專利名稱：海洋作業升沉補償的定位坐標系統及其定位方法
技術領域：
本發明涉及一種能在水下預定深度保持位置穩定的海洋作業升沉補償的定位坐標系統及其定位方法。屬于水下潛器的創新技術。
背景技術：
在海洋作業時，常常需要定位坐標系統作為測量基準，如在深海采礦領域，對采礦系統進行動態的升沉補償需要獲取采礦船升沉運動信號，需要定位坐標作為測量基準；在海洋環境監測領域，為獲取嚴格準確的水下定位數據，也需要定位坐標提供測量基準。現有這些領域已有的定位裝置有如下多種類型1、全球衛星定位系統(GPS)，但只能用于水面的物體定位；2、帶有錨的水下潛標，只能用于其固定深度和固定區域；3、海床基系統固定在海底，只能在其固定區域起作用；4、平臺基系統，利用海上平臺也只能在其周圍海域起作用。且由于聲、光、電信號在水中衰減較大，后三種裝置在外海、大洋或深海海域都難以采用。
發明內容
本發明的目的在于克服上述缺點而提供一種能在海水中自主下潛和上浮，能精確定位于預定的海水深度用作海洋靜止參考坐標的海洋作業升沉補償的定位坐標系統。本發明可用于浮式海洋作業升沉運動的測量坐標，既適用于淺海也適用于深海；也可用于海洋環境監測、生物資源監測領域獲取嚴格準確的重力方向的坐標。
本發明的另一目的在于提供一種使上述海洋作業升沉補償的定位坐標系統能精確定位于預定海水深度的方法。本方法響應速度快，過渡時間短，定位快速準確。
本發明的結構示意圖如附圖所示，包括有壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)及外殼(7)，其中壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)均固裝在外殼(7)上，能源裝置(6)的能源分別供給控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)，且壓力傳感器及變送器(1)的輸出端與控制器(2)的輸入端連接，控制器(2)的輸出端分別與密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)連接。
上述密度改變裝置(3)包括有彈性密封件(31)、殼體(32)、活塞(33)、傳動機構(34)、伺服電機(35)、伺服驅動器(36)，其中伺服驅動器(36)的輸入端與控制器(2)連接，輸出端與伺服電機(35)連接，伺服電機(35)與傳動機構(34)的輸入端連接，傳動機構(34)的輸出端與支承在殼體(32)上的活塞(33)連接，彈性密封件(31)設在活塞(33)的外端，且其外沿(31A)通過連接件固裝在殼體(32)上，并與殼體(32)密封連接。
上述傳動機構(34)包括有齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)，其中齒輪傳動副(34A)的主動輪與伺服電機(35)的輸出軸連接，從動輪與滾珠絲桿傳動副(34B)的絲桿連接，活塞(33)與滾珠絲桿傳動副(34B)的螺母連接，螺母與活塞(33)連接。
上述齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)及活塞(33)、彈性密封件(31)可設有若干套，對稱裝設在殼體(32)上。
上述快速到位和復位裝置(4)采用推進器，推進器可通過電力驅動裝置或液壓驅動裝置驅動。
上述外殼(7)上還固裝有信號接收和反射裝置(5)，信號接收和反射裝置(5)與控制器(2)連接。
上述能源裝置(6)可為直流電源、交流電源、氫原料電池、鋰電池或核能源。
本發明海洋作業升沉補償的定位坐標系統的定位方法，包括有如下步驟1)先測定定位坐標系統整體的體積，然后根據浮力定理調整定位坐標系統整體體積或質量使其平均密度等于水的密度；2)通過壓力傳感器測出定位坐標系統在實際深度的壓力，并將該壓力與設定深度的壓力比較得出壓差信號，使密度改變裝置(3)做出相應變化，并通過快速到位和復位裝置(4)使定位坐標系統動態穩定于設定水深處。
上述步驟2)中有下列兩種情況1)當實際壓力值大于設定的極限值時，啟動快速到位和復位裝置(4)，使之產生向上的推力，使定位坐標系統快速到達或恢復到預定位置；反之亦然；以實現位置的粗調；2)當實際的壓力值大于設定值時，密度改變裝置(3)中的活塞向外推出，增大體積，從而使定位坐標系統的平均密度減小，浮力大于其重力，定位坐標系統上升；反之亦然；經若干次反復后就能實現位置的精調。
