內(nèi)置電子式落水釋放器的可離浮式北斗船載終端

船載終端摘要：內(nèi)置電子式落水釋放器的可離浮式北斗船載終端具備船舶位置報(bào)告、北斗短報(bào)文通信、緊急報(bào)警、沉船示位報(bào)警等功能?？删_控制落水后釋放水深在平時(shí)能用于船舶導(dǎo)航定位，支持用戶北斗短報(bào)文通信功能，支持通過(guò)北斗短報(bào)文功能定時(shí)上報(bào)船舶位置，在船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)時(shí)又能自動(dòng)浮離釋放實(shí)現(xiàn)示位報(bào)警功能。關(guān)鍵詞：北斗；釋放器；浮離；船載中圖分類號(hào)：TN96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ARemovableandfloatingBeidoushipborneterminalwithbuilt-in

electronicfallingwaterreleaseShiShunfeng(ShanghaiUbiquitousNavigationTechnologyCo.,Ltd.,Shanghai,201702,China)Abstract:ThedetachableBeidoushipboardterminalwithbuilt-inelectronicfallingwaterreleasehasfunctionssuchasshippositionreport,Beidoushortmessagecommunication,emergencyalarm,andpositionindicationalarmforsunkenships.Itcanaccuratelycontrolthereleasedepthafterfallingintothewater,andcanbeusedforshipnavigationandpositioningatordinarytimes.Itsupportstheuser'sBeidoushortmessagecommunicationfunction,supportstheregularreportingoftheship'spositionthroughtheBeidoushortmessagefunction,andautomaticallyfloatsandreleaseswhentheshipsinksindistress.Displaypositionalarmfunction.在人類的海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中不可避免會(huì)遭遇影響航行安全的情況，如臺(tái)風(fēng)、海嘯巨浪等自然災(zāi)難，觸礁、碰撞等意外事故，都會(huì)嚴(yán)重威脅到船上人員的生命財(cái)產(chǎn)安全，影響海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的正常開(kāi)展。為了盡可能保障人命和財(cái)產(chǎn)的安全，海上航行的船舶都會(huì)配備具有自動(dòng)釋放功能的應(yīng)急求救設(shè)備，當(dāng)船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)時(shí)，當(dāng)沉沒(méi)水深達(dá)到一定深度時(shí)，應(yīng)急求救設(shè)備會(huì)自動(dòng)觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)，脫離固定裝置浮離到水面并自動(dòng)觸發(fā)示位報(bào)警，將遇險(xiǎn)船舶位置、遇險(xiǎn)時(shí)間等關(guān)鍵信息通過(guò)衛(wèi)星鏈路傳回地面應(yīng)急救援中心。這類具有自動(dòng)釋放功能的示位求救設(shè)備對(duì)海上航行安全保障具有十分重要的作用。我國(guó)自主研發(fā)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已于2020年7月31日正式運(yùn)行。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供定位、授時(shí)、短報(bào)文通信等服務(wù)，目前廣泛應(yīng)用于漁業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)管。目前，漁業(yè)管理部門使用的北斗船載終端主要提供船舶位置報(bào)告、北斗短報(bào)文通信、緊急報(bào)警、沉船示位報(bào)警等功能。其中，位置報(bào)告用于船舶日常位置監(jiān)控；北斗短報(bào)文通信用于船與船、船與岸之間的通信；緊急報(bào)警用于船舶遇險(xiǎn)時(shí)手動(dòng)一鍵報(bào)警；沉船示位報(bào)警用于船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)時(shí)，終端自動(dòng)浮離釋放時(shí)自動(dòng)觸發(fā)的應(yīng)急示位報(bào)警。各個(gè)功能分別滿足不同場(chǎng)景下的具體需求。具備以上全部功能的北斗船載終端一般稱之為可離浮式北斗船載終端。