一種水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置及方法

2023-08-07 02:46:41

專利名稱：：一種水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置及方法
技術領域：
：本發明涉及一種水下機器人，具體地說是一種利用磁力開關、永磁鐵和計算機實現水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置及方法。
背景技術：
：遙控水下機器人的水下部分一般由中繼器和潛水器構成，中繼器用於將潛水器施放到水下某個作業深度，施放作業時控制中繼器上的絞車旋轉，將絞車上的系纜放出，潛水器才能以放出系纜長度為半徑的區域內作業。由於中繼器和潛水器上所有設備都處於水下，因此對於中繼器絞車上的系纜放出的長度和方向的檢測就成為一個需要解決的問題。常規的陸上用於檢測長度和方向的傳感器如光電編碼器等都不能使用，因為這些傳感器都沒有水密結構，而且也難於進行水密結構改進。傳統的方法是用系纜帶動一個從動輪，在從動輪的圓周上布置一個圓柱形永磁鐵，再在永磁鐵軸線上固定一個磁力開關，磁力開關和永磁鐵留有一定的距離，一般在10mm範圍內，磁力開關靜止，系纜帶動從動輪旋轉，永磁鐵將對磁力開關的觸點周期性的吸合。利用這一原理來採集系纜的長度脈衝，從而計算出系纜放出的長度，但這一方法，存在一定的缺陷，就是檢測不出來系纜的運動方向，系纜的長度的計數脈衝的加、減，只能靠收、放纜的命令來配合，即收纜減計數，放纜時加計數，這種長度計算方式適合於系纜嚴格按照收、放命令來進行運動時有效，但是實際情況會有這種情況發生，也就是在收纜的過程中，為了保護系纜，當系纜的張力大於某個設定值時，即使執行收纜操作，而實際系纜的運動方向是放出方向，這就導致原有的計數方法失靈，水面顯示的系纜放出長度失真，給操作人員造成誤判斷，這是非常危險的。
發明內容為了克服現有技術中存在的上述不足，本發明要解決的技術問題是提供一種簡單實用的水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置及方法，通過水下計算機進行邏輯判斷，給出準確的系纜運動方向，根據實際的運動方向來計算系纜的放出長度。為解決上述技術問題，本發明釆用的技術方案是本發明水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置安裝於水下機器人的中繼器中，具有從動輪，從動於系纜收/放機構中的大從動輪，通過繞設於大從動輪上的系纜的摩擦力轉動；兩塊永磁鐵，分別嵌設於從動輪的同心圓周上；兩個磁力開關，與水下機器人的水下計算機相連，通過支架以3非接觸式分別設於從動輪同心圓周上方，兩磁力開關通過永磁鐵時產生脈衝的上升沿具有相位差，且兩脈衝具有同時為高電平的時間段。所述磁力開關為通過水密結構封裝的幹簧管；所述磁力開關的端頭具有螺紋段，通過螺母固定於支架的上、下兩面。本發明水下機器人系纜長度及運動方向檢測方法包括以下步驟水下機器人的水下計算機根據釆集到的兩磁力開關產生的脈衝信號得到兩脈衝的狀態；對兩脈衝的狀態進行分析判斷，得出兩脈衝狀態從正轉到反轉和從反轉到正轉的兩個不同的變化狀態；根據上述變化狀態判定系纜的實際運動方向；根據上述系纜的實際運動方向，得出系纜長度脈衝的累加結果，進而得出系纜的長度；通過水麵計算機讀取系纜的實際運動方向及長度數據並顯示。