CN201034622Y - 水下二维拉绳测速仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型创造提供了一种利用力矩电机恒张力原理的新型水下二维环境下的拉绳传感器。它包括测速机构和内部控制电路两个部分，测速机构包括支架、设置在支架一端的箱体和设置在箱体内的绕线轮、测速力矩电机，测速力矩电机与绕线轮同轴设置，绕线轮上的拉绳直接与被测对象相连，内部控制电路设置在箱体内，测速力矩电机电连接内部控制电路，内部控制电路电连接外部上位机控制器。本实用新型创造能够适应水下移动物体测速环境，结构简单、安装方便、性价比高，适合一般的科研需要，且经久耐用、实用性强、可扩展性强。

Description

水下二维拉绳测速仪

(一)技术领域

本发明创造涉及计量领域，具体设计水下二维环境下被测对象的速度、位移的计量。

(二)背景技术

目前，针对水下测速环境复杂、影响因素繁多，而现有的测速仪器又不能很好的达到试验要求、适应水下测速环境，要不就是造价过高一般用户承担不起，这就给一些具体的课题研究带来了很大的不便。此外市场上现有的拉绳传感器产品(例如：美国CELESCO公司生产的PT系列、德国WAYCON型)，大多数是通过一根高柔性的不锈钢芯同被测物体直接相连，应用恒力弹簧平衡原理，将直线运动转换成旋转运动，通过编码器来获得位置信息，其转动机构用的不是恒力矩电机而是恒力弹簧，这就严重影响了应用的范围，对于加速度大的情况下，可能发生不可恢复变形改变恒力，造成较大的测量误差。

(三)发明内容

本发明创造的目的在于提出一种利用力矩电机恒张力原理的新型水下二维环境下的拉绳传感器。

本发明创造的目的是这样实现的：它包括测速机构和内部控制电路两个部分，测速机构包括支架、设置在支架一端的箱体和设置在箱体内的绕线轮、测速力矩电机，测速力矩电机与绕线轮同轴设置，绕线轮上的拉绳直接与被测对象相连，内部控制电路设置在箱体内，测速力矩电机电连接内部控制电路，内部控制电路电连接外部上位机控制器。

本发明创造还有这样一些技术特征：

1、所述的支架为T字形支架，箱体固定在支架末端；

2、所述的箱体由电机支架、联轴器、绕线轮支架、外罩组成，测速力矩电机设置在电机支架上，通过联轴器同轴连接测速力矩电机与绕线轮，绕线轮设置在绕线轮支架上；

3、所述的测速力矩电机配带有光电编码器，光电编码器电连接内部控制电路；

4、所述的控制电路由主控制器电路、JTAG电路、电源模块电路、复位/晶振电路、串口电路、QEP上拉电路、I/O口电路组成，其电连接关系为：主控制器电路U1的144、1、139、142、135、90、91脚分别与JTAG电路中的1、2、3、7、11、13、14脚相连；主控制器电路U1中标号为+3.3A、+3.3、AGND、GND分别与电源模块电路中标号为+3.3A、+3.3、AGND、GND相连；主控制器电路U1中的133、11、10、123、124脚分别与复位/晶振电路中的RS#、PLLF、PLLF2、XTAL1、XTAL2脚相连；主控制器电路U1中的25、26脚分别与串口电路中的SCITXD_DSP、SCIRXD_DSP脚相连；主控制器电路U1中的83、79、88、81脚分别与QEP上拉电路中的QEP1、QEP2、QEP3、QEP4脚相连；主控制器电路U1的58、118、121、23、21、7、137、70、72、75、69、120、87、93、122、119、89、82、84脚分别与I/O口电路中的VCCP、MP/MC#、BOOT EN#、XINT1、XINT2、PDPINTA、PDPINTB、CANRXD、CANTXD、CAP3、CAP6、READY、DS、RD#、ENA_144、BIO#、WE、IS、PS脚相连；

5、所述的主控制器电路由DSP芯片及其外围电路组成，其电连接关系为：主控制器U1的73与J6的1脚相连；U1的3、28、41、49、66、76、85、95、97、125、128、140脚相连接GND；U1的4、29、42、50、67、77、86、95、129、141脚相连接+3.3；12、115、116脚接+3.3A；114、117脚接AGND；

