胡賀崗 , 陳永華 , 于 非 , , 劉慶奎 王 蓓

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 3. 中國(guó)科學(xué)院海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266071; 4. 中國(guó)科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071; 5. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋動(dòng)力過(guò)程與氣候功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266237)

潛標(biāo)是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中最可靠、最準(zhǔn)確的手段之一, 在應(yīng)用海域范圍、觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量以及海上軍事監(jiān)測(cè)和預(yù)警上具有顯著優(yōu)勢(shì), 可為深海動(dòng)力環(huán)境預(yù)報(bào)與海洋軍事環(huán)境保障提供資料支撐[1]。隨著我國(guó)國(guó)家級(jí)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施以及一帶一路戰(zhàn)略的推進(jìn), 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)成為海洋研究與開(kāi)發(fā)的重要內(nèi)容和重要保障措施之一[2], 在海洋科學(xué)研究、經(jīng)濟(jì)建設(shè)及國(guó)防安全等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)海洋環(huán)境感知能力提出了迫切需求[3]。

目前海洋資料的獲取有衛(wèi)星、浮標(biāo)、潛標(biāo)和科考船只、水下滑翔機(jī)等觀測(cè)方式[4-6], 而實(shí)現(xiàn)次表層海洋的長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)、低成本的觀測(cè)難度都非常大, 其主要原因是缺乏兼顧實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和防生物附著的觀測(cè)手段和設(shè)備[7]。目前對(duì)次表層海洋剖面要素觀測(cè)方式中, 鏈?zhǔn)狡拭嬗^測(cè)的成本高昂, 無(wú)法進(jìn)行大規(guī)模普及, 水下滑翔機(jī)定點(diǎn)觀測(cè)續(xù)航性不足, 仍舊無(wú)法取代傳統(tǒng)潛標(biāo), 基于剖面升降的觀測(cè)設(shè)備尚未見(jiàn)到成熟的產(chǎn)品化應(yīng)用[3,8-13]。綜合考慮多種垂直剖面要素觀測(cè)方式的優(yōu)劣以及國(guó)家對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)的需求, 本文采取了基于潛標(biāo)的剖面觀測(cè)方式, 研制了一套水下升降式準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信潛標(biāo),并提出了一種可以進(jìn)行上層海洋垂直剖面要素連續(xù)觀測(cè)和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸?shù)目刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

如圖1所示, 該型潛標(biāo)主要包括垂直升降裝置和水下驅(qū)動(dòng)裝置兩大部分。水下驅(qū)動(dòng)裝置懸浮于水面下一定深度或者坐底于海底, 水下驅(qū)動(dòng)裝置釋放通信纜,垂直升降裝置在浮力的作用下緩慢上浮, 在上浮期間利用搭載的傳感器連續(xù)進(jìn)行剖面數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ),到達(dá)海面后通過(guò)通信裝置將獲取的數(shù)據(jù)以無(wú)線通信的方式發(fā)送到岸基服務(wù)器, 實(shí)現(xiàn)垂直剖面要素的連續(xù)觀測(cè)與數(shù)據(jù)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)傳輸, 通過(guò)建立潛標(biāo)與服務(wù)器之間的雙向通信協(xié)議, 實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的補(bǔ)發(fā)和對(duì)潛標(biāo)的遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)傳輸完畢后, 垂直升降裝置下潛到水面下進(jìn)行休眠以降低功耗。該方案具有一定的隱蔽性,能夠降低潛標(biāo)受到人為和自然破壞的可能性, 同時(shí)由于水面下光強(qiáng)較弱, 且剖面?zhèn)鞲衅鞑捎昧藝?guó)家海洋技術(shù)中心抗污染CTD[14], 能夠大幅減小生物附著問(wèn)題對(duì)儀器設(shè)備造成的負(fù)面影響, 從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)、低成本的上層海洋剖面觀測(cè)。

圖1 水下升降式準(zhǔn)實(shí)時(shí)通信潛標(biāo)組成部分示意圖Fig. 1 Diagram of quasi-real-time communicating underwater winch buoy’s components

1 硬件設(shè)計(jì)

潛標(biāo)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用了自上而下的模塊化設(shè)計(jì)思路, 將潛標(biāo)各個(gè)控制部分歸類(lèi)為特定的功能模塊, 簡(jiǎn)化了各個(gè)模塊之間的連接和通信方式,使得系統(tǒng)升級(jí)換代或模塊更換以后仍具有較好的兼容性和擴(kuò)展性。

