CN109375551A - 一种水下操作力数据采集系统 - Google Patents

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徐宝国
张大林
李文龙
宋爱国
付立悦
韦明
姚宇华
王春慧
李凡
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Abstract

本发明公开了一种水下操作力数据采集系统，包括：多维力测量传感器，用于获取水下操作时的多维操作力数据；数据采集电路，用于按照控制指令完成多维力传感器测量信号的实时采集和放大；以太网收发器，用于将采集的信号实时上传至计算机终端，以及接收和解析来自计算机终端的控制指令；计算机终端，用于通过以太网收发模块控制数据采集电路工作，以及接收多维操作力数据，并进行显示和保存；防水电缆，包含以太网电缆和电源供电电缆；电源模块，用于为数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器提供电能。本发明能够实现对航天员在水下模拟失重训练时多种操作力数据的采集和存储。

Description

一种水下操作力数据采集系统
技术领域
本发明涉及航天训练设备，尤其涉及一种航天员在水下进行手扶力、足部蹬力、单臂推拉力及单双臂旋转力训练时，采集航天员完成规定动作时对测试设备施加的力和力矩的大小及方向的数据采集系统。
背景技术
随着科技的不断进步，人类的太空活动逐渐频繁，人类的足迹慢慢的迈入太空中。航天员在太空中完全处于失重状态，航天员在太空中会开展相应的工作，如出舱进行实验、操作设备等，为确保航天员能够在太空中安全顺利的进行工作，需要对航天员开展一系列的模拟太空环境的训练。目前对于航天员来说，水下训练是用来模拟太空失重环境最贴切的方法。因此在地面上航天员会在水池中进行失重环境训练模拟太空中失重，在训练的过程中需要完成各项规定动作与任务。
为配合航天员完成上述水下环境模拟失重环境训练，研究航天员在水下失重环境下操作设备的施力情况，需要一种可以在水下采集航天员操作力的数据采集系统。
发明内容
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种水下操作力数据采集系统，实现对航天员在水下模拟失重训练时多种操作力数据的采集和存储。
技术方案：本发明所述的水下操作力数据采集系统包括：
多维力测量传感器，用于获取水下操作时的多维操作力数据；
数据采集电路，用于接收计算机终端通过以太网收发模块发送的控制指令，并按照控制指令完成多维力传感器测量信号的实时采集和放大；
以太网收发器，包括水下的以太网收发模块和地面上的以太网收发模块，用于将数据采集电路采集的信号转换为数据报，并实时上传至计算机终端，以及接收和解析来自计算机终端的控制指令，并传输至数据采集电路模块以实现计算机终端对数据采集电路的控制；
计算机终端，加载有数据采集控制程序，用于通过以太网收发模块控制数据采集电路工作，以及接收以太网收发模块上传的多维操作力数据，并在处理后进行显示和保存到数据库中；
防水电缆，包含以太网电缆和电源供电电缆，以太网电缆用于完成地面和水下的以太网收发模块之间的信号传输，电源供电电缆提供分别将电源连接至数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器；
电源模块，用于为数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器提供电能。
优选的，所述数据采集电路包括多路模拟开关、程控放大器、双极性ADC、FPGA芯片、电压精密基准、以太网收发单元，多路模拟开关的输入与多维力传感器的输出相连接,分段采集多维力传感器输出的多维力信号，多路模拟开关的输出与程控放大器的输入连接，程控放大器的输出与双极性ADC连接，电压精密基准为双极性ADC提供标准电压，双极性ADC连接FPGA芯片，FPGA芯片控制以太网收发器将数字信号按照一定的数据格式经以太网电缆实时上报至计算机终端。。
进一步的，所述多维力测量传感器和数据采集电路安装于多维力测试设备防水筒中。所述多维力测试设备防水筒有多个，包括扶手多维力测试设备防水筒、脚限制器多维力测试设备防水筒、单臂推拉测力测试设备防水筒以及单双臂旋转力矩测试设备防水筒。
进一步的，所述以太网电缆中采用四线制全双工通信方式传输数据。所述电源供电电缆和以太网电缆外包裹有金属网。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1、本发明可以实现对航天员在水下模拟失重训练时多种操作力数据的采集和存储，可以实时的显示实验数据，以供训练人员分析，同时添加数据库功能，可实现训练数据的离线分析。
2、本发明采用总线拓扑结构，采用主从方式构建信息采集系统，在合理的节点范围可以任意增加和删除节点，系统的可拓展性强。
3、本发明采用局域网通信实现了水下和水上的信息交换，采用全双工差分通信避免电磁干扰。
4、本发明的防水电缆包含供电电缆和以太网电缆，供电电缆和以太网电缆分别施加信号屏蔽，确保信号传输的准确性。
5、本发明采用统一的采集控制软件，可实现多线程同时采集多通道的数据，数据延迟时间短(不超过2s),软件出现故障主动提醒训练人员。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的系统框图；
