CN112265603B - 一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法：包括高耐压玻璃球舱、泵油单元、单向阀、四位五通球阀、三位三通球阀、二位二通球阀、一号高扭矩舵机、二号高扭矩舵机、三号高扭矩舵机、油量检测单元、无线数据传输模块、姿态传感器、嵌入式控制单元、内油缸、五通转接头、四个外油囊；泵油单元包括柱塞泵与直流减速电机，柱塞泵连接管路并伸入内油缸，连接单向阀，单向阀一路连接二位二通球阀，一路连接三位三通球阀，二位二通球阀连接管路并伸入内油缸，三位三通球阀连接四位五通球阀；四个外油囊分别连接四位五通球阀。本发明以降低配平操作复杂度、提高浮标配平自动化水平，同时保证浮标运动过程的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及剖面测量浮标浮力调节系统及方法，更具体的说，是涉及一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法。
背景技术
剖面测量浮标在投放前，技术人员会根据浮标的排水体积、质量以及海水密度增减配重，以实现浮标在初始投放状态下完全浸没并悬浮于海平面以下。但浮标的体积、质量以及海水密度的测量精度误差会导致技术人员在增减配重的过程中存在过配或少配情况发生，这将导致浮标无法按照要求完成指定深度范围的运动。
由于技术人员在增减配重时无法精确控制浮标重心，重心的偏移会导致剖面测量浮标在水中无法保持水平状态，从而导致浮标内部元件对仪器舱施加的力不均匀，而且内部管路可能因此受力，使得浮标内部元件的可靠性和稳定性下降。同时，剖面测量浮标外形设计时的阻尼系数是按照水平状态上浮和下潜运动设计的，浮标的倾斜可能会造成运动过程中所受阻力偏离预期。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法，以降低配平操作复杂度、提高浮标配平自动化水平，同时保证浮标运动过程的稳定性。
本发明的目的可通过以下技术方案实现。
本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统，包括高耐压玻璃球舱，所述高耐压玻璃球舱内侧设置有泵油单元、单向阀、四位五通球阀、三位三通球阀、二位二通球阀、一号高扭矩舵机、二号高扭矩舵机、三号高扭矩舵机、油量检测单元、无线数据传输模块、姿态传感器、嵌入式控制单元、内油缸、五通转接头，所述高耐压玻璃球舱外侧等间距对称设置有四个外油囊；
所述泵油单元包括通过联轴器相连接的柱塞泵与直流减速电机，所述柱塞泵进油口连接管路并伸入内油缸内底处，所述柱塞泵出油口通过管路连接单向阀入口，所述单向阀出口分为两路，一路通过管路连接二位二通球阀的P3口，一路通过管路连接三位三通球阀的P1口，所述二位二通球阀的T3口连接管路并伸入内油缸内底处，所述三位三通球阀的A1口连接四位五通球阀的P2口，所述三位三通球阀的B1口连接五通转接头的其中一个端口；四个外油囊一端口分别连接四位五通球阀的A2、B2、C2、D2口，另一端口分别连接五通转接头的其余四个端口；
所述一号高扭矩舵机与三位三通球阀通过联轴器相连，所述二号高扭矩舵机与四位五通球阀通过联轴器相连，所述三号高扭矩舵机与二位二通球阀通过联轴器相连，所述一号高扭矩舵机、二号高扭矩舵机、三号高扭矩舵机、直流减速电机均与嵌入式控制单元电连接；所述油量检测单元与内油缸内部的活塞相连，与嵌入式控制单元通过数据线相连，所述姿态传感器水平安装在高耐压玻璃球舱内部，与嵌入式控制单元通过数据线相连，所述无线数据传输模块通过插接件连接到嵌入式控制单元。
所述三位三通球阀通过一号高扭矩舵机控制实现一进两出的流向且保证单一出口导通或两路均截止；所述四位五通球阀通过二号高扭矩舵机驱动控制实现一进四出的流向并且实现球阀在各个位置保持单个通路；所述二位二通球阀通过三号高扭矩舵机驱动控制实现自身导通和截止状态的切换。
本发明的目的还可通过以下技术方案实现。
本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的浮力调节方法，包括三个阶段：水面调平阶段、排油上浮阶段、回油下潜阶段；
第一种阶段：水面调平阶段
水面调平阶段包括调节水平和配平悬浮两个过程，步骤包括：
S1：在将剖面测量浮标投放入海前对浮标进行粗略配平，配平完成后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机使得P1-B1路导通，此时P1-A1路、P3-T3路处于截止状态，泵油单元将内油缸中油量的30％同时均匀泵入到四个外油囊中保证外油囊中的起始调节油量；
S2：技术人员将剖面测量浮标投放入海，此时浮标应处于漂浮出水面的状态；
