CN111207733B - 可回收式水下物体姿态测量传感仪系统 - Google Patents

可回收式水下物体姿态测量传感仪系统 Download PDF

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Abstract

本申请属于海洋数据采集领域和海洋工程领域，提供一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，包括水下密封耐压腔体、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元等。自卸式耦合固定机构中设置有耦合连接的释放机构和适配机构，适配机构通过被测物体固定板与被测物体连接，通过释放机构实现可回收式水下结构姿态测量传感仪的自动回收以及仪器的重复利用，并有效降低使用成本；数据采集与传输系统包括有姿态传感器，通过姿态传感器可以测量到适配结构在岸上的初始姿态信息和布放到海里后的姿态信息，以得到水下被测物体布放到海里后的实际姿态参数，这种测量方式属于间接测量，可提高可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的适用性。

Description

可回收式水下物体姿态测量传感仪系统
技术领域
本申请涉及可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，特别是能够实现仪器自动脱离回收，属于海洋数据采集领域和海洋工程领域。
背景技术
随着对海洋探索的深入以及涉海经济开发的增长，在水下工程布设的海底观测网/系统装备、构件数量也与日俱增。因为海底地形的复杂性以及对海底地形精确遥测的高成本，很多时候无法准确预知装备布设位置的地形及底质情况，装备沉放后会因为上述因素倾斜或沉降，具有失稳等风险。在东海浅海海域，受海水浑浊度高的影响，无法使用ROV水下机器人对布设情况进行确认，一般采用潜水员探摸的方式，成本很高且对海况依赖较大，很多海底观测坐底设备采用直接沉放方式，布设后并无法获知布设姿态情况。
目前市面上的姿态传感器/姿态仪基本都为长期固定安装形式，且自身价格较高。且在海底观测网海底设备、坐底海床基设备及一些大型工程构件布设时，如果需要姿态仪用来记录布设姿态及沉放初期沉降带来的姿态变化，则每件设备上都要额外安装包含姿态仪、电池、数据实时上传用通信装置(水声通信机或缆系)的姿态测量系统。该套姿态测量系统造价在十万元以上，而且在海底长期放置后损耗很大难以多次重复利用，所以在东海海域大部分的海底观测网海底设备、坐底海床基设备布设后并无法实时获取水下工程布设期间的姿态数据。这就需要研发一套可以低成本多次重复利用的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统。
而且，对于水下物体姿态测量大多采用在线或自容方式，供电单元与传感器单元没有形成一体化，需要多个的腔体相互配合，且没有回收装置，不能够自动回收。因此，现在急需开发一种能够实现可回收式的水下物体姿态测量传感仪系统，并且能够实现供电单元与传感器单元的一体化。
发明内容
本申请的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统。
为了实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：
一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，包括水下密封耐压腔体、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元与水下供电系统；
水下耐压密封腔的上下两端分别安装有上端盖和下端盖；浮体单元为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔外，并与所述上盖板连接；
自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板以及适配结构；
释放机构包括步进电机、步进电机控制器和圆盘；步进电机与步进电机控制器连接，两者均封装在水下密封耐压腔体内部，且步进电机的转轴穿过水下耐压密封腔的下端盖与位于水下密封耐压腔体下方的圆盘连接；圆盘上设有贯通的锁槽与开槽，锁槽与开槽上下连通，并互成90°；
适配结构包括固定圆杆插销、被测物体固定板；固定圆杆插销为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽中，并在跟随圆盘转动时锁入或脱离圆盘的锁槽，且固定圆杆插销与开槽、锁槽之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆，用以限制固定圆杆插销在开槽或锁槽中前后滑动的范围；且
