一种新能源海上智能浮标系统

1.本发明涉及海洋人工智能领域技术领域，具体为一种新能源海上智能浮标系统。

背景技术：

2.远海浮标是无人海洋测绘重要的组成部分，亟需在传统的单一功能(单一功能是指目前浮标只能搭载传感器进行探测)状态下进行人工智能升级，除了针对其搭载的传感器数据进行智能化处理外，针对其机体健康状态的监测尤为重要，如传感器缺失以及形变等常见问题，海洋浮标传感器由于受缺乏远程现场监管以及受通信带宽限制以及计算能力和能耗问题的限制，难以形成自动化的安全监管以及外观状态检测边缘计算系统，近年来随着人工智能芯片以及低功耗相机的不断发展，已经能够满足海洋大规模分布式观探测装备的现实需求。针对浮标智能终端计算和存储资源受限等问题，本专利提出了一种基于边缘计算和环境自适应深度学习模型的智能浮标重点，其旨在确保适当性能的条件下,能自适应地根据环境变化动态调整模型,从而降低资源消耗、提高运算效率，开拓无人海洋测绘新模式和新的应用领域势在必行。
3.远海浮标通信主要依靠铱星通信，通信成本较高，在出现浮标破坏以及传感器异常的情况下，无法将浮标实时视频检测数据传回岸基数据中心，基于边缘计算技术的智能化监测系统能够很好的解决此类问题。
4.但是目前，浮标搭载的传感器设备经常遭到不明国籍渔民以及不明人员破坏，现有的浮标智能化系统难以对此类行为进行有效识别、报警、驱离、取证，也难以对传感器的有损情况进行识别。
5.基于此，本发明设计了一种新能源海上智能浮标系统，以解决上述问题。

技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种新能源海上智能浮标系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
8.一种新能源海上智能浮标系统，包括浮体和浮标立柱，所述浮体锚定在漂浮在海洋面上，所述浮标立柱竖直固定在浮体的轴心位置，所述浮标立柱上安装有图形采集模块、水面传感器簇、边缘计算模块、通信模块和太阳能供电模块；
9.所述浮体内部设置有浮力调节机构，所述边缘计算模块输出控制所述浮力调节机构动作，所述浮力调节机构通过调节浮体的整体浮力用于控制浮体顶面位于海平面的上侧或下侧；
10.所述浮体的四周圆周分布式设置多个外推板，每个所述外推板均通过外推机构沿浮体的径向移动，所述边缘计算模块的输出端控制所述外推机构控制端用于在有外部物体靠近时驱动多个所述外推板向外撑开；
11.所述浮体的底部设有悬浮在海面下方的下坠块，所述浮体随海面浮动时，所述下
坠块与所述浮体的间距发生波动变化，所述浮标立柱上设有用于驱离海鸟的驱离机构，所述驱离机构与所述下坠块连接并同步动作。
12.优选的，所述浮标立柱的顶部安装有立柱架，所述立柱架中心位置竖直安装有用于防雷的避雷针，所述图形采集模块包括架设在立柱架边侧的图形采集设备，所述太阳能供电模块包括多块铺设在立柱架上的太阳能电池板，所述水面传感器簇包括卫星定位系统、通信系统、气压计和风速计，所述边缘计算模块内置安装在浮体内。
13.优选的，所述浮力调节机构包括浮力箱和多个水泵，所述浮体内底部开设有底座腔，所述底座腔内安装浮力箱，所述浮力箱的两侧安装分别安装有一个所述水泵，底座腔左侧的所述水泵的抽水端通过浮体底部面板开设的水口与外部海水相通，底座腔左侧的所述水泵的排水端与所述浮力箱内顶部相通，底座腔右侧的所述水泵的抽水端与所述浮力箱的内底部相通，底座腔右侧的所述水泵的排水端通过浮体底部面板开设的水口与外部海水相通。
14.优选的，所述外推机构包括安装固定在外推板内侧壁左右两侧的推杆，所述推杆密封滑动穿入所述底座腔内，所述底座腔内顶部转动安装有主动锥齿，所述主动锥齿四周圆周分布式的啮合转动安装有多个随动锥齿，所述底座腔内壁圆周分布式转动安装有多根外推丝杆，所述外推丝杆上螺纹套设有丝杆螺块，所述丝杆螺块的顶端滑动卡设在所述底座腔的内顶面，所述丝杆螺块的左右两侧固定有所述推杆，每个所述随动锥齿对应每个所述外推丝杆位置固定在外推丝杆的内端头，所述主动锥齿的轴心位置固定有锥齿轴管，所述浮标立柱内倒置安装有外推电机，所述外推电机的电机轴固定连接着驱动齿轮，所述锥齿轴管顶部滑动穿入浮标立柱内部，所述锥齿轴管顶部外壁设有用于与所述驱动齿轮啮合的齿圈。
