CN103488177B - 一种动力定位水下对接模拟器控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动力定位水下对接模拟器控制系统，包括支撑框架，其特征在于：支撑框架上方设有对接平台，支架框架内侧设有密封舱和浮力水舱，密封舱居中，浮力水舱位于密封舱的两侧，支撑框架的下方设有爬犁，爬犁上安装有推进器;电气控制单元设置于密封舱内,电气控制单元包括单片机、姿态传感器、液位变送器,单片机与水面控制计算机通讯连接,姿态传感器、液位变送器的信号输出端接单片机，单片机信号输出端经数模转换电路、光电隔离电路接推进器的信号输入端。

Description

一种动力定位水下对接模拟器控制系统

技术领域

本发明涉及海洋工程领域，尤其是一种动力定位水下对接模拟器控制系统。

背景技术

水下装置一般分为载人水下装置和无人水下装置两种类型，其中，载人水下装置又可分为军用水下装置和非军用水下装置（如那些用于海底考察的水下装置）。目前，大多数载人水下装置属于自由航行式水下装置，根据执行任务的不同，包括观察型、水下作业型、潜水员水下出入型等多种类型。20世纪60年代中期到70年代中期，是载人水下装置发展的鼎盛时期，技术发展得较为成熟，但由于开发设计与加工均需要高度技术与成本，同时又要考虑操作人员的安全，近些年来，水下装置的发展已从有人水下装置逐渐演变到以无人水下装置为发展主流。虽然经过长期的发展，已有很多不同类型的水下装置，用于完成不同的作业，但用于实现模拟失事潜艇对接装置尚属空白。

发明内容

本发明目的在于提供一种动力定位水下对接模拟器控制系统，能够模拟失事潜艇对接，并实现有效控制。

实现本发明目的技术方案：

一种动力定位水下对接模拟器控制系统，包括支撑框架，其特征在于：支撑框架上方设有对接平台，支架框架内侧设有密封舱和浮力水舱，密封舱居中，浮力水舱位于密封舱的两侧，支撑框架的下方设有爬犁，爬犁上安装有推进器;电气控制单元设置于密封舱内,电气控制单元包括单片机、姿态传感器、液位变送器,单片机与水面控制计算机通讯连接,姿态传感器、液位变送器的信号输出端接单片机，单片机信号输出端经数模转换电路、光电隔离电路接推进器的信号输入端。

对接平台外侧设有呈人字形的对接平板，对接平台设有步进电机，步进电机可通过螺杆控制对接平板的张角；电气控制单元还包括步进电机驱动器，单片机的信号输出端经放大电路接步进电机驱动器。

浮力水舱的顶部设有充气孔和放气孔，充气放气通过充气电磁阀和放气电磁阀控制；电气控制单元还包括继电器组，单片机信号输出端经经继电器控制电路接继电器组，继电器组信号输出端充气电磁阀和放气电磁阀。

单片机采用ATmega128芯片，单片机通过RS-422通信控制电路与水面控制计算机通讯连接。

姿态传感器采用OCTANS传感器，姿态传感器经RS-232通信控制电路与单片机通讯连接。

液位变送器经采集调整电路、低通滤波器接单片机信号输入端。

密封舱内的底部设有滑轨，滑轨上设有可用于安装电器元件的抽拉式垫板。

本发明具有的有益效果：

本发明支撑框架上方设有对接平台，支架框架内侧设有密封舱和浮力水舱，密封舱居中，浮力水舱位于密封舱的两侧，支撑框架的下方设有爬犁，爬犁上安装有推进器，电气控制单元设置于密封舱内,电气控制单元包括单片机、姿态传感器、液位变送器,单片机与水面控制计算机通讯连接,姿态传感器、液位变送器的信号能够及时传送给水面控制计算机，单片机经数模转换电路、光电隔离电路驱动安装在爬犁上的推进器。本发明能够适当而有效的向前航行，两边浮力水舱的浮力和集中在密封舱的船体重量，使本发明具有良好的运动稳定性。本发明更有利于航向控制和信号及时传送，与其它现有其它形状的水下装置相比，本发明航行速度较慢，而其慢速与稳定性正是模拟失事潜艇所需要的，即本发明能够有效模拟失事潜艇。

