石顺锋
上海普适导航科技股份有限公司，上海市，201702）
摘要：内置电子式落水释放器的可离浮式北斗船载终端具备船舶位置报告、北斗短报文通信、紧急报警、沉船示位报警等功能。可精确控制落水后释放水深，在平时能用于船舶导航定位，支持用户北斗短报文通信功能，支持通过北斗短报文功能定时上报船舶位置，在船舶遇险沉没时又能自动浮离释放实现示位报警功能。
关键词：北斗；释放器；浮离；船载
中图分类号：TN96 文献标识码：A
Removable and floating Beidou shipborne terminal with built-in electronic falling water release
Shi Shunfeng(Shanghai Ubiquitous Navigation Technology Co., Ltd. ,Shanghai,201702,China)
Abstract:The detachable Beidou shipboard terminal with built-in electronic falling water release has functions such as ship position report, Beidou short message communication, emergency alarm, and position indication alarm for sunken ships. It can accurately control the release depth after falling into the water, and can be used for ship navigation and positioning at ordinary times. It supports the user's Beidou short message communication function, supports the regular reporting of the ship's position through the Beidou short message function, and automatically floats and releases when the ship sinks in distress. Display position alarm function.
在人类的海洋经济活动中不可避免会遭遇影响航行安全的情况，如台风、海啸巨浪等自然灾难，触礁、碰撞等意外事故，都会严重威胁到船上人员的生命财产安全，影响海洋经济活动的正常开展。为了尽可能保障人命和财产的安全，海上航行的船舶都会配备具有自动释放功能的应急求救设备，当船舶遇险沉没时，当沉没水深达到一定深度时，应急求救设备会自动触发释放机构，脱离固定装置浮离到水面并自动触发示位报警，将遇险船舶位置、遇险时间等关键信息通过卫星链路传回地面应急救援中心。这类具有自动释放功能的示位求救设备对海上航行安全保障具有十分重要的作用。
我国自主研发独立运营的北斗全球卫星导航系统已于2020年7月31日正式运行。北斗卫星导航系统提供定位、授时、短报文通信等服务，目前广泛应用于渔业安全生产监管。目前，渔业管理部门使用的北斗船载终端主要提供船舶位置报告、北斗短报文通信、紧急报警、沉船示位报警等功能。其中，位置报告用于船舶日常位置监控；北斗短报文通信用于船与船、船与岸之间的通信；紧急报警用于船舶遇险时手动一键报警；沉船示位报警用于船舶遇险沉没时，终端自动浮离释放时自动触发的应急示位报警。各个功能分别满足不同场景下的具体需求。具备以上全部功能的北斗船载终端一般称之为可离浮式北斗船载终端。这类设备在平时能用于船舶导航定位，支持通过北斗卫星通信链路的短报文通信功能和定时船舶位置上报，在船舶遇险沉没时又能自动浮离释放实现示位报警功能，这样的设备既能满足船上人员日常操作时的导航定位需求；又能满足船主对船舶运行轨迹的查询需求；还能满足渔业、海事等管理部门对船舶位置的监管需求。
可离浮式北斗船载终端由主机和浮力释放机构组成，需要在落水时实现自动浮离释放功能，一般采用静水压力释放器作为功能主机和固定装置间的锁定/释放关键部件，配合必要的结构件组成锁定/释放机构。静水压力释放器有多种形态，主要体现在释放执行机构有较大差异，释放的工作原理都是利用水压力使内部膜片发生形变，触发内部释放执行机构动作。以下面这种静水压力释放器为例，其内部机械结构核心组件主要有膜片、卡扣、弹簧和锁定柱等，平常未起作用时，带固定孔的锁定柱在弹簧弹力作用下，被卡扣牢固地固定在释放器腔体内部，当水进入释放器内部腔室后，在水的压力作用下，内部膜片发生形变，当该形变力大于弹簧弹力后使弹簧压缩，当弹簧被压缩到一定程度后，使固定锁定柱的卡扣脱落，锁定柱从释放器腔体内部脱落，实现释放功能。
