CN109540575A - 深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种深海自主姿态调节取样系统及其自主姿态调解方法，所述取样系统包括取样装配架、取样器、电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接，所述推动器组件包括四组推动器，分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，整体结构设计稳定性好；在对取样系统姿态调节时，基于平衡算法实现其自学习，推动器动作采用扭矩控制方式实现，控制简单迅速，利用推进器保持取样系统正确着陆海床姿态，实现系统在下放过程中的自主姿态调节，而且通过设定一个循环来执行各种“动作”，根据动作序列分数的高低决定执行动作的先后顺序，保证姿态调节快速达到最优的平衡状态，有效提高深海海底表层沉积物的获取效率。

Description

深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法

技术领域

本发明属于深海勘探技术及海洋工程技术领域，具体涉及一种深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法。

背景技术

地球表面的总面积约为5.1亿平方千米，其中约有七成面积为海洋。海洋资源的开发、利用越来越受各个国家的重视，而相关的海洋资源勘探产业已经成为了许多国家的核心战略领域。海洋深度可由几米的浅海深至数千米的深海，其中深海勘探取样的技术难度大，尤其是对取样所用设备要求高。

如授权公告号为【CN105547737B】的发明专利公开一种深海潜水取样装置及其实施方法，可以同时实现对水样、土样和水草样品等的取样，由于海洋环境的复杂性，深海取样设备姿态的调节及平稳着陆直接影响取样的成功率及准确率，也是目前海洋资源勘探的一大瓶颈。为此，亟待提出一种深海取样自主姿态调节方案，实现对深海取样装置的姿态平衡调节，从而保障深海沉积物取样的成功率。

发明内容

本发明为了提高取样系统着陆平稳性、有效保障深海沉积物取样的成功率，提出一种深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法，通过倾角仪对取样系统的实时姿态进行动态监测，并由四个不同方向的推动器进行姿态平稳调节，以保障其取样的成功率。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种深海自主姿态调节取样系统，包括取样装配架以及设置在取样装配架上的箱式取样器，所述取样装配架上还设置有电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，所述电池舱组件用以为整个系统提供电源，所述倾角仪用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接；

所述推动器组件包括第一推动器、第二推动器、第三推动器和第四推动器，四个推动器分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，以便于实现姿态调整时的平衡性，且四个推动器结构设计相同，均包括推进器及其驱动器，所述驱动器包括一驱动器密封舱，由于驱动器的发热量很高，因此如何高效散热在密封舱设计上将做为一个重点考量的指标，所述驱动器密封舱内设置有一铝制支架，驱动器的电路板固定设置在铝制支架上，并将主要发热部位与铝制支架的铝片贴合，铝制支架与驱动器密封舱内壁紧密贴合实现热量的传递，驱动器密封舱的外壁为翅片型结构，采用铝片导热及增大散热面积的方式实现高效散热；

所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。

进一步的，所述MCU主控组件通过RS485与推动器组件实现通讯，所述MCU主控组件还包括恒扭矩设置模块，用以设定驱动器电机运动模式为恒扭矩模式，其中设置变量包括扭矩、转动方向，通过RS485串口驱动，配合MCU对姿态信息的实时监测、运算，实时刷新驱动器电机的运动状态，从而达到对系统进行实时自调调整的目的。

进一步的，所述取样装配架包括上、中、下三层框架结构，下层为一长方体形框架、中层为一四棱台形框架，上层为一三角形吊环框架，且上、中、下三层框架结构之间还设置有加强筋，所述取样器设置有取样装配架的内部，整体结构设计层次感强、稳定性高,整个取样系统预计重量为850Kg，转动半径为0.6m，综合考虑运动产生水阻及水动量损失，转动扭矩不小于90NM即可满足角度调整大于2°/s。

进一步的，所述第一推动器和第三推动器相对设置，第二推动器和第四推动器相对设置，第一推动器和第三推动器为正转推动器，第二推动器和第四推动器为反转推动器，可有效简化推动器姿态调节过程、提高姿态调节效率。

进一步的，所述电池舱组件包括电池舱架、电池密封舱以及设置在电池密封舱内的电池组，电池密封舱的两端分别设置有电池舱盖，电池密封舱通过一电池舱卡箍固定在电池舱架上，且在电池组的两端还设置有泡沫垫块，所述电池舱架安装在第一推动器旁。

进一步的，所述驱动器密封舱、电池密封舱均采用钛合金材料制作，质量轻，强度高，耐海水腐蚀。

本发明另外还提出一种深海自主姿态调节取样系统的姿态调节方法，包括以下步骤：

(1)通过钢缆绞车将取样系统进行投放；

(2)在取样系统从海平面下放到海底过程中，通过倾角仪实时采集数据并传输至MCU主控组件进行分析处理，进而获得取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角；

