專利名稱：一種超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于機(jī)電一體化的新型超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置和方法， 尤其是針對(duì)短距離、高精度超聲波微地形探測(cè)系統(tǒng)中的模擬海洋復(fù)雜工況并修正探測(cè)點(diǎn)位置的探測(cè)裝置和方法，屬于水下聲納探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
大洋底部蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源，隨著科技的發(fā)展以及陸上資源的日益枯竭，人類正在以前所未有的速度向海洋資源開發(fā)進(jìn)軍，海洋礦產(chǎn)資源的開發(fā)已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，而礦產(chǎn)資源開發(fā)的第一步就是探測(cè)礦區(qū)的地形地貌，為礦產(chǎn)的最優(yōu)化開采提供重要的理論和現(xiàn)實(shí)依據(jù)。微地形探測(cè)主要應(yīng)用于深海礦產(chǎn)資源開發(fā)過程中。進(jìn)行微地形探測(cè)的主要功能和目的是為深海采礦車或者是在該地面上作業(yè)的其他設(shè)備精確地探測(cè)出前方礦石預(yù)采區(qū)域地貌的原始高程數(shù)據(jù)，并且水下微地形探測(cè)裝置一般都安裝在采礦車或者其他設(shè)備的前端，離地面的高度低。當(dāng)前進(jìn)行水下微地形探測(cè)的方式主要有兩種，一種是機(jī)械接觸式的微地形探測(cè)方式，另一種是非接觸式的微地形探測(cè)方式。在機(jī)械接觸式探測(cè)方式中，由于探針始終與地表接觸易于被海水腐蝕，并且在復(fù)雜的工況下有探針易變形、探測(cè)精度不高等缺點(diǎn)，因而接觸式的探測(cè)難以廣泛應(yīng)用；非接觸式的微地形探測(cè)方式主要包括光電探測(cè)和超聲波探測(cè)兩種方式，而超聲波微地形探測(cè)系統(tǒng)在非接觸式的微地形探測(cè)中占有極其重要的地位。目前，由于海底作業(yè)環(huán)境的特殊性、當(dāng)前技術(shù)的限制，直接應(yīng)用于水下微地形探測(cè)系統(tǒng)的裝置還很少，各種探測(cè)方法都還有待于深入研究和論證。國家海洋局第一研究所設(shè)計(jì)了一套實(shí)驗(yàn)室用水下超聲測(cè)量?jī)x，該測(cè)量?jī)x將換能器探頭固定在測(cè)量車上，測(cè)量車裝在測(cè)量橋臂上，利用測(cè)量車的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來為系統(tǒng)提供探測(cè)點(diǎn)，但是該裝置只能在低速狀態(tài)下運(yùn)行，對(duì)于速度要求較高，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)的實(shí)用系統(tǒng)并不適用，并且該裝置會(huì)激起較多的水花，干擾聲波信號(hào)的接收，對(duì)系統(tǒng)精確度的提高不利，最重要的是該裝置未考慮海底地形的顛簸狀況，不能模擬海底的探測(cè)工況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)時(shí)性好、可控性強(qiáng)，能使換能器作等角度擺動(dòng)、且能模擬仿真海底的顛簸工況并對(duì)探測(cè)點(diǎn)的位置進(jìn)行修正的超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置及其方法。本發(fā)明提供的超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置，由模擬顛簸裝置和擺動(dòng)探測(cè)裝置兩部分組成，所述的模擬顛簸裝置的結(jié)構(gòu)是顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)固定于固定支架上，所述的固定支架整體安裝于移動(dòng)小車上，所述的顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出軸端裝有圓盤，連桿聯(lián)接在所述的圓盤上，所述的連桿另一端聯(lián)接于滑塊上，所述的滑塊滑動(dòng)安裝在所述的固定支架的固定滑槽內(nèi)，外接圓構(gòu)件鉸接在所述的固定支架上，支承軸安裝在所述的外接圓構(gòu)件上且所述的支承軸的軸線與所述的外接圓構(gòu)件和所述的固定支架的聯(lián)接軸線垂直，傳動(dòng)軸一端聯(lián)接在所述的滑塊中心，另一端與所述的支承軸相聯(lián)且所述的傳動(dòng)軸與所述的支承軸的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與所述的支承軸的中點(diǎn)重合，探測(cè)器支架上端連接在所述的支承軸上且所述的探測(cè)器支架與所述的支承軸的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與所述的支承軸的中點(diǎn)重合且與所述的傳動(dòng)軸和支承軸的聯(lián)接點(diǎn)關(guān)于所述的支承軸的中點(diǎn)對(duì)稱，在所述的支承軸的一端安裝有第一角位移傳感器，所述的外接圓構(gòu)件與所述的固定支架的聯(lián)接點(diǎn)上安裝有第二角位移傳感器；所述的擺動(dòng)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)是圓柱凸輪通過軸承座安裝在探測(cè)器底板上，探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)安裝在所述的探測(cè)器底板且與所述的圓柱凸輪傳動(dòng)聯(lián)接，圓柱滾子置于所述的探測(cè)器底板上的滑槽中且插入到所述的圓柱凸輪的滑溝內(nèi)，所述的圓柱滾子與擺桿上端鉸接，所述的擺桿下端與所述的探測(cè)器底板鉸接，收發(fā)一體式超聲波換能器安裝在所述的擺桿下端， 所述的軸承座上安裝有與控制系統(tǒng)電連接且與所述的圓柱凸輪上的擋片相對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)，所述的探測(cè)器底板與所述的探測(cè)器支架相聯(lián)。