1.本发明涉及海洋环境监测领域，特别涉及一种带绞盘锚系浮标监测装置及其位置控制方法。
背景技术：2.海洋观测浮标是一种以锚泊方式固定于特定海域的海洋观测站，用于观测海洋气象和海水表面的海洋环境监测系统。传统的海洋观测浮标的系泊系统通常为单点式，单点式锚系是由纯锚链或者锚链加缆绳的复合单点式系泊，多用于观测海洋表层水温、表层盐度等要素，其观测能力只限于观测海水的表面要素，对海面以下的海洋要素难以完成观测。
3.专利申请“基于浮标锚链的海洋要素垂直剖面观测装置及其观测方法”(cn201410403661.9)通过在浮标锚链上设置多个观测单元可实现海洋要素垂直剖面的观测；专利申请“圆柱式抗风浪海洋分层取样水质监测浮标”(cn201711219671.7)通过设置长度不同的取样管，同时监测不同深度的水质；但上述方法需要布置多个观测器，成本高且能耗大；专利“一种基于多点式锚系结构的小型海洋资料浮标观测网”(zl202020456976.0)通过中心浮标体、多个观测浮标和多点式锚系结构组成阵列式浮标观测区域网，该方法可实现海面多点位、水体、海底长期连续在线监测，但该方法监测的水体剖面参数为固定深度，无法根据监测需求自动调整。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是：提供一种可监测不同深度海水参数的锚系浮标监测装置。
5.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种带绞盘锚系浮标监测装置，包括浮体舱，浮体舱上设置仪器舱和供电装置，浮体舱下部连接下支架，
6.浮体舱上部中间设有绞盘以及驱动装置，绞盘在驱动装置驱动下转动，用于收放线缆，线缆穿过设置在浮体舱上的排缆器下放至设置在浮体舱下部的用以进一步控制线缆收放的浮动调整机构中；
7.浮动调整机构包括中空的固定滑座和套设在固定滑座上的滑动套筒，固定滑座顶部与浮体舱内壁固定，滑动套筒内壁上段周向均布有若干推缸，推缸输出端与相应的固定滑座顶部固连，在推缸伸缩作用下，使滑动套筒沿固定滑座长度方向上下运动，滑动套筒底部设有卷筒支架，卷筒支架上装有卷筒以及电机，卷筒在电机驱动下转动，线缆穿过固定滑座中空部分缠绕在卷筒上，线缆经过卷筒下放至水中且线缆底部连接监测装置，
8.监测装置用于监测水下环境参数，并通过线缆将数据传至仪器舱；仪器舱含有采集海洋表面海水参数的海洋环境监测传感器、数据采集处理器、储能装置，浮体舱上设有电台天线，仪器舱采集处理的数据通过电台天线发送至岸端平台，实现实时监测海洋环境参数。
9.作为一种优选的方案，所述浮体舱上在绞盘四周设有至少3个支撑杆，支撑杆上装
有上支撑架，上支撑架上安装电台天线、锚灯和避雷针。
10.作为一种优选的方案，所述供电装置为太阳能板。
11.作为一种优选的方案，所述下支架底部均布配重块，使浮标重心偏下，保证浮标姿态稳定。
12.作为一种优选的方案，所述线缆缠绕在所述卷筒的圈数为10圈以上。
13.本发明所要解决的技术问题是：提供一种上述锚系浮标监测装置的位置控制方法。
14.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：带绞盘锚系浮标监测装置的位置控制方法,具体如下：
15.步骤一、获取浮标状态参数
16.当接收到测量指令时，通过仪器舱内姿态传感器，实时获取浮标垂直方向的浮动位移h(t)和浮标倾斜角(浮标中轴线与铅直方向夹角)θ(t)；
17.步骤二、控制浮动调整机构
18.实时控制推缸的伸缩量h(t)，以保证在浮标上下浮动、倾斜的情况下卷筒在垂直方向上的位置是固定不变的：根据浮标实时浮动位移h(t)和浮标倾斜角θ(t)控制推缸伸缩量h(t)，当浮标倾斜角度θ(t)＜α时，取h(t)＝h(t)；当倾角度θ(t)≥α时，h(t)＝h(t)/cos(θ(t))，α为20～40
°
之间的设定值；
