CN101982750B - 卷簧式取样器振动频率控制方法及其装置 - Google Patents

卷簧式取样器振动频率控制方法及其装置 Download PDF

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Abstract

一种卷簧式取样器振动频率控制方法及其装置。包括微处理器、用于采集取样头的加速度信号的振动传感器和信号发生模块，振动传感器的输出信号经放大和AD转换后形成微处理器的输入信号，进入微处理器的数据输入端，所述微处理器用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器输出端与信号发生模块的输入端连接，所述信号发生模块用于根据微处理器的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块放大后作为振动电机的驱动信号。本发明能够减小取样头钻进时的摩擦阻力，提高钻进效率，减小取样器钻进时的功率需求。

Description

卷簧式取样器振动频率控制方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种取样器的控制方法及其装置，尤其是取样头振动频率控制的方法和装置，属于与取样器相关的信号采集与处理、计算机、电机控制等技术领域。
背景技术
在自动控制和机器人技术飞跃发展的背景下，人类越来越多地依靠机器人等自动化设备在人迹难至以及危险的地方采集物质进行分析，如依靠自动取样器采集月球、火星等太空领域以及南北极、核污染或化学污染区域的矿石、土壤、冰雪等物质。在上述地方工作的机器人等自动化设备的电源一般依靠太阳能、风能等提供，而这些绿色能源功率有限，这就对自动取样器的功率提出了要求，同时也对取样器的取样效率提出了要求。
目前国内外的取样杆主要有关节式多杆连接、齿轮齿条式多杆连接、螺筒螺杆式多杆连接等结构，它们主要是通过关节、齿轮齿条或螺纹螺杆的方式将多节子杆连接在一起，不工作时各子杆收缩在一起，工作时各子杆展开一字相连，从而实现工作行程的伸缩。其控制是通过同时控制多个电机来驱动多个关节的同时运动，带动取样头插入月壤中进行取样。这种控制对电源的功率要求较高，且取样效率较低。与上述取样器相比，卷簧式取样器体积小、重量轻、功耗低，但其最大推力较小，因此亟需研究一种能够提高卷簧式取样器钻取效率的方法。
发明内容
为克服现有技术的缺陷，本发明提出了一种用于卷簧式取样器的振动频率控制方法及其装置，能够提高取样器的钻进效率，并可降低取样器对电源功率的需求。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的一种卷簧式取样器振动频率控制方法：
步骤1  设置在取样器的取样头上的振动电机的初始频率f0为1Hz，振动电机的最大振动频率fm＝100Hz，设定数值i＝0、f＝f0，频率增量Δf＝1Hz；
步骤2  启动振动电机以频率f工作，同时，将频率f写入频率数组F，使得F[i]＝f，用振动传感器对取样头进行检测并获取取样头的振动幅值a，再将所述振动幅值a写入振幅数组A中，使得A[i]＝a；
步骤3  如果当前振动频率f＜fm，则令i＝i+1，f＝f+Δf，返回步骤2；否则，进入步骤4；
步骤4  扫描振幅数组A，从中选择出最大振动幅值，记为：amax，并从频率数组F中找出与最大振动幅值amax对应的振动频率，记为fmax；
步骤5  振动电机以振动频率fmax工作。
本发明所述的一种实现上述卷簧式取样器振动频率控制方法的装置：包括微处理器、用于采集取样头的加速度信号的振动传感器和信号发生模块，振动传感器的输出信号经放大和AD转换后形成微处理器的输入信号，进入微处理器的数据输入端，所述微处理器用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器输出端与信号发生模块的输入端连接，所述信号发生模块用于根据微处理器的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块放大后作为振动电机的驱动信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
根据振动理论，取样头与月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物接触时有共振频率，在共振频率时取样头振幅最大，与取样器接触的月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物振幅也最大，内摩擦角值减小，降低了月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物的粘结力，改善了其流动性，因此，此时的月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物最利于取样器的钻进。如果能通过传感器实时采集取样头的振幅信号，通过调整取样头振动电机的振动频率使得取样头达到共振状态，则取样头钻进时其振幅最大、钻进效率最高且消耗能量最小。根据文献及土壤、模拟月壤等的振动试验可见取样器在钻取时的共振频率范围为几赫兹到几十赫兹，且在共振频率附近当频率偏移1Hz时振幅有明显变化，综合考虑频率扫描的速度、细度和频率覆盖范围，设定频率扫描范围为1～100Hz，频率步距为1Hz。在现有的振动器件中，压电换能器因为其频率较高且振动幅度较小不适宜在低频工作，因此选用振动频率较低、且振动幅度较大的振动电机作为振动器，并通过功率放大模块进行调制驱动，此外采用测量范围宽、精度高的加速度传感器作为振动传感器用于检测取样头的振动加速度信号，微处理器通过AD转换电路对振动加速度信号进行读取并经过两次积分后得到取样器的振动幅度信号，本发明通过扫频的方法检测取样头振幅最大时候的振动频率，并驱动振动电机工作在此频率，能够减小取样头钻进时的摩擦阻力，提高取样头的钻进效率，降低钻进功耗。
附图说明
图1为本发明方法的工作流程图；
图2为本发明的原理框图；
图3为本发明中微处理器模块电路图；
图4为本发明中振动信号调理电路模块及AD转换电路模块电路图；
图5为本发明中信号发生模块及功率放大模块电路图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
根据文献及土壤、模拟月壤等的振动试验可知取样器在钻取时的共振频率范围为几赫兹到几十赫兹，且在共振频率附近当频率偏移1Hz时振幅有明显变化，综合考虑频率扫描的速度、细度和频率覆盖范围，设定频率扫描范围为1～100Hz，频率步距为1Hz。
如图1所示，一种卷簧式取样器振动频率控制方法：
步骤1.微处理器进行初始化，定义变量f0，fmax，i，Δf，f，a，g和数组A[]，F[]，并分别赋值为f0＝1Hz，fmax＝100Hz，i＝1，Δf＝1Hz；
步骤2.对f进行赋值，即f＝f0，控制振动电机以频率f工作，同时，将频率f写入频率数组F，使得F[i]＝f；
步骤3.用振动传感器对取样头进行检测并获取取样头的加速度信号g，对加速度信号g进行两次积分，得到振动幅值a，再将所述振动幅值a写入振幅数组A中，使得A[i]＝a
步骤4.如果当前振动频率f＜fmax，则令i＝i+1，f＝f+Δf，返回步骤2；否则，进入步骤5；
步骤5.扫描振幅数组A，从中选择出最大振动幅值A[j]，记为：amax，并从频率数组F中找出与最大振动幅值amax所对应的振动频率F[j]，记为fmax；
步骤6.驱动振动电机以振动频率fmax工作。
实施例2
在现有的振动器件中，压电换能器因为其频率较高且振动幅度较小不适宜在低频工作，因此选用振动频率较低、且振动幅度较大的振动电机作为振动器，并通过功率放大模块进行调制驱动，此外采用测量范围宽、精度高的加速度传感器作为振动传感器用于检测取样头的振动加速度信号。
如图2所示，一种卷簧式取样器振动频率的控制装置，包括微处理器1、用于采集取样头的加速度信号的振动传感器2和信号发生模块3，振动传感器2的输出信号经放大和AD转换后形成微处理器1的输入信号，进入微处理器1的数据输入端，所述微处理器1用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器1输出端与信号发生模块3的输入端连接，所述信号发生模块3用于根据微处理器1的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块4放大后作为振动电机的驱动信号。
如图3、图4及图5所示，控制系统的电路部分主要包括微处理器(型号为AT89C51)、振动传感器的调理电路模块和AD转换电路模块、信号发生电路模块和功率放大电路模块，其中，CNT2外接振动传感器(传感器型号为ADXL202)，振动信号经过运放U3(型号为OP7)放大、运放U4(型号为LF353)低通滤波后，再经过运放U5(型号为OP7)进行电平移动，最终将振动信号调整为0～5V的信号并输入到AD芯片(型号为TLC2543)的第一路AD输入口，AD芯片通过数字接口(15～18脚)与微处理器的24～27脚相连。信号发生模块采用DDS芯片AD9850，其外部数字接口(7脚、8脚、22脚)与微处理器的21～23脚相连，其输出信号经过功率放大器LM1875输出到插头CNT3，CNT3外接振动电机。