超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，(1)由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按所要求的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)探測(cè)裝置部分進(jìn)入模擬海底顛簸工作狀態(tài)；(2) 控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)圓柱凸輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到圓柱凸輪上的擋片第一次與光電開關(guān)發(fā)射器對(duì)應(yīng)時(shí)停止，并停留50ms，此時(shí)整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入探測(cè)第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)備狀態(tài)；C3)單片機(jī)控制系統(tǒng)控制收發(fā)一體式超聲波換能器發(fā)出探測(cè)信號(hào)，進(jìn)行微地形探測(cè)，并收集回波信號(hào)，在發(fā)出探測(cè)信號(hào)的同時(shí)采集第一角位移傳感器和第二角位移傳感器的角度信號(hào)，并將收集到的回波信號(hào)和角位移信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳至工控機(jī)；(4)由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)依次轉(zhuǎn)過一定角度，并停留相應(yīng)的時(shí)間，每次轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后，對(duì)該探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行微地形探測(cè)，并采集此時(shí)第一角位移傳感器和第二角位移傳感器的角度信號(hào)；( 探測(cè)完一片預(yù)定的區(qū)域以后，將所有探測(cè)點(diǎn)上采集到的地形原始高程數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工控機(jī)中，進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位置修正計(jì)算和微地形重構(gòu)。利用所述的圓柱凸輪將所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述的擺桿上的收發(fā)一體式超聲波換能器的等角度擺動(dòng)，而且所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)始終向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)所述的收發(fā)一體式超聲波換能器做往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器每次均勻擺動(dòng)的角度為1°，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器的擺角幅度為 20°，即以豎直線為中心士 10°。所述的收發(fā)一體式超聲波換能器擺動(dòng)到一個(gè)位置后，停留50ms，當(dāng)擺動(dòng)到最左和最右邊時(shí)，停留100+Xms，其中Xms用于移動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)情況確定。采用上述技術(shù)方案的超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置及其方法，圓盤、連桿和滑塊三者構(gòu)成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)；傳動(dòng)軸帶動(dòng)外接圓構(gòu)件繞外接圓構(gòu)件與固定支架的聯(lián)接點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。其中兩個(gè)角位移傳感器分別安裝在支承軸的一端和外接圓構(gòu)件與固定支架的聯(lián)接點(diǎn)上，用于測(cè)量模擬顛簸裝置的偏轉(zhuǎn)角度，并結(jié)合顛簸裝置的相關(guān)零件尺寸，修正探測(cè)點(diǎn)所在的實(shí)際位置；探測(cè)器支架上端焊接在支承軸上，下端與探測(cè)器的底板通過焊接相聯(lián)，它在傳動(dòng)軸的帶動(dòng)下，可以在支承軸的平行和垂直方向上擺動(dòng)，由于探測(cè)器支架與支承軸的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與支承軸中點(diǎn)重合，且與傳動(dòng)軸和支承軸的聯(lián)接點(diǎn)關(guān)于支承軸的中點(diǎn)對(duì)稱，因而，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)在豎直方向上的上下移動(dòng)，從而模擬了海底作業(yè)時(shí)上下左右顛簸的實(shí)際工況。