15.优选的，所述驱离机构包括多根柔性驱带，多根所述柔性驱带圆周分布式的固定在连接环外侧壁，所述连接环整体套设在所述避雷针外圈，所述连接环底部设有用于将连接环水平撑起的驱赶升杆，所述驱赶升杆底部固定连接有用于顶升驱赶升杆的浮动穿杆，所述浮动穿杆沿浮体和浮标立柱轴心密封滑动竖直穿过并固定在所述下坠块顶部。
16.优选的，所述锥齿轴管中心开设有用于浮动穿杆竖直穿过的竖孔，所述浮力箱中心位置设有用于浮动穿杆密封竖直穿过的箱密封穿管。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1.本发明通过设置的浮力调节机构和外推机构可以有效防止不明人员对浮标的破坏，并且具有规避海洋生物等主动型安防效果；
19.2.设置的驱离机构可以跟随海面浪涌波动，自动的防止海鸟对浮标立柱安装的设备的损坏；
20.3.本发明的技术方案是构建基于图像采集模块、低功耗边缘计算模块、通信模块、能源模块的浮标传感器状态自动化监测系统，集成人工智能深度学习技术、边缘计算技术、5g(近海)技术，此方案具有低功耗、取景稳定、先进性的特点。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明前侧视角结构示意图；
23.图2为图1的左视图；
24.图3为图1沿浮体的轴向竖直面剖开后的结构示意图；
25.图4为立柱架的结构示意图；
26.图5为外推机构和驱离机构的结构示意图；
27.图6为连接环的结构示意图；
28.图7为单个外推板与主动锥齿的连接结构示意图；
29.图8为本发明各模块间的系统工作原理图。
30.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
31.浮体1、底座腔10、浮力箱11、箱密封穿管12、水泵13、水口14、浮标立柱2、立柱架20、太阳能电池板21、避雷针22、相机23、外推板3、推杆30、外推丝杆31、丝杆螺块32、随动锥齿33、主动锥齿34、锥齿轴管35、驱动齿轮36、外推电机37、柔性驱带4、连接环40、驱赶升杆41、浮动穿杆42、下坠块43。
具体实施方式
32.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
33.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：
34.一种新能源海上智能浮标系统，包括浮体1和浮标立柱2，所述浮体1锚定在漂浮在海洋面上，所述浮标立柱2竖直固定在浮体1的轴心位置，所述浮标立柱2上安装有图形采集模块、水面传感器簇、边缘计算模块、通信模块和太阳能供电模块；
35.所述浮体1内部设置有浮力调节机构，所述边缘计算模块输出控制所述浮力调节机构动作，所述浮力调节机构通过调节浮体1的整体浮力用于控制浮体1顶面位于海平面的上侧或下侧；
36.所述浮体1的四周圆周分布式设置多个外推板3，每个所述外推板3均通过外推机构沿浮体1的径向移动，所述边缘计算模块的输出端控制所述外推机构控制端用于在有外部物体靠近时驱动多个所述外推板3向外撑开；
37.所述浮体1的底部设有悬浮在海面下方的下坠块43，所述浮体1随海面浮动时，所述下坠块43与所述浮体1的间距发生波动变化，所述浮标立柱2上设有用于驱离海鸟的驱离机构，所述驱离机构与所述下坠块43连接并同步动作。
38.工作时，
39.首先通过图像采集模块实现对浮标水面传感器簇和太阳板状态图像实时或定时采集，采用图片数据能够降低系统功耗；
40.然后将采集的浮标水上传感器图片数据传输至人工智能边缘计算模块，通过图像预处理等图像处理基本流程后，内置的深度学习缺失监测算法对传感器外观状态进行识别
评估计算，并对传感器的损坏、缺失、形变等状态进行判断；
