可回收式水下物体姿态测量传感仪系统技术方案

本申请属于海洋数据采集领域和海洋工程领域，提供一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，包括水下密封耐压腔体、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元等。自卸式耦合固定机构中设置有耦合连接的释放机构和适配机构，适配机构通过被测物体固定板与被测物体连接，通过释放机构实现可回收式水下结构姿态测量传感仪的自动回收以及仪器的重复利用，并有效降低使用成本；数据采集与传输系统包括有姿态传感器，通过姿态传感器可以测量到适配结构在岸上的初始姿态信息和布放到海里后的姿态信息，以得到水下被测物体布放到海里后的实际姿态参数，这种测量方式属于间接测量，可提高可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的适用性。

A recoverable sensor system for attitude measurement of underwater objects

【技术实现步骤摘要】
可回收式水下物体姿态测量传感仪系统
本申请涉及可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，特别是能够实现仪器自动脱离回收，属于海洋数据采集领域和海洋工程领域。
技术介绍
随着对海洋探索的深入以及涉海经济开发的增长，在水下工程布设的海底观测网/系统装备、构件数量也与日俱增。因为海底地形的复杂性以及对海底地形精确遥测的高成本，很多时候无法准确预知装备布设位置的地形及底质情况，装备沉放后会因为上述因素倾斜或沉降，具有失稳等风险。在东海浅海海域，受海水浑浊度高的影响，无法使用ROV水下机器人对布设情况进行确认，一般采用潜水员探摸的方式，成本很高且对海况依赖较大，很多海底观测坐底设备采用直接沉放方式，布设后并无法获知布设姿态情况。目前市面上的姿态传感器/姿态仪基本都为长期固定安装形式，且自身价格较高。且在海底观测网海底设备、坐底海床基设备及一些大型工程构件布设时，如果需要姿态仪用来记录布设姿态及沉放初期沉降带来的姿态变化，则每件设备上都要额外安装包含姿态仪、电池、数据实时上传用通信装置(水声通信机或缆系)的姿态测量系统。该套姿态测量系统造价在十万元以上，而且在海底长期放置后损耗很大难以多次重复利用，所以在东海海域大部分的海底观测网海底设备、坐底海床基设备布设后并无法实时获取水下工程布设期间的姿态数据。这就需要研发一套可以低成本多次重复利用的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统。而且，对于水下物体姿态测量大多采用在线或自容方式，供电单元与传感器单元没有形成一体化，需要多个的腔体相互配合，且没有回收装置，不能够自动回收。因此，现在急需开发一种能够实现可回收式的水下物体姿态测量传感仪系统，并且能够实现供电单元与传感器单元的一体化。
技术实现思路
本申请的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统。为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，包括水下密封耐压腔体、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元与水下供电系统；水下耐压密封腔的上下两端分别安装有上端盖和下端盖；浮体单元为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔外，并与所述上盖板连接；自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板以及适配结构；释放机构包括步进电机、步进电机控制器和圆盘；步进电机与步进电机控制器连接，两者均封装在水下密封耐压腔体内部，且步进电机的转轴穿过水下耐压密封腔的下端盖与位于水下密封耐压腔体下方的圆盘连接；圆盘上设有贯通的锁槽与开槽，锁槽与开槽上下连通，并互成90°；适配结构包括固定圆杆插销、被测物体固定板；固定圆杆插销为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽中，并在跟随圆盘转动时锁入或脱离圆盘的锁槽，且固定圆杆插销与开槽、锁槽之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆，用以限制固定圆杆插销在开槽或锁槽中前后滑动的范围；且厚三角板位于水下耐压密封腔的下方，并与水下耐压密封腔的下端盖连接，同时厚三角板的中心开设有一个中心孔，用于穿设圆盘；三角支撑架安装在厚三角板下方，其包括三个丝杆调节撑脚，三个丝杆调节撑脚相互间隔120°垂直放置于被测结构固定板上，形成三脚架式的支撑结构；被测物体固定板安装在水下被测物体的上部；丝杆调节撑脚包括不锈钢丝杆和工程塑料地脚；不锈钢丝杆的下端固定安装在工程塑料地脚上，其上端与厚三角板转动连接，通过旋转不锈钢丝杆可以调节厚三角板与被测物体固定板之间的相对高度，还可以调节固定圆杆插销与圆盘开槽、锁槽之间的间隙；数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器、控制电路板、声通信单元、甲板单元、防水信标灯以及压力传感器；声通信单元、防水信标灯、压力传感器均安装在耐压密封腔的上端盖；姿态传感器封装于水下耐压密封腔内，控制电路板也封装在水下耐压密封腔内部；姿态传感器的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器测量适配机构的姿态参数；控制电路板与姿态传感器连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元；适配结构可以通过焊接或者紧固件固定等方式固定在水下被测物体上，在将水下被测物体布设前，先将其放置在水平地面上，设此时水下被测物体的姿态信息为p(0)(heading，pitch，roll)，均为零；姿态传感器测量适配结构的初始姿态参数，设为Δp(heading，pitch，roll)；当水下被测物体实际布设到海里后，姿态传感器测量到适配结构新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)，再将此新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)修正掉适配结构初始姿态参数后就会得到水下被测物体的实际姿态参数ptrue(heading，pitch，roll)，即ptrue(heading，pitch，roll)＝pseabed(heading，pitch，roll)-Δp(heading，pitch，roll)。控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，型号为NXP的LPC2138,并集成了片上外围器件，所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，其中：系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU等元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；所述继电器选用固态继电器DMO063型号，接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；所述采样电路将经过电阻分压采集到的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，其特征在于：包括水下密封耐压腔体(7)、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元(6)与水下供电系统；/n水下耐压密封腔(7)的上下两端分别安装有上端盖(5)和下端盖(8)；浮体单元(6)为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔(7)外，并与所述上端盖(5)连接；/n自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板(9)以及适配结构；/n释放机构包括步进电机(18)、步进电机控制器(19)和圆盘(15)；步进电机(18)与步进电机控制器(19)连接，两者均封装在水下密封耐压腔体(7)内部，且步进电机(18)的转轴穿过水下耐压密封腔(7)的下端盖(8)与位于水下密封耐压腔体(7)下方的圆盘(15)连接；圆盘(15)上设有贯通的锁槽(152)与开槽(151)，锁槽(152)与开槽(151)上下连通，并互成90°；/n适配结构包括固定圆杆插销(16)、被测物体固定板(12)；固定圆杆插销(16)为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板(12)上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽(151)中，并在跟随圆盘(15)转动时锁入或脱离圆盘(15)的锁槽(152)，且固定圆杆插销(16)与开槽(151)、锁槽(152)之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销(16)的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆(161)，用以限制固定圆杆插销(16)在开槽(151)或锁槽(152)中前后滑动的范围；厚三角板(9)位于水下耐压密封腔(7)的下方，并与水下耐压密封腔(7)的下端盖(8)连接，同时厚三角板(9)的中心开设有一个中心孔(93)，用于穿设圆盘(15)；三角支撑架安装在厚三角板(9)下方，其包括三个丝杆调节撑脚(11)，三个丝杆调节撑脚(11)相互间隔120°布设，其上端均可旋转地安装在厚三角板(9)的下方，其下端均安装于被测结构固定板(12)上；被测物体固定板(12)安装在水下被测物体的上部；/n丝杆调节撑脚(11)包括不锈钢丝杆(111)和工程塑料地脚(112)；不锈钢丝杆(111)的下端固定安装在工程塑料地脚(112)上，其上端与厚三角板(9)转动连接；/n数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器(21)、控制电路板(22)、声通信单元(4)、甲板单元(23)、防水信标灯(1)以及压力传感器(2)；声通信单元(4)、防水信标灯(1)、压力传感器(2)均安装在耐压密封腔(7)的上端盖(5)；姿态传感器(21)封装于水下耐压密封腔(7)内，控制电路板(22)也封装在水下耐压密封腔(7)内部；/n姿态传感器(21)的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器(21)测量适配机构的姿态参数；控制电路板(22)与姿态传感器(21)连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器(21)发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元(4)；/n控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，并集成了片上外围器件，/n所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，/n所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，/n其中：/n系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；/n所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；/n所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；/n所述继电器接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；/n所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；/n所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；/n所述采样电路将经过电阻分压采集到的锂电池电压信号以及压力传感器发送过来...