S3：姿态传感器测量浮标倾斜状态，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1路导通实时液压系统切换到单油囊泵油模式；
S4：嵌入式控制单元根据姿态传感器测量的横滚角和俯仰角信息控制二号高扭矩舵机切换P2-(A2/B2/C2/D2)路导通，泵油系统向倾斜侧油囊排油，排油量根据姿态传感器数据计算得出并实时调整，浮标调节平衡后嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1、P1-B1路进入截止状态，调节水平阶段结束；
S5：根据浮标状态设置回油油量并通过无线数据传输模块发送给嵌入式控制单元，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路和P3-T3路导通，外油囊液压油在外界压力的作用下回到内油缸中；
S6：剖面测量浮标完全浸没于水中并保持悬浮状态时配平悬浮阶段结束，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路、P1-A1路和P3-T3路全部进入截止状态；
第二种阶段：排油上浮阶段
S1：P3-T3路保持截止状态，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-B1路导通，泵油单元开启泵油，将内油缸中的液压油同时均匀的泵入到外油囊中，外油囊体积以相同的速度增大，浮标所受的浮力增大；
S2：油量检测单元检测排油量达到预期值后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1路、P1-B1路均截止；
S3：浮标上浮过程中，姿态传感器实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机和二号高扭矩舵机，保证倾斜侧外油囊排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定上浮的运动状态；
第三种阶段：回油下潜阶段
S1：嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路、P3-T3路导通，外油囊中的液压油分别回到内油缸中，各外油囊体积以相同的速度减小，浮标所受的浮力减小；
S2：油量检测单元检测回油量达到预期值后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-A1路、P1-B1路、P3-T3路均截止；
S3：浮标下潜过程中，姿态传感器实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机和二号高扭矩舵机，保证倾斜侧外油囊排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定下潜的运动状态。若调节水平过程中排油量影响到下潜速度，则浮标将重复上述回油下潜过程。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
在剖面测量浮标的水面配平悬浮以及调节水平阶段，技术人员可在上位机主控单元通过无线数据传输模块与剖面测量浮标的嵌入式控制单元进行无线数据通信，操控高扭矩舵机、泵油单元从而控制排油量、回油量，同时可以实时检测浮标倾斜程度并针对性的控制倾斜侧外油囊油量；在剖面测量浮标的排油上浮和回油下潜阶段，嵌入式控制单元可自行控制高扭矩舵机以及泵油单元控制外油囊油量使得剖面测量浮标正常完成上浮和下潜动作，有效保证剖面测量浮标运动过程的平稳状态，维持阻尼系数。本发明可有效降低对配重安装位置的精度要求以及海上配平操作技术要求，提高剖面测量浮标的自动化程度。
本发明提出的可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法，其基于嵌入式开发平台，结合特殊的油路设计，可实现剖面测量浮标的自动调平水平、配平悬浮以及上浮下潜的浮力调节，有效保证剖面测量浮标运动过程的平稳状态，维持阻尼系数，降低对配重安装位置的精度要求，提高海上配平操作的自动化水平。
附图说明
图1是本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的结构原理图；
图2是本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的三维等轴测图；
图3是本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的三维仰视图；
图4是本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的结构示意图。