41.针对上述边缘计算模块的决策信息，如果水面传感器出现异常状态，智能计算模块将异常传感器的类型以及异常状态信息发给通信模块，形成报文信息并通过铱星通信系统将浮标的传感器状态回传至岸基数据中心，数据中心根据实际情况作出下一步判断；
42.当检测到非检修船体靠近时，通信模块会广播防撞信号，于此同时，当非安全设定的外部船体或海洋生物靠近到最小安全距离时，浮力调节机构和外推机构开始工作，首先浮力调节机构会整体改变浮体1的浮力，使得浮体1的顶面沉入海面下方，则浮体1无登陆的平台，外部破坏人员或者海洋生物无法直接到达浮标立柱2顶部对其安装的关键的传感器、通信器等电控设备进行破坏，此外，外推机构会推动多个外推板3向外圈推动，从而将抵紧浮体1的船只或者海洋生物直接向外推开或者提高一个缓冲的间距，从而防止直接靠近浮体1进行登陆操作，从而可以起到很好的安防效果；
43.此外浮体1由于底部锚定，整体是漂浮在海面上上下浮动的，而浮体1底部设置的下坠块43与浮体1存在水位差，浮力大小也不同，在浮体1随着海面上下起伏时，下坠块43的起伏的大小与1的起伏大小存在浮动差，则下坠块43与浮体1底部的间距差会发生波动，设置的驱离机构是与下坠块43同步动作的，因此，设置在浮标立柱2上的驱离机构与固定在浮体1上的浮标立柱2会发生位移动作，从而在海面存在浪涌的环境条件下，驱离机构便可以自动的在浮标立柱2上进行位移动作，从而防止海鸟长期落在浮标立柱2顶部的情况，对浮标立柱2顶部的电气设备进行有效的保护。
44.其中，所述浮标立柱2的顶部安装有立柱架20，所述立柱架20中心位置竖直安装有用于防雷的避雷针22，所述图形采集模块包括架设在立柱架20边侧的图形采集设备23，所述太阳能供电模块包括多块铺设在立柱架20上的太阳能电池板21，所述水面传感器簇包括卫星定位系统24、通信系统25、气压计26和风速计27，所述边缘计算模块内置安装在浮体1内。
45.其中，所述浮力调节机构包括浮力箱11和多个水泵13，所述浮体1内底部开设有底座腔10，所述底座腔10内安装浮力箱11，所述浮力箱11的两侧安装分别安装有一个所述水泵13，底座腔10左侧的所述水泵13的抽水端通过浮体1底部面板开设的水口14与外部海水相通，底座腔10左侧的所述水泵13的排水端与所述浮力箱11内顶部相通，底座腔10右侧的所述水泵13的抽水端与所述浮力箱11的内底部相通，底座腔10右侧的所述水泵13的排水端通过浮体1底部面板开设的水口14与外部海水相通；
46.工作时，在有外部船只时，为了防止外部人员登陆浮体1顶面对浮标立柱2上的设备进行破坏干扰，需要将浮体1整体沉入海面下方，此时浮力箱11左侧的水泵13进行抽水动作，将浮力箱11内注满海水，从而减少底座腔10内部空腔体积，减少浮体1整体浮力，浮体1的顶面会整体沉没如海平面以下，从而外部人员无法对轻易进行干扰破坏操作，在有海洋生物从水面下靠近浮体1或想爬上浮体1平台时，可以将浮力箱11内水通过由此的水泵13排出，从而抬升浮体1底部的高度，防止撞击，同时抬高浮体1顶面平台与海面的高度差，防止海洋生物轻易进入浮体1的平台面，由此，本发明设置的浮力调节机构可以根据图形采集模块或水面传感器簇的检测信号选择自动上下浮动，可以防止外部人员登陆以及海洋生物的撞击干扰。
47.其中，所述外推机构包括安装固定在外推板3内侧壁左右两侧的推杆30，所述推杆
30密封滑动穿入所述底座腔10内，所述底座腔10内顶部转动安装有主动锥齿34，所述主动锥齿34四周圆周分布式的啮合转动安装有多个随动锥齿33，所述底座腔10内壁圆周分布式转动安装有多根外推丝杆31，所述外推丝杆31上螺纹套设有丝杆螺块32，所述丝杆螺块32的顶端滑动卡设在所述底座腔10的内顶面，所述丝杆螺块32的左右两侧固定有所述推杆30，每个所述随动锥齿33对应每个所述外推丝杆31位置固定在外推丝杆31的内端头，所述主动锥齿34的轴心位置固定有锥齿轴管35，所述浮标立柱2内倒置安装有外推电机37，所述外推电机37的电机轴固定连接着驱动齿轮36，所述锥齿轴管35顶部滑动穿入浮标立柱2内部，所述锥齿轴管35顶部外壁设有用于与所述驱动齿轮36啮合的齿圈；