6、所述的JTAG电路由双排插座U3和电阻R6、R7组成，电阻R6连接在插座U3的13脚EMU0端，电阻R7连接在插座U3的14脚EMU1端，U3的1脚与主控制器U1的144脚相连，U3的2脚与主控制器U1的1脚相连，U3的3脚与主控制器U1的139脚相连，U3的7脚与主控制器U1的142脚相连，U3的11脚与主控制器U1的135脚相连，U3的13脚与主控制器U1的90脚相连，U3的14脚与主控制器U1的91脚相连；

7、所述电源模块电路由电源转换芯片、电源输入端子J5、磁珠L1-L3、LED V1-V2和滤波电容C14-C21组成，电源输入端子J5连接外部电源；

8、所述复位/晶振电路由复位按键SW1，复位电阻R8，电容C8，20M无源晶振，起振电容C9、C7，锁相环外接滤波器电容C5-C6和匹配电阻R9组成；

9、所述串口电路由串口转换芯片MAX232A，串口母座J1和匹配电容C10-C13组成；

10、所述QEP上拉电路由上拉电阻R1-R4、电容C1-C4和编码器信号输入端子JP1-JP2组成；

11、所述I/O口电路由电阻R12-R21、跳线端子J2-J4、电阻R2-R3和电容C22组成。

本发明创造克服上述现有拉绳传感器恒力弹簧的变形引起张力变化而带来的测量误差、应用范围有限的缺点，其优点在于：拉绳力矩恒定，可以直接通过各种接口与上位处理器连接，提取速度/位移值，进行一系列的算法研究，可以单台使用，也可多台组网使用。本发明创造能够适应水下移动物体测速环境，结构简单、安装方便、性价比高，适合一般的科研需要，且经久耐用、实用性强、可扩展性强。

(四)附图说明

图1是本发明创造的主控制器电路原理图；

图2是本发明创造的电源模块电路原理图；

图3是本发明创造的I/O口电路原理图；

图4是本发明创造的JTAG电路原理图；

图5是本发明创造的QEP上拉电路原理图；

图6是本发明创造的串口电路原理图；

图7是本发明创造的复位/晶振电路原理图；

图8-10是本发明创造的整体结构装配图；

图11是本发明创造的第一种实施方案结构示意图；

图12是本发明创造建立坐标系的示意图；

图13是本发明创造的第二种实施方案示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明创造作进一步的说明：

实施例1：

结合图11，本实施例包括安装在陆地上的T字形支架1，在支架术端分别安装有定滑轮2、3和一台测速传感器。本方案主要是针对实验环境中作业地点和水下实验环境有高度落差时，借助支架1来调整使其拉绳和被测速对象保持在同一水平面，以保证测速的精度。将传感器中的拉绳穿过支架定滑轮连到水下被测对象上，进行速度/位移测量。

结合图8-10，测速传感器包括测速机构和内部控制电路两个部分，测速机构包括支架、设置在支架一端的箱体和设置在箱体内的绕线轮、测速力矩电机，测速力矩电机与绕线轮同轴设置，绕线轮上的拉绳直接与被测对象相连，内部控制电路设置在箱体内，测速力矩电机电连接内部控制电路，内部控制电路电连接外部上位机控制器。

其中，所述绕线轮为自制的直径为190mm，宽为30mm，材料为硬塑，内嵌V型槽，用于绕线，有效距离50m，也可根据需要加宽，加长。

所述测速力矩电机为订购北京勇光高特微电机有限公司的SYL-5E-M型电机，并配带有光电编码器，其电机参数见下表：

转子绕组绝缘电阻	≥100兆欧
		转子绕组经受耐压	500伏/1分钟
启动电压	12V
		静摩擦力矩	1N·m
峰值堵转转矩	0.49N·m
		峰值堵转电流	1.8A
峰值堵转电压	20V
		最大空载转速	500r/min

换向火花等级	≤1.5级
		连续堵转电流	1A
光电编码器输入电压	5V
		光电编码器线数	500

所述箱体由电机支架、联轴器、绕线轮支架、外罩组成。

控制电路主要由主控制器电路、JTAG电路、电源模块电路、复位/晶振电路、串口电路、QEP上拉电路、I/O口电路组成。此控制电路可同时处理2路速度信号。

结合图1，所述主控制器电路由TI公司的DSP2000系列的TMS320LF2407芯片，连接各电源、地端，标示了各引脚的网络标号组成。

结合图2，所述电源模块电路由电源转换芯片AME1117-3.3、电源输入端子J5、磁珠L1、L2、L3、LED V1、V2、滤波电容C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21组成。需输入+5V外部电源。

