CN101881950B - 潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置。光栅尺分别安装在全方位推进器的三个液压缸上；微处理器发出指令信号确定光栅尺信号数据通道，数据转换单元，通过外部接口电路实时接收各液压缸对应光栅尺的输出信号，其中被确定的数据信号经电平转换转入信号处理单元；经信号处理单元的微处理器识别和处理后送入信号处理单元，信号处理单元将光栅尺位移及通道信息转换成RS232数字信号经通信接口单元接入上位机；上位机实时显示同时保存数据。本发明具有采集精度高、工作电压及功耗低、可靠性高及结构简单等特点。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种水下潜器推进器控制装置，具体地说是一种潜器推进器操纵控制姿态监测装置。
背景技术
在海洋开发和海洋工程中，由于潜器要执行各种复杂的使命，因而它应具备良好的操纵性能，同时随着海洋开发的深入发展，潜器的潜水深度不断增加，潜器的组成机构趋于大型化，总重量增加，总体规模变大，在使用方面受到的制约也变多。
潜器全方位推进器，又名变矢量螺旋桨，是一种在桨叶旋转一周的过程中，叶片螺距角作周期性变化的特种推进器，这样不仅可以在与桨轴平行的轴向产生推力，也能在与桨轴垂直的横向和垂向产生推力。全方位推进器主要是通过对旋转斜盘的控制来实现，改变螺距使螺旋浆产生各个方位的推力，推动水下潜器产生六个方位的运动从而达到全方位推进的目的。旋转斜盘三自由度运动采用电液伺服系统驱动方式，液压缸既是支撑机构，又是驱动机构。其运动规律和位姿是通过控制三个液压缸的伸缩运动和位移来实现的，每个驱动支路都是单输入的电液伺服系统。
目前在潜器全方位推进器运动姿态操纵控制中，一般是根据液压油缸的位移和螺距角对应变化，利用计算机建立数学模型进行数值解算，没有对全方位推进器的运动中间环节旋转斜盘姿态进行数据分析，不利于控制器的调试。利用一套监测装置对全方位推进器的油缸运动进行实时的数据显示及保存，可以很直观地显示旋转斜盘在液压推进系统的作用下的位移、速度、姿态等信息；尤其是在潜器全方位推进器陆上试验的环境下，对潜器姿态控制进行研究时，利用上位机实时地将三个液压油缸的位移信息转化为直观的潜器旋转斜盘运动姿态，不仅有利于液压推进系统故障诊断，还可以为全方位推进器控制器设计提供数据支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能将旋转斜盘的运动规律和位姿数据进行实时显示、处理及保存的潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置。
本发明的目的是这样实现的：包括光栅尺、数据转换单元、信号处理单元、通信接口单元和上位机；光栅尺分别安装在全方位推进器的三个液压缸上，液压缸的伸缩带动光栅尺滑动块变化，光栅尺产生相对的位移数据信息，用来进行液压缸伸缩定位；信号处理单元的微处理器发出指令信号确定光栅尺信号数据通道，数据转换单元，通过外部接口电路实时接收各液压缸对应光栅尺的输出信号，其中被确定的数据信号，经RS485/232电平转换转入信号处理单元；经信号处理单元的微处理器识别和处理后送入信号处理单元，信号处理单元将光栅尺位移及通道信息转换成RS232数字信号经通信接口单元接入上位机；上位机将各液压缸位移量以曲线的形式实时显示出来，同时保存数据。
本发明还有这样一些特点：
1、所述光栅尺采用绝对式直线光栅尺，测量步距为0.1μm。
2、信号处理单元的微处理器为MSP430F149微处理器。
本发明的主要特点体现在：首先在全方位推进器的三个液压缸上分别安装光栅尺，液压缸的伸缩带动光栅尺滑动块的变化，光栅尺的产生相对的位移数据信息，用来进行液压缸伸缩定位；旋转斜盘姿态监测装置的数据转换单元，通过外部接口电路实时接收全方位推进器各液压缸对应光栅尺的输出信号。其次，根据光栅尺数据发送协议，输出信号经微处理器识别和处理后送入信号处理单元，信号处理单元将光栅尺位移及通道信息转换成RS232数字信号接入上位机。最后，上位机将各液压缸位移量以曲线的形式实时显示出来，同时保存数据；采用绝对式直线光栅尺，测量步距为0.1μm(分辨率达0.005μm)单场扫描定位精度高且移动速度快，完全满足控制精度要求；MSP430F149微处理器为16位超低功耗芯片，具有双串行接口及16位精简指令集，125ns高速指令周期可完全满足三路光栅尺采样时间要求；可描述液压油缸伸缩的动态过程，数据显示直观，存储功能便于潜器全方位推进器控制系统设计。
本发明中的全方位推进器旋转斜盘姿态监测装置具有采集精度高、工作电压及功耗低、可靠性高及结构简单等特点，操作者在进行潜器控制时，可以方便观察液压油缸的伸缩量及旋转斜盘运动姿态。全方位推进器旋转斜盘姿态监测装置的使用可以为全方位推进器姿态控制提供有力支持，对提高潜器操纵性及早期故障诊断具有一定意义。
附图说明
图1潜器全方位推进器斜盘姿态监测装置原理图；
图2潜器全方位推进器斜盘姿态监测装置流程图；
图3微处理器MSP430F149电路原理图；
图4光栅尺接口电路原理图；