1.1 垂直升降裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

垂直升降裝置分為兩個(gè)部分, 分別是通信裝置和剖面數(shù)據(jù)采集裝置。通信裝置硬件設(shè)計(jì)上主要由GPS模塊和無(wú)線通信模塊和轉(zhuǎn)換電路組成。GPS模塊的作用一方面是進(jìn)行定位, 另一方面是給控制系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí); 無(wú)線通信模塊可以根據(jù)需求進(jìn)行更換, 在近海區(qū)域可以采用CDMA模塊或4G通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,成本非常低, 在遠(yuǎn)海則可以使用銥星通信模塊, 但是通信費(fèi)用較高; 轉(zhuǎn)換電路將CDMA模塊、4G模塊以及銥星通信模塊都轉(zhuǎn)換成了具有統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)和輸入電壓的接口, 方便通信裝置的維修與更換。

剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示, 主要由電池組、DC-DC電源模塊、溫度深度(temperature depth, TD)傳感器、485通信模塊、MCU、SD卡、電源管理部分和外部傳感器等組成。電池組選用的34615型一次性鋰電池能量密度是常規(guī)可充電鋰電池的3～5倍, 容量達(dá)到42 Ah, 能夠滿足潛標(biāo)對(duì)電池容量的需求; DC-DC降壓模塊采用了工業(yè)級(jí)MP1584降壓芯片, 輸入電壓達(dá)到28 V, 輸出電壓為5 V, 最大輸出電流為3 A, 靜態(tài)電流約100 μA, 滿足控制系統(tǒng)功耗需求; TD傳感器采用國(guó)家海洋技術(shù)中心SZC17-TD型號(hào)傳感器[15], 功耗低、體積小、可直接通過(guò)串口獲取溫度和壓力數(shù)據(jù), 其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1; MCU1與MCU2均采用了意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103RET6單片機(jī), 包含5個(gè)串口通信接口,支持SPI、I2C、USB等通信方式, 具有64 KB RAM和512 KB FLASH, 主頻最高可達(dá)72 MHz, 能夠滿足潛標(biāo)計(jì)算任務(wù)需求; SD卡使用了閃迪Micro SD卡,容量為4 GB; 電源管理部分則是以P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET)作為固態(tài)開(kāi)關(guān)對(duì)TD傳感器、485模塊、SD卡、外部傳感器等進(jìn)行通斷電的管理控制的總稱(chēng)。

表1 SZC17-TD傳感器技術(shù)指標(biāo)Tab. 1 Technical parameters of SZC17-TD sensor

圖2 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)示意圖Fig. 2 Schematic of the hardware design of a profile data acquisition device control system

剖面數(shù)據(jù)采集裝置電路上設(shè)計(jì)有2片MCU、2片SD卡和2處電源管理部分。其中MCU1作為主控制單元, 直接控制SD1、電源管理1和MCU2, MCU2作為副控制單元, 只控制SD2、電源管理2和所搭載的傳感器。工作時(shí), MCU2將所有傳感器讀取到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD2當(dāng)中作為原始數(shù)據(jù)的備份, 之后將這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信的方式發(fā)送到MCU1, MCU1將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD1中。如果剖面數(shù)據(jù)采集裝置只搭載一臺(tái)傳感器, 那么可以將其連接到傳感器1的接口,直接通過(guò)跳線連接到MCU1, 就可以忽略掉MCU2、SD2和電源管理2的電路部分, 極大簡(jiǎn)化了剖面數(shù)據(jù)采集裝置的硬件連接。

1.2 水下驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

水下驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖3所示, 主要分為水下絞車(chē)控制系統(tǒng)與BLDCM控制系統(tǒng)兩部分,主要由電池組、DC-DC電源模塊、TD傳感器、485通信模塊、MCU、SD卡、電源管理部分、ADCP接口、電流電壓監(jiān)測(cè)器、全橋逆變電路、BLDCM等組成。電池組采用了34615型鋰電池, 以7串54并方式進(jìn)行連接, 電壓25.2 V, 電量為756 Ah; DC-DC模塊采用MP4462降壓芯片, 輸入電壓最高為36 V, 輸出5 V,最大輸出電流為3.5 A, 靜態(tài)電流120 μA; ADCP接口可搭載中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的ADCP[16-18], 可通過(guò)串口將ADCP喚醒, 讀取最新測(cè)得的海流數(shù)據(jù);電流監(jiān)測(cè)芯片采用了ACS712-20芯片, 量程為±20 A,它通過(guò)霍爾效應(yīng)將電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)對(duì)外輸出, 精確度達(dá)到1.5%; 電壓監(jiān)測(cè)直接使用分壓電阻接入MCU內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter, ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換; 全橋逆變電路采用3片IR2101半橋芯片和6片N溝道IRF1405型MOSFET,MOSFET最大導(dǎo)通電流169 A, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出電機(jī)額定電流, 能夠有效解決功率芯片在密閉空間散熱不足的問(wèn)題; BLDCM額定電壓24 V, 額定功率200 W, 滿足潛標(biāo)剖面運(yùn)動(dòng)的功率需求。其余部分與剖面數(shù)據(jù)采集裝置硬件設(shè)計(jì)基本一致, 這里不再贅述。