Claims (2)

1.一种卷簧式取样器振动频率控制方法，其特征为：
步骤1设置在取样器的取样头上的振动电机的初始频率f0为1Hz，振动电机的最大振动频率fm＝100Hz，设定数值i＝0、f＝f0，频率增量Δf＝1Hz；
步骤2启动振动电机以频率f工作，同时，将频率f写入频率数组F，使得F[i]＝f，用振动传感器对取样头进行检测并获取取样头的振动幅值a，再将所述振动幅值a写入振幅数组A中，使得A[i]＝a；
步骤3如果当前振动频率f＜fm，则令i＝i+1，f＝f+Δf，返回步骤2；否则，进入步骤4；
步骤4扫描振幅数组A，从中选择出最大振动幅值，记为：amax，并从频率数组F中找出与最大振动幅值amax对应的振动频率，记为fmax；
步骤5振动电机以振动频率fmax工作。
2.一种实现权利要求1所述的卷簧式取样器振动频率控制方法的装置，其特征在于：包括微处理器(1)、用于采集取样头的加速度信号的振动传感器(2)和信号发生模块(3)，振动传感器(2)的输出信号经放大和AD转换后形成微处理器(1)的输入信号，进入微处理器(1)的数据输入端，所述微处理器(1)用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器(1)输出端与信号发生模块(3)的输入端连接，所述信号发生模块(3)用于根据微处理器(1)的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块(4)放大后作为振动电机的驱动信号。
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