國土資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 胡 波 田烈余 陳春亮
海洋占地球總面積的70.8%,蘊藏著豐富的海洋資源,要開發(fā)和利用海洋,就必須了解和探索海洋。遙控水下機器人(ROV)作為先進的海洋探測工具已經(jīng)廣泛應用到海洋環(huán)境,海洋工程和海洋地質(zhì)等方面的科學考察上。目前世界上很多海洋科研機構都配備有用于科學考察的ROV系統(tǒng),如日本JAMSTEC(日本海洋技術研究中心)配備有Kaiko號ROV系統(tǒng),美國WHOI(伍茲霍爾海洋研究所)配備有JASON號ROV系統(tǒng),法國Ifremer(法國海洋開發(fā)研究院)配備有Victor 6000ROV系統(tǒng),我國的大洋一號和海洋六號船分別配備有海龍?zhí)柡秃*{號ROV系統(tǒng)。ROV不僅作為一個深潛器工具,更重要的是作為一個海洋科學考察和科學研究平臺,可以根據(jù)海洋科考的需要而配置和搭載不同的傳感儀器及取樣作業(yè)工具,為海洋探測提供了靈活多樣的技術方法。
Hysub130遙控水下機器人(Remotely Operated Vehicle,以下簡稱ROV)系統(tǒng)是國內(nèi)首套4000米級深海作業(yè)型ROV,以海洋六號船為母船,主要用于我國海洋資源調(diào)查和海洋科學調(diào)查,也可以進行水下拯救和打撈等工程作業(yè)。為了獲取海底目標點的海洋物理環(huán)境參數(shù),很有必要對ROV系統(tǒng)的功能進行擴展,以便大大提高ROV系統(tǒng)的集成作業(yè)能力。本文以Hysub130 ROV系統(tǒng)結構體系為基礎,介紹了其功能擴展。
Hysub130 ROV的控制系統(tǒng)主要是由甲板控制室和水下電子艙組成,二者之間通過臍帶纜單模光纖通過光端機進行通訊。水下電子艙cPCI計算機和甲板控制室的水面控制計算機組成基于100/1000 Base T以太網(wǎng)分布式控制體系架構,為系統(tǒng)的擴展提供接口。
常規(guī)海底傳感器比如CTD和甲烷傳感器等在ROV系統(tǒng)上的擴展應用主要包括通訊和控制三部分,Hysub130 ROV系統(tǒng)為方便用戶擴展專門設計提供了擴展電子艙,主要的功能擴展都在擴展電子艙里展開。
控制系統(tǒng)的電源擴展主要是利用ROV系統(tǒng)的備用120VAC電源在擴展電子艙里進行24伏直流電源模塊的擴展,用于給擴展傳感器及其擴展控制板供電。通訊和控制的擴展是基于ROV以太網(wǎng)分布式控制體系進行擴展,擴展電子艙通過網(wǎng)絡與主控電子艙里的光端機連接,將其內(nèi)的串口網(wǎng)絡服務器連接到ROV系統(tǒng)的控制網(wǎng)絡,通過網(wǎng)絡擴展RS232串口為傳感器及其嵌入式控制板提供通訊通道。ROV控制室內(nèi)的擴展應用上位計算機通過網(wǎng)絡來控制傳感器開關并接收其采集到的數(shù)據(jù)。擴展電子艙提供有水密接頭的擴展接口,通過水密纜及接插件連接擴展用海底傳感器。
ESP904是B&B公司專為苛刻的工業(yè)環(huán)境應用而設計的VlinxTM ESP系列以太網(wǎng)串口服務器,可自動偵測10/100Mbps以太網(wǎng)端口,支持TCP服務器、TCP客戶端、UDP、虛擬COM和配對(Pair)模式,可設置RS-232、RS-422或者RS-485端口及半/全雙工通訊方式。ESP904提供有不同的接口方式來配置以太網(wǎng)串口服務器,主要包括ESP管理器軟件、網(wǎng)頁服務器、控制臺模式和遠程登錄模式等,ESP904靈活的配置和用戶管理軟件可以很方便滿足用戶的通訊擴展需求。
為了實時接收和顯示傳感器數(shù)據(jù),在ROV控制室配置有用戶PC,因而將VLINX ESP管理器安裝在用戶PC上,運行VLINX ESP管理器后自動尋找并顯示網(wǎng)絡上所有ESP904串口服務器的名稱、IP地址、網(wǎng)絡協(xié)議、端口號及端口狀態(tài),選擇串口服務器上與傳感器設備相連接的串行端口,為了滿足傳感器設備的通訊要求,將ESP904設置為TCP服務器并配置為虛擬COM口模式,并在ESP管理器上設置與擴展傳感器設備相匹配的波特率。ESP管理器軟件中的Install Virtual COM在windows中安裝完驅動程序后,虛擬串口驅動的就是TCP或者UDP客戶端,新的COM口出現(xiàn)在計算機的Windows設備管理器中,從而在ROV控制系統(tǒng)的局域網(wǎng)中的計算機和以太網(wǎng)串口服務器的IP地址間創(chuàng)建了一個虛擬的連接,局域網(wǎng)對程序和串口設備是透明的,串口設備與PC上的物理COM口建立了直接連接。虛擬串行端口軟件將應用數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)包,并通過網(wǎng)絡發(fā)送到ESP904,ESP904將IP數(shù)據(jù)包轉換為串行數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)發(fā)送到ESP904上的串行端口。
水下變壓器提供的120VAC交流電通過Victor的FARM模塊進行過濾和整流,以滿足控制系統(tǒng)的電源需求。為考慮后期擴展設備的需求,DC-DC直流轉換模塊的輸出功率為320W@24伏,因此選擇來自于FARM模塊的輸出功率為375W(假定直流轉換模塊的效率為85%),選擇V300A24C500BL為DC-DC轉換器,提供24伏直流電源輸出。FARM模塊具有一個AC前端模塊,可兼容Vicor的300V的輸入DC-DC轉換器,以實現(xiàn)自動調(diào)節(jié),高密度和低功耗的開關電源。該模塊包括一個微控制器,可連續(xù)監(jiān)視AC控制線橋接器/倍增器操作,具有EMI濾波,能自動調(diào)節(jié)整流,限制浪涌電流和過電壓保護,用戶只需要添加的保持電容和幾個分立元件,以滿足系統(tǒng)的要求保持。
通過電源和通訊通道擴展之后,ROV控制室和水下部分之間就建立了連接,水下嵌入式控制板采用的是32位ARM芯片,主要功能是與上位機控制軟件建立通訊并執(zhí)行上位機軟件發(fā)送的命令控制CTD等傳感器設備的電源,并將電源開關狀態(tài)返回給上位機軟件。上位計算機成功安裝完ESP904驅動后,局域網(wǎng)對程序和串口設備是透明的,可以在上位計算機的設備管理器里找到擴展電子艙里的ESP904通過網(wǎng)絡虛擬的4個串口,并將其中的2個串口分別分配給傳感器和嵌入式控制板的上位機軟件。
Hysub130 ROV系統(tǒng)的功能擴展模塊集成到ROV系統(tǒng)后,通過該系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試,該擴展技術方案完全可行。隨著ROV系統(tǒng)在海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中的廣泛應用,ROV系統(tǒng)需要配置和擴展更多的傳感器和工具,該擴展接口完全能夠滿足擴展傳感器和工具的需求,為將來更多的海洋傳感器在ROV上的應用提供了技術方法參考和應用經(jīng)驗,使得ROV系統(tǒng)在我國的海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中能夠發(fā)揮更大的作用。
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