19.步骤三、卷筒线缆收放控制
20.为保证监测装置到达指定深度h
exp
处测量，控制卷筒转动，卷筒转速为t(t),r/min，使监测装置持续下沉，同时根据监测装置内的深度传感器，实时获取检测装置实际深度h
real
(t)；
21.采用pid方式控制卷筒的转速
22.e(t)＝h
exp-h
real
(t)，
23.其中k
p
、ki、kd为各项根据经验调参给出的已知系数；
24.步骤四、绞盘线缆收放控制
25.当进行测量时，绞盘下放的线缆长度l(t)需大于卷筒下放的长度l'和推缸伸缩量h(t)之和，以避免线缆因为浮动调整而被扯断，此时l(t)＝h(t)+2πrt(t)+
△
，其中r为卷筒半径，
△
为调整余量，取0.3～0.5m间任意值；
26.步骤五、分层测量
27.某一指定深度参数测量完成后，根据测量要求，改变指定深度h
exp
，重复步骤三、四，直至所有指定深度位置处参数测量完成，停止控制浮动调整机构，控制卷筒和绞盘转动回收线缆，将监测装置回收至浮标内，完成本次测量。
28.作为一种优选的方案，在所述步骤三中，当e(t)≤hc时，0.2≤hc≤0.5m，即监测装置位置偏差在误差允许范围内，停止卷筒的收放控制以节省能耗。
29.本发明的有益效果是：
30.本设备的浮标设置绞盘结构收放水质监测装置，监测的水体参数经处理后通过电台天线发送至岸端平台，实现分层海水水质实时准确监测；设置的绞盘浮动调整机构，在浮标测量海面一下水体参数时，浮动调整机构实时补偿浮标波动位移差，保证放出的线缆能
稳定在测量深度，而不受浮标浮动影响；且根据线缆姿态，实时控制绞盘收放长度，使测量装置准确到达测量深度，从而有利于提高参数测量精准度。
附图说明
31.图1为本发明带绞盘锚系浮标轴测图；
32.图2为本发明带绞盘锚系浮标剖视图；
33.图3为本发明带绞盘锚系浮标俯视图；
34.图4为本发明浮动调整机构结构图。
35.图中：1-浮体舱；2-下支架；3-配重块；4-监测装置；5-线缆；6-浮动调整机构；61-固定滑座；62-滑动套筒；63-卷筒支架；64-推缸；65-卷筒；66-电机；7-驱动装置；8-绞盘；9-电台天线；10-锚灯；11-避雷针；12-上支架；13-支撑杆；14-排缆器；15-仪器舱；16-太阳能板。
具体实施方式
36.下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。
37.如图1-4所示，一种带绞盘锚系浮标监测装置，包括浮体舱1，浮体舱1上设置仪器舱15和供电装置，所述供电装置为太阳能板16。浮体舱1下部连接下支架2，下支架2底部均布配重块3，使浮标重心偏下，保证浮标姿态稳定；
38.浮体舱1上部中间设有绞盘8以及驱动装置7，绞盘8在驱动装置7驱动下转动，用于收放线缆5，线缆5穿过排缆器14下放至浮动调整机构6中，浮动调整机构6进一步控制线缆5收放；
39.浮动调整机构6包括中空的固定滑座61和套设在固定滑座61上的滑动套筒62，固定滑座61顶部与浮体舱1内壁固定，滑动套筒62内壁上段周向均布有三个推缸64，推缸64输出端与相应的固定滑座61顶部固连，在推缸64伸缩作用下，使滑动套筒62沿固定滑座61长度方向上下运动，滑动套筒62底部设有卷筒支架63，卷筒支架63上装有卷筒65以及电机66，卷筒65在电机66驱动下转动；
40.线缆5穿过固定滑座61中空部分缠绕在卷筒65上，线缆5缠绕在所述卷筒65的圈数为10圈以上。线缆5经过卷筒65下放至水中且底部连接监测装置4，监测装置4用于监测水下环境参数，并通过线缆5将数据传至仪器舱15；
41.仪器舱15含有采集海洋表面海水参数的海洋环境监测传感器、数据采集处理器、储能装置，浮体舱1上设有电台天线9，仪器舱15采集处理的数据通过电台天线9发送至岸端平台，实现实时监测海洋环境参数；
42.浮体舱1上在绞盘8四周设有至少3个支撑杆13，支撑杆13上装有上支撑架12，上支撑架上安装所述电台天线9、锚灯10和避雷针11。