圖3 水下驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)(左: 水下絞車(chē)控制系統(tǒng); 右: BLDCM控制系統(tǒng))硬件設(shè)計(jì)示意圖Fig. 3 Schematic of the hardware design of an underwater driving device control system (left: underwater winch control system;right: BLDCM control system)

2 工作流程

一套可靠完善控制系統(tǒng)是確保潛標(biāo)進(jìn)行正常工作的保障, 在實(shí)際應(yīng)用中總會(huì)出現(xiàn)各式各樣的意料之外的情況, 比如傳感器損壞、通信故障、電機(jī)堵轉(zhuǎn)等等問(wèn)題, 因此軟件設(shè)計(jì)上需要充分考慮潛標(biāo)各個(gè)部分所有可能發(fā)生故障情況并建立一定的應(yīng)對(duì)措施。

2.1 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)工作流程

考慮到潛標(biāo)在海面受到風(fēng)、浪、船只以及人為破壞的可能性比較大, 且在水面下光強(qiáng)較弱, 能夠在一定程度上減小生物附著問(wèn)題, 因此設(shè)計(jì)方案優(yōu)先考慮將潛標(biāo)整體均潛伏于海面下一定深度, 只有在通信時(shí)才會(huì)浮出水面。如圖4所示, 剖面數(shù)據(jù)采集裝置控制系統(tǒng)工作流程主要有啟動(dòng)模式、上浮/下潛模式、通信模式和低功耗模式。啟動(dòng)模式下控制系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化, 再進(jìn)行參數(shù)配置, 從SD卡讀取并設(shè)置潛標(biāo)的工作周期、剖面運(yùn)行深度、設(shè)備編號(hào)、傳感器類(lèi)型、服務(wù)器IP地址和端口等參數(shù)。隨后根據(jù)啟動(dòng)方式的不同從而執(zhí)行不同的任務(wù), 如果是上電重啟, 即人為的啟動(dòng)潛標(biāo), 則先進(jìn)行潛標(biāo)各項(xiàng)功能的檢查, 包括存儲(chǔ)器測(cè)試、水下驅(qū)動(dòng)裝置通信測(cè)試、水下電機(jī)測(cè)試, 傳感器測(cè)試、GPS測(cè)試、遠(yuǎn)程通信測(cè)試等等工作, 在潛標(biāo)布放完畢后, 系統(tǒng)進(jìn)行重啟, 隨后進(jìn)入上浮模式。

上浮模式與下潛模式流程基本相同, 這里僅對(duì)上浮模式展開(kāi)論述。潛標(biāo)在上浮模式首先通過(guò)通信纜喚醒水下驅(qū)動(dòng)裝置, 然后開(kāi)啟攜帶的傳感器記錄數(shù)據(jù), 同時(shí)控制水下驅(qū)動(dòng)裝置釋放通信纜從而緩慢上浮。由于潛標(biāo)布放后在海上無(wú)人值守, 控制系統(tǒng)需要考慮到可能出現(xiàn)的各種故障現(xiàn)象, 如傳感器故障或者水下驅(qū)動(dòng)裝置故障等等, 當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)控制系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)入下一工作模式, 確保程序不會(huì)在一個(gè)地方卡死, 必要時(shí)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)重啟。

通信模式下, 選用的通信模塊不同, 控制系統(tǒng)的具體控制步驟也有不同, 整體上按照?qǐng)D4中所示首先開(kāi)啟通信模塊進(jìn)行配置, 再進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,然后接收由岸基服務(wù)器發(fā)送的指令, 最后再進(jìn)行GPS定位與校時(shí)。受海上應(yīng)用環(huán)境影響, 通信常常出現(xiàn)中斷, 為了提高服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 需要建立雙向通信協(xié)議和數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)機(jī)制, 并開(kāi)發(fā)相應(yīng)的服務(wù)器接收軟件。

當(dāng)剖面數(shù)據(jù)采集裝置下潛到預(yù)定的深度后, 將設(shè)定鬧鐘進(jìn)入低功耗模式, 在低功耗模式下, 系統(tǒng)將關(guān)斷圖2中除DC-DC模塊和MCU1模塊外的所有外圍設(shè)備的電源, MCU1將系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)保存到SD卡以后也進(jìn)入待機(jī)模式, 此時(shí)剖面控制系統(tǒng)待機(jī)電流為0.76 mA, 年待機(jī)消耗電量約為6.66 Ah?？紤]到海流增長(zhǎng)與消退引起潛標(biāo)姿態(tài)和浮體深度變化等問(wèn)題, 控制系統(tǒng)會(huì)在低功耗模式下多次喚醒, 檢查是否出現(xiàn)了上浮跡象, 如果沒(méi)有異常便會(huì)再次進(jìn)入低功耗模式, 否則便先下潛到預(yù)定的深度再進(jìn)入低功耗模式。