本發明的海洋作業升沉補償的定位坐標系統通過推進器及控制其體積的變化使之能在海水中自主下潛和上浮，因此，本發明能精確定位于預定的海水深度用作海洋靜止參考坐標，既適用于淺海也適用于深海；也可用于海洋環境監測、生物資源監測領域獲取嚴格準確的重力方向的坐標。本發明克服以深海海底為坐標進行測量的缺點，無需其它平臺(如海洋石油平臺、或衛星)的支持，為海洋作業提供經濟、實用的新型參考坐標。另外，本發明的定位方法響應速度快，過渡時間短，定位快速準確。
圖1為本發明海洋作業升沉補償定位坐標系統的結構示意圖；圖2為本發明海洋作業升沉補償定位坐標系統密度改變裝置(3)的結構示意圖；圖3為本發明海洋作業升沉補償定位坐標系統的工作控制流程圖；圖4為本發明海洋作業升沉補償定位坐標系統的控制原理框圖；圖5為本發明控制器(2)的電路圖。
具體實施例方式實施例
本發明的結構示意圖如圖1所示，包括有壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)及外殼(7)，其中壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)均固裝在外殼(7)上，能源裝置(6)的能源分別供給控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)，且壓力傳感器及變送器(1)的輸出端與控制器(2)的輸入端連接，控制器(2)的輸出端分別與密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)連接。本發明中的壓力傳感器可使用市售產品。
上述密度改變裝置(3)包括有彈性密封件(31)、殼體(32)、活塞(33)、傳動機構(34)、伺服電機(35)、伺服驅動器(36)，其中伺服驅動器(36)的輸入端與控制器(2)連接，輸出端與伺服電機(35)連接，伺服電機(35)與傳動機構(34)的輸入端連接，傳動機構(34)的輸出端與支承在殼體(32)上的活塞(33)連接，彈性密封件(31)設在活塞(33)的外端，且其外沿(31A)通過連接件固裝在殼體(32)上，并與殼體(32)密封連接。彈性密封件(31)用于防水，活塞運動實現改變體積，該結構由于彈性密封件(31)緊貼活塞，活塞承受了彈性密封件(31)傳來的水壓力，故可使用較薄的彈性密封膜，以提高改變體積的響應特性，且能實現體積的精確調整。
上述傳動機構(34)包括有齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)，其中齒輪傳動副(34A)的主動輪與伺服電機(35)的輸出軸連接，從動輪與滾珠絲桿傳動副(34B)的絲桿連接，活塞(33)與滾珠絲桿傳動副(34B)的螺母連接，螺母與活塞(33)連接。
上述齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)及活塞(33)、彈性密封件(31)可分別設有若干套，對稱裝設在殼體(32)上。本實施例中，齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)及活塞(33)、彈性密封件(31)可分別設有兩套，對稱裝設在殼體(32)上。
為使本發明的海洋作業升沉補償定位坐標系統能快速到達或回復到預定深度，上述快速到位和復位裝置(4)采用推進器。本實施例中，推進器為螺旋槳。
上述推進器可通過電力驅動裝置或液壓驅動裝置。本實施例中，推進器的驅動裝置為直流減速電機。
上述外殼(7)上還固裝有信號接收和反射裝置(5)，信號接收和反射裝置(5)與控制器(2)連接。信號接收和反射裝置(5)可采用超聲接收和反射器，也可采用長波裝置等，以實現升沉運動的檢測。本實施例中，信號接收和反射裝置(5)采用超聲接收和反射器。
上述能源裝置(6)可為直流電源、交流電源、氫原料電池、鋰電池或核能源。本實施例中，能源裝置(6)為干電池。