厚三角板位于水下耐压密封腔的下方，并与水下耐压密封腔的下端盖连接，同时厚三角板的中心开设有一个中心孔，用于穿设圆盘；
三角支撑架安装在厚三角板下方，其包括三个丝杆调节撑脚，三个丝杆调节撑脚相互间隔120°垂直放置于被测结构固定板上，形成三脚架式的支撑结构；被测物体固定板安装在水下被测物体的上部；
丝杆调节撑脚包括不锈钢丝杆和工程塑料地脚；不锈钢丝杆的下端固定安装在工程塑料地脚上，其上端与厚三角板转动连接，通过旋转不锈钢丝杆可以调节厚三角板与被测物体固定板之间的相对高度，还可以调节固定圆杆插销与圆盘开槽、锁槽之间的间隙；
数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器、控制电路板、声通信单元、甲板单元、防水信标灯以及压力传感器；声通信单元、防水信标灯、压力传感器均安装在耐压密封腔的上端盖；姿态传感器封装于水下耐压密封腔内，控制电路板也封装在水下耐压密封腔内部；
姿态传感器的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器测量适配机构的姿态参数；控制电路板与姿态传感器连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元；
适配结构可以通过焊接或者紧固件固定等方式固定在水下被测物体上，在将水下被测物体布设前，先将其放置在水平地面上，设此时水下被测物体的姿态信息为p(0)(heading，pitch，roll)，均为零；姿态传感器测量适配结构的初始姿态参数，设为Δp(heading，pitch，roll)；当水下被测物体实际布设到海里后，姿态传感器测量到适配结构新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)，再将此新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)修正掉适配结构初始姿态参数后就会得到水下被测物体的实际姿态参数ptrue(heading，pitch，roll)，即ptrue(heading，pitch，roll)＝pseabed(heading，pitch，roll)-Δp(heading，pitch，roll)。
控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，型号为NXP的LPC2138,并集成了片上外围器件，
所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，
所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，
其中：
系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；
所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；
所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU等元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；
所述继电器选用固态继电器DMO063型号，接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；
所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；
所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；
所述采样电路将经过电阻分压采集到的锂电池电压信号以及压力传感器发送过来的电信号输入到MCU的A/D转换接口中，经过A/D功能对电压模拟信号进行量化计算得出电池电压和水压数字信号；
声通信单元用于将采集信号从水下发送至水面接收设备，其包括水声信号发射电路和换能器；
控制电路板获得的锂电池电压信号及各类传感器信号数据先通过水声信号发射电路转换成声脉冲信号，再通过换能器以声波振动形式将数据发出；
声通信单元与甲板单元连接，声通信单元将水下采集信号发送至作业船的甲板单元，甲板单元将前述信号进行信号放大、处理、解调后还原出采集到的串行通信数据，并实时发送至电脑，通过电脑将航向、俯仰、滚转、电压、水深压力信息实时显示在电脑屏幕上；
声通信单元基于宽带扩频信号方案，开机后自动处于睡眠模式以节约锂电池能量；一旦串口有信号时，声通信单元会立刻从睡眠模式跳转为发送状态，发送数据；同时，当声通信单元检测到有信号从水面的甲板单元传来时，声通信单元也会立刻从睡眠模式转换到接收状态，接收数据；可寻址的数据包通过声学通讯栈进行交换，通信协议确保数据的完整性，在数据包丢失时能缓冲并重新尝试发送数据；当声通信单元与甲板单元之间的通信通道发生临时中断时，数据暂缓发送，通信通道一旦恢复正常，被缓存的数据将自动按顺序重新发送到甲板单元；