收發(fā)一體式超聲波換能器安裝在擺桿下端，換能器繞鉸接點(diǎn)隨著擺桿運(yùn)動(dòng)，光電開關(guān)的發(fā)射器裝在軸承座上，光電開關(guān)的擋片固定在圓柱凸輪上，發(fā)射器和擋片相對(duì)應(yīng)時(shí)，超聲波換能器剛好運(yùn)動(dòng)到裝置的最右邊；探測(cè)裝置部分采用圓柱凸輪將探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為擺桿的擺動(dòng)，探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做間歇性的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)收發(fā)一體式超聲波換能器繞固定中心做等角度的擺動(dòng)，每次擺動(dòng)的角度為1°，而且探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)始終向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)收發(fā)一體式超聲波換能器做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過圓柱凸輪等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，擺角幅度為20°，即以豎直線為中心士 10° ；圓柱凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)半圈測(cè)21個(gè)點(diǎn)，即探頭全幅度擺動(dòng)一次測(cè)21個(gè)點(diǎn)，因而探頭的擺動(dòng)圓弧分為20 段，圓柱凸輪按40段進(jìn)行設(shè)計(jì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所述的試驗(yàn)裝置能逼真地模擬海底采礦的復(fù)雜顛簸工況并修正探測(cè)點(diǎn)的位置，與其他形式的探測(cè)試驗(yàn)裝置相比，大大簡(jiǎn)化了裝置的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、試驗(yàn)逼真的優(yōu)點(diǎn)；所述的試驗(yàn)裝置避免了探頭的往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)探測(cè)的實(shí)時(shí)性的限制，也降低了探頭運(yùn)動(dòng)所激起水花對(duì)超聲波換能器接收信號(hào)的影響；所述的試驗(yàn)探測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了探頭的等角度的擺動(dòng)，簡(jiǎn)化了探測(cè)點(diǎn)原始高程數(shù)據(jù)換算的復(fù)雜程度。


圖1為本發(fā)明的新型超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明下面將結(jié)合說明書附圖與具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步說明如圖1所示，一種超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置，由模擬顛簸裝置和擺動(dòng)探測(cè)裝置兩部分組成，模擬顛簸裝置的結(jié)構(gòu)是顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1通過第一電機(jī)座4固定于固定支架5上，固定支架5整體安裝于移動(dòng)小車6上，顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1的輸出軸端裝有圓盤2，連桿3通過銷釘聯(lián)接在圓盤2上，連桿3另一端聯(lián)接于滑塊27上，滑塊27滑動(dòng)安裝在固定支架5的固定滑槽觀內(nèi)，外接圓構(gòu)件7鉸接在固定支架5上，支承軸25安裝在外接圓構(gòu)件7上且支承軸25的軸線與外接圓構(gòu)件7和固定支架5的聯(lián)接軸線垂直，傳動(dòng)軸沈一端聯(lián)接在滑塊27中心，另一端與支承軸25相聯(lián)且傳動(dòng)軸沈與支承軸25的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與支承軸25的中點(diǎn)重合，探測(cè)器支架8上端連接在支承軸25上且探測(cè)器支架8與支承軸25的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與支承軸25的中點(diǎn)重合且與傳動(dòng)軸沈和支承軸25的聯(lián)接點(diǎn)關(guān)于支承軸25的中點(diǎn)對(duì)稱，在支承軸25的一端安裝有第一角位移傳感器23，外接圓構(gòu)件7與固定支架5的聯(lián)接點(diǎn)上安裝有第二角位移傳感器M ；擺動(dòng)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)是圓柱凸輪9通過第一軸承座 10和第二軸承座21安裝在探測(cè)器底板16上，第一軸承座10設(shè)有第一軸承端蓋11，第二軸承座21設(shè)有第二軸承端蓋20，探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18通過第二電機(jī)座17安裝在探測(cè)器底板16且通過套筒聯(lián)軸器19與圓柱凸輪9傳動(dòng)聯(lián)接，圓柱滾子12置于探測(cè)器底板16上的滑槽15中且插入到圓柱凸輪9的滑溝內(nèi)，圓柱滾子12與擺桿14上端鉸接，擺桿14下端與探測(cè)器底板16鉸接，收發(fā)一體式超聲波換能器13安裝在擺桿14下端，與控制系統(tǒng)電連接的光電開關(guān)22的發(fā)射器裝在第二軸承座21上，光電開關(guān)22的擋片固定在圓柱凸輪9上， 探測(cè)器底板16與探測(cè)器支架8相聯(lián)。