本发明对接平台外侧设有呈人字形的对接平板，对接平台设有步进电机，步进电机可通过螺杆控制对接平板的张角，步进电机由单片机进行控制，步进电机在停转时可以提供较大的保持力矩，使对接平板保持在一个期望的张角上。本发明浮力水舱的顶部设有充气孔和放气孔，充气放气通过充气电磁阀和放气电磁阀控制，单片机通过继电器控制充气电磁阀和放气电磁阀，控制浮力水舱的充气放气，可方便地实现对模拟器姿态的调整。本发明单片机采用ATmega128芯片，单片机通过RS-422通信控制电路与水面控制计算机通讯连接；姿态传感器采用OCTANS传感器，姿态传感器经RS-232通信控制电路与单片机通讯连接，更有利于实现对模拟器的方便、可靠控制。本发明密封舱内的底部设有滑轨，滑轨上设有可用于安装电器元件的抽拉式垫板，密封舱内的电器组件安装更加方便。

附图说明

图1为本发明模拟器主视图；

图2为本发明模拟器侧视图（去除对接平台）；

图3为本发明模拟器俯视图（去除对接平台）；

图4为本发明电气控制单元的原理框图。

具体实施方式

如图1—图3所示，支撑框架23的上方设有对接平台19，对接平台19下部通过螺栓与支撑框架23的顶部固定，对接平台19外侧设有呈人字形的对接平板24，对接平台设有步进电机，步进电机可通过螺杆控制对接平板的张角。支架框架内侧设有密封舱20和浮力水舱21，实施时，具有4个浮力水舱，密封舱2居中，4个浮力水舱对称分布于密封舱的两侧。支撑框架的下方设有爬犁22，爬犁22上安装有推进器25，推进器25位于爬犁4的中间位置，爬犁的两端呈弧形，更有利减少模拟器在水下的运行阻力。爬犁有2个，相应安装有2个推进器。

密封舱20为模拟器的电气控制单元提供一个耐压密闭的安装空间，同时在初始时为模拟器提供一半的浮力，使模拟器在初始时可以漂浮在水中。密封舱内的底部设有滑轨，滑轨上设有抽拉式垫板，可抽拉垫板上可安装电器元件，方便电器元件的安装拆卸。浮力水舱21可以为整个装置提供最大浮力的一半浮力，以保证水下装置刚开始在水中处于漂浮状态。

如图4所示，电气控制单元包括单片机1、姿态传感器3、液位变送器4,单片机1采用表贴式单片机ATmega128芯片，通过JTEG电路完成控制程序的烧写，采用12M外部晶振为单片机提供系统时钟脉冲。单片机1通过RS-422通信控制电路17与水面控制计算机18通讯连接，实现状态反馈和指令接收。姿态传感器3采用OCTANS传感器，安装在密封舱内部的滑轨中部，姿态传感器的中心和模拟器的重心重合，姿态传感器经RS-232通信控制电路2与单片机1通讯连接，向单片机1发送姿态信息。

液位变送器4经采集调整电路5、低通滤波器6接单片机信号输入端，液位变送器用于测量模拟器下潜的深度，测量范围为0～100m水深，输出4～20mA的电流信号，电流大小和水深为线性关系，经过采集调整电路5的处理之后，转化为0～5V的电压信号，和水深0～100m成比例关系，然后由低通滤波器6滤除高频噪声之后，将信号输送至单片机。使用单片机集成的10位ADC进行模数转换，得到装置当前的下潜的深度，低通滤波器是由四阶巴特沃茨低通滤波器构成的，截止频率设为20Hz，ATmega128单片机的采样频率为100Hz，在使用数字陷波器滤除50Hz的工频干扰。

单片机1信号输出端经数模转换电路10、光电隔离电路11接左侧推进器12和右侧推进器13的信号输入端。推进器的控制信号为差摸形式的-5VDC～5VDC的电平信号，数模转换电路采用2片8位并行模数转换芯片DAC0832进行数模转换，ATmega128单片机的PORTA口作为数据口，使用PORTB0～PORTB6引脚实现DAC0832的片选和控制，DAC0832输出的模拟量经转换和调整之后变换为-5VDC～5VDC的电平信号，经过由ISO122芯片构成的光耦隔离电路后以差模形式输出至左侧推进器12和右侧推进器13控制信号输入端，从而实现度推进器输出推力的控制。

电气控制单元还包括步进电机驱动器15，单片机的信号输出端经放大电路14接步进电机驱动器15，步进电机驱动器15用于驱动安装在对接平台上的水下步进电机16。使用ATmega128单片机的PORTC4～PORTC7引脚经放大后为步进电机驱动器15提供脉冲形式的控制信号，进而控制步进电机转过的角度，使对接平板的张角达到期望值。

