中國海洋大學(xué)船舶中心 黃 磊 宋振杰 袁志偉

多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)的研發(fā)

中國海洋大學(xué)船舶中心 黃 磊 宋振杰 袁志偉

多波束姿態(tài)傳感器由航向航速突變及船體共振引發(fā)的瞬時(shí)加速度，會對多波束姿態(tài)傳感器測量精度產(chǎn)生極大影響，甚至導(dǎo)致機(jī)械性損毀。針對多波束傳感器使用過程中出現(xiàn)的瞬時(shí)加速度現(xiàn)象，研發(fā)出一種由加速度計(jì)和空氣阻尼機(jī)械臂組成的保護(hù)系統(tǒng)，對傳感器實(shí)施有效的保護(hù)，避免儀器使用過程中的損毀。

多波束姿態(tài)傳感器；瞬時(shí)加速度；空氣阻尼機(jī)械臂

1. 引言

海底地形地貌資料是海洋測繪工作中重要的勘測內(nèi)容，多波束調(diào)查是基于海洋調(diào)查船等載體實(shí)施的條帶式全覆蓋、高精度測量。由于多波束姿態(tài)傳感器在自我保護(hù)上存在很大缺陷，在實(shí)際的作業(yè)甚至運(yùn)輸過程中易發(fā)生精度下降甚至機(jī)械性損毀事故（光纖羅經(jīng)或加速度計(jì)的位移），影響測量工作的進(jìn)行，造成不可估量的損失。多波束姿態(tài)傳感器由光纖羅經(jīng)和加速度計(jì)等組成，分別測量當(dāng)?shù)氐牡厍蛐D(zhuǎn)角速度矢量（確定南北軸向）和當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣龋ㄓ纱怪陛S向確定水平面）等。將地球旋轉(zhuǎn)角速度矢量投影到水平面上，就可得到北方向；重力加速度的三個(gè)軸向分量可確定縱搖和橫搖等數(shù)據(jù)。為有效減少分離坐標(biāo)系軸系間偏差帶來的影響，常規(guī)做法是將多波束姿態(tài)傳感器與船體重心一體化安裝。針對船舶航向航速突變及船體共振等情況，設(shè)計(jì)多波束傳感器保護(hù)系統(tǒng)，避免突發(fā)意外造成的儀器損毀。

2. 多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)

多波束姿態(tài)傳感器在測量過程中與船體重心時(shí)刻保持一體化狀態(tài)，其正常工作環(huán)境的瞬時(shí)加速度必須小于10倍重力加速度。當(dāng)航向航速突變或船體共振導(dǎo)致的瞬時(shí)加速度超過限定值時(shí)，傳感器內(nèi)部的光纖羅經(jīng)或加速度計(jì)的位移會導(dǎo)致精度降低甚至機(jī)械性損毀，這對于海底地形地貌測量數(shù)據(jù)的精確性是致命的打擊。在傳感器的橫、縱向位置安裝外部加速度計(jì)，當(dāng)外部加速度計(jì)數(shù)值到49m/s2時(shí)，就發(fā)出一級預(yù)警，提醒工作人員注意，如果海況持續(xù)惡劣應(yīng)該停止采集，做好人工防范和保護(hù)工作，消除警報(bào)。當(dāng)外部加速度計(jì)示數(shù)達(dá)到90m/s2時(shí)，發(fā)出二級預(yù)警，系統(tǒng)直接切斷傳感器對外數(shù)據(jù)輸出，并啟動扭力馬達(dá)電源，接通空氣阻尼機(jī)械臂電源，對系統(tǒng)強(qiáng)行保護(hù)，即依靠機(jī)械臂的延時(shí)阻尼振動減弱瞬時(shí)加速度的沖擊效果。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖

2.1硬件組成

圖2 多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)透視圖

多波束姿態(tài)傳感器的框架4在測量過程中與船舶重心一體化固定安裝，固定在萬向吊桶3內(nèi)的姿態(tài)傳感器在正常工作環(huán)境下始終與船體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)（如圖2所示）。同時(shí)監(jiān)測橫向和縱向上的擺動，在橫向和縱向上相同限位處各安裝加速度計(jì)預(yù)警模塊。當(dāng)外部加速度計(jì)2示數(shù)大于49 m/s2時(shí)觸發(fā)一級預(yù)警，由光電檢測電路識別后，提示對儀器進(jìn)行人工干預(yù)，保護(hù)傳感器系統(tǒng)免受瞬時(shí)沖擊。