43.当浮标通过电台天线9收到岸端平台测量信号后，通过控制绞盘8下放线缆5，将监测装置4下沉至不同测量深度，在各深度位置处采集海水参数，并将数据通过线缆5传至仪器舱15，数据经处理后通过电台天线9发送至岸端，实现海水分层参数实时监测；
44.实际作业过程中，浮标易受海面风浪影响，随机摆动沉浮，同时下放的线缆5和监测装置4易受洋流影响随机倾斜摆动，使得监测装置4并不处于测量深度位置，导致海水分
层数据存在误差。
45.因此上述带绞盘锚系浮标监测装置通过控制绞盘8收放线缆5，同时控制浮动调整机构6，实现监测装置4定深测量。
46.上述带绞盘锚系浮标监测装置的位置控制方法，具体如下：
47.步骤一、获取浮标状态参数
48.当接收到测量指令时，通过仪器舱15内姿态传感器，实时获取浮标垂直方向的浮动位移h(t)和浮标倾斜角(浮标中轴线与铅直方向夹角)θ(t)；
49.步骤二、控制浮动调整机构
50.实时控制推缸64的伸缩量h(t)，以保证在浮标上下浮动、倾斜的情况下卷筒65在垂直方向上的位置是固定不变的：根据浮标实时浮动位移h(t)和浮标倾斜角θ(t)控制推缸64伸缩量h(t)，当浮标倾斜角度θ(t)＜α时，取h(t)＝h(t)；当倾角度θ(t)≥α时，h(t)＝h(t)/cos(θ(t))，α为20～40
°
之间的设定值；
51.步骤三、卷筒线缆收放控制
52.为保证监测装置4到达指定深度h
exp
处测量，控制卷筒65转动，卷筒65转速为t(t),r/min，使监测装置4持续下沉，同时根据监测装置4内的深度传感器，实时获取检测装置实际深度h
real
(t)；
53.采用pid方式控制卷筒65的转速
54.e(t)＝h
exp-h
real
(t)，
55.其中k
p
、ki、kd为各项根据经验调参给出的已知系数；
56.步骤四、绞盘线缆收放控制
57.当进行测量时，绞盘8下放的线缆5长度l(t)需大于卷筒65下放的长度l'和推缸伸缩量h(t)之和，以避免线缆5因为浮动调整而被扯断，此时l(t)＝h(t)+2πrt(t)+
△
，其中r为卷筒65半径，
△
为调整余量，取0.3～0.5m间任意值；
58.步骤五、分层测量
59.某一指定深度参数测量完成后，根据测量要求，改变指定深度h
exp
，重复步骤三、四，直至所有指定深度位置处参数测量完成，停止控制浮动调整机构6，控制卷筒65和绞盘8转动回收线缆4，将监测装置4回收至浮标内，完成本次测量。
60.在所述步骤三中，当e(t)≤hc时，0.2≤hc≤0.5m，即监测装置4位置偏差在误差允许范围内，停止卷筒65的收放控制以节省能耗。
61.上述的实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
技术特征：1.一种带绞盘锚系浮标监测装置，包括浮体舱，浮体舱上设置仪器舱和供电装置，浮体舱下部连接下支架，浮体舱上部中间设有绞盘以及驱动装置，绞盘在驱动装置驱动下转动，用于收放线缆，其特征在于：所述线缆穿过设置在浮体舱上的排缆器下放至设置在浮体舱下部的用以进一步控制线缆收放的浮动调整机构中；浮动调整机构包括中空的固定滑座和套设在固定滑座上的滑动套筒，固定滑座顶部与浮体舱内壁固定，滑动套筒内壁上段周向均布有若干推缸，推缸输出端与相应的固定滑座顶部固连，在推缸伸缩作用下，使滑动套筒沿固定滑座长度方向上下运动，滑动套筒底部设有卷筒支架，卷筒支架上装有卷筒以及电机，卷筒在电机驱动下转动，线缆穿过固定滑座中空部分缠绕在卷筒上，线缆经过卷筒下放至水中且线缆底部连接监测装置，监测装置用于监测水下环境参数，并通过线缆将数据传至仪器舱；仪器舱含有采集海洋表面海水参数的海洋环境监测传感器、数据采集处理器、储能装置，浮体舱上设有电台天线，仪器舱采集处理的数据通过电台天线发送至岸端平台，实现实时监测海洋环境参数。2.