本發明具有以下有益效果及優點1.結構簡單、繼承性好。本發明裝置設有兩對永磁體和磁力開關，無須其它輔助裝置，利用永磁鐵對磁力開關吸合作用，使兩磁力開關的觸點閉合與斷開產生脈衝，通過運行檢測方法軟體處理程序進行邏輯判斷及相關處理，便可方便地實現水下機器人系纜長度及運動方向的檢測。2.定向可靠，計算準確。本發明利用兩對永磁鐵及兩磁力開關在空間上的位置關係，釆用水下計算機對脈衝信號進行釆集，而獲得了兩釆集脈衝信號的相位差，為確定系纜的方向提供了可靠依據；同時對脈衝信號進行分析處理，根據系纜的運動方向計算出系纜的長度脈衝和，並算出系纜的放出長度。'3.安裝簡單，使用壽命長。本發明裝置釆用的永磁鐵和磁力開關為非接觸方式，沒有摩損，使用壽命非常長，而且永磁鐵和磁力開關之間有一定的調整距離，無須高精度的安裝要求，安裝簡單，方便實用。4.應用範圍廣。本發明不但可以應用於水下機器人，還可以應用於其它水下相關設備長度的測量，可適合於全海深檢測。圖1為水下機器人組成示意圖2為本發明檢測裝置中磁力開關的工作原理圖3A為水下機器人系纜長度檢測裝置布置主視圖3B為圖3A的俯視圖3C為水下機器人系纜長度檢測裝置永磁鐵與磁力開關位置示意圖4A為從動輪正轉時脈衝時序圖4B為從動輪反轉時脈衝時序圖5為本發明檢測方法處理程序流程圖。具體實施方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。如圖l所示，水下機器人主要包括3個部分水面單元、中繼器和潛水器，水面單元設於水面以上，通過鎧纜與中繼器相連，潛水器通過系纜與中繼器相連。鎧纜和系纜內部均有動力線、雙絞線和光纖等類型。動力線用來從水面向中繼器和潛水器傳送動力，雙絞線用來傳送數據或信號，光纖用來傳輸視頻和數據。鎧纜外面為鎧裝層，鎧纜主要起兩個作用，一個是傳輸動力和信號，另一個作用是作為承重纜，用來起吊中繼器和潛水器，水下機器人工作時是先通過施放鎧纜，將中繼器和潛水器一同施放到海下某一作業水深，潛水器脫離中繼器，同時再通過施放中繼器中的系纜，操作潛水器使它游離中繼器進行觀察和作業。系纜一般在海水中為零浮力纜，這樣潛水器工作時，系纜不會對潛水器造成較大的幹擾。如圖3A3B所示，本發明水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置安裝於中繼器的系纜收/放機構中，由永磁鐵、磁力開關、從動輪及水下計算機組成，其中從動輪5從動於系纜收/放機構中的大從動輪7,通過繞設於大從動輪7上的系纜6的摩擦力轉動；永磁鐵2為兩塊，分別嵌設於從動輪5的同心圓周上；磁力開關1為兩個，與水下計算機相連，通過支架3以非接觸式分別設於兩塊永磁鐵2的磁力作用範圍內，通過支架3以非接觸式分別設於從動輪5同心圓周上方，兩磁力開關通過永磁鐵2時產生脈衝的上升沿具有相位差，即當上述兩對永磁鐵及磁力開關中的一對磁力開關的軸線和與之對應的永磁鐵的軸線在同一直線上時，另一對磁力開關和永磁鐵的軸線不在同一直線上，而是沿從動輪5的轉動方向相差一定距離。如圖3C所示，布置在同心圓周上的兩塊永磁鐵2靠近從動輪5的外圓，第'l磁力開關的軸線與之對應的永磁鐵軸線在同一直線上，第2磁力開關的軸線和與其對應的另一個永磁鐵的軸線不在同一直線上，錯開一定的位置。