(3)由MCU主控组件的扭矩列表模块设定扭矩调节动作列表，所述扭矩为0-1的随机数，根据所获得的滚转角、偏航角和方位角，从扭矩列表模块中随机提取所需的扭矩调节动作，通过推动器对当前姿态进行调整，并由自平衡执行模块对当前姿态调整结果进行判断，对所选取的扭矩调节动作进行打分，记录该次姿态信息及其对应的扭矩调节动作；

(4)通过实时记录并更新扭矩列表模块的分数，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的快速平衡调节。

进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，所述扭矩列表模块为每个推动器均设置有一个动作列表(系统运行时，会在这个列表中选取动作)和每个动作对应的分数(初始分数全部为零)，然后设定一个循环，每次循环开始时读取倾角仪的数据，计算出取样系统当前的姿态信息(滚转角、俯仰角和转向角)。

进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，姿态调整角速度不小于2°/s，通过机器学习优化水下自平衡算法，实现对推动器的精准控制。

进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，基于推动器动作对当前姿态进行调整时，通过控制驱动器PID参数，控制其以恒定扭矩方式输出。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本方案所述的深海自主姿态调节取样系统及其自主姿态调解方法，整体结构设计稳定性好，结合推动器动作采用扭矩控制方式实现，不需要通过转速和叶轮尺寸计算排水量来得出推力，直接根据扭矩得出推进器推力，从而简化了计算复杂度、控制也变得更加简单，利用推进器保持取样系统正确着陆海床姿态，实现系统在下放过程中的自主姿态调节；

而且，在对取样系统姿态调节时，通过设定一个循环来执行各种“动作”，并实时根据“动作”结束后的反馈结果对该次扭矩调节动作进行评判分析，记录该次姿态调节过程中的“动作”序列和对应的分数，进行下次姿态调整时，根据动作序列分数的高低决定执行动作的先后顺序，基于平衡算法实现其自学习，从而快速达到最优的平衡状态，有效提高深海海底表层沉积物的获取效率，同时可为深海沉积物取样做出突出贡献，具有极高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的取样系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例1所述的取样系统的俯视结构示意图；

图3为图1中所述推动器组件结构示意图；

图4为图3中所述驱动器的剖面结构示意图；

图5为所述电池密封舱的剖面结构示意图；

图6为所述控制器密封舱结构示意图；

图7为本发明实施例2所述平衡算法原理图；

图8为本发明实施例2对取样系统在流速为1m/s的情况下模拟仿真的数据。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1，一种深海自主姿态调节取样系统，如图1和图2所示，包括取样装配架1以及设置在取样装配架1上的箱式取样器2，所述取样装配架1上还设置有电池舱组件3、MCU主控组件4、推动器组件以及倾角仪5，倾角仪5和推动器组件均与MCU主控组件4电连接，所述电池舱组件3用以为整个系统提供电源，所述倾角仪5用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息；所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中随机提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。

继续参考图2，所述推动器组件包括第一推动器6、第二推动器7、第三推动器8和第四推动器9，四个推动器分别对应的设置在取样装配架1的四周，两两相对呈正交设置，以便于实现姿态调整时的平衡性，比如，第一推动器6和第三推动器8相对设置，第二推动器7和第四推动器9相对设置，第一推动器6和第三推动器8为正转推动器，第二推动器7和第四推动器9为反转推动器，可有效简化推动器姿态调节过程、提高姿态调节效率。本方案中，四个推动器在结构设计相同，结合图3和图4所示，均包括推进器14及其驱动器15，所述推进器14通过一推进器架16安装在驱动器上，所述推进器14包括一推进器筒体141，推进器筒体141的两端分别密封设置有上端盖142和下端盖143，贯穿上端盖设置有叶轮144；所述驱动器15包括一驱动器密封舱151，驱动器密封舱151的两端分别设置有驱动器端盖152，由于驱动器的发热量很高，因此如何高效散热在密封舱设计上将做为一个重点考量的指标，所述驱动器密封舱151内设置有一铝制支架153，驱动器的电路板固定设置在铝制支架153上，并将主要发热部位与铝制支架的铝片贴合，铝制支架153与驱动器密封舱内壁紧密贴合实现热量的传递，驱动器密封舱151的外壁为翅片型结构，即设置有螺纹状凸起154，采用铝片导热及增大散热面积的方式实现高效散热。

本实施例中，所述MCU主控组件还包括恒扭矩设置模块，用以设定驱动器电机运动模式为恒扭矩模式，其中设置变量包括扭矩、转动方向，所述MCU主控组件通过RS485与推动器组件实现通讯，通过RS485串口驱动，配合MCU对姿态信息的实时监测、运算，实时刷新驱动器电机的运动状态，从而达到对系统进行实时自调调整的目的。

