CN111896468B - 全海深原位探测装置控制*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种全海深原位探测装置控制***，所述探测装置包括探测杆组，每组探测杆均配置有贯入数据检测机构，各组探测杆可顺次工作；所述控制***包括水上控制单元及水下控制***：数据采集单元：用于采集各组探测杆的贯入数据；控制信号生成单元：基于第一组探测杆的贯入数据，生成第一组探测杆贯入指标信息，将贯入指标与预设的贯入指标阈值比较，并在贯入指标大于或小于阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。本发明提供的海底探测***，具有多工作模式，可在探测装置沉入水底后，启动自主工作模式，探测装置根据根据探测杆贯入速度或贯入阻力，生成探测杆组的综合控制信号，根据海底环境自动执行探测任务的深海探测***。

Description

全海深原位探测装置控制***

技术领域

本发明涉及海洋探测技术领域，具体涉及一种全海深原位探测装置控制***。

背景技术

在全海深原位探测中，由于海水深度高达11000M，有缆探测装置过于繁琐，采用无缆装置探测将节约很多人力及资源，而海底原位探测装置能够正常完成既定任务，水下控制***则起到至关重要的作用，它是水下所有传感器采集***、贯入***、土力学采集***的枢纽，同时与海面上甲板单元完成通信交流，完成水面上传来的控制命令，控制电磁阀换向，土力学探杆贯入，采集数据并上传甲板单元。同时，通过水下传感器感知水下环境、舱内状态上传至甲板单元，起到水下监测作用，以保证水下作业正常进行。

由于海底环境未知，为更好的实现探测效果，对探测装置的自主控制模式具有较高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有自主作业模式，可根据海底环境自动执行探测任务的深海探测***。

为了实现上述目的，本发明一些实施例中，提供如下技术方案：

一种全海深原位探测装置控制***，用于原位探测装置的控制：

所述探测装置包括探测杆组，至少包括第一组探测杆和第二组探测杆，每组探测杆均配置有贯入数据检测机构，各组探测杆可顺次工作；

所述控制***包括水上控制单元及水下控制***：

数据采集单元：用于采集各组探测杆的贯入数据；

控制信号生成单元：基于第一组探测杆的贯入数据，生成第一组探测杆贯入指标信息，将贯入指标与预设的贯入指标阈值比较，并在贯入指标大于或小于阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

在本发明一些实施例中：贯入数据监测机构为贯入深度检测机构，贯入数据为探测杆的贯入速度，贯入指标为贯入速度值，所述控制***进一步包括：

计时器：用于对各组探测杆的工作时间计时；

所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入深度和工作时间，生成第一组探测杆的贯入速度指标；在第一组探测杆的贯入速度大于贯入速度阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

在本发明一些实施例中：所述贯入数据监测机构为贯入阻力传感器，贯入数据为贯入阻力，贯入指标为贯入阻力值，所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入阻力，生成第一组探测杆的贯入阻力指标；在第一组探测杆的贯入阻力小于贯入阻力阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

在本发明一些实施例中：所述探测装置进一步包括第三组探测杆，配置有贯入数据检测机构；所述信号单元进一步获取第二组探测杆的贯入数据，生成第二组探测杆贯入指标信息，在第二组探测杆的贯入指标大于设定阈值时，生成第三组探测杆的伸出控制信号。

在本发明一些实施例中：

所述第一组探测杆包括锥形探测杆和球形探测杆；

所述第二组探测杆包括两路十字板探测杆；

所述第三组探测杆包括两路土力学取样器。

在本发明一些实施例中：所述探测装置进一步包括抛载电机及与其连接的负重，控制***进一步被配置为，在最后一组探测杆执行完作业后，生成抛载电机的控制信号，以控制负载脱离探测装置。

在本发明一些实施例中：所述探测装置还包括行走机构，所述行走机构可接收控制***的控制信号；控制***进一步被配置为：当前一组探测杆的工作速度信号小于设定值时，控制探测装置行走至下一探测位，直至前一组探测杆的工作速度信号大于设定值。

在本发明一些实施例中：所述探测装置进一步包括用于检测探测装置距离海底距离的高度计，高度计的检测范围为a～b，其中a为高度计的最小检测距离， b为高度计的最大检测距离；

所述信号单元被配置为，采集高度计检测数据，并在高度计检测数据达到最小探测距离后，对第一组探测杆施加控制信号。

在本发明一些实施例中：所述控制***进一步被配置为设定第一阈值，所述信号单元进一步被配置为，在高度计检测数据为最小探测距离a，且该检测数据信号状态时间超过第一阈值后，对第一组探测杆施加控制信号。