图5通信接口单元电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，本发明包括微处理器U1、RS485/TTL转换电平转换U2、通信接口单元U3、数据通道选择单元U4、三路光栅尺数据信号U5、PC机U6，其中U1采用MSP430F149芯片用于处理预数据及控制时序，U2采用NM485SL芯片用于光栅尺数据的电平转换，U3采用MAX232芯片完成微处理器和PC机接口通讯，U4根据微处理器产生的使能信号选择通路，U5三路光栅尺信号，U6完成液压缸位移数据的实时显示及数据保存。
结合图2，本发明的工作流程为：系统启动时，首先从将液压系统初始化，然后开始运行程序，进行MSP430F149微处理器系统初始化，包括对微处理器时钟、串口、定时器进行初始化，上位机软件显示数据清零系统开始正常工作；当初始化工作完成后，微处理器发出指令信号确定光栅尺信号数据通道，其中被确定的数据信号经RS485/232电平转换转入微处理器，微处理器进行数据处理同时加入通道信息，再将处理后数据通过通讯接口电路发送至上位机；由上位机完成光栅尺位移信息实时显示，最后根据三个液压缸信息解算出旋转斜盘的姿态并将数据保存。
结合图3，数字微处理器U1的数字DVCC(1脚)和模拟AVCC(64脚)为电源端，模拟DVSS(63脚)和模拟AVSS(62脚)为接地端，D1及C18、C19、C28、C29为电源及滤波电容；XT2IN(52脚)、XT2OUT(53脚)为外部振荡器引脚，接晶振，同时并联C16、C17电容，XIN_L(8脚)、TXOUT_L/TCLK(9脚)外接晶振Y1。RST(58脚)接CPU的复位信号输入端；TDO/TDI(54脚)、TDI(55脚)、TMS(56脚)、TCK(57脚)及RST(58脚)为JTAG口与J1相连；P10-P12(12-14脚)为光栅尺选通信号与U4连接；P20(20脚)为U2RS485使能信号；UTXD0(32脚)和URXD0(33脚)与U3连接；P37(35脚)数据输入信号与U2连接。
结合图4，U4_1-U4_3与光栅尺的输出端相连，U4的VCC(5脚)接电源，U4数据信号(3脚和4脚)分别与U2输入端A(23脚)和B(24脚)的连接，U4的使能信号EN_1-EN_3由U1的P10-P12控制，U4的1脚接地；U2的VCC(3脚)连接电源，VREF(14脚)与参考电压相连，ISO(16脚)和GND(11脚)接地，RS485_EN使能信号(2脚)由U1的P20控制，DATA_IN(1脚)为输出信号端与U1的URXD1(35脚)连接。
结合图5，通信接口U3的VCC(16脚)接电源电压，与VDD(2脚)串联C1电解电容，VDD端接正极串联电容C5；C1+(1脚)和C1-(3脚)串联C2电解电容，C1+端接正极；C2+(4脚)和C2-(5脚)串联C22电解电容，C2+端接正极；GND(15脚)和VEE(6脚)串联C3电解电容，GND端接正极；T1IN(11脚)和R1OUT(12脚)分别接U1的TXD(32脚)和RXD(33脚)；T1OUT(14脚)、R1IN(13脚)、GND(15脚)连接9针串口的2、3、5针，完成与PC串口的连接。
Claims (3)
1.一种潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置，包括光栅尺、数据转换单元、信号处理单元、通信接口单元和上位机；其特征是：光栅尺分别安装在全方位推进器的三个液压缸上，液压缸的伸缩带动光栅尺滑动块变化，光栅尺产生相对的位移数据信息，用来进行液压缸伸缩定位；信号处理单元的微处理器为MSP430F149微处理器，信号处理单元的微处理器发出指令信号确定光栅尺信号数据通道，数据转换单元，通过外部接口电路实时接收各液压缸对应光栅尺的输出信号，其中被确定的数据信号，经RS485/232电平转换转入信号处理单元；经信号处理单元的微处理器识别和处理后，将光栅尺位移及通道信息转换成RS232数字信号，经通信接口单元接入上位机；上位机将各液压缸位移量以曲线的形式实时显示出来，同时保存数据。
2.根据权利要求1所述的潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置，其特征是：所述光栅尺采用绝对式直线光栅尺，测量步距为0.1μm。
3.根据权利要求1或2所述的潜器全方位推进器旋转盘运动姿态监测装置，其特征是：MSP430F149微处理器的数字DVCC即1脚和模拟AVCC即64脚为电源端，接电源(D1)及第十八滤波电容(C18)、第十九滤波电容(C19)、第二十八滤波电容(C28)、第二十九滤波电容(C29)；模拟DVSS即63脚和模拟AVSS即62脚为接地端；XT2IN即52脚、XT2OUT即53脚为外部振荡器引脚，接晶振，同时并联第十六电容(C16)、第十七电容(C17)；XIN_L即8脚、TXOUT_L/TCLK即9脚外接晶振(Y1)；RST即58脚接CPU的复位信号输入端；TDO/TDI即54脚、TDI即55脚、TMS即56脚、TCK即57脚及RST即58脚为JTAG口与J1相连；P10-P12即12-14脚为光栅尺选通信号与数据通道选择单元连接；P20即20脚为RS485使能信号；UTXD0即32脚和URXD0即33脚与通信接口单元连接；P37即35脚数据输入信号与RS485/TTL转换电平转换连接。
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