如权利要求1所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置，其特征在于：所述浮体舱上在绞盘四周设有至少3个支撑杆，支撑杆上装有上支撑架，上支撑架上安装电台天线、锚灯和避雷针。3.如权利要求1所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置，其特征在于：所述供电装置为太阳能板。4.如权利要求1中任一项所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置，其特征在于：所述下支架底部均布配重块以使浮标重心偏下，保证浮标姿态稳定。5.如权利要求1-4中任一项所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置，其特征在于：所述线缆缠绕在所述卷筒的圈数为10圈以上。6.如权利要求1-5中任一项所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置的位置控制方法,具体如下：步骤一、获取浮标状态参数当接收到测量指令时，通过仪器舱内姿态传感器，实时获取浮标垂直方向的浮动位移h(t)和浮标倾斜角(浮标中轴线与铅直方向夹角)θ(t)；步骤二、控制浮动调整机构实时控制推缸的伸缩量h(t)，以保证在浮标上下浮动、倾斜的情况下卷筒在垂直方向上的位置是固定不变的：根据浮标实时浮动位移h(t)和浮标倾斜角θ(t)控制推缸伸缩量h(t)，当浮标倾斜角度θ(t)＜α时，取h(t)＝h(t)；当倾角度θ(t)≥α时，h(t)＝h(t)/cos(θ(t))，α为20～40
°
之间的设定值；步骤三、卷筒线缆收放控制为保证监测装置到达指定深度h
exp
处测量，控制卷筒转动，卷筒转速为t(t),r/min，使监测装置持续下沉，同时根据监测装置内的深度传感器，实时获取检测装置实际深度h
real
(t)；采用pid方式控制卷筒的转速e(t)＝h
exp-h
real
(t)，其中k
p
、k
i
、k
d
为各项根据经验调参给出的已知系数；
步骤四、绞盘线缆收放控制当进行测量时，绞盘下放的线缆长度l(t)需大于卷筒下放的长度l'和推缸伸缩量h(t)之和，以避免线缆因为浮动调整而被扯断，此时l(t)＝h(t)+2πrt(t)+
△
，其中r为卷筒半径，
△
为调整余量，取0.3～0.5m间任意值；步骤五、分层测量某一指定深度参数测量完成后，根据测量要求，改变指定深度h
exp
，重复步骤三、四，直至所有指定深度位置处参数测量完成，停止控制浮动调整机构，控制卷筒和绞盘转动回收线缆，将监测装置回收至浮标内，完成本次测量。7.如权利要求6所述的一种带绞盘锚系浮标监测装置的位置控制方法，其特征在于：在所述步骤三中，当e(t)≤h
c
时，0.2≤hc≤0.5m，即监测装置位置偏差在误差允许范围内，停止卷筒的收放控制以节省能耗。
技术总结本发明公开了一种带绞盘锚系浮标监测装置，包括浮体舱，浮体舱上设置仪器舱和供电装置，浮体舱下部连接下支架，浮体舱上部中间设有绞盘以及驱动装置，线缆穿过设置在浮体舱上的排缆器下放至设置浮动调整机构中；浮动调整机构包括中空的固定滑座和套设在固定滑座上的滑动套筒，固定滑座顶部与浮体舱内壁固定，滑动套筒内壁上段周向均布有若干推缸，推缸输出端与相应的固定滑座顶部固连，在推缸伸缩作用下，使滑动套筒沿固定滑座长度方向上下运动，滑动套筒底部设有卷筒支架，卷筒支架上装有卷筒以及电机，线缆穿过固定滑座中空部分缠绕在卷筒上，线缆经过卷筒下放至水中且线缆底部连接监测装置。本发明还公开了该装置的控制方法。方法。方法。
技术研发人员：陈海民 李培正 朱坤 万德松 裘鸿 山秋滨 陈建林 姚克波 杜永利 王逸杰
受保护的技术使用者：中电科（宁波）海洋电子研究院有限公司
技术研发日：2022.01.27
技术公布日：2022/7/5