在本发明一些实施例中：当探测装置运行至水面至距离海底b时，所述探测装置按第一频率将探测数据反馈至水上控制单元，当探测装置从距离海底b 运行至海底时，所述探测装置按第二频率将探测数据反馈至水上控制单元；所述第二频率大于第一频率。

在本发明一些实施例中：所述控制***进一步被配置为设定第二阈值，在高度计检测数据小于b，且该检测数据信号状态时间超过第二阈值后，启动第二频率，将探测数据反馈至水上控制单元。

如权利在本发明一些实施例中：所述控制***进一步被配置为：

探测装置运行至距水面a以上时，水上控制单元对探测装置进行控制；

探测装置运行至距水面a以下时，水下控制***对探测装置进行控制。

在本发明一些实施例中：所述深度探测机构为设置在探测杆头部的旋变解码器。

较现有技术相比，本发明技术方案的有益效果在于：本发明提供的海底探测***，具有多工作模式，可在探测装置沉入水底后，启动自主工作模式，探测装置根据根据探测杆贯入速度或贯入阻力，生成探测杆组的综合控制信号，根据海底环境自动执行探测任务的深海探测***。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明深海探测***逻辑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，术语“连接”、“通信”等，即可以指部件之间的直接连接，直接通信，也可以指部件间的间接连接，间接通信。

本发明提供一种全海深原位探测装置控制***，用于探测装置的全海深探测控制，具体为一种可自主进行海底探测作业。

其中探测***包括通信单元、探测单元及感知单元。其中，通信单元包括搭载在探测装置上的水声通信机，辅助水上水下间的通信。感知单元包括摄像头，深海高度计，方位姿态传感器，温度气压传感器，漏水传感器等，用于检测水下环境信息。探测单元，包括探测杆，用于水下探测。

具体的：

探测杆组，至少包括第一组组探测杆和第二组探测杆，每组探测杆均配置有贯入数据检测机构；在本发明一些实施例中，根据贯入数据采集的要求，贯入数据检测机构可以选择配置为贯入深度检测机构以及贯入阻力检测机构。其中，贯入深度检测机构为设置在探测杆头部的旋变解码器，可以根据探测杆贯入的转动圈数转变成探测杆的贯入深度。贯入阻力检测机构为设置在探测杆上的力传感器。

所述控制***包括水上控制单元及水下控制***，其中水下控制***采用基于ARM和FPGA的配置结构。控制***包括：

数据采集单元：用于采集各组探测杆的贯入数据；

控制信号生成单元：基于第一组探测杆的贯入数据，生成第一组探测杆贯入指标信息，将贯入指标与预设的贯入指标阈值比较，并在贯入指标大于或小于阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

以下，将详述采用探测力或贯入速度作为探测指标时，控制***具体的控制实施方式。

第一种实施方式，采用贯入深度作为探测杆的贯入指标。

贯入数据监测机构为贯入深度检测机构，贯入数据为探测杆的贯入速度，贯入指标为贯入速度值，所述控制***进一步包括：

计时器：用于对各组探测杆的工作时间计时；计时器在探测杆被启动时开始计时，探测杆贯入到指定深度后计时结束；

所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入深度和工作时间，生成第一组探测杆的贯入速度指标；在第一组探测杆的贯入速度大于贯入速度阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

具体的，在控制***内预存每一组探测杆的速度阈值，如果计算单元计算的速度小于相应探测杆组的设定速度阈值，则说明该组探测杆的贯入速度较慢，海底沉积物硬度过大，不再适合继续进行探测作业，此时，信号单元将不对下一组探测杆发出工作启动信号；相反，在探测杆组的工作速度大于设定的速度时，对下一组探测杆下发工作启动信号，第二组探测杆开始工作；需要说明的是，每组探测杆的速度阈值需要根据下一组探测杆的性能而设定，保证其下一组探测杆可以正常工作，而不受损坏。

第二种实施方式，采用贯入阻力作为探测杆的贯入指标。

贯入数据监测机构为贯入阻力传感器，贯入数据为贯入阻力，贯入指标为探测阻力值，所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入阻力，生成第一组探测杆的贯入阻力指标；在第一组探测杆的贯入阻力小于贯入阻力阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

具体的，在控制***内预存每一组探测杆的贯入阻力的阈值，如果采集到的探测杆的贯入阻力大于设定的阈值，则说明海底沉积物硬度过大，则收回已经贯入的两路探测杆。将不再贯入剩下探测杆。相反，如果探测杆的贯入阻力小于设定的阈值，则说明海底环境适宜做进一步探测，启动第二组探测杆。