超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，(1)由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1按所要求的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)探測(cè)裝置部分進(jìn)入模擬海底顛簸工作狀態(tài)；(2)控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18帶動(dòng)圓柱凸輪9連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到圓柱凸輪9上的擋片第一次與光電開關(guān)22發(fā)射器對(duì)應(yīng)時(shí)停止，并停留50ms，此時(shí)整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入探測(cè)第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)備狀態(tài)；(3)單片機(jī)控制系統(tǒng)控制收發(fā)一體式超聲波換能器13發(fā)出探測(cè)信號(hào)， 進(jìn)行微地形探測(cè)，并收集回波信號(hào)，在發(fā)出探測(cè)信號(hào)的同時(shí)采集第一角位移傳感器23和第二角位移傳感器M的角度信號(hào)，并將收集到的回波信號(hào)和角位移信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳至工控機(jī)；(4)由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18依次轉(zhuǎn)過一定角度，并停留相應(yīng)的時(shí)間，每次轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后，對(duì)該探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行微地形探測(cè)，并采集此時(shí)第一角位移傳感器23 和第二角位移傳感器M的角度信號(hào)；( 探測(cè)完一片預(yù)定的區(qū)域以后，將所有探測(cè)點(diǎn)上采集到的地形原始高程數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工控機(jī)中，進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位置修正計(jì)算和微地形重構(gòu)。利用所述的圓柱凸輪9將所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18輸出軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述的擺桿14上的收發(fā)一體式超聲波換能器13的等角度擺動(dòng)，而且所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18始終向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)所述的收發(fā)一體式超聲波換能器13做往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器13每次均勻擺動(dòng)的角度為1°，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器13的擺角幅度為20°，即以豎直線為中心士 10°。所述的收發(fā)一體式超聲波換能器13擺動(dòng)到一個(gè)位置后，停留50ms，當(dāng)擺動(dòng)到最左和最右邊時(shí)，停留100+Xms，其中Xms用于移動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)情況確定。整個(gè)試驗(yàn)方法和裝置是通過以下具體方式實(shí)施的(1)顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1通過電機(jī)座4安裝于固定支架5上，固定支架5整體安裝于移動(dòng)小車6上，顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)1在單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)圓盤2、連桿3和滑塊27做曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而傳動(dòng)軸沈隨滑塊27 —起運(yùn)動(dòng)，使支承軸25帶動(dòng)外接圓構(gòu)件7繞外接圓構(gòu)件7和固定支架5的聯(lián)接點(diǎn)做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，支承軸25可以在外接圓構(gòu)件7的孔中隨傳動(dòng)軸沈轉(zhuǎn)動(dòng)，探測(cè)器支架8焊接在支承軸25上，且焊接點(diǎn)不在中點(diǎn)上， 與傳動(dòng)軸26和支承軸25的聯(lián)接點(diǎn)關(guān)于支承軸25的中點(diǎn)對(duì)稱，探測(cè)裝置部分的探測(cè)器底板 16與探測(cè)器支架8通過焊接相聯(lián)，因而探測(cè)裝置部分會(huì)隨探測(cè)器支架8 一起做上下左右顛簸運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，整個(gè)試驗(yàn)裝置進(jìn)入模擬海底復(fù)雜顛簸工作狀態(tài)。(2)模擬顛簸裝置部分開始工作后，單片控制系統(tǒng)控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并通過套筒聯(lián)軸器19將運(yùn)動(dòng)傳遞給圓柱凸輪9的主軸，帶動(dòng)圓柱凸輪9旋轉(zhuǎn)，圓柱凸輪9通過圓柱滾子12帶動(dòng)擺桿14運(yùn)動(dòng)，擺桿14下端裝有收發(fā)一體式超聲波換能器13，收發(fā)一體式超聲波換能器13會(huì)隨擺桿14繞擺桿14與探測(cè)器底板16上的鉸接點(diǎn)擺動(dòng)，當(dāng)?shù)诙S承座21上的光電開關(guān)22的發(fā)射器與安裝于圓柱凸輪9上的擋片對(duì)應(yīng)時(shí)，探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18停止旋轉(zhuǎn)，此時(shí)，收發(fā)一體式超聲波換能器13將運(yùn)動(dòng)到最右端，進(jìn)入探測(cè)第一個(gè)點(diǎn)的準(zhǔn)備狀態(tài)。(3)此時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制收發(fā)一體式超聲波換能器13發(fā)出脈沖探測(cè)信號(hào)， 探測(cè)信號(hào)觸地后返回，并被收發(fā)一體式超聲波換能器13接收，收發(fā)一體式超聲波換能器13 接收到的回波信號(hào)經(jīng)放大電路放大、帶通濾波器濾波后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集卡，與工控機(jī)進(jìn)行通信，在發(fā)出探測(cè)信號(hào)的同時(shí)，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)采集卡采集此時(shí)第一角位移傳感器 23和第二角位移傳感器M的角度信號(hào)，并將其傳給工控機(jī)后，系統(tǒng)已經(jīng)完成了一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)。
