CN110082386B - 一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统及控制方法，该控制系统包括全局控制模块、水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块，以及探针贯入点计算模块；本发明的控制系统及控制方法通过尾翼的动态调整，实现对探针下沉姿态的有效控制，确保了海底沉积物热导率测量的有效性，为海底沉积物温度探针技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
Description
技术领域
本发明涉及海底测量技术领域，特别涉及一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统及控制方法。
背景技术
现代海底温度梯度和热流探测通常使用探针技术，该方法精度较高，操作使用方便，是其它探测技术所不能比拟的。该技术最早出现于20世纪50年代，经过多年的不断发展和技术更新，探针技术已经广泛应用于海底温度梯度和热流探测，服务于海洋地热情况的研究和深海矿物能源的勘察。
目前比较广泛应用的温度梯度和热流探针技术主要有三种，也是发展的三个阶段性产品，分别是Bullard型、Ewing型、Lister型。Bullard型探针是首个成功应用到海底温度梯度探测的探针技术，其采用内部均匀安装了一系列热传感器的钢针，钢针可以在插入海底沉积物后，测定海底表层到沉积物内一定深度的温度差值，进而推导出地温梯度。它是一款标准的温度梯度探针，而测量其热导率则需要把沉积物样品采集到实验室中进行，但是为后续先进的探测技术与设备奠定了基础。1957年Ewing型探针问世，Ewing型具备了测量温度梯度和采用重力取样管实时取样沉积物的功能，解决了Bullard型测量时间过长、船体漂移、海底浪涌等问题，对记录系统的改进也提高了实时性，保证了数据的有效性。但上述两种技术都存在工作效率低的缺陷，因为取样沉积物样品是一个费时费力的工序，很大程度上影响了测量效率和精度。Lister型探针很好的解决了取样的问题，在测量温度梯度的同时计算出热导率。通常采用双钢管，其中一根钢管等距安装一系列热敏元件，另外一根钢管安装可以产生热脉冲的发热线圈，两根钢管间隔一定距离。当探针插入沉积物并稳定之后，产生一个可控能量的热脉冲，通过热敏元件检测热脉冲的温度随时间的衰减，从而计算出热导率。然而，Lister型探针缺少主动姿态调节系统，探针在下沉过程中没法保持垂直状态，影响测量数据的准确性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统及控制方法，以达到探针轻量化设计，具备主动姿态调节能力的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，包括全局控制模块、水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块，以及探针贯入点计算模块；
所述全局控制模块，负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行环境，完成水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块、探针贯入点计算模块的初始化，对探针的贯入状态进行检测；
所述水下惯性导航模块，读取探针控制舱内的三轴陀螺仪、三轴加速度计及电子罗盘数据，获得探针在X、Y、Z轴上的姿态数据，并计算探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度；
所述可调式尾翼控制模块，根据探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度，建立姿态反馈回路，结合PID控制算法，对尾翼进行调节，使探针在下沉过程中保持垂直运动；
所述加热及温度测量控制模块，控制探针头部的电热脉冲的激发，记录加热电路的开启时间和持续时间，实现对沉积物热导率的精确测量；
所述探针贯入点计算模块，从水下惯性导航模块获取探针在X、Y、Z轴上的加速度值，对探针在X、Y、Z轴上的位移量进行累加计算，并将计算结果保存在存储器中。
上述方案中，所述控制系统对应的探针系统包括可调式尾翼、控制舱、电池仓和探针，所述控制舱和电池仓位于浮体内，所述可调式尾翼通过尾翼电机驱动，所述尾翼电机与控制舱内的控制主板连接，所述电池仓为控制舱及尾翼电机提供电能。
进一步的技术方案中，所述控制舱内安装有三轴陀螺仪、三轴加速度计、电子罗盘、压力传感器、MEMS惯性传感器，所述探针头部安装有温度传感器和加热线圈，所述加热线圈通过电热脉冲激发。
一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法，采用上述的一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，包括以下步骤：
(1)全局控制模块的初始化；
(2)水下惯性导航模块内的三轴陀螺仪、电子罗盘及三轴加速度计的校准及标定；
(3)水下惯性导航模块对探针下沉姿态数据进行检测计算；
(4)可调式尾翼控制模块根据探针下沉姿态数据对探针下沉姿态进行控制；
(5)探针贯入海底沉积物后，加热及温度测量控制模块开始工作，对沉积物热导率进行测量，并保存测量结果。
通过上述技术方案，本发明提供的尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统及控制方法通过全局控制模块负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行环境，完成水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块、探针贯入点计算模块的初始化，对探针的贯入状态进行检测。水下惯性导航模块在初始化时，读取电子罗盘校准参数、三轴陀螺仪标定参数及三轴加速度计标定参数；探针入水后，在自身重力的作用下开始下沉运动，可调式尾翼控制模块对探针的姿态进行调整，通过调节尾翼使得探针尽可能的保持垂直运动；水下惯性导航模块在检测到探针贯入海底沉积物后，加热及温度测量控制模块开始工作，执行沉积物热导率的测量，并保存测量结果。
上述控制系统各模块之间相互协调，实时监测探针下沉的姿态，并进行动态调整，确保了海底沉积物热导率测量的有效性，为海底沉积物温度探针技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统示意图；