结合图3，所述I/O口电路由电阻R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、跳线端子J2、J3、J4、电阻R2、R3、电容C22组成。跳线J2为DSP的FLASH编程电压输入引脚，在硬件仿真时该引脚电平必须为5V，在程序下载时该引脚电平可为5V或0V，在程序下载进DSP之后运行时该引脚必须接地。通过跳线J3选择，来决定主控制芯片处于微控制器还是处理器，该引脚若为低电平时则工作在微控制器方式下，并从内部程序存储器的0000h开始程序执行；若为高电平则工作在微处理器方式下并从外部程序存储器的0000h开始程序执行。

结合图4，所述JTAG电路由一个14脚的双排插座U3和电阻R6、R7组成，电阻R6连接在插座U3的13脚EMU0端，电阻R7连接在插座U3的14脚EMU1端，其他的引脚与主控制器相应引脚连接。

结合图5，所述QEP上拉电路由上拉电阻R1、R2、R3、R4、电容C1、C2、C3、C4、编码器信号输入端子JP1、JP2组成。

结合图6，所述串口电路由串口转换芯片MAX232A、串口母座J1、匹配电容C10、C11、C12、C13组成。

结合图7，所述复位/晶振电路由复位按键SW1、复位电阻R8、电容C8、20M无源晶振、起振电容C9、C7、锁相环外接滤波器电容C5、C6、匹配电阻R9组成。

实施例2：

结合图13，本发明创造的第二种实施方案的组成包括两台测速传感器A、B、部分辅助部件组成。本方案主要是针对航行距离较远、作业环境和实验环境的高度落差可忽略不计的情况下，具体操作如下：

在横向边选取两个固定位置分别固定测速传感器，两传感器间的距离用a表示，测速传感器出绳点与水面距离h，a，h为定值。从测速传感器出来的两根绳系在被测对象浮心-重心所在垂直线上，以其中一个测速传感器为坐标原点建立大地坐标系E-ξηξ，以被测对象的重心为原点建立被测对象的运动坐标系O-xyz，各坐标轴按右手系确定。被测对象在水平面内运动，只考虑被测对象的纵向和摇艏运动，坐标系的建立如图12所示。

图中b_i、c_i分别表示两个测速传感器的绳长在水平面上的投影，P_i表示每个运动周期被测对象所处的位置，P₀为起始点，γ_i为被测对象航迹角，即被测对象运动速度与大地坐标系Eξ之间的夹角；a_i为b_i绳与η轴的夹角。l_i为P_i到P_i-1的距离，也就是被测对象的位移的大小，ψ_i为被测对象的艏向角，假设实验场地的纵向与地理的北向偏角为ΔΨ，因此在实际计算中采用ψ_i’代替ψ_i，其中ψ_i’＝ψ_i-ΔΨ。

结合图12，通过记录码盘输出的脉冲，得到电机转过的角度，根据线盘的直径，通过勾股定理，即可求得绳长在水平面上的投影b_i，c_i的值，从而确定被测对象在固定坐标系中的位置P。根据余弦定理有：

$\cos {\mathrm{\α}}_i=\frac{a^2+b_i^2-c_i^2}{2a{b}_i}$ 0＜α＜π/2

则P_i点坐标(x_i，y_i)为：

x_i＝b_isinα_i  y_i＝b_icosα_i

计算一个周期内被测对象运动的绝对位移，即被测对象的运行速度，被测对象从P_i-1到P_i走过的位移l_i为：

$l_i=\sqrt{\mathrm{\Δ}{x_i}^2+\mathrm{\Δ}{y_i}^2}$

其中：Δx_i＝x_i-x_i-1；Δy_i＝y_i-y_i-1；

据被测对象的航迹角γ，将位移分解，不同象限的航迹角公式如表所示，得到被测对象在固定坐标系的各坐标轴上的位移分量，即速度分量。

ξ轴上的速度分量为

${\stackrel{\·}{x}}_i=l_i\cos {\mathrm{\γ}}_i$

η轴上的速度分量为

${\stackrel{\·}{y}}_i=l_i\sin {\mathrm{\γ}}_i$

则被测对象在固定坐标系下水平面内的运动的速度可表示为：

${\mathrm{\η}}_{1i}=\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{x}}_i\\ {\stackrel{\·}{y}}_i\\ {\stackrel{\·}{z}}_i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{l}_i\cos {\mathrm{\γ}}_i\\ l_i\sin {\mathrm{\γ}}_i\\ 0\end{array}\right]$