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凭借其安装简单，稳定可靠的优点，静水压力释放器是目前落水自动释放报警类设备的理想释放部件。但也有其自身的缺点。第一，由于其内部关键部件包含膜片，存在老化问题，需要进行定期检验，产品使用有效期较短，需要定期更换，维护成本高；第二，单价高，且释放过程是破坏性的，释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，释放器只能在水中实现自动释放，且对水深感知误差大，释放水深一般都只能在一定范围内，无法精确控制，且成品后无法调整释放水深；第四，产品外观形态固定，个体体积大，使用时对整机结构设计有较大的限制。
可离浮式北斗船载终端由于具备北斗定位导航和北斗短报文通信功能，设备安装使用时需要有良好的定位环境，因此需要尽可能的安装在船只高处（在台风天气较容易受到大风冲击），当船舶遇险沉没时，设备主机需要能及时从固定底座上脱离，上浮到水面进行示位报警。采用传统静水压力释放器作为设备主机和固定底座连接机构时，首先，由于静水压力释放器个体体积较大，还要考虑适合释放器自身结构的释放模式，设备整机结构设计局限性很大；其次，由于释放器内部是依靠膜片、卡扣和弹簧间作用力将锁定柱固定在腔体内部，锁定柱存在活动间隙，没法牢固锁定，导致组装后设备主机和固定底座间存在较大缝隙，安装在有较大振动的环境下存在脱落风险；最后，设备主机或是固定底座一方的结构件需要通过插销配合锁定柱上的固定孔进行固定，为了使设备主机和固定底座间在落水释放时能快速、彻底地脱离，一般会在两者中间放置有一定弹力的不锈钢弹簧，组装设备整机时，需要凭借外力适量压缩弹簧，使插销刚好能穿过锁定柱上的固定孔位置，而锁定柱本身是可转动的，组装过程麻烦且费时。
由于采用传统静水压力释放器作为释放部件时存在上述问题，考虑到新研制的设备内置高容量锂电池并具备太阳能充电电池，可确保设备内部一直有电，本文创新地提出了一种基于水浸传感器、水压传感器和数字舵机实现的电子式落水自动释放装置。内置MCU通过GPIO识别水浸传感器输出的电平信号，通过高精度AD采集水压传感器输出的模拟量信号，实现水浸状态确认和浸水深度的精确测量。当通过水浸传感器输出电平信号确认设备已处于水中，采集并确认水深采样值达到水深设置阈值时，内置MCU控制舵机动作，触发释放机构实现设备主机和固定底座间的脱离释放。
数字舵机使用时，可以通过控制PWM输入信号的占空比实现舵机输出轴不同角度的转动，常规角度有0度、45度、90度等。
水压传感器可以输出0～50mV（0～5V）模拟信号，对应0～4米水深范围，不同的水深值和输出模拟量间呈线性对应关系。
水浸传感器可以直接输出数字电平，平常输出高电平，处于水里时输出低电平。
实际产品释放机构主要由水浸传感器、水压传感器、数字舵机、316不锈钢材质的伸缩片和固定连接片组成。
安装组成示意图如下：10位置为水压传感器和水浸传感器，26位置为进水孔，17位置为数字舵机，16位置为316不锈钢材质的伸缩片，19位置为316不锈钢材质的固定连接片，其中固定连接片安装于设备下方的固定底座上，其余部件均安装于设备主机下方结构件内。
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通过控制MCU输出PWM信号给数字舵机，由数字舵机转动轴正反向转动带动伸缩片左右运动，当伸缩片插入固定连接片时，设备主机和下方固定底座锁定，设备和底座成为一个整体，当伸缩片退出固定连接片插口时，设备主机和下方固定底座分开。
实际使用时，整个释放装置处于低功耗待机模式，功耗极低，当水浸传感器检测到设备已落入水中时，MCU立即以较高频率采集水压传感器输出的模拟量数据，并采用合适的滤波算法剔除野值，当采样值确认大于设置的水深阈值时，MCU控制输出有效PWM信号，控制数字舵机转动轴运动，使伸缩片从固定连接片中抽出，设备主机和固定底座间实现脱离，在设备主机和固定底座间安装的弹簧弹力作用下，使设备主机和固定底座间实现快速、彻底地脱离，设备主机凭借自身浮力上浮到水面，自动启动落水示位报警功能。
生产时，当设备主机需要和固定底座组合在一起时，此时只需要通过手机上专用APP扫描设备下方的二维码，通过蓝牙自动连接到设备后，借用外力直接将弹簧压缩到底，使设备主机和固定底座完全贴合，再操作APP上的“锁定”按钮即可控制内置MCU输出有效PWM信号，控制数字舵机转动轴反向运动，将伸缩片插入固定连接片，使设备主机和固定底座组合为一个整体。
由于整个释放机构都采用电子元器件和不锈钢材料结构件，没有传统静水压力释放器中普遍采用的膜片，这种新型电子式落水自动释放装置不存在老化问题，不再需要定期检验和更换。相比于传统的静水压力释放器，文中这种电子式释放机构可根据设备结构内部空间形态合理布局安装，设备主机和固定底座间可做到无缝贴合，固定牢靠，整机外观完整性更好，不存在振动情况下可能出现脱落的风险。设备检修拆装时，可通过手机APP控制设备主机和固定底座间脱离，操作快速、方便。
结束语
由于传统静水压力释放器水深作用范围大约在1.5米～4米之间，个体间存在很大的差异，一致性很差，因此采用传统静水压力释放器的设备无法在内河环境中使用。
文中电子式落水释放器在落水释放水深检测方面具有很好的稳定性和一致性，同时可灵活设置释放水深阈值。在海洋、大江和内河环境下，采用电子式落水释放器的可离浮式北斗船载终端均可使用。
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