电气控制单元还包括继电器组8，单片机信号输出端经具有电流放大功能的继电器控制电路7接继电器组8，继电器组8信号输出端电磁阀9，电磁阀9包括充气电磁阀和放气电磁阀，用于控制浮力水舱的充气和放气。

所有印制电路板的引线都由带有固定螺钉的接线端子完成，保证连接的可靠性，印制电路板固定在密封舱内的滑轨上，便于安装和维护，控制系统需5VDC、24VDC、72VDC和110VAC/50Hz等电源，这些电源都通过电缆自水面引入的22VAC/50Hz的电源的基础上转换而来的，这些转换通过线性电源和旋转变压器完成，前述设备也同样固定在密封舱内的滑轨上。其中，5VDC和24VDC用于为印制电路板供电，72VDC为推进器供电，110VAC/50Hz为电磁阀供电，步进电机驱动器的电源由220VAC/50Hz直接提供。同时，也为搭载的实验设备预留了充足的电源接口和信号电缆。

电源供电之后，控制系统启动工作，ATmega128单片机首先等待水面控制计算机向其发送初始信息，包括经纬度等，接收信息后，ATmega128单片机对控制系统进行初始化，向姿态传感器发送经纬度等初始信息并控制其进入工作状态，控制系统初始化完成之后，向水面控制计算机发送初始化完成状态反馈，并进入工作状态。控制系统进入工作状态之后，定时通过液位变送器采集水深信号，中断形式接受姿态传感器发送的姿态信息，并按通信协议定时发送给水面控制计算机，以中断形式接收水面控制计算机发送的指令，并按照指令完成模拟器的下潜上浮，艏向控制，模拟对接平台张角控制和水下行进，在下潜上浮过程中自动完成装置的横倾角、纵倾角和下潜上浮速度控制，使其保持在允许的范围内。

Claims (6)

1.一种动力定位水下对接模拟器控制系统，包括支撑框架，支撑框架上方设有对接平台，支架框架内侧设有密封舱和浮力水舱，密封舱居中，浮力水舱位于密封舱的两侧，支撑框架的下方设有爬犁，爬犁上安装有推进器；电气控制单元设置于密封舱内，电气控制单元包括单片机、姿态传感器、液位变送器，单片机与水面控制计算机通讯连接，姿态传感器、液位变送器的信号输出端接单片机，单片机信号输出端经数模转换电路、光电隔离电路接推进器的信号输入端；对接平台外侧设有呈人字形的对接平板，对接平台设有步进电机，步进电机可通过螺杆控制对接平板的张角；其特征在于：电气控制单元还包括步进电机驱动器，单片机的信号输出端经放大电路接步进电机驱动器；ATmega128单片机首先等待水面控制计算机向其发送初始信息，包括经纬度，接收信息后，ATmega128单片机对控制系统进行初始化，向姿态传感器发送初始信息并控制其进入工作状态，控制系统初始化完成之后，向水面控制计算机发送初始化完成状态反馈，并进入工作状态；控制系统进入工作状态之后，定时通过液位变送器采集水深信号，中断形式接受姿态传感器发送的姿态信息，并按通信协议定时发送给水面控制计算机，以中断形式接收水面控制计算机发送的指令，并按照指令完成模拟器的下潜上浮，艏向控制，模拟对接平台张角控制和水下行进，在下潜上浮过程中自动完成装置的横倾角、纵倾角和下潜上浮速度控制。

2.根据权利要求1所述的动力定位水下对接模拟器控制系统，其特征在于：浮力水舱的顶部设有充气孔和放气孔，充气放气通过充气电磁阀和放气电磁阀控制；电气控制单元还包括继电器组，单片机信号输出端经继电器控制电路接继电器组，继电器组信号输出端充气电磁阀和放气电磁阀。

3.根据权利要求2所述的动力定位水下对接模拟器控制系统，其特征在于：单片机采用ATmega128芯片，单片机通过RS-422通信控制电路与水面控制计算机通讯连接。

4.根据权利要求3所述的动力定位水下对接模拟器控制系统，其特征在于：姿态传感器采用OCTANS传感器，姿态传感器经RS-232通信控制电路与单片机通讯连接。

5.根据权利要求4所述的动力定位水下对接模拟器控制系统，其特征在于：液位变送器经采集调整电路、低通滤波器接单片机信号输入端。

6.根据权利要求5所述的动力定位水下对接模拟器控制系统，其特征在于：密封舱内的底部设有滑轨，滑轨上设有可用于安装电器元件的抽拉式垫板。