附图标记：1油量检测单元，2内油缸，3姿态传感器，4嵌入式控制单元，5二号高扭矩舵机，6三号高扭矩舵机，7一号高扭矩舵机，8五通转接头，9三位三通球阀，10四位五通球阀，11二位二通球阀，12直流减速电机，13单向阀，14柱塞泵，15外油囊，16二通转接头。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
技术人员在对剖面测量浮标进行增减配重的过程中，由于浮标的体积、质量以及海水密度的测量精度误差的存在，会导致过配或少配情况发生，导致浮标无法按照要求完成指定深度范围的运动，且技术人员在增减配重时无法精确控制浮标重心，重心的偏移会导致剖面测量浮标在水中无法保持水平状态，使得浮标内部元件的可靠性下降。基于上述背景，本发明设计了一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统及方法，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如图1至图4所示，本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统，包括高耐压玻璃球舱，所述高耐压玻璃球舱内侧设置有泵油单元、单向阀13、四位五通球阀10、三位三通球阀9、二位二通球阀11、一号高扭矩舵机7、二号高扭矩舵机5、三号高扭矩舵机6、油量检测单元1、无线数据传输模块、姿态传感器3、嵌入式控制单元4、内油缸2、五通转接头8，所述高耐压玻璃球舱外侧等间距对称设置有四个外油囊15，外油囊15通过二通转接头16与球舱内部管件相连。
所述泵油单元包括通过联轴器相连接的柱塞泵14与直流减速电机12，所述柱塞泵14进油口连接管路并伸入内油缸2内底处，所述柱塞泵14出油口通过管路连接单向阀13入口，单向阀13可控制出油管路单一排油流向，防止回流；所述单向阀13出口分为两路，一路通过管路连接二位二通球阀11的P3口，一路通过管路连接三位三通球阀9的P1口，所述二位二通球阀11的T3口连接管路并伸入内油缸2内底处，所述三位三通球阀9的A1口连接四位五通球阀10的P2口，所述三位三通球阀9的B1口连接五通转接头8的其中一个端口。四个外油囊15一端口分别连接四位五通球阀10的A2、B2、C2、D2口，另一端口分别连接五通转接头8的其余四个端口。其中，五通转接头8为进出油口，可实现一进四出或四进一出的功能。
所述一号高扭矩舵机7与三位三通球阀9通过联轴器相连，可驱动三位三通球阀9控制切换单侧外油囊排油和外油囊均匀等量排油的功能；所述三位三通球阀9通过一号高扭矩舵机7驱动控制实现一进两出的流向且保证单一出口导通或两路均截止。所述二号高扭矩舵机5与四位五通球阀10通过联轴器相连，可驱动四位五通球阀10控制四个外油囊出油口U1、U2、U3、U4的通断，每个位置保证一路导通其他三路截止，以实现向倾斜侧外油囊15排油调节浮标水平的功能；所述四位五通球阀10可通过二号高扭矩舵机5驱动控制实现一进四出的流向并且可实现球阀在各个位置保持单个通路。所述三号高扭矩舵机6与二位二通球阀11通过联轴器相连，可驱动二位二通球阀11控制回油路导通、截止实现回油和停止回油的功能；所述二位二通球阀11通过三号高扭矩舵机6驱动控制实现自身导通和截止状态的切换。所述一号高扭矩舵机7、二号高扭矩舵机5、三号高扭矩舵机6、直流减速电机12均与嵌入式控制单元4电连接。所述油量检测单元1与内油缸2内部的活塞相连，与嵌入式控制单元4通过数据线相连，用于检测浮标实际排油、回油量。所述姿态传感器3水平安装在高耐压玻璃球舱内部，与嵌入式控制单元4通过数据线相连，将检测到的浮标姿态信息实时传输给嵌入式控制单元4。所述无线数据传输模块通过插接件连接到嵌入式控制单元4。所述姿态传感器3可实时测量浮标体的姿态，嵌入式控制单元4可根据姿态传感器3测量的姿态数据选择特定通路控制泵油单元向倾斜侧外油囊排油使得浮标在运动过程中时刻处于水平状态；所述嵌入式控制单元4可根据油量检测单元1检测到的油量信息切换高扭矩舵机状态以切换排油、回油以及截止等状态。
本发明可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的浮力调节方法，包括三个阶段：水面调平阶段、排油上浮阶段、回油下潜阶段；
第一种阶段：水面调平阶段
水面调平阶段包括调节水平和配平悬浮两个过程，步骤包括：
S1：技术人员在将剖面测量浮标投放入海前对浮标进行粗略配平，配平完成后，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7使得P1-B1路导通，此时P1-A1路、P3-T3路处于截止状态，泵油单元将内油缸2中油量的30％同时均匀从N1、N2、N3、N4口泵入到四个外油囊中保证外油囊中的起始调节油量；