2.2 水下驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)工作流程

2.2.1 水下絞車(chē)控制系統(tǒng)工作流程

水下絞車(chē)控制系統(tǒng)系統(tǒng)工作流程如圖5所示, 系統(tǒng)上電后首先進(jìn)入一分鐘倒計(jì)時(shí)的睡眠模式, 該模式下既可以降低功耗, 又可以完整接收串口指令。如果在倒計(jì)時(shí)一分鐘內(nèi)未收到任何指令, 控制系統(tǒng)將關(guān)閉圖3中除DC-DC模塊和MCU1模塊外的所有外圍設(shè)備的電源進(jìn)入待機(jī)模式, 此時(shí)待機(jī)電流約0.86 mA,年待機(jī)消耗電量約7.53 Ah。當(dāng)潛標(biāo)開(kāi)始工作時(shí), 剖面數(shù)據(jù)采集裝置通過(guò)通信纜將水下驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行外部喚醒, 水下絞車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng), 當(dāng)接收到開(kāi)始工作的控制指令時(shí)便開(kāi)啟BLDCM控制系統(tǒng)。

圖5 水下絞車(chē)控制系統(tǒng)工作流程Fig. 5 Program flowchart of an underwater winch control system

啟動(dòng)BLDCM控制系統(tǒng)之后, 水下絞車(chē)控制系統(tǒng)主要有兩項(xiàng)任務(wù), 一項(xiàng)任務(wù)是接收剖面數(shù)據(jù)采集裝置發(fā)出的控制指令、調(diào)整工作時(shí)間、發(fā)送電機(jī)控制指令、解析BLDCM控制系統(tǒng)狀態(tài)然后對(duì)主機(jī)進(jìn)行反饋, 另一項(xiàng)任務(wù)是監(jiān)測(cè)電壓、電流、工作時(shí)間和工作狀態(tài)。這兩項(xiàng)任務(wù)以中斷函數(shù)的方式并行執(zhí)行,其中任何一個(gè)任務(wù)當(dāng)中出現(xiàn)異常狀況時(shí)都可直接使水下絞車(chē)控制系統(tǒng)及時(shí)切斷BLDCM控制系統(tǒng)電源,實(shí)現(xiàn)軟件上的對(duì)水下驅(qū)動(dòng)裝置的保護(hù)。控制系統(tǒng)工作完畢后再次進(jìn)入到睡眠模式并進(jìn)行倒計(jì)時(shí), 最終在計(jì)時(shí)完畢后進(jìn)入待機(jī)模式。

2.2.2 BLDCM控制系統(tǒng)工作流程

BLDCM控制系統(tǒng)工作流程如圖6所示, 系統(tǒng)上電以后, 如果串口接收到開(kāi)始工作的指令就初始化控制參數(shù)然后開(kāi)始工作, 否則進(jìn)入睡眠模式進(jìn)行等待。BLDCM控制系統(tǒng)開(kāi)始工作以后主要有5個(gè)任務(wù), 分別是主控制任務(wù)、定時(shí)器任務(wù)、脈寬調(diào)制(pulse width modulation, PWM)任務(wù)、串口任務(wù)和ADC任務(wù)。主控制任務(wù)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)/計(jì)算電壓、電流、電機(jī)狀態(tài)、電機(jī)最小轉(zhuǎn)速、控制系統(tǒng)工作狀態(tài)等; 定時(shí)器任務(wù)負(fù)責(zé)對(duì)電機(jī)工作時(shí)間進(jìn)行倒計(jì)時(shí); PWM任務(wù)實(shí)時(shí)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速并調(diào)節(jié)PWM脈寬輸出; 串口任務(wù)負(fù)責(zé)接收和解析水下絞車(chē)控制系統(tǒng)發(fā)送的指令并向其反饋當(dāng)前電機(jī)狀態(tài); ADC任務(wù)一方面負(fù)責(zé)計(jì)算電壓和電流, 另一方面是當(dāng)檢測(cè)到電路突然掉電時(shí),在最短的時(shí)間內(nèi)將電機(jī)參數(shù)寫(xiě)入到Flash, 避免其掉電丟失。

