CN101526372B - 一种水下机器人系缆长度及运动方向检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水下机器人系缆长度及运动方向检测装置及方法，该装置安装于水下机器人的中继器中，具有从动轮，从动于系缆收/放机构中的大从动轮；两块永磁铁分别嵌设于从动轮的同心圆周上；两个磁力开关，与水下机器人的水下计算机相连，通过支架以非接触式分别设于从动轮同心圆周上方，两磁力开关通过永磁铁时产生脉冲的上升沿具有相位差，且两脉冲具有同时为高电平的时间段。该方法包括：水下计算机根据采集两脉冲的状态进行分析判断，得出从正转到反转和从反转到正转的不同的变化状态；判定系缆的实际运动方向，得出系缆长度脉冲的累加结果，进而得出系缆的长度。本发明结构简单、继承性好，定向可靠，计算准确，可适合于全海深检测。

Description

一种水下机器人系缆长度及运动方向检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人，具体地说是一种利用磁力开关、永磁铁和计算机实现水下机器人系缆长度及运动方向检测装置及方法。

背景技术

遥控水下机器人的水下部分一般由中继器和潜水器构成，中继器用于将潜水器施放到水下某个作业深度，施放作业时控制中继器上的绞车旋转，将绞车上的系缆放出，潜水器才能以放出系缆长度为半径的区域内作业。由于中继器和潜水器上所有设备都处于水下，因此对于中继器绞车上的系缆放出的长度和方向的检测就成为一个需要解决的问题。常规的陆上用于检测长度和方向的传感器如光电编码器等都不能使用，因为这些传感器都没有水密结构，而且也难于进行水密结构改进。传统的方法是用系缆带动一个从动轮，在从动轮的圆周上布置一个圆柱形永磁铁，再在永磁铁轴线上固定一个磁力开关，磁力开关和永磁铁留有一定的距离，一般在10mm范围内，磁力开关静止，系缆带动从动轮旋转，永磁铁将对磁力开关的触点周期性的吸合。利用这一原理来采集系缆的长度脉冲，从而计算出系缆放出的长度，但这一方法，存在一定的缺陷，就是检测不出来系缆的运动方向，系缆的长度的计数脉冲的加、减，只能靠收、放缆的命令来配合，即收缆减计数，放缆时加计数，这种长度计算方式适合于系缆严格按照收、放命令来进行运动时有效，但是实际情况会有这种情况发生，也就是在收缆的过程中，为了保护系缆，当系缆的张力大于某个设定值时，即使执行收缆操作，而实际系缆的运动方向是放出方向，这就导致原有的计数方法失灵，水面显示的系缆放出长度失真，给操作人员造成误判断，这是非常危险的。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是提供一种简单实用的水下机器人系缆长度及运动方向检测装置及方法，通过水下计算机进行逻辑判断，给出准确的系缆运动方向，根据实际的运动方向来计算系缆的放出长度。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明水下机器人系缆长度及运动方向检测装置安装于水下机器人的中继器中，具有：从动轮，从动于系缆收/放机构中的大从动轮，通过绕设于大从动轮上的系缆的摩擦力转动；两块永磁铁，分别嵌设于从动轮的同心圆周上；两个磁力开关，与水下机器人的水下计算机相连，通过支架以非接触式分别设于从动轮同心圆周上方，两磁力开关通过永磁铁时产生脉冲的上升沿具有相位差，且两脉冲具有同时为高电平的时间段。

所述磁力开关为通过水密结构封装的干簧管；所述磁力开关的端头具有螺纹段，通过螺母固定于支架的上、下两面。

本发明水下机器人系缆长度及运动方向检测方法包括以下步骤：

水下机器人的水下计算机根据采集到的两磁力开关产生的脉冲信号得到两脉冲的状态；

对两脉冲的状态进行分析判断，得出两脉冲状态从正转到反转和从反转到正转的两个不同的变化状态；

根据上述变化状态判定系缆的实际运动方向；

根据上述系缆的实际运动方向，得出系缆长度脉冲的累加结果，进而得出系缆的长度；

通过水面计算机读取系缆的实际运动方向及长度数据并显示。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.结构简单、继承性好。本发明装置设有两对永磁体和磁力开关，无须其它辅助装置，利用永磁铁对磁力开关吸合作用，使两磁力开关的触点闭合与断开产生脉冲，通过运行检测方法软件处理程序进行逻辑判断及相关处理，便可方便地实现水下机器人系缆长度及运动方向的检测。

2.定向可靠，计算准确。本发明利用两对永磁铁及两磁力开关在空间上的位置关系，采用水下计算机对脉冲信号进行采集，而获得了两采集脉冲信号的相位差，为确定系缆的方向提供了可靠依据；同时对脉冲信号进行分析处理，根据系缆的运动方向计算出系缆的长度脉冲和，并算出系缆的放出长度。