上述海洋作業升沉補償的定位坐標系統的定位方法，包括有如下步驟1)先測定定位坐標系統整體的體積，然后根據浮力定理調整定位坐標系統整體體積或質量使其平均密度等于水的密度；2)通過壓力傳感器測出定位坐標系統在實際深度的壓力，并將該壓力與設定深度的壓力比較得出壓差信號，使密度改變裝置(3)做出相應變化，并通過快速到位和復位裝置(4)使定位坐標系統動態穩定于設定水深處。
上述步驟2)中有下列兩種情況1)當實際壓力值大于設定的極限值時，啟動快速到位和復位裝置(4)，使之產生向上的推力，使定位坐標系統快速到達(或恢復)到預定位置；反之亦然；以實現位置的粗調；2)當實際的壓力值大于設定值時，密度改變裝置(3)中的活塞向外推出，增大體積，從而使定位坐標系統的平均密度減小，浮力大于其重力，定位坐標系統上升；反之亦然；經若干次反復后就能實現位置的精調。
本發明的工作控制流程圖如圖3所示，能源裝置(6)開啟后，控制器(2)得電，并執行初始化程序使系統初始化，接著壓力傳感器檢測壓力，預處理器把壓力傳感器檢測得到的壓力信號轉換為需要的電信號，該信號送入控制器經采樣處理后獲得實際的壓力值，然后把該實際壓力值與設定值比較，接著根據差壓信號的大小作出相應的運算，得出控制值，并執行以下任務
1)若壓力超出極限值，則執行快速到位；2)若壓力不出超極限值，則執行以下任務(1)若壓力在許可范圍內，保持密度不變，并繼續檢測實際壓力；(2)若壓力不在許可范圍內，改變密度，并繼續檢測實際壓力。
在經歷若干循環后，海洋作業升沉補償定位坐標能動態穩定于設定深度。
本發明中的密度改變裝置(3)的工作過程為伺服驅動器(36)根據控制器的控制信號驅動伺服電機(35)使其速度變化；伺服電機經傳動機構(34)帶動活塞(33)改變體積，實現密度的調節。彈性密封膜(31)用于防水進入裝置內部，同時和活塞(33)完成改變體積的功能，該結構能實現體積的精確調整。
本發明中的信號接收和反射裝置(5)可實現水下測量基準的功能，如用于接收在進行海洋作業的船只等發來的聲波，然后反射回去，以實現對船只等的升沉深度的檢測。
本發明海洋作業升沉補償定位坐標系統的控制原理框圖如圖4所示，控制器(2)的電路圖如圖5所示，包括有89C52中央處理器(U1)、62256靜態RAM(U4)、74LS373鎖存器(U2)、AD574模數轉換器(U6)、8155并行口擴展器(U5)、MAX2 32PC串行通信接口(U7)及其它接口器件。其中62256靜態RAM、74LS373鎖存器用于構成89C52擴展存貯器；由于89C52并行I/O有限，8155用于擴展并行I/O；MAX232PC用于構成系統與外部進行串行通信的接口，由接頭J16引出；J15用于連接壓力傳感器與預處理器；J14用于連接超聲控制器；J13用于連接快速到位機構；J12用于連接密度調節的伺服驅動器；開關SW2re用于開機控制，開關SW2re用常閉的干簧管，下水工作前用磁鐵切斷，下水時取下磁鐵開關接通，系統開始工作；開關SW3是濕敏開關，用于檢測定位坐標系統內部的濕度，當濕度超限時，向89C52中央處理器CPU發中斷信號，使89C52中央處理器CPU向外部發出報警信號；開關SW2用于檢測定位坐標系統內部的活塞工作行程，當行程超限時，向89C52中央處理器CPU發信號，使89C52中央處理器CPU采取相應的處理；本發明中，類似SW2功能的開關可設有若干個。
權利要求
1.一種海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于包括有壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)及外殼(7)，其中壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)均固裝在外殼(7)上，能源裝置(6)的能源分別供給控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)，且壓力傳感器及變送器(1)的輸出端與控制器(2)的輸入端連接，控制器(2)的輸出端分別與密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)連接。