(4)探測(cè)用步進(jìn)電機(jī)18在單片機(jī)控制系統(tǒng)的控制下，依次轉(zhuǎn)動(dòng)9°，收發(fā)一體式超聲波換能器13會(huì)隨擺桿14做每次為1°的等角度擺動(dòng)，每次轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后停留50ms，探測(cè)當(dāng)時(shí)位置的探測(cè)點(diǎn)，當(dāng)收發(fā)一體式超聲波換能器13擺動(dòng)到達(dá)最左或最右邊的極限位置時(shí)，即探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)18每轉(zhuǎn)過180°時(shí)，停留100+Xms，前50ms用于探測(cè)本周期中的最后一個(gè)點(diǎn)，中間Xms用于探測(cè)小車的前移，后50ms用于進(jìn)行下一個(gè)周期第一個(gè)采集點(diǎn)的探測(cè)，在這段時(shí)間中，總共進(jìn)行兩次數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的探測(cè)。當(dāng)探測(cè)完一片預(yù)定的區(qū)域以后，將所有探測(cè)點(diǎn)的地形原始高程數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工控機(jī)中，進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位置修正計(jì)算和微地形重構(gòu)。本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)室中已成功應(yīng)用于水下微地形探測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到厘米級(jí)的測(cè)量精度， 能重構(gòu)識(shí)別出各種海底的模擬地形，滿足深海微地形原始高程數(shù)據(jù)探測(cè)的需要。
權(quán)利要求
1.一種超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置，由模擬顛簸裝置和擺動(dòng)探測(cè)裝置兩部分組成，其特征在于所述的模擬顛簸裝置的結(jié)構(gòu)是顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(1)固定于固定支架 (5)上，所述的固定支架( 整體安裝于移動(dòng)小車(6)上，所述的顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(1)的輸出軸端裝有圓盤O)，連桿C3)聯(lián)接在所述的圓盤( 上，所述的連桿C3)另一端聯(lián)接于滑塊(XT)上，所述的滑塊(XT)滑動(dòng)安裝在所述的固定支架(5)的固定滑槽08)內(nèi)，外接圓構(gòu)件(7)鉸接在所述的固定支架(5)上，支承軸05)安裝在所述的外接圓構(gòu)件(7)上且所述的支承軸05)的軸線與所述的外接圓構(gòu)件(7)和所述的固定支架(5)的聯(lián)接軸線垂直，傳動(dòng)軸06) —端聯(lián)接在所述的滑塊(XT)中心，另一端與所述的支承軸0 相聯(lián)且所述的傳動(dòng)軸06)與所述的支承軸05)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與所述的支承軸05)的中點(diǎn)重合，探測(cè)器支架(8)上端連接在所述的支承軸0 上且所述的探測(cè)器支架(8)與所述的支承軸 (25)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)不與所述的支承軸05)的中點(diǎn)重合且與所述的傳動(dòng)軸06)和支承軸05) 的聯(lián)接點(diǎn)關(guān)于所述的支承軸0 的中點(diǎn)對(duì)稱，在所述的支承軸0 的一端安裝有第一角位移傳感器(23)，所述的外接圓構(gòu)件(7)與所述的固定支架(5)的聯(lián)接點(diǎn)上安裝有第二角位移傳感器04)；所述的擺動(dòng)探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)是圓柱凸輪(9)通過軸承座安裝在探測(cè)器底板(16)上，探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(18)安裝在所述的探測(cè)器底板(16)且與所述的圓柱凸輪 (9)傳動(dòng)聯(lián)接，圓柱滾子(1 置于所述的探測(cè)器底板(16)上的滑槽(1 中且插入到所述的圓柱凸輪(9)的滑溝內(nèi)，所述的圓柱滾子(1 與擺桿(14)上端鉸接，所述的擺桿(14)下端與所述的探測(cè)器底板(16)鉸接，收發(fā)一體式超聲波換能器(1 安裝在所述的擺桿(14) 下端，所述的軸承座上安裝有與控制系統(tǒng)電連接且與所述的圓柱凸輪(9)上的擋片相對(duì)應(yīng)的光電開關(guān)(22)，所述的探測(cè)器底板(16)與所述的探測(cè)器支架(8)相聯(lián)。