【技术特征摘要】
1.一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，其特征在于：包括水下密封耐压腔体(7)、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元(6)与水下供电系统；
水下耐压密封腔(7)的上下两端分别安装有上端盖(5)和下端盖(8)；浮体单元(6)为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔(7)外，并与所述上端盖(5)连接；
自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板(9)以及适配结构；
释放机构包括步进电机(18)、步进电机控制器(19)和圆盘(15)；步进电机(18)与步进电机控制器(19)连接，两者均封装在水下密封耐压腔体(7)内部，且步进电机(18)的转轴穿过水下耐压密封腔(7)的下端盖(8)与位于水下密封耐压腔体(7)下方的圆盘(15)连接；圆盘(15)上设有贯通的锁槽(152)与开槽(151)，锁槽(152)与开槽(151)上下连通，并互成90°；
适配结构包括固定圆杆插销(16)、被测物体固定板(12)；固定圆杆插销(16)为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板(12)上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽(151)中，并在跟随圆盘(15)转动时锁入或脱离圆盘(15)的锁槽(152)，且固定圆杆插销(16)与开槽(151)、锁槽(152)之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销(16)的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆(161)，用以限制固定圆杆插销(16)在开槽(151)或锁槽(152)中前后滑动的范围；厚三角板(9)位于水下耐压密封腔(7)的下方，并与水下耐压密封腔(7)的下端盖(8)连接，同时厚三角板(9)的中心开设有一个中心孔(93)，用于穿设圆盘(15)；三角支撑架安装在厚三角板(9)下方，其包括三个丝杆调节撑脚(11)，三个丝杆调节撑脚(11)相互间隔120°布设，其上端均可旋转地安装在厚三角板(9)的下方，其下端均安装于被测结构固定板(12)上；被测物体固定板(12)安装在水下被测物体的上部；
丝杆调节撑脚(11)包括不锈钢丝杆(111)和工程塑料地脚(112)；不锈钢丝杆(111)的下端固定安装在工程塑料地脚(112)上，其上端与厚三角板(9)转动连接；
数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器(21)、控制电路板(22)、声通信单元(4)、甲板单元(23)、防水信标灯(1)以及压力传感器(2)；声通信单元(4)、防水信标灯(1)、压力传感器(2)均安装在耐压密封腔(7)的上端盖(5)；姿态传感器(21)封装于水下耐压密封腔(7)内，控制电路板(22)也封装在水下耐压密封腔(7)内部；
姿态传感器(21)的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器(21)测量适配机构的姿态参数；控制电路板(22)与姿态传感器(21)连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器(21)发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元(4)；
控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，并集成了片上外围器件，
所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，
所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，
其中：
系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐昌伟，徐小芳，覃如府，冯斌，徐洲南，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31