48.工作时，外推电机37通过驱动齿轮36带动锥齿轴管35转动，锥齿轴管35带动主动锥齿34转动，主动锥齿34带动多个随动锥齿33同步转动，随动锥齿33带动外推丝杆31自转，由于丝杆螺块32被限位在底座腔10的内顶面，因此，丝杆螺块32会顺着外推丝杆31轴向滑动，从而丝杆螺块32通过推杆30带动外推板3做向外伸开或收回动作，完成外推板3的外推动作功能。
49.其中，所述驱离机构包括多根柔性驱带4，多根所述柔性驱带4圆周分布式的固定在连接环40外侧壁，所述连接环40整体套设在所述避雷针22外圈，所述连接环40底部设有用于将连接环40水平撑起的驱赶升杆41，所述驱赶升杆41底部固定连接有用于顶升驱赶升杆41的浮动穿杆42，所述浮动穿杆42沿浮体1和浮标立柱2轴心密封滑动竖直穿过并固定在所述下坠块43顶部；
50.工作时，浮体1发生整体浮动时，下坠块43与浮体1产生浮动间隔差，则下坠块43通过浮动穿杆42、浮动穿杆42和连接环40带动多根柔性驱带4在立柱架20上方上下运动，从而起到驱鸟的动作效果。
51.其中，所述锥齿轴管35中心开设有用于浮动穿杆42竖直穿过的竖孔，所述浮力箱11中心位置设有用于浮动穿杆42密封竖直穿过的箱密封穿管12，这里注意是在不影响浮力机构和驱离机构动作的前提下保证浮力箱11、底座腔10内部的气密性。
52.本发明的技术方案是构建基于图像采集模块、低功耗边缘计算模块、通信模块、能源模块的浮标传感器状态自动化监测系统，集成人工智能深度学习技术、边缘计算技术、5g(近海)技术、，此方案具有低功耗、取景稳定、先进性的特点。
53.浮标主系统主要依赖于太阳能自发电系统支撑ctd等传感器进行正常工作，由于能源储备问题，难以支撑额外添加相机等图像采集设备。传统的边缘计算设备往往功耗较大，随着人工智能芯片技术的发展，本专利基于低功耗国产人工智能边缘计算设备，并通过自身太阳能供电系统实现对监测系统进行供电，实现了视频实时\定时采集以及实时图像内容的分析、评估以及异常状态发送，同时岸基人员能够通过铱星通信对图像采集频率进行设定，进一步降低系统功耗。
54.本系统所用深度学习算法基于岸基大型gpu深度学习服务器进行算法的训练和仿真，并将训练好的模型下载至浮标边缘计算模块，浮标部署在不同的水域后，边缘计算模块对水听器数据以及水面监视视频数据进行计算与识别，并将识别后的数据定时通过卫星通信系统发送回岸基数据中心，支撑相关科学项目研究。
55.为将深度学习模型实际部署在资源受限的终端设备上,需进行终端模型压缩来降低推理阶段的计算和存储成本。首先将进行原始模型在训练阶段,按照不同的压缩阈值,训
练出不同资源消耗的图像识别模型,将其统一部署在边缘服务器上,根据任务环境及资源环境变化,自适应选择模型类型与模型分割点,实现终端与边端的自适应联合推断。
56.数据采集模块可在阴雨天下连续工作50天以上，为降低边缘计算模块在连续工作情况下的芯片温度高的问题，本方案将边缘计算模块至于浮标水下位置，可有效降低核心计算装置的工作温度，提升系统的工作效能。
57.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
58.以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

技术特征：

1.一种新能源海上智能浮标系统，包括浮体(1)和浮标立柱(2)，所述浮体(1)锚定在漂浮在海洋面上，所述浮标立柱(2)竖直固定在浮体(1)的轴心位置，所述浮标立柱(2)上安装有图形采集模块、水面传感器簇、边缘计算模块、通信模块和太阳能供电模块，其特征在于：所述浮体(1)内部设置有浮力调节机构，所述边缘计算模块输出控制所述浮力调节机构动作，所述浮力调节机构通过调节浮体(1)的整体浮力用于控制浮体(1)顶面位于海平面的上侧或下侧；所述浮体(1)的四周圆周分布式设置多个外推板(3)，每个所述外推板(3)均通过外推机构沿浮体(1)的径向移动，所述边缘计算模块的输出端控制所述外推机构控制端用于在有外部物体靠近时驱动多个所述外推板(3)向外撑开；所述浮体(1)的底部设有悬浮在海面下方的下坠块(43)，所述浮体(1)随海面浮动时，所述下坠块(43)与所述浮体(1)的间距发生波动变化，所述浮标立柱(2)上设有用于驱离海鸟的驱离机构，所述驱离机构与所述下坠块(43)连接并同步动作。