圖6 BLDCM控制系統(tǒng)工作流程圖Fig. 6 Program flowchart of a BLDCM control system

正常情況下BLDCM控制系統(tǒng)會(huì)在電機(jī)完全關(guān)閉后, 將電機(jī)參數(shù)寫(xiě)入到內(nèi)部Flash中進(jìn)行保存, 這一過(guò)程約占時(shí)500 ms, 而當(dāng)控制系統(tǒng)意外掉電時(shí),通過(guò)示波器觀察到電路電壓從24 V降低到5 V有約10 ms的掉電時(shí)長(zhǎng), 因此無(wú)法通過(guò)正常的方式及時(shí)保存電機(jī)參數(shù)。為了解決這一問(wèn)題, 本文提出了兩級(jí)參數(shù)保存制, 即賦予ADC線程最高優(yōu)先級(jí), 當(dāng)監(jiān)測(cè)到控制系統(tǒng)意外掉電時(shí)立即將電機(jī)參數(shù)進(jìn)行保存, 耗時(shí)僅約1 ms, 然后將正常的參數(shù)保存過(guò)程優(yōu)先級(jí)設(shè)為最低, 在控制系統(tǒng)重新啟動(dòng)時(shí), 就可以根據(jù)優(yōu)先級(jí)順序恢復(fù)電機(jī)參數(shù)。

3 堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方案

海上環(huán)境復(fù)雜, 當(dāng)因卡入異物出現(xiàn)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)水下絞車(chē)的保護(hù)是極其關(guān)鍵的。傳統(tǒng)針對(duì)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)基本上都是基于監(jiān)測(cè)電流大小的方案, 如利用保險(xiǎn)絲、硬件或軟件電流監(jiān)測(cè)等方法[8-9,11,13,19],這些方法簡(jiǎn)單實(shí)用, 能夠充分保護(hù)電機(jī)不會(huì)燒毀,但是應(yīng)用在水下驅(qū)動(dòng)裝置時(shí)存在兩個(gè)問(wèn)題, 一個(gè)問(wèn)題是電機(jī)經(jīng)過(guò)行星減速齒輪后輸出的力矩非常大,基于監(jiān)測(cè)電流的方案在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)并不靈敏,很多情況下電流閾值是出于經(jīng)驗(yàn)選定的, 雖然保護(hù)了電機(jī)但是并不能充分保護(hù)水下驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)不被破壞。另一個(gè)問(wèn)題是由于電機(jī)低頻換相過(guò)程以及高頻脈寬調(diào)制的影響, 電流信號(hào)的噪聲非常大,其起伏幅度已經(jīng)超過(guò)了平均電流的大小, 即使對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行濾波, 效果仍不明顯, 且存在時(shí)間上的滯后性。

本文提出了一種基于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方案: 假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)速S=f(U,D,M), 其中U是系統(tǒng)電壓,D是PWM脈寬占空比,M是作用在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩?？梢岳斫?S應(yīng)當(dāng)與U、D呈正相關(guān), 與M呈負(fù)相關(guān), 對(duì)電機(jī)的堵轉(zhuǎn)保護(hù)實(shí)質(zhì)上是當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小超過(guò)一定閾值時(shí)便可認(rèn)為發(fā)生了堵轉(zhuǎn)?？紤]到水下驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)通信纜來(lái)拉動(dòng)剖面數(shù)據(jù)采集裝置, 那么完全可以假設(shè)當(dāng)通信纜上的拉力超過(guò)兩倍正常拉力大小時(shí)即認(rèn)為是堵轉(zhuǎn), 可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定兩倍拉力大小下的電機(jī)轉(zhuǎn)速Sk, 然后再將電機(jī)轉(zhuǎn)速S與Sk進(jìn)行比較來(lái)判斷是否出現(xiàn)拉力過(guò)大的情況。兩倍拉力大小下, 可認(rèn)為M為定值, 則只需確定Sk與V、D的函數(shù)關(guān)系Sk=fM(V,D), 下面利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)該函數(shù)關(guān)系進(jìn)行擬合。

圖7 不同電壓下電機(jī)轉(zhuǎn)速隨PWM脈寬占空比的變化Fig. 7 Rotate speed of motor changes with PWM output duty at different voltages

首先測(cè)定剖面數(shù)據(jù)采集裝置凈浮力, 然后在實(shí)驗(yàn)室將水下驅(qū)動(dòng)裝置加以?xún)舾×杀兜暮愣ɡ?接著調(diào)整供電電壓?jiǎn)?dòng)電機(jī), 將PWM脈寬占空比與電機(jī)的轉(zhuǎn)速記錄下來(lái)并進(jìn)行二次函數(shù)擬合, 然后調(diào)整供電電壓并記錄數(shù)據(jù)再次擬合, 最終得到了在不同電壓下電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM脈寬占空比的函數(shù)關(guān)系模型:

其中Sj表示第j次測(cè)試得到的電機(jī)轉(zhuǎn)速,aij是擬合系數(shù)矩陣a中第i行、第j列的元素,i表示擬合冪次。按照同樣的方式將系數(shù)矩陣a對(duì)系統(tǒng)電壓再次進(jìn)行擬合:

其中aij是矩陣a中第i行、第j列的元素,bik是擬合系數(shù)矩陣b中第i行、第k列的元素,k表示擬合冪次,Uj表示第j次測(cè)試得到的系統(tǒng)電壓, 經(jīng)擬合可得到3×3系數(shù)矩陣b。在實(shí)際工作時(shí), 根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)電壓和PWM脈寬占空比作為輸入?yún)?shù), 利用擬合系數(shù)矩陣b計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速閾值Sk, 如果當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速小于Sk, 則可以判定此時(shí)屬于堵轉(zhuǎn)情況, 立即停止電機(jī)以保護(hù)水下驅(qū)動(dòng)裝置。

圖8所示是電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算的數(shù)據(jù)之間的相對(duì)誤差, 占空比小于30%時(shí)誤差較大不予考慮, 當(dāng)脈寬占空比在30%～40%時(shí), 模型計(jì)算出的Sk與實(shí)際測(cè)量得到的數(shù)據(jù)相對(duì)誤差約在4%以?xún)?nèi),當(dāng)占空比超過(guò)40%, 兩者相對(duì)誤差在2%以?xún)?nèi)。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)力輸出效率最大化, 正常情況下PWM脈寬占空比最大值一般選在70%～75%左右, 因此能夠很好的檢測(cè)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的情況。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算數(shù)據(jù)相對(duì)誤差Fig. 8 Relative error between measured and calculated data of motor rotation speed

基于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方案具有如下優(yōu)點(diǎn): (1) 準(zhǔn)確度高: 電壓信號(hào)比電流信號(hào)的信噪比更小; (2) 反應(yīng)速度快: 模型的輸入?yún)?shù)是可以直接獲取的, 無(wú)需繁瑣的步驟便可直接計(jì)算電機(jī)最小轉(zhuǎn)速Sk。在實(shí)際應(yīng)用中, 可將基于監(jiān)測(cè)電流的方案和基于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方案共同使用, 提高對(duì)水下驅(qū)動(dòng)裝置的保護(hù)能力。

4 服務(wù)器遠(yuǎn)程接收軟件設(shè)計(jì)

海上通信常常發(fā)生中斷, 為了提高服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 需要建立數(shù)據(jù)補(bǔ)發(fā)機(jī)制, 這就要求必須建立雙向通信協(xié)議, 開(kāi)發(fā)服務(wù)器接收軟件。如圖9所示,本文以Visual Studio 2019為開(kāi)發(fā)平臺(tái), 開(kāi)發(fā)出了一套服務(wù)器接收軟件。軟件兼容CDMA模塊、銥星通信模塊和4G通信模塊的通信協(xié)議, 并自動(dòng)過(guò)濾協(xié)議相關(guān)內(nèi)容, 保留原始格式的數(shù)據(jù)信息, 將數(shù)據(jù)完整存儲(chǔ)到本地文本文檔和數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。

圖9 服務(wù)器接收軟件界面Fig. 9 Interface of the server’s data receiving software

與服務(wù)器建立通信必須按照一定的協(xié)議進(jìn)行握手, 銥星模塊自帶通信協(xié)議, 潛標(biāo)和服務(wù)器接收軟件只需按照協(xié)議通信即可; 對(duì)于CDMA通信模塊或4G通信模塊, 模塊進(jìn)行連接時(shí), 潛標(biāo)首先發(fā)送握手消息,握手成功后再進(jìn)行通信, 其通信協(xié)議如表2所示。

表2 服務(wù)器接收軟件通信協(xié)議Tab. 2 Communication protocol of the server’s data receiving software

潛標(biāo)發(fā)送的數(shù)據(jù)包包含設(shè)備編號(hào)、文件號(hào)、數(shù)據(jù)包號(hào)、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位信息, 其含義如下: 設(shè)備號(hào)即每臺(tái)設(shè)備單獨(dú)的編號(hào), 最大不超過(guò)255; 與文件號(hào)對(duì)應(yīng)的是潛標(biāo)的運(yùn)行次數(shù), 由于通信模塊一次性最大發(fā)送數(shù)據(jù)量有長(zhǎng)度限制, 因此潛標(biāo)每次喚醒都會(huì)新生成一個(gè)數(shù)據(jù)文件, 避免數(shù)據(jù)文件過(guò)于龐大; 數(shù)據(jù)包號(hào)的高4位指的是當(dāng)前數(shù)據(jù)文件的總數(shù)據(jù)包的數(shù)量, 低4位是當(dāng)前數(shù)據(jù)包的編號(hào), 當(dāng)數(shù)據(jù)文件長(zhǎng)度超出通信模塊最大發(fā)送長(zhǎng)度時(shí), 就把數(shù)據(jù)文件截?cái)喑啥鄠€(gè)數(shù)據(jù)包,后期根據(jù)文件號(hào)和數(shù)據(jù)包號(hào)來(lái)進(jìn)行拼接; 數(shù)據(jù)包從第5字節(jié)一直到第n–2字節(jié)(n是數(shù)據(jù)包總字節(jié)數(shù))是潛標(biāo)獲取的數(shù)據(jù), 其長(zhǎng)度和內(nèi)容并不固定; 數(shù)據(jù)包最后兩字節(jié)是加和校驗(yàn)位, 高位在前低位在后。