为了提高整个取样系统下方过程中的平稳性，本实施例中，将所述取样装配架1设计为上、中、下三层框架结构，下层为一长方体形框架11、中层为一四棱台形框架12，上层为一三角形吊环框架13，三角形吊环框架上还设置有缆绳扣环131，且上、中、下三层框架结构之间还设置有加强筋10，所述取样器2设置有取样装配架1的内部，整体结构设计层次感强、稳定性高。

另外，如图5所示，所述电池舱组件3包括电池舱架、电池密封舱31以及设置在密封舱31内的电池组34，电池密封舱31通过一电池舱卡箍32固定在电池舱架上，所述电池舱架安装在第一推动器6旁，为了保证平衡性，所述MCU主控组件设置在第三推动器8侧，电池舱组件3和MCU主控组件呈对角设置，从图5可以了解，所述电池密封舱31的两端分别设置有电池舱盖33，电池舱盖33与电池舱体之间通过O型圈35密封，且在电池组34的两端还设置有泡沫垫块36，以有效保护电池组。

继续参考图6所示，本实施例中所述的MCU主控组件4包括一控制器舱体(图6中未示意)，MCU控制器42设置在控制器舱体内，控制器舱体的两端分别设置有控制器舱盖41，控制器舱盖与控制器舱体之间同样通过密封圈43实现密封。而且，本实施例中，所述驱动器密封舱、电池密封舱和控制器密封舱均采用钛合金材料制作，质量轻，强度高，耐海水腐蚀，整个取样系统预计重量为850Kg，转动半径为0.6m，综合考虑运动产生水阻及水动量损失，转动扭矩不小于90NM即可满足角度调整大于2°/s。

实施例2，基于实施例1所述的自主姿态调节取样系统，本实施例提出一种深海自主姿态调节取样系统的姿态调节方法，包括以下步骤：

(1)通过钢缆绞车将取样系统进行投放；

(2)在取样系统从海平面下放到海底过程中，通过倾角仪实时采集数据并传输至MCU主控组件，获得取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角；

(3)由MCU主控组件的扭矩列表模块设定扭矩调节动作列表，所述动作列表记录循环次数、每次循环倾角仪检测的数据(滚转角、俯仰角、方位角等)、对应的调整扭矩等信息。所述扭矩可以设为[0，1]之间的随机数，根据所获得的滚转角、偏航角和方位角，从扭矩列表模块中随机提取所需的扭矩调节动作，通过推动器对当前姿态进行调整，并由自平衡执行模块对当前姿态调整结果进行判断，对所选取的扭矩调节动作进行打分，记录该次姿态信息及其对应的扭矩调节动作。

例如，每次检测时间间隔为1s，倾角仪检测第一次循环得到的姿态信息为滚转角4.099°、俯仰角0.005°(俯仰角为0°左右时认为设备是前后方向是平衡的)，这时，认为取样系统向左倾斜了4.099°，随机选取了“第一推动器正转”，设定第一推进器输出扭矩为0.6，经过1s后，进入第二次循环，得到的姿态信息为滚转角0.025°，俯仰角0.005°，这就证明上次选取的动作效果是积极的，随即更新动作列表里面对应的“第一推动器正转”的分数(扭矩列表模块中所存储的扭矩调节动作的初始分数全部为0)，比如由0变为1，这样下次如果读取到和第一次循环相似的姿态信息，系统会根据分数自动选取“第一推动器正转”的动作，达到自学习的目的；

(4)通过实时记录并更新扭矩列表模块的分数，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的快速平衡调节。

所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，姿态调整角速度不小于2°/s，通过机器学习优化水下自平衡算法，实现对推动器的精准控制，其平衡调节原理如图7所示，所述扭矩列表模块为每个推动器均设置有一个动作列表(系统运行时，会在这个列表中选取动作)和每个动作对应的分数(初始分数全部为零)，然后设定一个循环，每次循环开始时读取倾角仪的数据，计算出取样系统当前的姿态信息(滚转角、俯仰角和转向角)，在进行姿态信息计算时，会涉及到大量的三角函数运算，这种运算是非常耗费CPU资源的，因此，本方案中采用三角函数泰勒展开式进行近似计算的原理，基于CORDIC算法，在保证数据准确性和精确度的同时，大大降低了三角函数的使用频率，降低了CPU需求的主频，从而间接降低了MCU的功耗。