3.安装简单，使用寿命长。本发明装置采用的永磁铁和磁力开关为非接触方式，没有摩损，使用寿命非常长，而且永磁铁和磁力开关之间有一定的调整距离，无须高精度的安装要求，安装简单，方便实用。

4.应用范围广。本发明不但可以应用于水下机器人，还可以应用于其它水下相关设备长度的测量，可适合于全海深检测。

附图说明

图1为水下机器人组成示意图；

图2为本发明检测装置中磁力开关的工作原理图；

图3A为水下机器人系缆长度检测装置布置主视图；

图3B为图3A的俯视图；

图3C为水下机器人系缆长度检测装置永磁铁与磁力开关位置示意图；

图4A为从动轮正转时脉冲时序图；

图4B为从动轮反转时脉冲时序图；

图5为本发明检测方法处理程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，水下机器人主要包括3个部分：水面单元、中继器和潜水器，水面单元设于水面以上，通过铠缆与中继器相连，潜水器通过系缆与中继器相连。铠缆和系缆内部均有动力线、双绞线和光纤等类型。动力线用来从水面向中继器和潜水器传送动力，双绞线用来传送数据或信号，光纤用来传输视频和数据。铠缆外面为铠装层，铠缆主要起两个作用，一个是传输动力和信号，另一个作用是作为承重缆，用来起吊中继器和潜水器，水下机器人工作时是先通过施放铠缆，将中继器和潜水器一同施放到海下某一作业水深，潜水器脱离中继器，同时再通过施放中继器中的系缆，操作潜水器使它游离中继器进行观察和作业。系缆一般在海水中为零浮力缆，这样潜水器工作时，系缆不会对潜水器造成较大的干扰。

如图3A～3B所示，本发明水下机器人系缆长度及运动方向检测装置安装于中继器的系缆收/放机构中，由永磁铁、磁力开关、从动轮及水下计算机组成，其中从动轮5从动于系缆收/放机构中的大从动轮7，通过绕设于大从动轮7上的系缆6的摩擦力转动；永磁铁2为两块，分别嵌设于从动轮5的同心圆周上；磁力开关1为两个，与水下计算机相连，通过支架3以非接触式分别设于两块永磁铁2的磁力作用范围内，通过支架3以非接触式分别设于从动轮5同心圆周上方，两磁力开关通过永磁铁2时产生脉冲的上升沿具有相位差，即当上述两对永磁铁及磁力开关中的一对磁力开关的轴线和与之对应的永磁铁的轴线在同一直线上时，另一对磁力开关和永磁铁的轴线不在同一直线上，而是沿从动轮5的转动方向相差一定距离。

如图3C所示，布置在同心圆周上的两块永磁铁2靠近从动轮5的外圆，第1磁力开关的轴线与之对应的永磁铁轴线在同一直线上，第2磁力开关的轴线和与其对应的另一个永磁铁的轴线不在同一直线上，错开一定的位置。本实施例以从动轮5的轴心4为圆心，并经过两永磁铁的圆心形成一个圆，该圆的圆周线与第2磁力开关对应的永磁铁的外圆形成交点，第2磁力开关的轴线就在该交点上，并容许有±2mm的偏差，这样布置，当从动轮5旋转时，将在第1磁力开关和第2磁力开关上产生脉冲序列，两脉冲序列的上升沿具有相位差，且两脉冲具有同时为高电平的时间段。

如图3A所示，磁力开关1的端头有一段螺纹，通过螺母固定于支架3的上、下两面，同时也可以通过这两个螺母调整磁力开关与其对应的永磁铁的距离，使其可靠工作。

如图2所示，为磁力开关1的工作原理图，磁力开关1实际上是将干簧管经过硫化等工艺制成水密结构的磁敏感器件，磁力开关可直接暴露在海水中而且直接承受海水的压力。磁力开关1与永磁铁2为非接触方式，永磁铁与磁力开关的轴线作用距离通常在0～10mm，也就是说，在此范围内磁力开关上的触点能可靠动作，该信号由DI模块进行采集输入到水下计算机。

本发明水下机器人系缆长度及运动方向检测方法，是通过水下机器人的水下计算机根据采集到的两磁力开关产生的脉冲信号得到两脉冲的状态时刻表，进一步简化状态时刻表对两脉冲的状态时刻表进行分析判断，得出两脉冲状态从正转到反转和从反转到正转的两个不同的变化状态；根据上述变化状态判定系缆的实际运动方向；根据上述系缆的实际运动方向，得出系缆长度脉冲的累加结果，进而得出系缆的长度。如图5所示，为系缆长度和运动方向检测方法软件处理流程图，该程序的流程主要是判断第1磁力开关产生的脉冲和第2磁力开关产生的脉冲的状态。并设置两脉冲的状态标志为S，脉冲状态标志S的值分别为0，1和2，分别对应第1、2磁力开关所产生的脉冲状态分别为00，01和10。具体包括以下步骤：