2.根據權利要求1所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述密度改變裝置(3)包括有彈性密封件(31)、殼體(32)、活塞(33)、傳動機構(34)、伺服電機(35)、伺服驅動器(36)，其中伺服驅動器(36)的輸入端與控制器(2)連接，輸出端與伺服電機(35)連接，伺服電機(35)與傳動機構(34)的輸入端連接，傳動機構(34)的輸出端與支承在殼體(32)上的活塞(33)連接，彈性密封件(31)設在活塞(33)的外端，且其外沿(31A)通過連接件固裝在殼體(32)上，并與殼體(32)密封連接。
3.根據權利要求2所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述傳動機構(34)包括有齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)，其中齒輪傳動副(34A)的主動輪與伺服電機(35)的輸出軸連接，從動輪與滾珠絲桿傳動副(34B)的絲桿連接，活塞(33)與滾珠絲桿傳動副(34B)的螺母連接，螺母與活塞(33)連接。
4.根據權利要求3所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述齒輪傳動副(34A)、滾珠絲桿傳動副(34B)及活塞(33)、彈性密封件(31)可設有若干套，對稱裝設在殼體(32)上。
5.根據權利要求1所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述快速到位和復位裝置(4)采用推進器，推進器可通過電力驅動裝置或液壓驅動裝置驅動。
6.根據權利要求5所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述外殼(7)上還固裝有信號接收和反射裝置(5)，信號接收和反射裝置(5)與控制器(2)連接。
7.根據權利要求1所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統，其特征在于上述能源裝置(6)可為直流電源、交流電源、氫原料電池、鋰電池或核能源。
8.一種權利要求1所述海洋作業升沉補償的定位坐標系統的定位方法，其特征在于包括有如下步驟1)先測定定位坐標系統整體的體積，然后根據浮力定理調整定位坐標系統整體體積或質量使其平均密度等于水的密度；2)通過壓力傳感器測出定位坐標系統在實際深度的壓力，并將該壓力與設定深度的壓力比較得出壓差信號，使密度改變裝置(3)做出相應變化，并通過快速到位和復位裝置(4)使定位坐標系統動態穩定于設定水深處。
9.根據權利要求8所述的海洋作業升沉補償的定位坐標系統的定位方法，其特征在于上述步驟2)中有下列兩種情況1)當實際壓力值大于設定的極限值時，啟動快速到位和復位裝置(4)，使之產生向上的推力，使定位坐標系統快速到達或恢復到預定位置；反之亦然；以實現位置的粗調；2)當實際的壓力值大于設定值時，密度改變裝置(3)中的活塞向外推出，增大體積，從而使定位坐標系統的平均密度減小，浮力大于其重力，定位坐標系統上升；反之亦然；經若干次反復后就能實現位置的精調。
全文摘要
本發明涉及一種能在水下預定深度保持位置穩定的海洋作業升沉補償的定位坐標系統及其定位方法。包括有壓力傳感器及變送器(1)、控制器(2)、密度改變裝置(3)、快速到位和復位裝置(4)、能源裝置(6)及外殼(7)。本發明的定位坐標系統通過控制密度改變裝置及快速到位和復位裝置使之能在海水中自主下潛和上浮，并動態保持在設定深度，因此，本發明能精確定位于預定的海水深度用作海洋靜止參考坐標，既適用于淺海也適用于深海；也可用于海洋環境監測、生物資源監測領域獲取嚴格準確的重力方向的坐標。本發明克服以深海海底為坐標進行測量的缺點，無需其它平臺(如海洋石油平臺、或衛星)的支持，為海洋作業提供經濟、實用的新型參考坐標。另外，本發明的定位方法響應速度快，過渡時間短，定位快速準確。
文檔編號B63C7/26GK1515460SQ03113509
公開日2004年7月28日 申請日期2003年1月6日 優先權日2003年1月6日
發明者吳百海, 龍建軍, 毛寧, 吳冉泉 申請人:廣東工業大學