2.根据权利要求1所述的一种新能源海上智能浮标系统，其特征在于：所述浮标立柱(2)的顶部安装有立柱架(20)，所述立柱架(20)中心位置竖直安装有用于防雷的避雷针(22)，所述图形采集模块包括架设在立柱架(20)边侧的图形采集设备(23)，所述太阳能供电模块包括多块铺设在立柱架(20)上的太阳能电池板(21)，所述水面传感器簇包括卫星定位系统(24)、通信系统(25)、气压计(26)和风速计(27)，所述边缘计算模块内置安装在浮体(1)内。3.根据权利要求2所述的一种新能源海上智能浮标系统，其特征在于：所述浮力调节机构包括浮力箱(11)和多个水泵(13)，所述浮体(1)内底部开设有底座腔(10)，所述底座腔(10)内安装浮力箱(11)，所述浮力箱(11)的两侧安装分别安装有一个所述水泵(13)，底座腔(10)左侧的所述水泵(13)的抽水端通过浮体(1)底部面板开设的水口(14)与外部海水相通，底座腔(10)左侧的所述水泵(13)的排水端与所述浮力箱(11)内顶部相通，底座腔(10)右侧的所述水泵(13)的抽水端与所述浮力箱(11)的内底部相通，底座腔(10)右侧的所述水泵(13)的排水端通过浮体(1)底部面板开设的水口(14)与外部海水相通。4.根据权利要求3所述的一种新能源海上智能浮标系统，其特征在于：所述外推机构包括安装固定在外推板(3)内侧壁左右两侧的推杆(30)，所述推杆(30)密封滑动穿入所述底座腔(10)内，所述底座腔(10)内顶部转动安装有主动锥齿(34)，所述主动锥齿(34)四周圆周分布式的啮合转动安装有多个随动锥齿(33)，所述底座腔(10)内壁圆周分布式转动安装有多根外推丝杆(31)，所述外推丝杆(31)上螺纹套设有丝杆螺块(32)，所述丝杆螺块(32)的顶端滑动卡设在所述底座腔(10)的内顶面，所述丝杆螺块(32)的左右两侧固定有所述推杆(30)，每个所述随动锥齿(33)对应每个所述外推丝杆(31)位置固定在外推丝杆(31)的内端头，所述主动锥齿(34)的轴心位置固定有锥齿轴管(35)，所述浮标立柱(2)内倒置安装有外推电机(37)，所述外推电机(37)的电机轴固定连接着驱动齿轮(36)，所述锥齿轴管(35)顶部滑动穿入浮标立柱(2)内部，所述锥齿轴管(35)顶部外壁设有用于与所述驱动齿轮(36)啮合的齿圈。5.根据权利要求4所述的一种新能源海上智能浮标系统，其特征在于：所述驱离机构包括多根柔性驱带(4)，多根所述柔性驱带(4)圆周分布式的固定在连接环(40)外侧壁，所述连接环(40)整体套设在所述避雷针(22)外圈，所述连接环(40)底部设有用于将连接环(40)
水平撑起的驱赶升杆(41)，所述驱赶升杆(41)底部固定连接有用于顶升驱赶升杆(41)的浮动穿杆(42)，所述浮动穿杆(42)沿浮体(1)和浮标立柱(2)轴心密封滑动竖直穿过并固定在所述下坠块(43)顶部。6.根据权利要求5所述的一种新能源海上智能浮标系统，其特征在于：所述锥齿轴管(35)中心开设有用于浮动穿杆(42)竖直穿过的竖孔，所述浮力箱(11)中心位置设有用于浮动穿杆(42)密封竖直穿过的箱密封穿管(12)。

技术总结

本发明公开了一种新能源海上智能浮标系统，包括浮体和浮标立柱，所述浮体内部设置有浮力调节机构，所述边缘计算模块输出控制所述浮力调节机构动作；所述浮体的四周圆周分布式设置多个外推板，每个所述外推板均通过外推机构沿浮体的径向移动，所述浮体的底部设有悬浮在海面下方的下坠块，所述浮体随海面浮动时，所述下坠块与所述浮体的间距发生波动变化，所述浮标立柱上设有用于驱离海鸟的驱离机构，所述驱离机构与所述下坠块连接并同步动作；浮力调节机构和外推机构可以有效防止不明人员对浮标的破坏，并且具有规避海洋生物等主动型安防效果。防效果。防效果。