整理即可得到被测对象在运动坐标系中的速度：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_i=l_i\cos {{\mathrm{\ψ}}_i}^{\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i+l_i\sin {{\mathrm{\ψ}}_i}^{\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i\\ v_i=-l_i\sin {{\mathrm{\ψ}}_i}^{\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i+l_i\cos {{\mathrm{\ψ}}_i}^{\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i\\ w_i=0\end{array}\right.$

被测对象在运动坐标系中的速度：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{u}_{i}t\\ y_i=\underset{i=1}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{v}_{i}t\\ w_i=0\end{array}\right.$

Claims (7)

1.一种水下二维拉绳测速仪，它包括测速机构和内部控制电路两个部分，其特征在于所述的测速机构包括支架、设置在支架一端的箱体和设置在箱体内的绕线轮、测速力矩电机，测速力矩电机与绕线轮同轴设置，绕线轮上的拉绳直接与被测对象相连，内部控制电路设置在箱体内，测速力矩电机电连接内部控制电路，内部控制电路电连接外部上位机控制器。

2.根据权利要求1所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的支架为T字形支架，箱体固定在支架末端。

3.根据权利要求1所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的箱体由电机支架、联轴器、绕线轮支架、外罩组成，测速力矩电机设置在电机支架上，通过联轴器同轴连接测速力矩电机与绕线轮，绕线轮设置在绕线轮支架上。

4.根据权利要求1所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的测速力矩电机配带有光电编码器，光电编码器电连接内部控制电路。

5.根据权利要求1所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的内部控制电路由主控制器电路、JTAG电路、电源模块电路、复位/晶振电路、串口电路、QEP上拉电路、I/O口电路组成，其电连接关系为：主控制器电路U1的144、1、139、142、135、90、91脚分别与JTAG电路中的1、2、3、7、11、13、14脚相连；主控制器电路U1中标号为+3.3A、+3.3、AGND、GND分别与电源模块电路中标号为+3.3A、+3.3、AGND、GND相连；主控制器电路U1中的133、11、10、123、124脚分别与复位/晶振电路中的RS#、PLLF、PLLF2、XTAL1、XTAL2脚相连；主控制器电路U1中的25、26脚分别与串口电路中的SCITXD_DSP、SCIRXD_DSP脚相连；主控制器电路U1中的83、79、88、81脚分别与QEP上拉电路中的QEP1、QEP2、QEP3、QEP4脚相连；主控制器电路U1的58、118、121、23、21、7、137、70、72、75、69、120、87、93、122、119、89、82、84脚分别与I/O口电路中的VCCP、MP/MC#、BOOT_EN#、XINT1、XINT2、PDPINTA、PDPINTB、CANRXD、CANTXD、CAP3、CAP6、READY、DS、RD#、ENA_144、BIO#、WE、IS、PS脚相连。

6.根据权利要求5所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的主控制器电路由DSP芯片及其外围电路组成，其电连接关系为：主控制器U1的73与J6的1脚相连；U1的3、28、41、49、66、76、85、95、97、125、128、140脚相连接GND；U1的4、29、42、50、67、77、86、95、129、141脚相连接+3.3；12、115、116脚接+3.3A；114、117脚接AGND。

7.根据权利要求5所述的水下二维拉绳测速仪，其特征在于所述的JTAG电路由双排插座U3和电阻R6、R7组成，电阻R6连接在插座U3的13脚EMU0端，电阻R7连接在插座U3的14脚EMU1端，U3的1脚与主控制器U1的144脚相连，U3的2脚与主控制器U1的1脚相连，U3的3脚与主控制器U1的139脚相连，U3的7脚与主控制器U1的142脚相连，U3的11脚与主控制器U1的135脚相连，U3的13脚与主控制器U1的90脚相连，U3的14脚与主控制器U1的91脚相连。

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