CN103425082B - 一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明的一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，涉及一种通过控制对气囊充放气体使机构在固定水深范围内浮动的气囊控制系统。本发明包括电压转换模块、信号处理模块、控制模块、外部驱动模块。深度传感器探测到的水深信号经过信号处理模块处理后传输给控制模块，控制模块根据水深信号及设定的控制规则生成控制电压信号，控制电压信号经过外部驱动模块处理，传输给执行机构中的充气装置或排气装置，充气装置或排气装置在控制电压信号的驱动下立即启动完成对气囊的充气或排气，从而实现水下定深悬浮装置在水中设定深度的悬浮。本发明可自由设定悬浮水深、结构简单、体积小、成本低廉，可重复利用。

Description

一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统

技术领域

本发明涉及一种定深悬浮控制系统，具体涉及一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，属于水中悬浮器材控制领域。

背景技术

由当今世界的发展趋势来看，海洋逐渐成为人类未来的家园。近年来，国内外对水下及海洋资源的开发进入白炽化阶段。在开发的过程中，时常需要将物资、设备等在水下固定深度保持悬浮，完成一定作业任务，保证开发的正常运行。现存的水中悬浮装置，简单装置有采用通过增加装置自身浮力维持浮力与重力平衡状态而悬浮，或者依靠外界缆线的连接保持一定深度，复杂装置有采用螺旋桨或仿生原理进行水中悬停。但是，上述几种方案存在着不同的缺陷和不良效果，通过增加自身浮力的装置对水深的可选择性较差，并且设备较为简陋，实用性较低，可回收性差；利用外界缆线的装置，尽管深度较前者相对灵活，但是因为缆绳而存在多种问题，设备整体性能较差；采用螺旋桨或仿生原理的悬浮装置深度灵活性高，可操控性好，但多为高智能、高精度设备，成本高昂设备复杂，市场推广度较低。目前存在的水下悬浮装置无法完全满足水下资源开发的需求。因此，开发设备结构简单、成本低廉、体积小巧的水下自动悬浮装置，已成为亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是通过数字信号处理器DSP实现对一种气囊式水下定深悬浮系统的气囊充放气控制，本发明公开的一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统可自由设定悬浮水深，且结构简单，体积小，可回收重复利用。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种气囊式水下定深悬浮系统，包括执行机构、深度传感器、控制系统和电源。

所述执行机构包括排气装置、气囊、气囊连接附件和充气装置。

所述排气装置用于将气囊内的气体向外界水域排出，使气囊体积减小，从而减小系统浮力。所述排气装置为一种电机驱动的气阀，由阀盖、阀体、阀芯弹簧、阀芯，胶垫、电机、减速齿轮组、齿轮、齿条、齿条弹簧组成。

阀盖连接于气囊的开口处，阀盖的下端带有凸缘；

阀芯置于阀盖内部，阀芯上部固定连接阀芯弹簧；胶垫粘接于阀芯的下端端面处；

阀体位于气囊内部，阀体的上半部分为带凸缘的管状结构，阀体的管状部分与阀盖对应螺纹连接，阀体的凸缘与阀盖的凸缘通过密封圈将气囊的开口边缘夹紧；

阀体的下半部分为平板结构，用于安装电机等部件；平板上开有滑槽，滑槽与阀芯的中心位置相对应；电机安装于阀体的平板上，电机的转轴与减速齿轮组连接，减速齿轮组的输出轴与齿轮连接，齿轮与齿条啮合，齿条安装于阀体的滑槽内，齿条的一端指向胶垫的中心，另一端与齿条弹簧连接；齿条弹簧固定连接于平板的底部。

减速齿轮组将电机输出的扭矩放大；再通过齿轮齿条的配合，将转动转换为直线运动推动阀芯的开启或闭合。

排气装置的初始状态为未排气状态，此时胶垫受阀芯弹簧弹力作用，封住阀体的排气口；排气时，电机持续正转，齿条推动胶垫与阀体的排气口分离开始排气；停止排气时，电机反转后停止，齿条退回，胶垫受阀芯弹簧弹力作用，封住阀体的排气口；当气囊内的气压过大时，气体将克服阀芯弹簧的弹力，推动胶垫开启进行排气泄压。齿条弹簧的作用是保证齿轮与齿条的可靠啮合。

