CN112850373B - 一种水下探测器线缆自动释放控制系统 - Google Patents

一种水下探测器线缆自动释放控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下探测器线缆自动释放控制系统。水下探测器线缆自动释放控制系统包括：用于存储线缆的存储筒、用于在存储筒打开时释放线缆并在存储筒关闭时夹紧线缆的夹紧机构、用于计时以确定线缆释放时间是否达到预设时间的计时器以及用于根据计时器的时间控制存储筒和夹紧装置的工作状态，进而控制线缆的释放或夹紧的控制器。水下探测器线缆自动释放控制系统还包括与控制器连接的计算单元。计算单元通过经验公式能够根据线缆预释放的深度计算出线缆的下落时间。本发明的水下探测器线缆自动释放控制系统实现了低成本的无级控深。

Description

一种水下探测器线缆自动释放控制系统
技术领域
本发明涉及海洋环境检测领域，尤其涉及一种水下探测器线缆自动释放控制系统。
背景技术
目前，随着人们对海洋环境的关注，针对海洋环境的检测技术也逐步成为一项重要的技术领域。海洋环境检测中通常会使用探测器，探测器与水下线缆连接，通过控制水下线缆的释放深度来控制探测器深度。现有技术中的水下线缆深度控制装置一般采用电控方式，通过对电机的控制和对应的释放曲线，实现水下无反馈的自动深度释放控制。然而，现有的电缆释放系统只能在确定的多个深度进行定点控深，只有固定的多个深度。无法实现无级控深来应对不同的使用场景，同时,现有夹紧机构和线缆存储筒的结构设计有待进一步改进，无法实现线缆在水中的流畅释放。
发明内容
本发明的目的在于提供一种水下探测器线缆自动释放控制系统，该系统既能够实现低成本的无级控深，同时也能够实现线缆在水中的流畅释放。
本发明提供了一种水下探测器线缆自动释放控制系统，水下探测器线缆自动释放控制系统包括：用于存储线缆的存储筒、用于在存储筒打开时释放线缆并在存储筒关闭时夹紧线缆的夹紧机构、用于计时以确定线缆释放时间是否达到预设时间的计时器、以及用于根据计时器的时间控制存储筒和夹紧机构的工作状态，进而控制线缆的释放或夹紧的控制器。水下探测器线缆自动释放控制系统还包括与控制器连接的计算单元。计算单元通过经验公式能够根据线缆预释放的深度计算出线缆的下落时间。
进一步地，经验公式为：
其中，m为与线缆连接的水下探测器重量；h为线缆的释放深度；t为线缆的释放时间；g为重力加速度；ρ为海水密度；V为水下探测器体积；CD为阻力系数；A为水下探测器参考面积。
进一步地，夹紧机构包括能够在控制器的控制下进行顺/逆时针转动以控制线缆释放或夹紧的电机。
进一步地，电机的内部设有：能够随所述电机进行顺时针或逆时针旋转的转动轴、第一限位开关和第二限位开关。第一限位开关设置在转动轴的一端，转动轴顺时针转动预定角度时能够触动第一限位开关，使电机断电保持。第二限位开关设置在转动轴的另一端，转动轴逆时针转动预定角度时能够触动第二限位开关，使电机断电保持。
进一步地，夹紧机构包括能够在电机的带动下进行拉伸或收缩的弹性件。存储筒的底壁上形成有用于供线缆通过并能够随弹性件的拉伸或收缩而变大或缩小的限位孔。
进一步地，夹紧机构包括设置在电机和弹性件之间的张紧皮带。
进一步地，存储筒靠近底部的侧壁上形成有水平延伸的绕线柱底板。绕线柱底板上形成有竖直向上延伸且中空的锥形绕线柱。锥形绕线柱的中心孔与限位孔同轴设置。
进一步地，锥形绕线柱上固定缠绕有线缆，线缆的线头依次经过锥形绕线柱的中心孔和底部的限位孔伸出存储筒。
进一步地，存储筒的内部设置有用于控制锥形绕线柱转动或停止的控制导线。控制导线包括电机供电线和限位开关的传感器线缆。
进一步地，存储筒包括用于保护电机供电线和限位开关的传感器线缆的控制导线引导管。电机供电线和限位开关的传感器线缆设置在控制导线引导管中。控制导线引导管为底部与绕线柱底板连接且固定在筒壁上的软管。
本发明的优点在于：（1）计算单元通过经验公式能够根据线缆预释放的深度计算出线缆的下落时间，实现了低成本的无级控深。（2）夹紧机构结构简单、占用空间小，夹紧可靠。（3）存储筒的结构简单、线缆的绕线走线方式避免了线缆释放时产生缠绕。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1为本发明水下探测器线缆自动释放控制系统的结构示意图；