图2为本发明实施例所公开的探针系统结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法流程示意图。
图中，1、可调式尾翼；2、探针；3、浮体；4、上密封盖；5、下密封盖；6、温度传感器；7、上通信缆。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，如图1所示，该控制系统通过尾翼的动态调整，实现对探针下沉姿态的有效控制，确保了海底沉积物热导率测量的有效性，为海底沉积物温度探针技术的进一步发展奠定了坚实的基础。
如图1所示的尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，包括全局控制模块、水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块，以及探针贯入点计算模块。
全局控制模块，负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行环境，完成水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块、探针贯入点计算模块的初始化，对探针的贯入状态进行检测；
水下惯性导航模块，读取探针控制舱内的三轴陀螺仪、三轴加速度计及电子罗盘数据，获得探针在X、Y、Z轴上的姿态数据，并计算探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度；
可调式尾翼控制模块，根据探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度，建立姿态反馈回路，结合PID控制算法，对尾翼进行调节，使探针在下沉过程中保持垂直运动；
加热及温度测量控制模块，控制探针头部的电热脉冲的激发，记录加热电路的开启时间和持续时间，实现对沉积物热导率的精确测量；
探针贯入点计算模块，从水下惯性导航模块获取探针在X、Y、Z轴上的加速度值，对探针在X、Y、Z轴上的位移量进行累加计算，并将计算结果保存在存储器中。
如图2所示，控制系统对应的探针系统包括可调式尾翼1、控制舱、电池仓和探针2，控制舱和电池仓位于浮体3内，可调式尾翼1通过尾翼电机驱动，尾翼电机位于浮体3上方的上密封盖4内，尾翼电机与控制舱内的控制主板连接，电池仓为控制舱及尾翼电机提供电能。上密封盖4顶部伸出上通信缆7，与岸边基站进行信号传输。浮体3下方的下密封盖5内有配重块，可以使得探针能够通过自身重力下沉。控制舱内安装有三轴陀螺仪、三轴加速度计、电子罗盘、压力传感器、MEMS惯性传感器，探针2头部安装有温度传感器6和加热线圈，加热线圈通过电热脉冲激发。
如图3所示，一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法，采用上述的一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，包括以下步骤：
(1)全局控制模块的初始化；
(2)采用立体8字校准方法，对水下惯性导航模块的电子罗盘进行校准，并保存电子罗盘校准参数；采用基于高精度转台的多位置角速率试验标定方法，对水下惯性导航模块的三轴陀螺仪进行标定，并保存三轴陀螺仪的标定参数；采用基于高精度转台的多位置翻滚标定方法，对水下惯性导航模块的三轴加速度计进行标定，并保存三轴加速度计的标定参数；
(3)水下惯性导航模块在初始化时，读取电子罗盘校准参数、陀螺仪标定参数及三轴加速度计标定参数，然后对探针下沉姿态数据进行检测计算；
(4)探针系统入水后，在自身重力的作用下开始下沉运动，可调式尾翼控制模块根据水下惯性导航模块测得的探针下沉姿态数据调整尾翼角度，对探针下沉姿态进行控制；
(5)水下惯性导航模块测得探针贯入海底沉积物后，加热及温度测量控制模块开始工作，对沉积物热导率进行测量，并保存测量结果。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法，采用一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制系统，其特征在于，该系统包括全局控制模块、水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块，以及探针贯入点计算模块；
所述全局控制模块，负责各个模块组件的动态加载及组件之间的通信及数据交换，在系统初始化时加载必要的组件化运行环境，完成水下惯性导航模块、可调式尾翼控制模块、加热及温度测量控制模块、探针贯入点计算模块的初始化，对探针的贯入状态进行检测；
所述水下惯性导航模块，读取探针控制舱内的三轴陀螺仪、三轴加速度计及电子罗盘数据，获得探针在X、Y、Z轴上的姿态数据，并计算探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度；
所述可调式尾翼控制模块，根据探针在X轴与Y轴方向的倾斜角度，建立姿态反馈回路，结合PID控制算法，对尾翼进行调节，使探针在下沉过程中保持垂直运动；
所述加热及温度测量控制模块，控制探针头部的电热脉冲的激发，记录加热电路的开启时间和持续时间，实现对沉积物热导率的精确测量；
所述探针贯入点计算模块，从水下惯性导航模块获取探针在X、Y、Z轴上的加速度值，对探针在X、Y、Z轴上的位移量进行累加计算，并将计算结果保存在存储器中；
控制方法包括以下步骤：
（1）全局控制模块的初始化；
（2）水下惯性导航模块内的三轴陀螺仪、电子罗盘及三轴加速度计的校准及标定；
（3）水下惯性导航模块对探针下沉姿态数据进行检测计算；
（4）可调式尾翼控制模块根据探针下沉姿态数据对探针下沉姿态进行控制；
（5）探针贯入海底沉积物后，加热及温度测量控制模块开始工作，对沉积物热导率进行测量，并保存测量结果。
2.根据权利要求1所述的一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法，其特征在于，所述控制系统对应的探针系统包括可调式尾翼、控制舱、电池仓和探针，所述控制舱和电池仓位于浮体内，所述可调式尾翼通过尾翼电机驱动，所述尾翼电机与控制舱内的控制主板连接，所述电池仓为控制舱及尾翼电机提供电能。
3.根据权利要求2所述的一种尾翼可调式海底沉积物温度探针控制方法，其特征在于，所述控制舱内安装有三轴陀螺仪、三轴加速度计、电子罗盘、压力传感器、MEMS惯性传感器，所述探针头部安装有温度传感器和加热线圈，所述加热线圈通过电热脉冲激发。
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