這類設(shè)備在平時(shí)能用于船舶導(dǎo)航定位，支持通過(guò)北斗衛(wèi)星通信鏈路的短報(bào)文通信功能和定時(shí)船舶位置上報(bào)，在船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)時(shí)又能自動(dòng)浮離釋放實(shí)現(xiàn)示位報(bào)警功能，這樣的設(shè)備既能滿足船上人員日常操作時(shí)的導(dǎo)航定位需求；又能滿足船主對(duì)船舶運(yùn)行軌跡的查詢需求；還能滿足漁業(yè)、海事等管理部門對(duì)船舶位置的監(jiān)管需求?？呻x浮式北斗船載終端由主機(jī)和浮力釋放機(jī)構(gòu)組成，需要在落水時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)浮離釋放功能，一般采用靜水壓力釋放器作為功能主機(jī)和固定裝置間的鎖定/釋放關(guān)鍵部件，配合必要的結(jié)構(gòu)件組成鎖定/釋放機(jī)構(gòu)。靜水壓力釋放器有多種形態(tài)，主要體現(xiàn)在釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)有較大差異，釋放的工作原理都是利用水壓力使內(nèi)部膜片發(fā)生形變，觸發(fā)內(nèi)部釋放執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。以下面這種靜水壓力釋放器為例其內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)核心組件主要有膜片、卡扣、彈簧和鎖定柱等，平常未起作用時(shí)帶固定孔的鎖定柱在彈簧彈力作用下，被卡扣牢固地固定在釋放器腔體內(nèi)部，當(dāng)水進(jìn)入釋放器內(nèi)部腔室后，在水的壓力作用下，內(nèi)部膜片發(fā)生形變，當(dāng)該形變力大于彈簧彈力后使彈簧壓縮，當(dāng)彈簧被壓縮到一定程度后，使固定鎖定柱的卡扣脫落，鎖定柱從釋放器腔體內(nèi)部脫落，實(shí)現(xiàn)釋放功能。憑借其安裝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，靜水壓力釋放器是目前落水自動(dòng)釋放報(bào)警類設(shè)備的理想釋放部件。但也有其自身的缺點(diǎn)。第一，由于其內(nèi)部關(guān)鍵部件包含膜片，存在老化問(wèn)題，需要進(jìn)行定期檢驗(yàn)，產(chǎn)品使用有效期較短，需要定期更換，維護(hù)成本高；第二，單價(jià)高，且釋放過(guò)程是破壞性的，釋放器只能一次性使用，使用成本高；第三，由于其工作原理特殊性，釋放器只能在水中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)釋放，且對(duì)水深感知誤差大，釋放水深一般都只能在一定范圍內(nèi)，無(wú)法精確控制，且成品后無(wú)法調(diào)整釋放水深；第四，產(chǎn)品外觀形態(tài)固定，個(gè)體體積大，使用時(shí)對(duì)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有較大的限制?？呻x浮式北斗船載終端由于具備北斗定位導(dǎo)航和北斗短報(bào)文通信功能，設(shè)備安裝使用時(shí)需要有良好的定位環(huán)境，因此需要盡可能的安裝在船只高處（在臺(tái)風(fēng)天氣較容易受到大風(fēng)沖擊），當(dāng)船舶遇險(xiǎn)沉沒(méi)時(shí)，設(shè)備主機(jī)需要能及時(shí)從固定底座上脫離，上浮到水面進(jìn)行示位報(bào)警。采用傳統(tǒng)靜水壓力釋放器作為設(shè)備主機(jī)和固定底座連接機(jī)構(gòu)時(shí)，首先，由于靜水壓力釋放器個(gè)體體積較大，還要考慮適合釋放器自身結(jié)構(gòu)的釋放模式，設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)局限性很大；其次，由于釋放器內(nèi)部是依靠膜片、卡扣和彈簧間作用力將鎖定柱固定在腔體內(nèi)部，鎖定柱存在活動(dòng)間隙，沒(méi)法牢固鎖定，導(dǎo)致組裝后設(shè)備主機(jī)和固定底座間存在較大縫隙，安裝在有較大振動(dòng)的環(huán)境下存在脫落風(fēng)險(xiǎn)；最后，設(shè)備主機(jī)或是固定底座一方的結(jié)構(gòu)件需要通過(guò)插銷配合鎖定柱上的固定孔進(jìn)行固定，為了使設(shè)備主機(jī)和固定底座間在落水釋放時(shí)能快速、徹底地脫離，一般會(huì)在兩者中間放置有一定彈力的不銹鋼彈簧，組裝設(shè)備整機(jī)時(shí)，需要憑借外力適量壓縮彈簧，使插銷剛好能穿過(guò)鎖定柱上的固定孔位置，而鎖定柱本身是可轉(zhuǎn)動(dòng)的，組裝過(guò)程麻煩且費(fèi)時(shí)。由于采用傳統(tǒng)靜水壓力釋放器作為釋放部件時(shí)存在上述問(wèn)題，考慮到新研制的設(shè)備內(nèi)置高容量鋰電池并具備太陽(yáng)能充電電池，可確保設(shè)備內(nèi)部一直有電，本文創(chuàng)新地提出了一種基于水浸傳感器、水壓傳感器和數(shù)字舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的電子式落水自動(dòng)釋放裝置。