所述气囊用于为系统提供浮力。

所述气囊连接附件用于气囊与悬浮系统壳体的连接。所述气囊连接附件包括压紧套和气囊接头，压紧套为一端带有凸缘的管状结构，压紧套位于气囊的内部；气囊接头为环状结构，气囊接头连接于气囊下方的开口处；压紧套的管状部分与气囊接头的内表面对应螺纹连接，压紧套的凸缘部分与气囊接头的上端面通过密封圈将气囊下方开口处的边缘夹紧。气囊接头的外表面与充气装置外部的壳体固定连接。

所述充气装置用于向气囊充气，使气囊体积增大，增加悬浮系统浮力。充气装置包括高压气瓶及其相应的开瓶机构，所述开瓶机构由击针管座、击针管、电点火头和击针组成；击针管座为环形结构，击针管座下端面开有若干圆形孔槽，孔槽底部开有小孔；击针管座位于气囊接头的下方，由气囊接头压紧固定；击针管为管状结构，击针管的下端侧壁上开有气孔；击针管内部的顶端安装有电点火头，电点火头下方与击针连接；高压气瓶固定于击针管的下端；击针管与击针管座的孔槽螺纹连接；电点火头的引线从击针管座的孔槽底部的小孔引出。

当电点火头起爆，生成的气体产物驱动击针运动，刺破高压气瓶的封口膜片，使高压气体迅速释放充满气囊。

充气装置、深度传感器与控制系统由上至下依次连接。电源位于控制系统两侧，用来为系统的正常工作提供稳定的电能。

所述深度传感器用于实时测量悬浮系统所在的水下深度，并将深度信号传送至控制系统。所述深度传感器可采用压力变送器。

所述控制系统的作用是接收并处理深度信号，然后根据预定的控制规则适时操纵执行机构动作。

所述控制系统包括电压转换模块、信号处理模块、控制模块和外部驱动模块四个部分。控制系统上的引线分别与电源、深度传感器、电点火头和电机的引线相接。

深度传感器探测到的水深信号经过信号处理模块处理后传输给控制模块，控制模块根据水深信号及设定的控制规则生成控制电压信号，控制电压信号经过外部驱动模块处理，传输给执行机构中的充气装置或排气装置，充气装置或排气装置在控制电压信号的驱动下立即启动完成对气囊的充气或排气，从而实现水下定深悬浮装置在水中设定深度的悬浮。

所述电压转换模块用于将电源提供的电压转换为电路所需的工作电压。

所述信号处理模块的功能为将0-5V的水深信号处理为数字信号处理器DSP的A/D模块所能转换的0-3.3V信号，同时对信号进行滤波降噪处理，保证输入信号的可靠性。所述信号处理模块将处理后的信号输出给控制模块。所述信号处理模块通过核心信号处理电路实现的，所述的核心信号处理电路包括信号采集器P1、电阻R1、电阻R2、集成运放U1A、电阻R3、电容C1；信号采集器P1接收深度传感器输出的水深处理信号，信号采集器端口G1接模拟地，端口G2接+12V电源，端口G3与电阻R1相连，电阻R1与集成运放U1A正极相连，电阻R1通过电阻R2接数字地，电阻R1与电阻R2的阻值比例关系为2:3，集成运放U1A的信号输出端通过电阻R3和电容C1接数字地，集成运放U1A的负极与集成运放U1A的输出端相连；电阻R3右端接输出信号，该输出信号输出给控制模块。