服務(wù)器接收軟件會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包校驗(yàn)位自動(dòng)向潛標(biāo)回復(fù)校驗(yàn)結(jié)果, 若潛標(biāo)接收到校驗(yàn)失敗的消息或者沒(méi)接收到任何消息, 都會(huì)再次發(fā)送該數(shù)據(jù)包, 重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)的次數(shù)不超過(guò)3次, 否則認(rèn)為通信失敗,并在下個(gè)潛標(biāo)周期進(jìn)行通信時(shí)把此前未能發(fā)送成功的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行補(bǔ)發(fā)。

在建立了雙向通信的基礎(chǔ)上, 本文提出了遠(yuǎn)程修改潛標(biāo)工作參數(shù)的方案。依照此通信協(xié)議, 服務(wù)器接收軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)潛標(biāo)工作周期、喚醒周期、升降深度、升降速度、采樣深度間隔等數(shù)十項(xiàng)潛標(biāo)工作參數(shù)的遠(yuǎn)程修改, 具有很強(qiáng)的應(yīng)用擴(kuò)展性。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證本文所述潛標(biāo)的各項(xiàng)性能與控制系統(tǒng)穩(wěn)定性, 經(jīng)過(guò)對(duì)潛標(biāo)的結(jié)構(gòu)以及搭載的儀器設(shè)備進(jìn)行調(diào)整, 在近海和遠(yuǎn)海進(jìn)行了多次海上試驗(yàn)。

圖10所示為2019年8月在山東威海褚島海域進(jìn)行的海上試驗(yàn)中獲取的剖面CTD部分?jǐn)?shù)據(jù)。潛標(biāo)結(jié)構(gòu)為半潛式結(jié)構(gòu), 在浮力材料的作用下懸浮在距水底10 m左右距離。潛標(biāo)累計(jì)運(yùn)行76 h, 高頻次累計(jì)進(jìn)行了163次剖面觀測(cè), 獲取了43 005條CTD數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)接收的完整率達(dá)到98.16%, 初步驗(yàn)證了潛標(biāo)控制系統(tǒng)的可行性與穩(wěn)定性。

圖10 2019年威海海試潛標(biāo)剖面CTD部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig. 10 Partial CTD data of underwater winch buoy of Weihai investigation in 2019

搭乘“向陽(yáng)紅19”號(hào)科考船, 該型潛標(biāo)于2020年5月21日成功布放于西太平洋海域進(jìn)行試驗(yàn), 并于5月28日成功進(jìn)行了回收, 布放點(diǎn)水深約5 500 m左右。潛標(biāo)搭載剖面CTD 1臺(tái), 國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的感應(yīng)耦合式傳感器10臺(tái)[20-21]、中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的75 kHz ADCP 1臺(tái)。圖11所示為海上測(cè)試期間獲取的剖面CTD的部分?jǐn)?shù)據(jù)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),服務(wù)器共接收到339組數(shù)據(jù), 其中有15組重復(fù)數(shù)據(jù),潛標(biāo)共運(yùn)行333個(gè)完整觀測(cè)周期, 服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率達(dá)到97.3%。數(shù)據(jù)中可以看到, 受到海流的影響,水下驅(qū)動(dòng)裝置和垂直升降裝置的深度會(huì)上下起伏,起伏深度超過(guò)了100 m。當(dāng)強(qiáng)流出現(xiàn)時(shí), 兩者均出現(xiàn)下壓現(xiàn)象, 水下驅(qū)動(dòng)裝置釋放通信纜也無(wú)法使垂直升降裝置上浮到海面, 而當(dāng)海流減弱時(shí), 通信纜發(fā)生松弛, 仍舊無(wú)法正常進(jìn)行剖面升降運(yùn)動(dòng)。

圖11 2020年西太平洋海試潛標(biāo)剖面CTD部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig. 11 Partial CTD data of underwater winch buoy of West Pacific Ocean investigation in 2020