图2为本发明夹紧机构的侧视图；
图3为本发明夹紧机构的俯视图；
图4为本发明存储筒的结构示意图；
图5为本发明显示了转动轴和限位开关的电机示意图；
图6为显示了深度和时间关系的现有线缆释放曲线图。
1-固定板、2-电缆接头、3-电机、A-第一限位开关、B-第二限位开关、301-皮带固定处、302-转动轴、4-输出轴、5-弹性件、6-固定块、7-运动块、8-过渡轮、9-固定轴、10-张紧皮带、100-外壳、200-锥形绕线柱、201-绕线柱底板、300-控制导线引导管、400-限位孔。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明提供了一种水下探测器线缆自动释放控制系统。系统包括控制部分和执行部分。控制部分包括控制器、计时器和计算单元。执行部分包括存储筒和夹紧机构。存储筒用于存储线缆。夹紧机构与存储筒配套使用。夹紧机构用于在存储筒打开时释放线缆并在存储筒关闭时夹紧线缆。计时器用于计时以确定线缆释放时间是否达到预设时间。控制器用于根据计时器的时间控制存储筒和夹紧机构的工作状态，进而控制线缆的释放或夹紧。水下探测器线缆自动释放控制系统还包括与控制器连接的计算单元。计算单元通过经验公式能够根据线缆预释放的深度计算出线缆的下落时间。本发明的控制系统采用了经反复试验确定的经验公式，通过控制线缆的下落时间控制线缆的释放深度，实现了在较深的海洋环境下，对线缆的低成本精确控制。
如图2-3所示，夹紧机构包括能够在控制器的控制下进行顺/逆时针转动以控制线缆释放或夹紧的电机3、在电机3的带动下进行拉伸或收缩的弹性件5以及设置在电机3和弹性件5之间的张紧皮带10。在本发明的一个具体的实施方式中，夹紧机构包括：固定板1、电缆接头2、电机3、输出轴4、弹性件5、固定块6、运动块7、过渡轮8、固定轴9以及张紧皮带10。固定板1将固定块6和电机3固定为一个整体。弹性件5的一端与固定板1的侧面固定，另一端和运动块7固定。静止状态下，弹性件5始终是张紧状态。运动块7和张紧皮带10间相互固定。张紧皮带10的一端通过过渡轮8改变作用力方向，另一端和输出轴4固定。输出轴4固定在电机3上。过渡轮8固定在固定轴9上，固定轴9和固定板1相互固定。工作时，控制器根据计时器的计时情况控制夹紧机构的工作状态，进而控制线缆在海洋中的释放深度。当计时器的时间没有达到预设时间时，控制器控制电机3顺时针转动，张紧皮带10拉紧，弹性件5拉伸并带动存储筒打开，线缆释放。当计时器的时间达到预设时间后，电机3逆时针转动，张紧皮带10放松，弹性件5收缩并带动存储筒关闭，线缆夹紧。
为了实现不同深度的定点控深以应对不同的使用场景，如图5所示，电机3的内部设有转动轴302，在转动轴302的一端设置有第一限位开关A，另一端设置有第二限位开关B。转动轴302能够随电机3进行顺时针或逆时针旋转。转动轴302顺时针转动预定角度时能够触动第一限位开关A，使电机3断电保持。转动轴302逆时针转动预定角度时能够触动第二限位开关B，使电机断电保持。这样，可以在电机正反转预定角度后将电机断电，进而可以控制线缆保持在不同的海洋深度上。
下面对存储筒的结构以及线缆存储及绕线方式进行说明。
目前，正常绕线的线缆，线缆抽线位置为侧面，线缆在绕线过程中，线桶只进行绕轴心转动，线缆随着线桶直接进行绕线。采用上述绕线方式，线缆会随着释放过程出现周向力无法释放的问题。另外，在无级变速控深时，线缆释放过程中还会存在扭转力。
为了解决上述技术问题，本发明线缆存储装置存储筒设计成如图4所示的结构。
存储筒包括外壳100、控制导线引导管300、锥形绕线柱200、绕线柱底板201以及限位孔400。限位孔400形成在存储筒的底壁上用于供线缆通过并能够随弹性件5的拉伸或收缩而变大或缩小。存储筒靠近底部的侧壁上形成有水平延伸的绕线柱底板201。绕线柱底板上形成有竖直向上延伸且中空的锥形绕线柱200。锥形绕线柱的中心孔与限位孔400同轴设置。由于锥形绕线柱中间为中空，线缆在释放过程中，线头将在锥形绕线柱上方拉出。具体地，线缆的线头可以依次经过锥形绕线柱的中心孔和底部的限位孔400伸出存储筒，为竖直方向出线，有效避免了侧向力和扭转力无法释放的问题。进一步地，线缆固定缠绕在锥形绕线柱200上。锥形绕线柱200转动一圈，线缆也随之转动一圈，避免了线缆释放时产生缠绕。