所述控制模块的功能为将输入水深信号进行处理计算，生成0-3.3V控制电压信号，并将控制电压信号输出给外部驱动模块。所述控制模块通过数字信号处理器DSPU2实现，包括接输入信号的管脚G174，接Vcc电源的管脚G31、管脚G69、管脚G64、管脚G81、管脚G114、管脚G145，接1.8V电源的管脚G23、管脚G37、管脚G56、管脚G75、管脚G100、管脚G112、管脚G128、管脚G143、管脚G154、管脚G162，接3.3V电源的管脚G1、管脚G13、管脚G14、管脚G166，管脚G159通过电阻R4与Vcc相连，管脚G140通过电阻R5与Vcc相连，管脚G76通过电容C2与模拟地相连，管脚G77通过电容C3与模拟地相连，管脚G76通过晶振Y1与管脚G77相连，管脚G10通过电容C4与数字地相连，管脚G11通过电容C5与数字地相连，管脚G16通过电阻R6与数字地相连，管脚G175通过电阻R10与数字地相连，接输出信号的管脚G45、管脚G46、管脚G47、管脚G48、管脚G92、管脚G93、管脚G94、管脚G95，输出信号的管脚与外部驱动模块相连，输出端口数量根据气瓶和电机的数量而定。

所述的外部驱动模块包括信号放大模块、电机驱动模块和电点火头驱动模块；所述的信号放大模块将控制模块发出的弱信号转化为控制电机驱动模块和电点火头驱动模块的强信号，强信号指电压不小于5V的电信号。信号放大模块包括总线收发器U3，总线收发器U3接收控制模块的输入信号，总线收发器U3的输出信号给电机驱动模块和电点火头驱动模块。电机驱动模块由微型电机驱动集成电路U4实现，微型电机驱动集成电路U4包括管脚G2、管脚G7，管脚G2、管脚G7用于接收总线收发器（U3）输入的电机驱动控制信号，还包括接电机正负极的管脚G3、管脚G6。微型电机驱动集成电路U4管脚G3、管脚G6两端的电压作为控制信号输出给排气装置。电点火头驱动模块由电点火头驱动电路组成，电点火头驱动电路的数量由气瓶的数量而定，单个电点火头驱动电路包括电阻R8、电容C6、电阻R9、三极管Q1、电阻R10。电阻R8左端接总线收发器U3输入的电点火头驱动控制信号，电阻R8右端接三极管Q1的基极，Q1基极通过由电容C6和电阻R9组成的并联电路接地，三极管Q1的发射极直接接地，三极管Q1的集电极通过电阻R10接+5V。电阻R10两端的电压作为控制信号输出给充气装置。

有益效果

1、本发明的一种气囊式水下定深悬浮控制系统通过数字信号处理器DSP实现一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统的气囊充放气控制，电路结构简单、电路集成化程度高，因此，控制系统的体积较小。

2、本发明的一种气囊式水下定深悬浮控制系统可拆卸，易于更换，可以重复利用。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例中控制电路及电源的结构示意图；

图3为本发明的一种气囊式水下定深悬浮控制系统的模块图；

图4为本发明的外部驱动控制模块的模块图；

图5为本发明的信号处理模块的电路图；

图6为本发明的信号放大模块的电路图；

图7为本发明的电机驱动模块的电路图；

图8为本发明的电点火头驱动模块的电路图。

其中，1—阀盖、2—阀体、3—阀芯弹簧、4—阀芯，5—胶垫、6—电机、7—减速齿轮组、8—齿轮、9—齿条、10—齿条弹簧、11—气囊、12—压紧套、13—气囊接头、14—高压气瓶、15—击针管座、16—击针管、17—电点火头、18—击针、19—深度传感器、20—控制系统、21—电源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细说明。

实施例1

本实施例的一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，如图3所示，包括电压转换模块、信号处理模块、控制模块、外部驱动模块。深度传感器探测到的水深信号经过信号处理模块处理后传输给控制模块，控制模块根据水深信号及设定的控制规则生成控制电压信号，控制电压信号经过外部驱动模块处理，传输给执行机构中的充气装置或排气装置，充气装置或排气装置在控制电压信号的驱动下立即启动完成对气囊的充气或排气，从而实现水下定深悬浮装置在水中设定深度的悬浮。