2.試驗(yàn)權(quán)利要求1所述的超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的方法，其特征在于(1)、 由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制顛簸用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(1)按所要求的速度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)探測(cè)裝置部分進(jìn)入模擬海底顛簸工作狀態(tài)；( 、控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(18)帶動(dòng)圓柱凸輪(9)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到圓柱凸輪(9)上的擋片第一次與光電開關(guān)0 發(fā)射器對(duì)應(yīng)時(shí)停止，并停留 50ms，此時(shí)整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)入探測(cè)第一個(gè)探測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)備狀態(tài)；03)、單片機(jī)控制系統(tǒng)控制收發(fā)一體式超聲波換能器(1 發(fā)出探測(cè)信號(hào)，進(jìn)行微地形探測(cè)，并收集回波信號(hào)，在發(fā)出探測(cè)信號(hào)的同時(shí)采集第一角位移傳感器和第二角位移傳感器04)的角度信號(hào)，并將收集到的回波信號(hào)和角位移信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳至工控機(jī)；(4)、由單片機(jī)控制系統(tǒng)控制探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(18)依次轉(zhuǎn)過一定角度，并停留相應(yīng)的時(shí)間，每次轉(zhuǎn)動(dòng)完畢后，對(duì)該探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行微地形探測(cè)，并采集此時(shí)第一角位移傳感器和第二角位移傳感器04)的角度信號(hào)；(5)、探測(cè)完一片預(yù)定的區(qū)域以后，將所有探測(cè)點(diǎn)上采集到的地形原始高程數(shù)據(jù)和角位移數(shù)據(jù)導(dǎo)入到工控機(jī)中，進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位置修正計(jì)算和微地形重構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的試驗(yàn)超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的方法，其特征在于 利用所述的圓柱凸輪(9)將所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(18)輸出軸上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為所述的擺桿(14)上的收發(fā)一體式超聲波換能器(1 的等角度擺動(dòng)，而且所述的探測(cè)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(18)始終向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)所述的收發(fā)一體式超聲波換能器(1 做往復(fù)的運(yùn)動(dòng)，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器(1 每次均勻擺動(dòng)的角度為1°，所述的收發(fā)一體式超聲波換能器(13)的擺角幅度為20°，即以豎直線為中心士 10°。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的試驗(yàn)超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置的方法，其特征在于所述的收發(fā)一體式超聲波換能器(1 擺動(dòng)到一個(gè)位置后，停留50ms，當(dāng)擺動(dòng)到最左和最右邊時(shí)，停留100+Xms，其中Xms用于移動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)情況確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超聲波水下微地形探測(cè)試驗(yàn)裝置及其方法。應(yīng)用于水下微地形探測(cè)及重構(gòu)試驗(yàn)研究。本發(fā)明的裝置主要由模擬顛簸裝置部分和探測(cè)裝置部分組成，能在模擬復(fù)雜海底顛簸工況的同時(shí)，對(duì)水下微地形進(jìn)行精確探測(cè)。本發(fā)明的方法是通過單片機(jī)系統(tǒng)控制顛簸裝置部分進(jìn)入顛簸狀態(tài)，然后由單片機(jī)系統(tǒng)控制探測(cè)用步進(jìn)電機(jī)依次旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，通過圓柱凸輪等結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為探頭的等角度擺動(dòng)，探頭發(fā)出探測(cè)信號(hào)并收集回波信號(hào)，在探測(cè)的同時(shí)，角位移傳感器對(duì)顛簸角度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，從而完成微地形的探測(cè)采樣工作，最后將采集的全部數(shù)據(jù)傳送至工控機(jī)，進(jìn)行探測(cè)點(diǎn)位置修正和微地形重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)微地形探測(cè)的目的。
文檔編號(hào)G01S15/89GK102269816SQ20111011675
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月6日
發(fā)明者卜英勇, 曹飛, 洪余久, 趙海鳴 申請(qǐng)人:中南大學(xué)