本實施例以從動輪5的軸心4為圓心，並經過兩永磁鐵的圓心形成一個圓，該圓的圓周線與第2磁力開關對應的永磁鐵的外圓形成交點，第2磁力開關的軸線就在該交點上，並容許有士2mm的偏差，這樣布置，當從動輪5旋轉時，將在第1磁力開關和第2磁力開關上產生脈衝序列，兩脈衝序列的上升沿具有相位差，且兩脈衝具有同時為高電平的時間段。如圖3A所示，磁力開關1的端頭有一段螺紋，通過螺母固定於支架3的上、下兩面，同時也可以通過這兩個螺母調整磁力開關與其對應的永磁鐵的距離，使其可靠工作。如圖2所示，為磁力開關1的工作原理圖，磁力開關1實際上是將幹簧管經過硫化等工藝製成水密結構的磁敏感器件，磁力開關可直接暴露在海水中而且直接承受海水的壓力。磁力開關1與永磁鐵2為非接觸方式，永磁鐵與磁力開關的軸線作用距離通常在010mm,也就是說，在此範圍內磁力開關上的觸點能可靠動作，該信號由DI模塊進行釆集輸入到水下本發明水下機器人系纜長度及運動方向檢測方法，是通過水下機器人的水下計算機根據釆集到的兩磁力開關產生的脈衝信號得到兩脈衝的狀態時刻表，進一步簡化狀態時刻表對兩脈衝的狀態時刻表進行分析判斷，得出兩脈衝狀態從正轉到反轉和從反轉到正轉的兩個不同的變化狀態；根據上述變化狀態判定系纜的實際運動方向；根據上述系纜的實際運動方向，得出系纜長度脈衝的累加結果，進而得出系纜的長度。如圖5所示，為系纜長度和運動方向檢測方法軟體處理流程圖，該程序的流程主要是判斷第1磁力開關產生的脈衝和第2磁力開關產生的脈衝的狀態。並設置兩脈衝的狀態標誌為S，脈衝狀態標誌S的值分別為0，1和2,分別對應第l、2磁力開關所產生的脈衝狀態分別為.00,Ol和lO。具體包括以下步驟水下機器人的水下計算機根據釆集到的兩磁力開關產生的脈衝信號得到兩脈衝的狀態；判斷第l磁力開關和第2磁力開關產生的脈衝狀態是否同時為O，若是則置脈衝狀態標誌為0;接續上述步驟，或者上述步驟中判斷結果為否則，判斷第1磁力開關產生的脈衝狀態為1同時第2磁力開關產生的脈衝狀態為0嗎？，若是則繼續判斷脈衝狀態標誌為2嗎？若是，則表示第l磁力開關經歷過O,而第2磁力開關經歷過1，判定從動輪正轉，系纜脈衝和減l,並置脈衝狀態為1;接續上述步驟，或者上述步驟中兩個判斷結果均為否時，判斷第1個磁力開關的脈衝狀態為0同時第2個磁力開關產生的脈衝狀態是1嗎？若是，則繼續判斷脈衝狀態標誌是1嗎？若是，則表示第l磁力開關經歷過l，而第2磁力開關經歷過0，判定從動輪反轉，系纜脈衝和加l,並置脈衝狀態為2;接續上述步驟，或者上述步驟中兩個判斷結果均為否時，根據系纜脈衝計數和及相關係數計算出系纜的長度。本發明檢測裝置採用的檢測方法中，對兩磁力開關產生的脈衝信號的狀態以狀態時刻表的形式出現，其生成、分析及簡化過程如圖4A及4B所示，分別為從動輪5正轉及反轉時第1磁力開關和第2磁力開產生的脈衝時序圖。第1磁力開關產生的脈衝用P1表示，第2磁力開關產生的脈衝用P2表示，從圖4A及4B可以看出，當從動輪5正轉時，第l磁力開關產生的脈衝Pl的相位始終超前第2磁力開關產生的脈衝P2的相位，當從動輪5反轉時，P2脈衝相位始終超前P1脈衝的相位，根據從動輪不同轉動方向時所產生的兩個脈衝的相位關係，無論事先是否知道從動輪5的轉動方向，都能對從動輪5的實際轉動方向加'以判斷，也就能知道系纜的運動方向，依據這個方向，再對脈衝的個數進行加、減累計，累計脈衝的結果再乘被動輪的內輪圓周長得出的數值就是系纜放出的真實長度。