在本发明一些实施例中，根据需要，还可以设计更多组的探测杆。探测装置进一步包括第三组探测杆，配置有探测深度检测机构；所述信号单元进一步获取第二组探测杆的工作速度信号，在第二组探测杆的工作速度信号小于设定值时，生成第三组探测杆的伸出控制信号。与第一组探测杆和第二组探测杆的配合工作原理相同，第三组探测杆在第二组探测杆结束工作后启动工作，其控制信号根据第二组探测杆的探测速度或者贯入阻力而设定。

在本发明一些实施例中，探测杆组的具体组成结构如下：

所述第一组探测杆包括锥形探测杆和球形探测杆；

所述第二组探测杆包括两路十字板探测杆；

所述第三组探测杆包括两路土力学取样器。

每组探测杆组和控制***之间均设置有电磁阀，对探测杆的控制信号针对相应的电磁阀发出。

工作时，首先对锥形探杆和球形探杆两组电磁阀上电，两路探杆启动工作。从开始工作时启动计时，工作到指定深度后，停止计时，计算两路探杆的工作速度。

当锥形探杆和球形探杆的工作速度大于设定阈值的情况下，控制***发送对两路十字探杆的启动信号，十字探杆启动贯入，锥形探杆和球形探杆收回。当两组十字探杆摊入到指定深度后，其中一路十字探杆的工作状态与第一组探杆相同，计算其速度值，并与设定的阈值判断，当十字探杆的贯入速度小于设定阈值时，控制两路十字探杆收回，不启动第三组探测杆；当十字探杆的贯入速度大于设定阈值时，两路十字探杆继续工作，控制***采集两路十字探杆的剪切力强度，并在工作技术后，收回，下发对第三组探测杆的控制启动信号。两路土力学取样探测杆贯入，当贯入到指定深度后，电磁阀断电，探测***工作结束。

在本发明一些实施例中：所述探测装置进一步包括抛载电机及与其连接的负重，控制***进一步被配置为，在最后一组探测杆执行完作业后，生成抛载电机的控制信号，以控制负载脱离探测装置。当抛去负载后，装置上浮，结束近底工作。

在本发明一些实施例中：所述探测装置还包括行走机构，所述行走机构可接收控制***的控制信号；控制***进一步被配置为：当前一组探测杆的工作速度信号小于设定值时，控制探测装置行走至下一探测位，直至前一组探测杆的工作速度信号大于设定值。具体的，当第一组探测杆的工作速度信号小于设定值，则表示探测装置所在位置不适宜做下一步探测，行走至下一探测位置；当第二组探测杆的工作速度信号小于设定值，同样表示探测装置所在位置不适宜做下一步探测，行走至下一探测位置。

在本发明一些实施例中：所述探测装置进一步包括用于检测探测装置距离海底距离的高度计，高度计的检测范围为a～b，其中a为高度计的最小检测距离， b为高度计的最大检测距离；本实施例中，高度计的检测范围为0.8～300米；

信号单元被配置为，采集高度计检测数据，并在高度计检测数据达到最小探测距离a后，对第一组探测杆施加控制信号。当高度计检测值为0.8m后，表示探测装置已经到达海底，可以执行探测任务。

更进一步的，为了更稳妥的进行探测任务，在本发明一些实施例中：所述控制***进一步被配置为设定第一阈值(为时间值)，所述信号单元进一步被配置为，在高度计检测数据为最小探测距离a，且该检测数据信号状态时间超过第一阈值后，对第一组探测杆施加控制信号。第一阈值为一个数量值，用于表示探测装置高度计反馈检测高度数据的次数。当高度计持续多次反馈的检测数据均为0.8m，则表示探测装置已经到达水底，没有误报，可以启动探测任务。

在本发明一些实施例中，为了保证水上控制单元可持续稳妥的获得水下探测装置的数据，当探测装置运行至水面至距离海底b时，所述探测装置按第一频率将探测数据反馈至水上控制单元，当探测装置从距离海底b运行至海底时，所述探测装置按第二频率将探测数据反馈至水上控制单元；所述第二频率大于第一频率。具体的，当探测装置在水面至距离海底300米的距离以上时，采用第一频率向水上控制单元反馈数据，具体可一分钟反馈一次数据；当运行到距离水底300米以下的距离时，采用更高的频率反馈数据，例如可一分钟反馈两次数据，可以保证可稳妥的监控水下探测装置。