图2是本发明的另一实施例的系统框图；
图3是本发明中数据采集电路的结构框图。
具体实施方式
本实施例提供了一种水下操作力数据采集系统，用于实现航天员在水下进行左右手扶力、左右脚蹬力、单臂推拉力和单双臂旋转力矩数据的采集、显示和存储功能。如图1所示，本实施例包括多维力测量传感器、数据采集电路、以太网收发器、计算机终端、防水电缆和电源模块。
数据采集电路用于接收计算机终端通过以太网收发模块发送的控制指令，并按照控制指令完成多维力传感器测量信号的实时采集和放大。具体包括多路模拟开关、程控放大器、双极性ADC、FPGA芯片、电压精密基准、以太网收发单元，其中，如图3所示，多路模拟开关的输入与多维力传感器的输出相连接分段采集多维力传感器输出的多维力信号，由于多维力传感器输出的模拟测量信号幅度低，需要进行放大和模拟信号数字化，所以多路模拟开关的输出与程控放大器的输入连接，对输入的测量信号进行放大，程控放大器的输出与双极性ADC连接，将放大后的信号数字化，电压精密基准为双极性ADC提供标准电压，双极性ADC的输出为数字信号，将该数字信号输入至FPGA芯片中进行处理，FPGA芯片控制以太网收发模块将该数字信号按照一定的数据格式经以太网电缆实时上报至计算机终端。数据采集电路通过防水电缆插头和防水电缆电连接，通过防水电缆实现数据交换和电能供给。在实施时，可以将所述多维力测量传感器和数据采集电路安装于多维力测试设备防水筒中，多维力测试设备防水筒有多个，包括扶手多维力测试设备防水筒、脚限制器多维力测试设备防水筒、单臂推拉测力测试设备防水筒以及单双臂旋转力矩测试设备防水筒，如图2所示。
以太网收发器包括水下的以太网收发模块和地面上的以太网收发模块，用于将数据采集电路采集的信号转换为数据报，并实时上传至计算机终端，以及接收和解析来自计算机终端的控制指令，并传输至数据采集电路模块以实现计算机终端对数据采集电路的控制。水下的以太网收发模块和地面上的以太网收发模块采用以太网电缆完成全双工差分信号传输传输，以太网电缆采用四线制实现。电源模块采用电源供电电缆为数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器提供电能，具体为+24V的直流电输入。供电电缆和以太网电缆还分别采用金属网实现电磁屏蔽安装于防水电缆中。在具体实施时，可以将水上的以太网收发模块和电源模块放置于中继站控制箱中，与多个多维力测试设备防水筒通过电缆连接，如图2所示，中继站控制箱作为数据中继，实现计算机终端与数据采集电路模块的远距离通信。
计算机终端加载有数据采集控制程序，用于通过以太网收发器实现和数据采集电路的以太网通信，获取数据采集电路实时上传的操作力数据，对数据处理后在计算机终端的显示器上实时显示，并将上传的力操作数据存储于数据库中，可实现实时数据在线分析和数据离线分析，计算机终端采用多线程获取上传数据，数据延迟时间短。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种水下操作力数据采集系统，其特征在于包括：
多维力测量传感器，用于获取水下操作时的多维操作力数据；
数据采集电路，用于接收计算机终端通过以太网收发模块发送的控制指令，并按照控制指令完成多维力传感器测量信号的实时采集和放大；
以太网收发器，包括水下的以太网收发模块和地面上的以太网收发模块，用于将数据采集电路采集的信号转换为数据报，并实时上传至计算机终端，以及接收和解析来自计算机终端的控制指令，并传输至数据采集电路模块以实现计算机终端对数据采集电路的控制；
计算机终端，加载有数据采集控制程序，用于通过以太网收发模块控制数据采集电路工作，以及接收以太网收发模块上传的多维操作力数据，并在处理后进行显示和保存到数据库中；
防水电缆，包含以太网电缆和电源供电电缆，以太网电缆用于完成地面和水下的以太网收发模块之间的信号传输，电源供电电缆提供分别将电源连接至数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器；
电源模块，用于为数据采集电路、多维力测量传感器和以太网收发器提供电能。
2.根据权利要求1所述的水下操作力数据采集系统，其特征在于：所述数据采集电路包括多路模拟开关、程控放大器、双极性ADC、FPGA芯片、电压精密基准，其中，多路模拟开关的输入与多维力传感器的输出相连接,分段采集多维力传感器输出的多维力信号，多路模拟开关的输出与程控放大器的输入连接，程控放大器的输出与双极性ADC连接，电压精密基准为双极性ADC提供标准电压，双极性ADC连接FPGA芯片，FPGA芯片控制以太网收发器将数字信号按照一定的数据格式经以太网电缆实时上报至计算机终端。
3.根据权利要求1所述的水下操作力数据采集系统，其特征在于：所述多维力测量传感器和数据采集电路安装于多维力测试设备防水筒中。
4.根据权利要求1所述的水下操作力数据采集系统，其特征在于：所述多维力测试设备防水筒有多个，包括扶手多维力测试设备防水筒、脚限制器多维力测试设备防水筒、单臂推拉测力测试设备防水筒以及单双臂旋转力矩测试设备防水筒。
5.根据权利要求1所述的水下操作力数据采集系统，其特征在于：所述以太网电缆中采用四线制全双工通信方式传输数据。
6.根据权利要求1所述的水下操作力数据采集系统，其特征在于：所述电源供电电缆和以太网电缆外包裹有金属网。
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