在圖4A和4B中，選取P1、P2脈衝的一個完整的脈衝周期進行分析，為了便於計算機分析和處理，在P1、P2脈衝上取5個有代表意義的釆樣時刻，分別命名為a、b、c、d和e，高電平定義為l,低電平定義為O,並給出了一個狀態時刻表。a、b、c、d、e五個時刻第l磁力開關和第2磁力開關的狀態時刻表如下tableseeoriginaldocumentpage7從上面的時序圖可以看出正向旋轉時P1和P2的狀態時序為00-〉10->11_>01-X)0;反向旋轉時P1和P2狀態時序為00->01->11-〉10->00。比較正反轉兩個時序的差異，可以得出關鍵時序為10_>01為正轉,01->10為反轉。水下計算機通過釆集到計算機的脈衝序列進行程序處理和實現脈衝的計數和累加，得出系纜長度的累加結果，該結果通過水麵計算機進行讀取，在水面進行顯示，為操作人員提供有益的參考。權利要求1.一種水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置，安裝於水下機器人的中繼器中，其特徵在於具有從動輪(5)，從動於系纜收/放機構中的大從動輪(7)，通過繞設於大從動輪(7)上的系纜(6)的摩擦力轉動；兩塊永磁鐵(2)，分別嵌設於從動輪(5)的同心圓周上；兩個磁力開關(1)，與水下機器人的水下計算機相連，通過支架(3)以非接觸式分別設於從動輪(5)同心圓周上方，兩磁力開關通過永磁鐵(2)時產生脈衝的上升沿具有相位差，且兩脈衝具有同時為高電平的時間段。2.按權利要求1所述的水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置，其特徵在於所述磁力開關(1)為通過水密結構封裝的幹簧管。3.按權利要求1所述的水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置，其特徵在於所述磁力開關(l)的端頭具有螺紋段，通過螺母固定於支架(3)的上、下兩面。4.一種水下機器人系纜長度及運動方向檢測方法，其特徵在於包括以下步驟水下機器人的水下計算機根據釆集到的兩磁力開關產生的脈衝信號得到兩脈衝的狀態；對兩脈衝的狀態進行分析判斷，得出兩脈衝狀態從正轉到反轉和從反轉到正轉的兩個不同的變化狀態；根據上述變化狀態判定系纜的實際運動方向；'根據上述系纜的實際運動方向，得出系纜長度脈衝的累加結果，進而得出系纜的長度。5.按權利要求4所述水下系纜長度及運動方向檢測方法，其特徵在於還包括以下步驟通過水麵計算機讀取系纜的實際運動方向及長度數據並顯示。全文摘要本發明涉及一種水下機器人系纜長度及運動方向檢測裝置及方法，該裝置安裝於水下機器人的中繼器中，具有從動輪，從動於系纜收/放機構中的大從動輪；兩塊永磁鐵分別嵌設於從動輪的同心圓周上；兩個磁力開關，與水下機器人的水下計算機相連，通過支架以非接觸式分別設於從動輪同心圓周上方，兩磁力開關通過永磁鐵時產生脈衝的上升沿具有相位差，且兩脈衝具有同時為高電平的時間段。該方法包括水下計算機根據採集兩脈衝的狀態進行分析判斷，得出從正轉到反轉和從反轉到正轉的不同的變化狀態；判定系纜的實際運動方向，得出系纜長度脈衝的累加結果，進而得出系纜的長度。本發明結構簡單、繼承性好，定向可靠，計算準確，可適合於全海深檢測。文檔編號G01D5/12GK101526372SQ20081001054公開日2009年9月9日申請日期2008年3月5日優先權日2008年3月5日發明者崔勝國,王曉輝,洋趙,威郭申請人:中國科學院瀋陽自動化研究所