所述电压转换模块用于将电源提供的电压转换为电路所需的工作电压。

所述信号处理模块的功能为将0-5V的水深信号处理为数字信号处理器DSP的A/D模块所能转换的0-3.3V信号，同时对信号进行滤波降噪处理，保证输入信号的可靠性。所述信号处理模块将处理后的信号输出给控制模块。所述信号处理模块通过核心信号处理电路实现的，如图5所示，所述的核心信号处理电路包括信号采集器P1、电阻R1、电阻R2、集成运放U1A、电阻R3、电容C1；信号采集器P1接收深度传感器输出的水深处理信号，信号采集器端口G1接模拟地，端口G2接+12V电源，端口G3与电阻R1相连，电阻R1与集成运放U1A正极相连，电阻R1通过电阻R2接数字地，电阻R1与电阻R2的阻值比例关系为2:3，集成运放U1A的信号输出端通过电阻R3和电容C1接数字地，集成运放U1A的负极与集成运放U1A的输出端相连；电阻R3右端接输出信号，该输出信号输出给控制模块。

所述控制模块的功能为将输入水深信号进行处理计算，生成0-3.3V控制电压信号，并将控制电压信号输出给外部驱动模块。所述控制模块通过数字信号处理器DSPU2实现，包括接输入信号的管脚G174，接Vcc电源的管脚G31、管脚G69、管脚G64、管脚G81、管脚G114、管脚G145，接1.8V电源的管脚G23、管脚G37、管脚G56、管脚G75、管脚G100、管脚G112、管脚G128、管脚G143、管脚G154、管脚G162，接3.3V电源的管脚G1、管脚G13、管脚G14、管脚G166，管脚G159通过电阻R4与Vcc相连，管脚G140通过电阻R5与Vcc相连，管脚G76通过电容C2与模拟地相连，管脚G77通过电容C3与模拟地相连，管脚G76通过晶振Y1与管脚G77相连，管脚G10通过电容C4与数字地相连，管脚G11通过电容C5与数字地相连，管脚G16通过电阻R6与数字地相连，管脚G175通过电阻R10与数字地相连，接输出信号的管脚G45、管脚G46、管脚G47、管脚G48、管脚G92、管脚G93、管脚G94、管脚G95，输出信号的管脚与外部驱动模块相连，输出端口数量根据气瓶和电机的数量而定。

如图4所示，所述的外部驱动模块包括信号放大模块、电机驱动模块和点火头驱动模块；所述的信号放大模块将控制模块发出的弱信号转化为控制电机驱动模块和点火头驱动模块的强信号，强信号指电压不小于5V的电信号。如图6所示，信号放大模块包括总线收发器U3，总线收发器U3接收控制模块的输入信号，总线收发器U3的输出信号给电机驱动模块和点火头驱动模块。如图7所示，电机驱动模块由微型电机驱动集成电路U4实现，微型电机驱动集成电路U4包括管脚G2、管脚G7，管脚G2、管脚G7用于接收总线收发器（U3）输入的电机驱动控制信号，还包括接电机正负极的管脚G3、管脚G6。微型电机驱动集成电路U4管脚G3、管脚G6两端的电压作为控制信号输出给排气装置。如图8所示，点火头驱动模块由点火头驱动电路组成，点火头驱动电路的数量由气瓶的数量而定，单个点火头驱动电路包括电阻R8、电容C6、电阻R9、三极管Q1、电阻R10。电阻R8左端接总线收发器U3输入的点火头驱动控制信号，电阻R8右端接三极管Q1的基极，Q1基极通过由电容C6和电阻R9组成的并联电路接地，三极管Q1的发射极直接接地，三极管Q1的集电极通过电阻R10接+5V。电阻R10两端的电压作为控制信号输出给充气装置。

本发明保护范围不仅局限于本实施例，本实施例用于解释本发明，凡与本发明在相同原理和构思条件下的变更或修改均在本发明公开的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，包括电压转换模块、信号处理模块、控制模块、外部驱动模块；所述电压转换模块用于将电源提供的电压转换为电路所需的工作电压；其特征在于：深度传感器探测到的水深信号经过信号处理模块处理后传输给控制模块，控制模块根据水深信号及设定的控制规则生成控制电压信号，控制电压信号经过外部驱动模块处理，传输给执行机构中的充气装置或排气装置，充气装置或排气装置在控制电压信号的驱动下立即启动完成对气囊的充气或排气，从而实现水下定深悬浮装置在水中设定深度的悬浮；