甲板单元与步进电机控制器通过无线声通信连接，用以在可回收式水下物体姿态测量传感仪系统完成信息采集任务或姿态传感器出现故障等需要对其进行回收时，发送命令给步进电机控制器，控制步进电机带动圆盘转动，从而将固定圆杆插销从圆盘的锁槽位置回到开槽位置，使得固定圆杆插销从圆盘中脱离，并使适配结构与释放机构分离，使水下姿态测量传感仪在浮体单元的作用下浮出水面；
水下供电系统包括水密接插件以及大容量锂电池包；大容量锂电池包由多节高能锂电池串联而成，其封装在水下耐压密封腔内部，并与声通信单元、控制电路板、姿态传感器、步进电机连接，为数据采集和传输系统提供电力支持；水密接插件安装在水下耐压密封腔的上端盖上，在岸上通过锂电池充电器和控制器连接水密接插件对大容量锂电池包进行充电及开关控制。
该传感仪系统通过姿态传感器间接获取水下被测物体的姿态信息，传感仪配有自卸式耦合固定机构，自卸式耦合固定机构中的释放机构与适配结构进行耦合连接，这种连接会产生一定的间隙，这种间隙会导致适配结构在水下浮力作用下来回摆动，为了解决这个问题，本申请提供一套三角支撑架，三足鼎立，可以使释放机构抱锁在适配结构的固定圆杆插销上，形成彼此间的相对位置固定，适配结构与水下被测物体固定连接。在测量姿态信息前将姿态传感器的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置调节为一致，此时姿态传感器测量到的姿态参数就是适配机构的姿态参数，适配结构通过焊接或者紧固件固定等方式固定在水下被测物体上，在将水下被测物体布设前将其放置在水平地面上，此时水下被测物体的姿态信息均为零，姿态传感器测量适配结构的初始姿态参数。当被测物体实际布设到海里后，姿态传感器测量到适配结构新的姿态参数，再将新的姿态参数修正掉适配结构初始姿态参数后就会得到水下被测物体的实际姿态参数。
然后通过水下声通信单元实现姿态信息的实时传输，解决了水下物体姿态获取并实时进行信号传输的难题。当需要对传感仪进行回收时，可通过自卸式耦合固定机构中的释放机构实现传感仪的自动回收。本传感系统还配有压力传感器和防水信标灯，压力传感器实时测量传感仪布放深度，防水信标灯用于夜间释放后的海面指示，方便寻找打捞。
本申请与现有技术相比，具有如下显而易见的突出特点和显著优点：
(1)通过释放机构实现可回收式水下结构姿态测量传感仪的自动回收，实现仪器的重复利用，有效降低使用成本；同时配有防水信标灯，方便夜间回收寻找仪器，实现全天候使用；
(2)通过姿态传感器测量到适配结构在岸上的初始姿态信息和布放到海里后的姿态信息可以得到水下被测物体布放到海里后的实际姿态参数，这种测量方式属于间接测量，提高了可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的适用性；
(3)三个丝杆调节撑脚间隔120°垂直置于被测物体固定板上，形成三脚架形式，通过旋转丝杆调节脚撑可以调节厚三角板与被测物体固定板之间的相对高度，从而完成姿态传感器与适配结构的姿态校准，实现释放机构与适配结构的耦合固定，这种耦合方式简单有效；
(4)将电池、控制电路、姿态传感器、声通信单元集成，均封装在一个水下耐压密封腔内，使整体结构更加简便化；
(5)配有压力传感器，实时传输可回收式水下结构姿态测量传感仪的布放深度；
(6)控制电路板将采集到水下被测物体姿态信息与锂电池电压、水深压力数据一起通过串行通信接口发送至声通信单元，声通信单元又将其转换成声脉冲信号传给甲板单元，甲板单元将信号解析出来后实时显示在电脑屏幕上，实现了水下物体姿态信息的实时传输与显示。
附图说明
图1为本申请实施例提供的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的系统组成示意图；
图2为本申请实施例提供的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的硬件连接框图；
图3为本申请实施例提供的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统在未释放状态下的三维示意图；
图4为本申请实施例提供的适配结构与释放机构的装配示意图；
图5a为本申请实施例提供的后三角板的示意图；
图5b为本申请实施例提供的浮力单元的示意图；
图5c为本申请实施例提供的丝杆调节脚撑的示意图；
图5d为本申请实施例提供的圆盘的示意图；
图5e为本申请实施例提供的适配结构的示意图；
图6为本申请实施例提供的可回收式水下物体姿态测量传感仪系统在释放状态下的示意图；
图7为本申请实施例提供的水下耐压密封腔内部的安装示意图；
图8a为本申请实施例提供的水下耐压密封腔体的上端盖的示意图；
图8b为图8a中A-A沿线截面示意图；
图8c为图8a中B-B沿线截面示意图；
图9为本申请实施例提供的水下耐压密封腔体的上端盖与其他零件的装配示意图；