为了控制锥形绕线柱200的转动和停止，存储筒的内部设置有控制导线。控制导线包括电机供电线和限位开关的传感器线缆。控制导线与绕线柱底板201电连接。进一步地，为了保护电机供电线和限位开关的传感器线缆不受磨损，电机供电线和限位开关的传感器线缆设置在控制导线引导管中。优选地，控制导线引导管为底部与绕线柱底板连接且固定在筒壁上的软管。
控制系统的工作流程如下：（1）静止状态：存储筒内绕制完毕的线缆在线桶上方出线，线头通过锥形绕线柱的中心孔抽出。夹紧机构中，弹性件程拉紧状态，线缆通过限位孔穿出，使线缆被加紧在限位孔中。（2）根据时间确定深度：控制器通过计算单元根据经验公式的计算，确定限位孔的开启时间，之后通过控制线缆的下落时间进而控制线缆的下落深度。（3）释放线缆：控制器控制电机顺时针转动，传动皮带将弹性件拉伸，线缆通过的限位孔变大，使得线缆可以无阻力通过。当转动轴顺时针转动预定角度时，触动第一限位开关A，电机断电保持。（4）停止释放、夹紧线缆：控制器通过计时器确定线缆释放时间达到期望时间后，对电机再次通电，电机逆向导通。电机逆时针旋转，传动皮带放松，弹性件收缩，线缆通过的限位孔缩小，线缆重新进入夹紧状态。当转动轴逆时针转动预定角度时，触动第二限位开关B，电机断电保持。
进一步地，计算单元中的经验公式为：
其中，m为与线缆连接的水下探测器重量；h为线缆的释放深度；t为线缆的释放时间；g为重力加速度；ρ为海水密度；V为水下探测器体积；CD为阻力系数；A为水下探测器参考面积。
下面对经验公式的推导过程进行详细的说明。
探测器的信号采集仓在下沉过程中，受到水的浮力、阻力以及自身重力的影响，其下潜速度是一个变加速到匀速的过程。其中，水的浮力和信号采集仓自身的重力都可看作固定不变的常量，其合力竖直向下。为了便于分析，假设信号采集仓的重量为。信号采集仓受到重力和浮力的合力竖直向下，大小与浮力相等将其称为下沉合力/>：
其中，V为信号采集仓的体积，g为重力加速度，为海水的密度。之后的分析只需要考虑这个合力和水的阻力的影响。而水的阻力则可以用下式描述：/>
其中，为海水对信号采集仓的阻力；/>为海水的密度；/>为浮标采集仓的下沉速度；/>为阻力系数，是一个无量纲量，若信号采集仓为长圆柱体，且竖直向下释放，则其迎水面为圆形，阻力系数为0.82。/>为参考面积，对于圆柱状信号采集仓而言，其参考面积为圆柱体的上下表面积，是一个圆形。可以看出，水的阻力随着速度的增加快速增大，可以很快达到和/>相等，此时，信号采集仓竖直方向的加速度为零，为匀速运动。稳定时，其下潜速度可通过下式计算：/>
其中，V=HA，A为圆柱上下表面积，H为圆柱体的高度，则可求得计算后稳定速度v为：
根据力和加速度公式，确定水中的加速度大小为：
其中，a为当前时刻的加速度，加速度大小为速度v的导数，求解微分方程获得当前时刻的速度：
其中，、/>、/>、/>都可视为一个固定的常数；
，所以最后求得公式为：
当t=0时，h=0，=0时，通过对公式进行积分，可以确定高度和时间之间的关系。假设现有设计的信号采集仓高度为：0.06m，上下表面积A为：/>；阻力系数为：0.82，重力加速度为：/>，则计算得到速度为：4.89 m/s。若海峡深度为：2000m，则下潜的时间为：400秒左右。由于信号采集仓的速度稳定过程所用时间远远小于这个下潜时间，所以在此可以忽略其变速过程的影响。根据上述设计，假设使用的信号采集仓的重量为：2.3kg，信号采集仓对应的尺寸结构为：圆柱体，圆柱体上下表面的面积A为：/>，信号采集仓的高度H为：0.04m，阻力系数/>为：0.82，则，最后可获得近似的经验公式。