另外，本方案中，为了解决不同水环境下的控制问题，比如在海洋中顺流和逆流情况下，推进器在对载体进行姿态控制的时候，传统的做法是通过控制转速并多次反馈来控制姿态和速度，对控制中带来了很大的难度。本方案基于推动器动作对当前姿态进行调整时，通过控制驱动器PID参数，控制其以恒定扭矩方式输出，情况下，控制的条件是一样的，不需要通过多次反馈来获取外界条件的变化，克服了传统通过电机的转速、电压和电流方式实现的缺陷，基于姿态角度的外环反馈实现控制，抑制控制过程中的容易出现的动态平衡的范围。用扭矩调节，只给一个最优的解，该控制方式具有简单、快速的特点。对深海取样系统下方过程中的角度、加速度、速度、距海底高度进行连续动态监测，并将获取的数据经过大数据对比计算后推演出需要调节的角度，通过对深海姿态调节推动器进行自主智能控制，达到姿态调节的目的，从而保证深海沉积物取样的成功率。

本方案所述的深海自主姿态调节取样方案为一种智能化海底表层沉积物取样系统，无需通过数据缆，只需通过普通钢缆绞车即可投放，采用200W48V直流伺服电机研制而成的水下推动器4台，单体推动器可实现推力15KG，利用推动器保持取样装置正确着陆海床姿态。深海取样系统工作环境复杂、恶劣，深海试验成本高，在深海试验前，有必要对取样系统进行深海环境的模拟试验，以提高取样系统的可靠性，所述模拟试验包括以下过程：

(1)仿真模拟，图8为采用软件对深海自主姿态调节取样系统在流速为1m/s的情况下，模拟仿真的数据；

(2)完成电池密封舱、推动器、驱动器等设备4000米水深耐压试验；

(3)将设备通过调整重心的方式按照一定的倾斜角度放入水池中，观测设备是否可以自己恢复平衡，高频记录伺服电机控制数据及倾角传感器输出数据，为后续机器深度学习优化算法提供海量数据，同时做好书面记录和视频记录，进而通过机器深度学习优化再次验证恢复平衡能力形成闭环。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.深海自主姿态调节取样系统，包括取样装配架以及设置在取样装配架上的取样器，其特征在于，所述取样装配架上还设置有电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，所述电池舱组件用以为整个系统提供电源，所述倾角仪用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接；

所述推动器组件包括第一推动器、第二推动器、第三推动器和第四推动器，四个推动器分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，且四个推动器结构设计相同，均包括推进器及其驱动器；所述驱动器包括一驱动器密封舱，驱动器密封舱内设置有一铝制支架，驱动器的电路板固定设置在铝制支架上，铝制支架与驱动器密封舱内壁紧密贴合，驱动器密封舱的外壁为翅片型结构；

所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行评判打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。

2.根据权利要求1所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述MCU主控组件通过RS485与推动器组件实现通讯，所述MCU主控组件还包括恒扭矩设置模块，用以设定驱动器的电机运动模式为恒扭矩模式。

3.根据权利要求1或2所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述取样装配架包括上、中、下三层框架结构，下层为一长方体形框架、中层为一四棱台形框架，上层为一三角形吊环框架，且上、中、下三层框架结构之间还设置有加强筋，所述取样器设置有取样装配架的内部。

4.根据权利要求3所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述第一推动器和第三推动器相对设置，第二推动器和第四推动器相对设置，第一推动器和第三推动器为正转推动器，第二推动器和第四推动器为反转推动器。

5.根据权利要求4所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述电池舱组件包括电池舱架、电池密封舱以及设置在电池密封舱内的电池组，电池密封舱的两端分别设置有电池舱盖，电池密封舱通过一电池舱卡箍固定在电池舱架上，且在电池组的两端还设置有泡沫垫块。

6.根据权利要求5所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述驱动器密封舱、电池密封舱均采用钛合金材料制作。

7.深海自主姿态调节取样系统的姿态调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过钢缆绞车将取样系统进行投放；

(2)在取样系统从海平面下放到海底过程中，通过倾角仪实时采集数据并传输至MCU主控组件进行分析处理，进而获得取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角；

(3)由MCU主控组件的扭矩列表模块设定扭矩调节动作列表，根据所获得的滚转角、偏航角和方位角，从扭矩列表模块中随机提取所需的扭矩调节动作，通过推动器对当前姿态进行调整，并由自平衡执行模块对当前姿态调整结果进行判断，对所选取的扭矩调节动作进行打分，记录该次姿态信息及其对应的扭矩调节动作；

(4)通过实时记录并更新扭矩列表模块的分数，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的快速平衡调节。

8.根据权利要求7所述的深海自主姿态调节取样姿态调节方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，所述扭矩列表模块为每个推动器均设置有一个动作列表和每个动作对应的分数，然后设定一个循环，每次循环开始时读取倾角仪的数据，计算出取样系统当前的姿态信息。

9.根据权利要求8所述的深海自主姿态调节取样姿态调节方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，姿态调整角速度不小于2°/s。

10.根据权利要求9所述的深海自主姿态调节取样姿态调节方法，其特征在于：所述步骤(3)和步骤(4)中，基于推动器动作对当前姿态进行调整时，通过控制驱动器PID参数，控制其以恒定扭矩方式输出。