图10a为本申请实施例提供的水下耐压密封腔体的下端盖的示意图；
图10b为图10a中A-A沿线截面示意图；
图11为本申请实施例提供的控制电路板连接关系示意图。
附图标记说明
防水信标灯1，压力传感器2，水密接插件3，声通信单元4，上端盖5，防水信标灯安装孔51，压力传感器安装孔52，水密接插件安装孔53，声通信单元安装孔54，浮体单元安装孔55，水下耐压密封腔安装孔56，浮体单元6，水下耐压密封腔7，下端盖8，下端盖安装孔81，下端盖中心通孔82，厚三角板9，内圈孔91，外圈螺纹孔92，中心孔93，下部连接螺栓10，丝杆调节撑脚11，被测物体固定板12，上部连接螺栓13，浮体单元固定螺栓14，圆盘15，开槽151，锁槽152，固定圆杆插销16，竖直限位杆161，大容量锂电池包17，步进电机18，步进电机控制器19，内部安装支架20，姿态传感器21，控制电路板22，甲板单元23。
具体实施方式
以下结合附图对本申请技术方案进一步说明。
如图1至图11，一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，包括水下密封耐压腔体7、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元6与水下供电系统。
其中，水下耐压密封腔7的上下两端分别安装有上端盖5和下端盖8，下端盖8上开设有下端盖通孔。
自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板9以及适配结构。
释放机构包括步进电机18、步进电机控制器19和圆盘15；步进电机18与步进电机控制器19连接，两者均封装在水下密封耐压腔体7内部；水下密封耐压腔体7内安装有内部安装支架20，步进电机18与步进电机控制器19均安装在内部安装支架20上；步进电机18的转轴穿过水下耐压密封腔7的下端盖通孔穿出下端盖8；圆盘15位于水下密封耐压腔体7下方，并与步进电机18的转轴末端连接，且轴端动密封采用橡胶机械密封形式；圆盘15上设有贯通的锁槽152与开槽151，锁槽152与开槽151上下设置，并互成90°，相互连通。
适配结构用于提高可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的适用性，并可测量不同形状的水下被测物体姿态信息，其包括固定圆杆插销16以及被测物体固定板12。固定圆杆插销16为近似“冂”结构，包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板12上，其横部插入并贯穿圆盘的开槽151；当步进电机18受到步进电机控制器19指令后，其转轴正向旋转90°，圆盘15也随之转动90°，并使得固定圆杆插销16的横部锁在圆盘15的锁槽152中；当步进电机18再次受到步进电机控制器19指令后，其转轴又反向旋转90°，圆盘15也随之反向转动90°，并使得固定圆杆插销16的横部回到圆盘15的开槽151中，进而可以从圆盘15的开槽151中脱离，从而使得适配结构与释放机构分离，实现可回收式水下物体姿态测量传感仪系统的自动回收。
在本申请中，可以在被测物体固定板12的中央设有开孔，以减轻整个适配结构的重量。
进一步，固定圆杆插销16横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆161，用以限制固定圆杆插销16在开槽151或锁槽152中前后滑动的范围；同时，固定圆杆插销16与开槽151、锁槽152之间均存在一定间隙，这种间隙是为了圆盘15在转动时不会因为与固定圆杆插销16之间存在太大摩擦力而转动失败，影响整体释放回收。
厚三角板9的中心开设有一个中心孔93，中心孔93外围开设有六个均匀布设的内圈孔92，同时厚三角板9上还设置有三个均匀布设的外凸端部，每个外凸端部上均开设一个外圈螺纹孔92。后三角板9通过内圈孔91与水下耐压密封腔7的下端盖8连接，中心孔93用于穿设圆盘15，外圈螺纹孔92用于安装三角支撑架。
三角支撑架包括三个丝杆调节撑脚11，三个丝杆调节撑脚11相互间隔120°垂直设置于被测结构固定板12上，形成三脚架式的支撑结构；被测物体固定板12用于连接水下被测物体，其可通过多种固定方式安装在海底观测网、海底设备、海床基等水下被测物体的上部。丝杆调节撑脚11包括不锈钢丝杆111和工程塑料地脚112，工程塑料地脚112上部中心位置开设有螺纹孔，不锈钢丝杆111的下端拧入工程塑料脚垫112的螺纹孔并固定，不锈钢丝杆111的上端拧入厚三角板9的外圈螺纹孔92中，通过旋转不锈钢丝杆111可以调节厚三角板9与被测物体固定板12之间的相对高度，还可以调节固定圆杆插销(16)与开槽(151)、锁槽(152)之间的间隙，从而完成水下耐压密封腔7内的姿态传感器21与适配结构的姿态校准，实现释放机构与适配结构的耦合固定。