这种频率的调整可采用如下方案来实现。在本发明一些实施例中：所述控制***进一步被配置为设定第二阈值(为时间值)，在高度计检测数据小于b 且大于a时，且该检测数据信号状态时间超过第二阈值后，启动第二频率，将探测数据反馈至水上控制单元。具体的，当探测装置被经由水面释放时，默认采用第一频率向水面控制端反馈数据。第二阈值与第一阈值相似，也为一个数量值，用于表示探测装置反馈检测高度数据的次数，当高度计检测数据为小于 300的数据，且持续多次反馈的检测数据均小于300时，表示探测装置已经处于近底的状态，启动第二频率向水面控制端反馈数据。

高度计还可以辅助探测装置控制模式的改变。本实施例中，探测装置的工作模式包括手动模式、自动模式和自主作业模式。

所述控制***进一步被配置为：

探测装置运行至距水面b以上时，水上控制单元对探测装置进行控制，此时探测装置工作在手动控制模式下，采用第一频率向水上控制单元反馈数据；

探测装置运行至距水面a-b的距离时，判断探测器已经处于近底位置，水上控制单元对探测装置进行控制，此时探测装置工作在自动控制模式，采用第二频率向水上控制单元反馈数据；

当探测装置运行至水底时(此时高度计的数据为a，实际位置已经位于a以下)，探测装置工作在自主工作模式，水下控制***对探测装置进行控制，采用第二频率或第三频率向水下控制***反馈数据；第三频率大于第二频率。

以下，对探测装置的工作模式进行具体说明。

探测装置进入水中分为七个阶段，装置甲板准备、下降、近底、坐底、上浮、浮出水面。

甲板准备：为水下控制***上电，装置进入手动模式各模块通信调试，装置准备投放。

下降阶段：投放后，水下控制***进入手动模式，手动模式下，水下整个装置的工作将由水上控制单元控制，这一过程从装置进入水下，下落至离海底 300米。手动模式通过水面控制端发出控制指令。探测装置端控制***通过水声通信机收到水上控制单元的控制命令，控制外接***上电、驱动、工作。探测装置端控制***核心ARM通过水声通信机串口持续接收到数据包保持***的手动工作模式，控制***ARM在装置下水后以第一频率通过水声通信串口上传数据包上传至水上控制单元，并接收数据包以维持手动模式。水下控制***一旦长时间接收不到水上控制单元发出的数据包将进入自动模式，直到再次接收到水上控制单元的数据包后再次切换至手动模式，自动模式将自行判断探测装置所处的阶段，自动启停子***。手动模式下，控制***将水下传感器测得数据通过水声通信串口上传至水上控制单元，经过操作人员判断后发出指令，***通过水声通信串口接收命令，控制ARM、FPGA为子***供电、控制子***启停。这一过程中***同步将上传的数据自动存入控制***的SD卡中。上传数据包包括：压力传感器获得的压力数据换算成装置大致深度；水声定位获得装置位置；姿态传感器获得装置姿态；电流电压检测电路获得***各路电流电压数值，温度、气压传感器传回温度气压数值，漏水比较中断传回装置是否漏水，漏水比较中断延长部分较长，置于密封舱低端，一旦漏水将迅速发送信号至ARM，ARM 将发送控制命令给FPGA启动抛载电机，防止***瘫痪无法回收装置。

近底阶段：探测装置下落至离底300-0米深度位置，控制***中高度计所测得的近底范围为0.8-300米，控制***接收高度计发来的持续近底距离数据，当控制***取到数次连续的小于300米的数据后装置进入近底阶段，控制***在手动模式下由水面上操作员控制***进入近底阶段，在自动模式下***通过高度计传回的十次小于300米数据自动跳转到近底阶段。近底阶段控制***通过水声通信串口向水上发送的数据包频率由一分钟改为更短间隔，上传数据包中数据增加高度计近底高度。同时，***为贯入***贯入电机、采集仪、摄像机供电，采集仪、摄像机进入工作状态。

坐底阶段：装置距离海底0米，***接收高度计传来的数据持续为0.8米并长时间保持不变，以此判断装置处于坐底状态，水声通信频率变为1Hz。***由手动模式/自动模式进入自主作业模式，***同时上传并存储自主作业实时数据。在自主作业模式下，各组探测杆启动探测工作。