當(dāng)海況較差或者儀器故障致使外部加速度計(jì)2示數(shù)超過90 m/s2時(shí)觸發(fā)二級警報(bào)，系統(tǒng)會直接切斷傳感器對外數(shù)據(jù)輸出，并啟動扭力馬達(dá)電源，接通空氣阻尼機(jī)械臂1的電源，傳感器固著的萬向吊桶3處于自由擺動狀態(tài)，此時(shí)兩個(gè)空氣阻尼機(jī)械臂1的延時(shí)阻尼振動會不斷弱化瞬時(shí)加速度對傳感器的影響，防止瞬時(shí)劇烈振動對傳感器的破壞。在空氣阻尼機(jī)械臂1與傳感器接觸點(diǎn)加裝橡膠墊，有效避免機(jī)械臂與傳感器接觸碰撞時(shí)的損傷。外部加速度計(jì)2示數(shù)小于49 m/s2時(shí)警報(bào)解除，系統(tǒng)切斷扭力馬達(dá)電源，同時(shí)，空氣阻尼機(jī)械臂1伸縮回初始位置，固定保護(hù)傳感器固著的萬向吊桶3回歸初始空間位置，與船體處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。

2.2軟件組成

多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)是在一個(gè)單片機(jī)的控制下運(yùn)行的，系統(tǒng)控制電路如圖3所示。當(dāng)外部加速度計(jì)示數(shù)大于49 m/s2時(shí)觸發(fā)一級預(yù)警時(shí)，軟件系統(tǒng)通過光電檢測電路識別后，接通黃色LED電路和發(fā)出低頻蜂鳴器脈沖信號。外部加速度計(jì)示數(shù)超過90 m/s2時(shí)觸發(fā)二級警報(bào)，軟件系統(tǒng)通過光電檢測電路識別二級警報(bào)，接通紅色LED電路和發(fā)出高頻蜂鳴器脈沖信號的同時(shí)接通繼電器電路。繼電器接通空氣阻尼機(jī)械臂電源，使得空氣阻尼機(jī)械臂的延時(shí)阻尼振動會不斷弱化瞬時(shí)加速度對傳感器的影響，防止瞬時(shí)劇烈振動對傳感器的破壞。

圖3 多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)電路圖

3. 結(jié)語

多波束姿態(tài)傳感器為精密海洋調(diào)查儀器，運(yùn)輸?shù)膭×翌嶔ず褪褂眠^程中的碰撞都會導(dǎo)致精度的降低甚至內(nèi)部光纖羅經(jīng)和加速度計(jì)的損毀。傳感器一旦損壞，維修時(shí)需要重新對傳感器的核心部件進(jìn)行校準(zhǔn)，且由于其與船體的一體化安裝，需要船舶進(jìn)塢進(jìn)行精確的空間定位，其過程和費(fèi)用遠(yuǎn)超設(shè)備自身價(jià)值。多波束姿態(tài)傳感器保護(hù)系統(tǒng)可以有效應(yīng)對瞬時(shí)加速度變化導(dǎo)致的突發(fā)狀況，及時(shí)預(yù)警和提供延時(shí)保護(hù)，彌補(bǔ)了現(xiàn)場瞬時(shí)不可抗力及應(yīng)對不及時(shí)等造成的損毀，減少直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失。

本研究成果僅涉及空氣阻尼機(jī)械臂工作過程的簡單描述，未進(jìn)一步探討空間復(fù)位、精準(zhǔn)定位、延時(shí)阻尼振動及傳感器與船體相對靜止?fàn)顟B(tài)的可重復(fù)性實(shí)現(xiàn)等問題，將在以后的工作實(shí)踐中作深入研究，加快高精度海洋調(diào)查儀器的研發(fā)和升級改造進(jìn)程。

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The R&D Achievement on the Security System of Attitude Sensor for Multibeam Sonar

HUANG Lei，SONG Zhenjie，YUAN Zhiwei
（Ocean University Of China，Qingdao Shandong 266100，China）

Instantaneous acceleration caused by heading or speed mutation and hull resonance will greatly influence on the accuracy of the attitude sensor for multibeam sonar，and even lead to mechanical damage.For the phenomenon of instantaneous acceleration，put out a security system which consists of accelerometer and air damping mechanical arms to avoid accidental damage and ensuring equipment safety.

Attitude Sensor for Multibeam Sonar；Instantaneous Acceleration；Air Damping Mechanical Arm

黃磊（1979—），男，大學(xué)本科，東方紅2船實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，主要從事海洋調(diào)查及現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)工作。

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)實(shí)驗(yàn)室研究基金項(xiàng)目。