数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器21、控制电路板22、声通信单元4、甲板单元23、防水信标灯1以及压力传感器2。声通信单元4、防水信标灯1、压力传感器2均安装在耐压密封腔7的上端盖5；姿态传感器21封装于水下耐压密封腔7内，控制电路板22也封装在水下耐压密封腔7内部；封装于水下耐压密封腔7内的姿态传感器21和控制电路板22均通过螺栓连接安装在内部安装支架20上。
在本申请中，防水信标灯1用于可回收式水下物体姿态测量传感仪系统夜间释放后的海面指示，方便寻找打捞。压力传感器2可实时获取水深数据。姿态传感器21，该产品本身为采购的现有技术产品，用于采集适配结构姿态信息，为九自由度的航姿参考系统，可以通过自带的微电子陀螺仪、加速度计、磁力计综合计算得到航向、俯仰及滚转信息。
在测量适配结构的姿态信息前，先将姿态传感器21的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置调节为一致，此时姿态传感器21测量到的姿态参数就是适配机构的姿态参数；适配结构可以通过焊接或者紧固件固定等方式固定在水下被测物体上，在将水下被测物体布设前，先将其放置在水平地面上，设此时水下被测物体的姿态信息为p0(heading，pitch，roll)，均为零；姿态传感器21测量适配结构的初始姿态参数，设为Δp(heading，pitch，roll)；当水下被测物体实际布设到海里后，姿态传感器21测量到适配结构新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)，再将此新的姿态参数pseabed(heading，pitch，roll)修正掉适配结构初始姿态参数后就会得到水下被测物体的实际姿态参数ptrue(heading，pitch，roll)，即ptrue(heading，pitch，roll)＝pseabed(heading，pitch，roll)-Δp(heading，pitch，roll)。
声通信单元4与甲板单元23连接，声通信单元4将水下采集信号发送至作业船的甲板单元23，甲板单元23将前述信号进行信号放大、处理、解调后还原出采集到的串行通信数据，并实时发送至电脑，通过电脑将电压、航向、俯仰、滚转等重要信息实时显示在电脑屏幕上。
所述水下采集信号包括航向、俯仰、滚转信息，以及电压信息、水压信号。
控制电路板22与姿态传感器21连接，控制电路板22照预设的时间间隔(1s至30s)向姿态传感器21发送指令并获取适配结构姿态数据，在经控制电路板22内部解析重整格式后结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起通过串行通信接口发送至声通信单元4。
控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，型号为NXP的LPC2138，并集成了片上外围器件，
所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，
所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，
其中：
系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；
所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；
所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU等元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；
所述继电器选用固态继电器DMO063型号，接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；
所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；
所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；
所述采样电路将经过电阻分压采集到的锂电池电压信号以及压力传感器发送过来的电信号输入到MCU的A/D转换接口中，经过A/D功能对电压模拟信号进行量化计算得出电池电压和水压数字信号；
声通信单元用于将采集信号从水下发送至水面接收设备，其包括水声信号发射电路和换能器。
控制电路板22获得的锂电池电压信号及各类传感器信号数据先通过水声信号发射电路转换成声脉冲信号，再通过换能器以声波振动形式将数据发出。