水下机器人的水下计算机根据采集到的两磁力开关产生的脉冲信号得到两脉冲的状态；

判断第1磁力开关和第2磁力开关产生的脉冲状态是否同时为0，若是则置脉冲状态标志为0；

接续上述步骤，或者上述步骤中判断结果为否则，判断第1磁力开关产生的脉冲状态为1同时第2磁力开关产生的脉冲状态为0吗？，若是则继续判断脉冲状态标志为2吗？若是，则表示第1磁力开关经历过0，而第2磁力开关经历过1，判定从动轮正转，系缆脉冲和减1，并置脉冲状态为1；

接续上述步骤，或者上述步骤中两个判断结果均为否时，判断第1个磁力开关的脉冲状态为0同时第2个磁力开关产生的脉冲状态是1吗？若是，则继续判断脉冲状态标志是1吗？若是，则表示第1磁力开关经历过1，而第2磁力开关经历过0，判定从动轮反转，系缆脉冲和加1，并置脉冲状态为2；

接续上述步骤，或者上述步骤中两个判断结果均为否时，根据系缆脉冲计数和及相关系数计算出系缆的长度。

本发明检测装置采用的检测方法中，对两磁力开关产生的脉冲信号的状态以状态时刻表的形式出现，其生成、分析及简化过程如图4A及4B所示，分别为从动轮5正转及反转时第1磁力开关和第2磁力开产生的脉冲时序图。第1磁力开关产生的脉冲用P1表示，第2磁力开关产生的脉冲用P2表示，从图4A及4B可以看出，当从动轮5正转时，第1磁力开关产生的脉冲P1的相位始终超前第2磁力开关产生的脉冲P2的相位，当从动轮5反转时，P2脉冲相位始终超前P1脉冲的相位，根据从动轮不同转动方向时所产生的两个脉冲的相位关系，无论事先是否知道从动轮5的转动方向，都能对从动轮5的实际转动方向加以判断，也就能知道系缆的运动方向，依据这个方向，再对脉冲的个数进行加、减累计，累计脉冲的结果再乘被动轮的内轮圆周长得出的数值就是系缆放出的真实长度。在图4A和4B中，选取P1、P2脉冲的一个完整的脉冲周期进行分析，为了便于计算机分析和处理，在P1、P2脉冲上取5个有代表意义的采样时刻，分别命名为a、b、c、d和e，高电平定义为1，低电平定义为0，并给出了一个状态时刻表。

a、b、c、d、e五个时刻第1磁力开关和第2磁力开关的状态时刻表如下：

时刻	正向旋转		反向旋转
					第1磁力开关P1	第2磁力开P2	第1磁力开关P1	第2磁力开关P2
	a	0	0	0					0
b					1	0	0	1
	c	1	1	1					1
d					0	1	1	0
	e	0	0	0					0

从上面的时序图可以看出：正向旋转时P1和P2的状态时序为00-＞10-＞11-＞01-＞00；反向旋转时P1和P2状态时序为00-＞01-＞11-＞10-＞00。比较正反转两个时序的差异，可以得出关键时序为：10-＞01为正转，01-＞10为反转。

水下计算机通过采集到计算机的脉冲序列进行程序处理和实现脉冲的计数和累加，得出系缆长度的累加结果，该结果通过水面计算机进行读取，在水面进行显示，为操作人员提供有益的参考。

Claims (5)

1.一种水下机器人系缆长度及运动方向检测装置，安装于水下机器人的中继器中，其特征在于具有：

从动轮(5)，从动于系缆收/放机构中的大从动轮(7)，通过绕设于大从动轮(7)上的系缆(6)的摩擦力转动；

两块永磁铁(2)，分别嵌设于从动轮(5)的同心圆周上；

两个磁力开关(1)，与水下机器人的水下计算机相连，通过支架(3)以非接触式分别设于从动轮(5)同心圆周上方，两磁力开关通过永磁铁(2)时产生脉冲的上升沿具有相位差，且两脉冲具有同时为高电平的时间段。

2.按权利要求1所述的水下机器人系缆长度及运动方向检测装置，其特征在于：所述磁力开关(1)为通过水密结构封装的干簧管。

3.按权利要求1所述的水下机器人系缆长度及运动方向检测装置，其特征在于：所述磁力开关(1)的端头具有螺纹段，通过螺母固定于支架(3)的上、下两面。

4.一种水下机器人系缆长度及运动方向检测方法，其特征在于包括以下步骤：

水下机器人的水下计算机根据采集到的两磁力开关产生的脉冲信号得到两脉冲的状态；

对两脉冲的状态进行分析判断，得出两脉冲状态从正转到反转和从反转到正转的两个不同的变化状态；

根据上述变化状态判定系缆的实际运动方向；

根据上述系缆的实际运动方向，得出系缆长度脉冲的累加结果，进而得出系缆的长度。

5.按权利要求4所述水下机器人系缆长度及运动方向检测方法，其特征在于还包括以下步骤：

通过水面计算机读取系缆的实际运动方向及长度数据并显示。

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