图6为显示了深度和时间关系的现有线缆释放曲线图。通过现有释放曲线，通过经验公式深度和时间的关系，可以获得在实际线缆释放过程中预计的释放时间。考虑探测器信号采集仓的舱体一般在水下40~500m之间。通过线缆可以将当前深度信息回传至水面的控制单元。在现有的使用中，由于深度传感器舱体和深度传感器到达位置较深，多采用闭环控制。由于需要将深度信息反馈回传至深度控制系统，需要增加配备相应的通讯线缆、配备和深度传感器相应的供电和电池模块，整体成本将有较大增加。因此，在低成本的无人信号采集装置中使用高成本的闭环控制没有太多价值。本发明使用了开环控制方式，通过反复试验确定了经验公式，对水下探测器实现了低成本的精确控制。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例， 而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述水下探测器线缆自动释放控制系统包括：
存储筒，用于存储线缆；
夹紧机构，用于在所述存储筒打开时释放线缆，并在所述存储筒关闭时夹紧线缆；
计时器，用于计时以确定线缆释放时间是否达到预设时间；
控制器，用于根据所述计时器的时间控制所述存储筒和夹紧机构的工作状态，进而控制线缆的释放或夹紧；
其中，所述水下探测器线缆自动释放控制系统还包括与所述控制器连接的计算单元，所述计算单元通过经验公式能够根据线缆预释放的深度计算出线缆的下落时间，其中所述经验公式为：
其中，m为与线缆连接的水下探测器重量；
h为线缆的释放深度；
t为线缆的释放时间；
g为重力加速度；
ρ为海水密度；
V为水下探测器体积；
CD为阻力系数；
A为水下探测器参考面积。
2.根据权利要求1所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述夹紧机构包括能够在所述控制器的控制下进行顺/逆时针转动以控制线缆释放或夹紧的电机（3）。
3.根据权利要求2所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述电机的内部设有：
转动轴（302），能够随所述电机进行顺时针或逆时针旋转；
第一限位开关（A），设置在所述转动轴的一端，所述转动轴顺时针转动预定角度时能够触动所述第一限位开关，使所述电机断电保持；
第二限位开关（B），设置在所述转动轴的另一端，所述转动轴逆时针转动预定角度时能够触动所述第二限位开关，使所述电机断电保持。
4.根据权利要求2所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述夹紧机构包括能够在所述电机的带动下进行拉伸或收缩的弹性件（5）；所述存储筒的底壁上形成有用于供线缆通过并能够随所述弹性件的拉伸或收缩而变大或缩小的限位孔（400）。
5.根据权利要求4所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述夹紧机构包括设置在所述电机和所述弹性件之间的张紧皮带（10）。
6.根据权利要求4所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述存储筒靠近底部的侧壁上形成有水平延伸的绕线柱底板（201）；所述绕线柱底板上形成有竖直向上延伸且中空的锥形绕线柱（200）；所述锥形绕线柱的中心孔与所述限位孔同轴设置。
7.根据权利要求6所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述锥形绕线柱上固定缠绕有线缆，所述线缆的线头依次经过所述锥形绕线柱的中心孔和底部的限位孔伸出所述存储筒。
8.根据权利要求7所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述存储筒的内部设置有用于控制所述锥形绕线柱转动或停止的控制导线；所述控制导线包括电机供电线和限位开关的传感器线缆。
9.根据权利要求8所述的水下探测器线缆自动释放控制系统，其特征在于，所述存储筒包括用于保护电机供电线和限位开关的传感器线缆的控制导线引导管（300）；所述电机供电线和限位开关的传感器线缆设置在所述控制导线引导管中；所述控制导线引导管为底部与绕线柱底板连接且固定在筒壁上的软管。
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