声通信单元4基于宽带扩频信号方案，开机后自动处于睡眠模式以节约锂电池能量；一旦串口有信号时，声通信单元4会立刻从睡眠模式跳转为发送状态，发送数据；同时，当声通信单元4检测到有信号从水面的甲板单元23传来时，声通信单元4也会立刻从睡眠模式转换到接收状态，接收数据；可寻址的数据包通过声学通讯栈进行交换，通信协议确保数据的完整性，在数据包丢失时能缓冲并重新尝试发送数据；当声通信单元4与甲板单元23之间的通信通道发生临时中断时，数据暂缓发送，通信通道一旦恢复正常，被缓存的数据将自动按顺序重新发送到甲板单元23。
水下供电系统包括水密接插件3以及大容量锂电池包；大容量锂电池包由多节高能锂电池串联而成，并封装在水下耐压密封腔7内部，其通过螺栓连接安装于内部安装支架20上，并与声通信单元4、控制电路板22、姿态传感器21、步进电机18连接，为数据采集和传输系统提供电力支持。水密接插件3安装在水下耐压密封腔7的上端盖5上，在岸上通过锂电池充电器和控制器连接水密接插件3对大容量锂电池包进行充电及开关控制。
在本申请中，甲板单元23与步进电机控制器19通过无线声通信连接，当可回收式水下物体姿态测量传感仪系统完成信息采集任务或姿态传感器21出现故障等需要对其进行回收时，甲板单元23发送命令给步进电机控制器19，控制步进电机18的转轴转动90°，释放机构的圆盘15也随步进电机转轴转动90°，适配结构的固定圆杆插销16从圆盘15的锁槽152位置回到开槽151位置，使得固定圆杆插销16从圆盘15中脱离，然后适配结构与释放机构分离，水下姿态测量传感仪在浮体单元6的作用下浮出水面。
在本申请中，水下耐压密封腔7的上端盖5上分别开设有防水信标灯安装孔51、压力传感器安装孔52、水密接插件安装孔53、声通信单元安装孔54、浮体单元安装孔55、防水水下耐压密封腔安装孔56，防水信标灯1、压力传感器2、水密接插件3、声通信单元4、浮体单元6分别通过螺纹连接方式安装于防水信标灯安装孔51、压力传感器安装孔52、水密接插件安装孔53、声通信单元安装孔54、浮体单元安装孔55中；同时，上端盖5通过水下耐压密封腔安装孔56与防水水下耐压密封腔7连接。
在本申请中，浮体单元6可由浮力材料制成。
进一步，在本申请中，水下耐压密封腔7的上端盖5上还可以加装一个带吊环的护罩，以用于可回收式水下姿态测量传感仪的布放和起吊回收。
上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，其特征在于：包括水下耐压密封腔体(7)、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元(6)与水下供电系统；
水下耐压密封腔体(7)的上下两端分别安装有上端盖(5)和下端盖(8)；浮体单元(6)为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔体(7)外，并与所述上端盖(5)连接；
自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板(9)以及适配结构；
释放机构包括步进电机(18)、步进电机控制器(19)和圆盘(15)；步进电机(18)与步进电机控制器(19)连接，两者均封装在水下耐压密封腔体(7)内部，且步进电机(18)的转轴穿过水下耐压密封腔体(7)的下端盖(8)与位于水下耐压密封腔体(7)下方的圆盘(15)连接；圆盘(15)上设有贯通的锁槽(152)与开槽(151)，锁槽(152)与开槽(151)上下连通，并互成90°；
适配结构包括固定圆杆插销(16)、被测物体固定板(12)；固定圆杆插销(16)为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板(12)上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽(151)中，并在跟随圆盘(15)转动时锁入或脱离圆盘(15)的锁槽(152)，且固定圆杆插销(16)与开槽(151)、锁槽(152)之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销(16)的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆(161)，用以限制固定圆杆插销(16)在开槽(151)或锁槽(152)中前后滑动的范围；厚三角板(9)位于水下耐压密封腔体(7)的下方，并与水下耐压密封腔体(7)的下端盖(8)连接，同时厚三角板(9)的中心开设有一个中心孔(93)，用于穿设圆盘(15)；三角支撑架安装在厚三角板(9)下方，其包括三个丝杆调节撑脚(11)，三个丝杆调节撑脚(11)相互间隔120°布设，其上端均可旋转地安装在厚三角板(9)的下方，其下端均安装于被测物体固定板(12)上；被测物体固定板(12)安装在水下被测物体的上部；
丝杆调节撑脚(11)包括不锈钢丝杆(111)和工程塑料地脚(112)；不锈钢丝杆(111)的下端固定安装在工程塑料地脚(112)上，其上端与厚三角板(9)转动连接；