S2：技术人员将剖面测量浮标投放入海，此时浮标应处于漂浮出水面的状态；
S3：姿态传感器3测量浮标倾斜状态，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7实现P1-A1路导通实时液压系统切换到单油囊泵油模式；
S4：嵌入式控制单元4根据姿态传感器3测量的横滚角和俯仰角信息控制二号高扭矩舵机5切换P2-(A2/B2/C2/D2)路导通，泵油系统向倾斜侧油囊排油，排油量根据姿态传感器3数据计算得出并实时调整，浮标调节平衡后嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7实现P1-A1、P1-B1路进入截止状态，调节水平阶段结束；
S5：技术人员根据浮标状态设置回油油量并通过无线数据传输模块发送给嵌入式控制单元4，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7和三号高扭矩舵机6实现P1-B1路和P3-T3路导通，外油囊15液压油在外界压力的作用下回到内油缸2中；
S6：剖面测量浮标完全浸没于水中并保持悬浮状态时配平悬浮阶段结束，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7和三号高扭矩舵机6实现P1-B1路、P1-A1路和P3-T3路全部进入截止状态。
第二种阶段：排油上浮阶段
S1：P3-T3路保持截止状态，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7实现P1-B1路导通，泵油单元开启泵油，将内油缸2中的液压油同时均匀的通过N1、N2、N3、N4口泵入到外油囊15中，外油囊15体积以相同的速度增大，浮标所受的浮力增大；
S2：油量检测单元1检测排油量达到预期值后，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7实现P1-A1路、P1-B1路均截止；
S3：浮标上浮过程中，姿态传感器3实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元4根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机7和二号高扭矩舵机5，保证倾斜侧外油囊15排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定上浮的运动状态。
第三种阶段：回油下潜阶段
S1：嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7和三号高扭矩舵机6实现P1-B1路、P3-T3路导通，外油囊15中的液压油分别通过N1、N2、N3、N4口由B1-P1-P3-T3路径回到内油缸2中，各外油囊15体积以相同的速度减小，浮标所受的浮力减小；
S2：油量检测单元1检测回油量达到预期值后，嵌入式控制单元4控制一号高扭矩舵机7和三号高扭矩舵机6实现P1-A1路、P1-B1路、P3-T3路均截止；
S3：浮标下潜过程中，姿态传感器3实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元4根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机7和二号高扭矩舵机5，保证倾斜侧外油囊排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定下潜的运动状态。若调节水平过程中排油量影响到下潜速度，则浮标将重复上述回油下潜过程。
尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统，其特征在于，包括高耐压玻璃球舱，所述高耐压玻璃球舱内侧设置有泵油单元、单向阀、四位五通球阀、三位三通球阀、二位二通球阀、一号高扭矩舵机、二号高扭矩舵机、三号高扭矩舵机、油量检测单元、无线数据传输模块、姿态传感器、嵌入式控制单元、内油缸、五通转接头，所述高耐压玻璃球舱外侧等间距对称设置有四个外油囊；
所述泵油单元包括通过联轴器相连接的柱塞泵与直流减速电机，所述柱塞泵进油口连接管路并伸入内油缸内底处，所述柱塞泵出油口通过管路连接单向阀入口，所述单向阀出口分为两路，一路通过管路连接二位二通球阀的P3口，一路通过管路连接三位三通球阀的P1口，所述二位二通球阀的T3口连接管路并伸入内油缸内底处，所述三位三通球阀的A1口连接四位五通球阀的P2口，所述三位三通球阀的B1口连接五通转接头的其中一个端口；四个外油囊一端口分别连接四位五通球阀的A2、B2、C2、D2口，另一端口分别连接五通转接头的其余四个端口；
