轴b 2解除固定状态。此时，如果发生卡死状态，智能控制系统6将通过蓄电池组5向伸缩式底座4输电加热。随着温度升高，磁性减弱，底部铁磁性材料与所述伸缩式底座4之间的连接被强制解除，浮标主体亦解除固定状态，开始自由漂浮。
36.参照图5，为一次性转轴b 2的更换示意图，当发生上述强制解除固定状况后，当再次需要进行固定模式时，位于浮标装置内中部上方的更换架9将自上而下引导新的一次性转轴b 2与特制转轴a 1再度相互配合。更换架9主体由一块电磁竖板和两块导向板组成，电磁竖板产生磁力分别与n根一次性转轴b 2固定连接。在浮标航行较为稳定的情况下，控制系统通过控制电磁竖板使之与最下方的一次性转轴b 2间的磁力消除，其余一次性转轴b 2则继续在磁力的作用下固定。一次性转轴b 2下落过程中受到两块导向板的作用，能够十字横架于特制转轴a 1上。伸缩式底座4产生磁力确保其不致倾斜掉落；同时特制转轴a 1亦将开始进行小幅度旋转，最终形成稳定的螺纹配合。
37.本发明装置的关键在于充分针对了浮标内部狭小的空间，结构紧凑、配合巧妙的同时，将固定卡死等不良状态亦纳入设计考量，最大程度地保障了充电全过程的顺利实施。最后从应用智能化角度，该发明相比于常规意义的自发电装置，更加智能便捷、运行参数明确、安全系数较高，适用于在海洋环境下推广。

技术特征：
1.一种具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，包含外部保护罩，以及设于外部保护罩内的特制转轴a、一次性转轴b、蓄电池组、控制系统、更换架和信号发射塔；所述更换架位于浮标装置内上方，存储固定有若干根所述一次性转轴b，根据所述控制系统指令逐根垂直释放一次性转轴b；所述一次性转轴b与特制转轴a形成十字形螺纹配合，用于实现对所述蓄电池组的自主发电充电；所述控制系统与信号发射塔相互配合，以确定适宜的自发电位置并引导浮标装置进行转向、固定；所述特制转轴a具体为：主体为抗腐蚀不锈钢结构，横向贯穿浮标，左右两端设计有桨叶结构；中部设计有传动螺纹，用于向一次性转轴b传递旋转力；左中部和右中部设计为磁性材料。2.根据权利要求1所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述浮标中部设有2个电磁线圈，2个电磁线圈分别与特制转轴a的左端和右端的磁性材料区域相嵌套，从而产生电流供给蓄电池组；所述的电磁线圈与蓄电池组、控制系统相连接，可由蓄电池组反向输出电流至电磁线圈，使得特制转轴a反向旋转、继而带动一次性转轴b反向旋转退回、解除固定状态。3.根据权利要求2所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述的电磁线圈，由两个半圆环和一个滚轮组成，半圆环由蓄电池组供电，可以产生不同磁性、不同大小的磁力；所述的滚轮连接电磁线圈与外部保护罩基底，带动电磁线圈呈现出不同的偏转角度。4.根据权利要求1所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述的一次性转轴b的具体结构为：主体为塑料管材质，顶端设计有尖头螺纹，用于插入或钻入前方珊瑚浅礁；中部设计有传动螺纹，用于接收特制转轴a的传递力；底部设置有铁磁性材料；所述外部保护罩内还设有伸缩式底座；所述一次性转轴b通过其底部与所述伸缩式底座以磁性吸附的形式连接用于自身旋转。5.根据权利要求4所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述的伸缩式底座通过一根电阻丝与蓄电池连接，所述控制系统调节蓄电池供电产生热量，使得磁性衰减，解除磁性吸附；所述的伸缩式底座设计为螺纹伸缩结构，螺纹伸长方向与一次性转轴b顶端前进方向一致。6.根据权利要求1所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述的控制系统内嵌rfid芯片，日常处于休眠状态，被激活后接收适宜的发电充电位置信息；所述的控制系统接收到适宜的发电充电位置信息后，通过调整电磁线圈磁性、偏转角度，使得特制转轴a发生偏转，进而改变浮标装置的前进方向；所述的信号发射塔设于适合于固定和充电的珊瑚浅礁区域，用于激活控制系统中的rfid芯片。7.根据权利要求1所述的具有自发电功能的浮标装置，其特征在于，所述的更换架由电磁竖板与两块导向板组成，所述电磁竖板通过电磁力分别固定连接若干根一次性转轴b，所述电磁竖板的磁力消失时两块导向板负责引导一次性转轴b垂直下落，继而与特制转轴a形成十字形螺纹配合。

技术总结
本发明公开一种具有自发电功能的浮标装置，该装置包括特制转轴a、一次性转轴b若干、电磁线圈、伸缩式底座、蓄电池组、信号发射塔、控制系统、外部保护罩、更换架等部件。所述的特制转轴a和一次性转轴b相互配合，实现对蓄电池组的自主发电充电。特制转轴a主体为抗腐蚀不锈钢结构，横向贯穿浮标，左右两端设计有桨叶结构；中部设计有传动螺纹，用于向一次性转轴b传递旋转力；左中部和右中部材料设计为磁性材料。本发明的浮标装置各部件设计巧妙、精准贴合，充分实现了海洋环境下将洋流动力转化为电能的工作流程；续航能力大幅提升；可及时对恶劣状况进行规避；装置结构紧凑，配合巧妙，智能化程度较高，且可有效解决固定卡死的问题。且可有效解决固定卡死的问题。且可有效解决固定卡死的问题。


技术研发人员：李文欣 吴俊义 邵中魁 董源 褚长勇 张巨勇 陆志平 龚友平 陈昌 王万强 陈国金
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.03.01
技术公布日：2023/7/6