2020年11月20日, 搭乘“向陽(yáng)紅14”號(hào)科考船, 再次將該型潛標(biāo)布放于南海西北部, 布放點(diǎn)水深2 366 m,并于2021年5月27日搭乘海洋地質(zhì)4號(hào)科考船對(duì)該潛標(biāo)進(jìn)行了回收, 此次布放的潛標(biāo)與2020年5月在西太布放的潛標(biāo)對(duì)比如表3所示。經(jīng)統(tǒng)計(jì), 潛標(biāo)系統(tǒng)共計(jì)在位運(yùn)行187 d, 剖面測(cè)量實(shí)際工作周期為753次, 共計(jì)獲得6 524條水下驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)據(jù)、23 227條抗污染CTD數(shù)據(jù)、13 0391條感應(yīng)耦合傳感器數(shù)據(jù)、18 036組ADCP數(shù)據(jù)和2 823組ACM數(shù)據(jù)。受海流影響, 水下驅(qū)動(dòng)裝置深度在40 m至180 m深度之間, 剖面平臺(tái)CTD最深位置到達(dá)到了165 m。

表3 2020年南海海試潛標(biāo)與2020年西太海試潛標(biāo)對(duì)比Tab. 3 Differences in underwater winch buoys between the West Pacific Ocean investigation in 2020 and the South China Sea investigation in 2020

由于投放點(diǎn)位于南海西北部陸坡上, 衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)資料顯示: 該地點(diǎn)受到中尺度過(guò)程的影響長(zhǎng)期存在較大的海流, 導(dǎo)致垂直升降裝置難以正常進(jìn)行的剖面要素觀測(cè), 長(zhǎng)時(shí)間的非正常運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致水下驅(qū)動(dòng)裝置通信纜長(zhǎng)期暴露在外, 逐漸被海洋生物附著, 最后致使水下驅(qū)動(dòng)裝置徹底無(wú)法進(jìn)行工作, 而通信裝置也因生物附著的問(wèn)題導(dǎo)致無(wú)法正常通信。圖12所示為潛標(biāo)回收以后獲取的傳感器部分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖12 2020年11月南海海試潛標(biāo)剖面CTD部分?jǐn)?shù)據(jù)Fig. 12 Partial CTD data of underwater winch buoy of South China Sea investigation in 2020

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種以水下絞車(chē)為基礎(chǔ)的潛標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案, 該型潛標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)海洋垂直剖面要素長(zhǎng)期、連續(xù)、定點(diǎn)、低成本的觀測(cè), 提高了水下觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性, 對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)具有重要意義。潛標(biāo)搭載了大量國(guó)產(chǎn)化儀器設(shè)備, 對(duì)推動(dòng)國(guó)產(chǎn)海上儀器設(shè)備的發(fā)展起到了積極和示范作用。通過(guò)建立服務(wù)器與潛標(biāo)之間的雙向通信, 實(shí)現(xiàn)了潛標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送的補(bǔ)發(fā)機(jī)制和服務(wù)器對(duì)潛標(biāo)的遠(yuǎn)程控制,極大地提高了服務(wù)器數(shù)據(jù)獲取率, 對(duì)潛標(biāo)的推廣具有重要的意義。根據(jù)BLDCM的固有特性, 針對(duì)性地提出了基于監(jiān)測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的堵轉(zhuǎn)保護(hù)方案, 兼顧堵轉(zhuǎn)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度與反應(yīng)速度。經(jīng)過(guò)多次海上試驗(yàn), 驗(yàn)證了潛標(biāo)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的可行性與穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)多次海上試驗(yàn), 對(duì)水下升降式潛標(biāo)的未來(lái)研究方向有如下幾點(diǎn)展望: (1) 在深海布放潛標(biāo)時(shí),剖面運(yùn)動(dòng)容易受到海流的影響, 因此剖面數(shù)據(jù)采集裝置凈浮力需進(jìn)一步提高, 同時(shí)為避免功耗進(jìn)一步增加, 未來(lái)可將潛標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為浮心深度不變式,以抵消通信纜上的拉力; (2) 在近海測(cè)試時(shí), 潛標(biāo)體積過(guò)于龐大, 在小型船只上布放與回收過(guò)程較為繁瑣, 因此應(yīng)當(dāng)展開(kāi)對(duì)潛標(biāo)的小型化設(shè)計(jì)的研究;(3) 剖面觀測(cè)消耗電量非常大, 因此降低水下電機(jī)的功耗或進(jìn)行能量回收能在很大程度上推動(dòng)基于水下絞車(chē)的潛標(biāo)的發(fā)展; (4) 近海測(cè)試容易受到外部破壞, 尤其是漁網(wǎng)等海洋垃圾會(huì)對(duì)設(shè)備造成極大的損害, 潛標(biāo)的電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)方案應(yīng)當(dāng)繼續(xù)改進(jìn),提高設(shè)備的生存率; (5) 銥星通信費(fèi)用高昂, 數(shù)據(jù)鏈路安全性較弱, 未來(lái)應(yīng)當(dāng)逐步使用國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星通信裝置, 同時(shí)提高控制系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化率, 為我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展起到積極建設(shè)作用。