所述一号高扭矩舵机与三位三通球阀通过联轴器相连，所述二号高扭矩舵机与四位五通球阀通过联轴器相连，所述三号高扭矩舵机与二位二通球阀通过联轴器相连，所述一号高扭矩舵机、二号高扭矩舵机、三号高扭矩舵机、直流减速电机均与嵌入式控制单元电连接；所述油量检测单元与内油缸内部的活塞相连，与嵌入式控制单元通过数据线相连，所述姿态传感器水平安装在高耐压玻璃球舱内部，与嵌入式控制单元通过数据线相连，所述无线数据传输模块通过插接件连接到嵌入式控制单元。
2.根据权利要求1所述的可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统，其特征在于，所述三位三通球阀通过一号高扭矩舵机控制实现一进两出的流向且保证单一出口导通或两路均截止；所述四位五通球阀通过二号高扭矩舵机驱动控制实现一进四出的流向并且实现球阀在各个位置保持单个通路；所述二位二通球阀通过三号高扭矩舵机驱动控制实现自身导通和截止状态的切换。
3.一种上述权利要求1或2所述可自动调平式剖面测量浮标浮力调节系统的浮力调节方法，其特征在于，包括三个阶段：水面调平阶段、排油上浮阶段、回油下潜阶段；
第一种阶段：水面调平阶段
水面调平阶段包括调节水平和配平悬浮两个过程，步骤包括：
S1：在将剖面测量浮标投放入海前对浮标进行粗略配平，配平完成后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机使得P1-B1路导通，此时P1-A1路、P3-T3路处于截止状态，泵油单元将内油缸中油量的30％同时均匀泵入到四个外油囊中保证外油囊中的起始调节油量；
S2：技术人员将剖面测量浮标投放入海，此时浮标应处于漂浮出水面的状态；
S3：姿态传感器测量浮标倾斜状态，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1路导通实时液压系统切换到单油囊泵油模式；
S4：嵌入式控制单元根据姿态传感器测量的横滚角和俯仰角信息控制二号高扭矩舵机切换P2-(A2/B2/C2/D2)路导通，泵油系统向倾斜侧油囊排油，排油量根据姿态传感器数据计算得出并实时调整，浮标调节平衡后嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1、P1-B1路进入截止状态，调节水平阶段结束；
S5：根据浮标状态设置回油油量并通过无线数据传输模块发送给嵌入式控制单元，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路和P3-T3路导通，外油囊液压油在外界压力的作用下回到内油缸中；
S6：剖面测量浮标完全浸没于水中并保持悬浮状态时配平悬浮阶段结束，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路、P1-A1路和P3-T3路全部进入截止状态；
第二种阶段：排油上浮阶段
S1：P3-T3路保持截止状态，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-B1路导通，泵油单元开启泵油，将内油缸中的液压油同时均匀的泵入到外油囊中，外油囊体积以相同的速度增大，浮标所受的浮力增大；
S2：油量检测单元检测排油量达到预期值后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机实现P1-A1路、P1-B1路均截止；
S3：浮标上浮过程中，姿态传感器实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机和二号高扭矩舵机，保证倾斜侧外油囊排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定上浮的运动状态；
第三种阶段：回油下潜阶段
S1：嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-B1路、P3-T3路导通，外油囊中的液压油分别回到内油缸中，各外油囊体积以相同的速度减小，浮标所受的浮力减小；
S2：油量检测单元检测回油量达到预期值后，嵌入式控制单元控制一号高扭矩舵机和三号高扭矩舵机实现P1-A1路、P1-B1路、P3-T3路均截止；
S3：浮标下潜过程中，姿态传感器实时检测浮标姿态，嵌入式控制单元根据浮标姿态控制一号高扭矩舵机和二号高扭矩舵机，保证倾斜侧外油囊排油路导通，泵油单元开启向倾斜侧外油囊泵油，使得浮标保持稳定下潜的运动状态；若调节水平过程中排油量影响到下潜速度，则浮标将重复上述回油下潜过程。
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