內(nèi)置MCU通過(guò)GPIO識(shí)別水浸傳感器輸出的電平信號(hào)，通過(guò)高精度AD采集水壓傳感器輸出的模擬量信號(hào)，實(shí)現(xiàn)水浸狀態(tài)確認(rèn)和浸水深度的精確測(cè)量。當(dāng)通過(guò)水浸傳感器輸出電平信號(hào)確認(rèn)設(shè)備已處于水中，采集并確認(rèn)水深采樣值達(dá)到水深設(shè)置閾值時(shí)，內(nèi)置MCU控制舵機(jī)動(dòng)作，觸發(fā)釋放機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)備主機(jī)和固定底座間的脫離釋放。數(shù)字舵機(jī)使用時(shí)，可以通過(guò)控制PWM輸入信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)舵機(jī)輸出軸不同角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，常規(guī)角度有0度、45度、90度等。水壓傳感器可以輸出0?50mV（0?5V）模擬信號(hào)，對(duì)應(yīng)0?4米水深范圍，不同的水深值和輸出模擬量間呈線性對(duì)應(yīng)關(guān)系。水浸傳感器可以直接輸出數(shù)字電平，平常輸出高電平，處于水里時(shí)輸出低電平。實(shí)際產(chǎn)品釋放機(jī)構(gòu)主要由水浸傳感器、水壓傳感器、數(shù)字舵機(jī)、316不銹鋼材質(zhì)的伸縮片和固定連接片組成。安裝組成示意圖如下：10位置為水壓傳感器和水浸傳感器，26位置為進(jìn)水孔，17位置為數(shù)字舵機(jī)，16位置為316不銹鋼材質(zhì)的伸縮片，19位置為316不銹鋼材質(zhì)的固定連接片，其中固定連接片安裝于設(shè)備下方的固定底座上，其余部件均安裝于設(shè)備主機(jī)下方結(jié)構(gòu)件內(nèi)。通過(guò)控制MCU輸出PWM信號(hào)給數(shù)字舵機(jī)，由數(shù)字舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸正反向轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)伸縮片左右運(yùn)動(dòng)，當(dāng)伸縮片插入固定連接片時(shí)，設(shè)備主機(jī)和下方固定底座鎖定，設(shè)備和底座成為一個(gè)整體，當(dāng)伸縮片退出固定連接片插口時(shí)，設(shè)備主機(jī)和下方固定底座分開(kāi)。實(shí)際使用時(shí)，整個(gè)釋放裝置處于低功耗待機(jī)模式，功耗極低，當(dāng)水浸傳感器檢測(cè)到設(shè)備已落入水中時(shí)，MCU立即以較高頻率采集水壓傳感器輸出的模擬量數(shù)據(jù)，并采用合適的濾波算法剔除野值，當(dāng)采樣值確認(rèn)大于設(shè)置的水深閾值時(shí)，MCU控制輸出有效PWM信號(hào)，控制數(shù)字舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)，使伸縮片從固定連接片中抽出，設(shè)備主機(jī)和固定底座間實(shí)現(xiàn)脫離，在設(shè)備主機(jī)和固定底座間安裝的彈簧彈力作用下，使設(shè)備主機(jī)和固定底座間實(shí)現(xiàn)快速、徹底地脫離，設(shè)備主機(jī)憑借自身浮力上浮到水面，自動(dòng)啟動(dòng)落水示位報(bào)警功能。生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)設(shè)備主機(jī)需要和固定底座組合在一起時(shí)，此時(shí)只需要通過(guò)手機(jī)上專用APP掃描設(shè)備下方的二維碼，通過(guò)藍(lán)牙自動(dòng)連接到設(shè)備后，借用外力直接將彈簧壓縮到底，使設(shè)備主機(jī)和固定底座完全貼合，再操作APP上的“鎖定”按鈕即可控制內(nèi)置MCU輸出有效PWM信號(hào)，控制數(shù)字舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸反向運(yùn)動(dòng)，將伸縮片插入固定連接片，使設(shè)備主機(jī)和固定底座組合為一個(gè)整體。由于整個(gè)釋放機(jī)構(gòu)都采用電子元器件和不銹鋼材料結(jié)構(gòu)件，沒(méi)有傳統(tǒng)靜水壓力釋放器中普遍采用的膜片，這種新型電子式落水自動(dòng)釋放裝置不存在老化問(wèn)題不再需要定期檢驗(yàn)和更換。相比于傳統(tǒng)的靜水壓力釋放器，文中這種電子式釋放機(jī)構(gòu)可根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間形態(tài)合理布局安裝，設(shè)備主機(jī)和固定底座間可做到無(wú)縫貼合，固定牢靠，整機(jī)外觀完整性更好，不存在振動(dòng)情況下可能出現(xiàn)脫落的風(fēng)險(xiǎn)。設(shè)備檢修拆裝時(shí)，可通過(guò)手機(jī)APP控制設(shè)備主機(jī)和固定底座間脫離，操作快速、方便。結(jié)束語(yǔ)由于傳統(tǒng)靜水壓力釋放器水深作用范圍大約在1.5米?4米之間，個(gè)體間存在很大的差異，一致性很差，因此采用傳統(tǒng)靜水壓力釋放器的設(shè)備無(wú)法在內(nèi)河