所述信号处理模块的功能为将0-5V的水深信号处理为数字信号处理器DSP的A/D模块所能转换的0-3.3V信号，同时对信号进行滤波降噪处理，保证输入信号的可靠性；所述信号处理模块将处理后的信号输出给控制模块；

所述控制模块的功能为将输入水深信号进行处理计算，生成0-3.3V控制电压信号，并将控制电压信号输出给外部驱动模块；

所述的外部驱动模块包括信号放大模块、电机驱动模块和点火头驱动模块；所述的信号放大模块将控制模块发出的控制电压信号转化为控制电机驱动模块和点火头驱动模块的强信号，强信号指电压不小于5V的电信号；

所述信号处理模块通过核心信号处理电路实现的，所述的核心信号处理电路包括信号采集器P1、电阻R1、电阻R2、集成运放U1A、电阻R3、电容C1；信号采集器P1接收深度传感器输出的水深信号，信号采集器P1端口G1接模拟地，端口G2接+12V电源，端口G3与电阻R1左侧相连，电阻R1右侧与集成运放U1A正极相连，电阻R1右侧通过电阻R2接数字地，电阻R1与电阻R2的阻值比例关系为2:3，集成运放U1A的信号输出端连接电阻R3左侧，电阻R3右侧通过电容C1接数字地，集成运放U1A的负极与集成运放U1A的输出端相连；电阻R3右端接输出信号端口，该输出信号输出给控制模块。

2.根据权利要求1所述的一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，其特征在于：所述控制模块通过数字信号处理器DSP实现，包括接输入信号的管脚G174，接Vcc电源的管脚G31、管脚G69、管脚G64、管脚G81、管脚G114、管脚G145，接1.8V电源的管脚G23、管脚G37、管脚G56、管脚G75、管脚G100、管脚G112、管脚G128、管脚G143、管脚G154、管脚G162，接3.3V电源的管脚G1、管脚G13、管脚G14、管脚G166，管脚G159通过电阻R4与Vcc相连，管脚G140通过电阻R5与Vcc相连，管脚G76通过电容C2与模拟地相连，管脚G77通过电容C3与模拟地相连，管脚G76通过晶振Y1与管脚G77相连，管脚G10通过电容C4与数字地相连，管脚G11通过电容C5与数字地相连，管脚G16通过电阻R6与数字地相连，管脚G175通过电阻R10与数字地相连，接输出信号的管脚G45、管脚G46、管脚G47、管脚G48、管脚G92、管脚G93、管脚G94、管脚G95，输出信号的管脚与外部驱动模块相连，输出端口数量根据气瓶和电机的数量而定。

3.根据权利要求1所述的一种用于气囊式水下定深悬浮装置的控制系统，其特征在于：所述的外部驱动模块包括信号放大模块、电机驱动模块和点火头驱动模块；

信号放大模块包括总线收发器U3，总线收发器U3接收控制模块的控制电压信号，总线收发器U3的输出信号给电机驱动模块和点火头驱动模块；

电机驱动模块由微型电机驱动集成电路U4实现，微型电机驱动集成电路U4包括管脚G2、管脚G7，管脚G2、管脚G7用于接收总线收发器U3输入的电机驱动控制电压信号，还包括接电机正负极的管脚G3、管脚G6；微型电机驱动集成电路U4管脚G3、管脚G6两端的电压作为控制电压信号输出给排气装置；

点火头驱动模块由点火头驱动电路组成，点火头驱动电路的数量由气瓶的数量而定，单个点火头驱动电路包括电阻R8、电容C6、电阻R9、三极管Q1、电阻R10；电阻R8左端接总线收发器U3输入的点火头驱动控制电压信号，电阻R8右端接三极管Q1的基极，Q1基极通过由电容C6和电阻R9组成的并联电路接地，三极管Q1的发射极直接接地，三极管Q1的集电极通过电阻R10接+5V；电阻R10两端的电压作为控制电压信号输出给充气装置。