***完成自主作业进入手动或自动模式，在所有土力学探杆均完成作业后， ARM发出控制信号，控制FPGA发出控制命令驱动抛载电机进入工作模式，抛去负载使装置上浮至水面。若在此过程中控制命令无法下达，***设置定时器，所设时长为整个下水工作全过程估算值，计时结束，抛载电机进入工作状态抛去负载，装置上浮。***控制抛载电机驱动，抛载电机启动抛去负载，若电机未能完成抛载动作，***中定时器设置为全部作业工作时间结束后自动控制抛载，双重保险。装置进入上浮状态。

上浮：装置进入上浮状态，水下控制***通过水声通信串口每隔1分钟上传一次数据包给水上控制单元。同时***同步将上传的数据自动存入控制***的SD卡中。上传数据包包括：压力传感器获得的压力数据换算成装置大致深度；水声定位获得装置位置；姿态传感器获得装置姿态；电流电压检测电路获得***各路电流电压数值，温度、气压传感器传回温度气压数值漏水比较中断传回装置是否漏水。

浮出水面：探测装置上浮至水面以上，水面上通过光信标定位，完成回收。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全海深原位探测装置控制***，用于原位探测装置的控制，其特征在于：

所述探测装置包括探测杆组，至少包括第一组探测杆和第二组探测杆，每组探测杆均配置有贯入数据监测机构，各组探测杆可顺次工作；

所述控制***包括水上控制单元及水下控制***，所述控制***包括：数据采集单元：用于采集各组探测杆的贯入数据；

控制信号生成单元：基于第一组探测杆的贯入数据，生成第一组探测杆贯入指标信息，将贯入指标与预设的贯入指标阈值比较，并在贯入指标大于或小于阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号；

所述贯入指标为贯入速度值或贯入阻力值；

所述控制信号生成单元在第一组探测杆贯入速度大于速度阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号，或，在第一组探测杆的贯入阻力值小于阻力阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号；

否则，控制探测装置行走至下一探测位；

所述探测装置进一步包括用于检测探测装置距离海底距离的高度计，高度计的检测范围为a～b，其中a为高度计的最小检测距离，b为高度计的最大检测距离；

所述信号单元被配置为，采集高度计检测数据，并在高度计检测数据达到最小探测距离后，对第一组探测杆施加控制信号；

所述第一组探测杆包括锥形探测杆和球形探测杆；

所述第二组探测杆包括两路十字板探测杆。

2.如权利要求1所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述贯入数据监测机构为贯入深度检测机构，贯入数据为探测杆的贯入速度，贯入指标为贯入速度值，所述控制***进一步包括：

计时器：用于对各组探测杆的工作时间计时；

所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入深度和工作时间，生成第一组探测杆的贯入速度指标；在第一组探测杆的贯入速度大于贯入速度阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

3.如权利要求1所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述贯入数据监测机构为贯入阻力传感器，贯入数据为贯入阻力，贯入指标为贯入阻力值，所述控制信号生成单元被配置为，对第一组探测杆施加控制信号，基于第一组探测杆的贯入阻力，生成第一组探测杆的贯入阻力指标；在第一组探测杆的贯入阻力小于贯入阻力阈值时，生成第二组探测杆的伸出信号。

4.如权利要求1或2或3所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述探测装置进一步包括第三组探测杆，配置有贯入数据监测机构；所述信号单元进一步获取第二组探测杆的贯入数据，生成第二组探测杆贯入指标信息，在第二组探测杆的贯入指标与预设的阈值比较，基于比较结果生成第三组探测杆的伸出控制信号。

5.如权利要求1或2或3所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述探测装置进一步包括抛载电机及与其连接的负重，控制***进一步被配置为，在最后一组探测杆执行完作业后，生成抛载电机的控制信号，以控制负载脱离探测装置。

6.如权利要求5所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述控制***进一步被配置为设定第一阈值，所述信号单元进一步被配置为，在高度计检测数据为最小探测距离a，且该检测数据信号状态时间超过第一阈值后，对第一组探测杆施加控制信号。

7.如权利要求5所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：当探测装置运行：自水面至距离海底b时，所述探测装置按第一频率将探测数据反馈至水上控制单元，当探测装置从距离海底b运行至海底时，所述探测装置按第二频率将探测数据反馈至水上控制单元；所述第二频率大于第一频率；

探测装置运行至距水面b以上时，水上控制单元对探测装置进行控制；

当探测装置运行至水底时，水下控制***对探测装置进行控制。

8.如权利要求6所述的全海深原位探测装置控制***，其特征在于：所述控制***进一步被配置为设定第二阈值，在高度计检测数据小于b，且该检测数据信号状态时间超过第二阈值后，启动第二频率，将探测数据反馈至水上控制单元。

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