数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器(21)、控制电路板(22)、声通信单元(4)、甲板单元(23)、防水信标灯(1)以及压力传感器(2)；声通信单元(4)、防水信标灯(1)、压力传感器(2)均安装在水下耐压密封腔体(7)的上端盖(5)；姿态传感器(21)封装于水下耐压密封腔体(7)内，控制电路板(22)也封装在水下耐压密封腔体(7)内部；
姿态传感器(21)的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器(21)测量适配机构的姿态参数；控制电路板(22)与姿态传感器(21)连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器(21)发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元(4)；
控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，并集成了片上外围器件，
所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，
所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，
其中：
系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；
所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；
所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU等元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；
所述继电器选用固态继电器DMO063型号，接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；
所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；
所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；
所述采样电路将经过电阻分压采集到的锂电池电压信号以及压力传感器发送过来的电信号输入到MCU的A/D转换接口中，经过A/D功能对电压模拟信号进行量化计算得出电池电压和水压数字信号；
声通信单元用于将采集信号从水下发送至水面接收设备，其包括水声信号发射电路和换能器；
控制电路板(22)获得的锂电池电压信号及各类传感器信号数据先通过声通信单元(4)的水声信号发射电路转换成声脉冲信号，再通过声通信单元(4)的换能器以声波振动形式将数据发出；
声通信单元(4)与甲板单元(23)连接，声通信单元(4)将水下采集信号发送至作业船的甲板单元(23)，甲板单元(23)将前述信号进行信号放大、处理、解调后还原出采集到的串行通信数据，并实时发送至电脑，通过电脑将航向、俯仰、滚转电压、水深压力信息实时显示在电脑屏幕上；
声通信单元(4)基于宽带扩频信号方案，开机后自动处于睡眠模式以节约锂电池能量；一旦串口有信号时，声通信单元(4)会立刻从睡眠模式跳转为发送状态，发送数据；同时，当声通信单元(4)检测到有信号从水面的甲板单元(23)传来时，声通信单元(4)也会立刻从睡眠模式转换到接收状态，接收数据；可寻址的数据包通过声学通讯栈进行交换，通信协议确保数据的完整性，在数据包丢失时能缓冲并重新尝试发送数据；当声通信单元(4)与甲板单元(23)之间的通信通道发生临时中断时，数据暂缓发送，通信通道一旦恢复正常，被缓存的数据将自动按顺序重新发送到甲板单元(23)；
甲板单元(23)与步进电机控制器(19)通过无线声通信连接，用以在可回收式水下物体姿态测量传感仪系统完成信息采集任务或姿态传感器(21)出现故障等需要对其进行回收时，发送命令给步进电机控制器(19)，控制步进电机(18)带动圆盘(15)转动，从而将固定圆杆插销(16)从圆盘(15)的锁槽(152)位置回到开槽(151)位置，使得固定圆杆插销(16)从圆盘(15)中脱离，并使适配结构与释放机构分离，使水下姿态测量传感仪在浮体单元(6)的作用下浮出水面；
水下供电系统包括水密接插件(3)以及大容量锂电池包；大容量锂电池包由多节高能锂电池串联而成，其封装在水下耐压密封腔体(7)内部，并与声通信单元(4)、控制电路板(22)、姿态传感器(21)、步进电机(18)连接，为数据采集和传输系统提供电力支持；水密接插件(3)安装在水下耐压密封腔体(7)的上端盖(5)上，在岸上通过锂电池充电器和控制器连接水密接插件(3)对大容量锂电池包进行充电及开关控制。
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