深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法技术方案

本发明专利技术公开一种深海自主姿态调节取样系统及其自主姿态调解方法，所述取样系统包括取样装配架、取样器、电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接，所述推动器组件包括四组推动器，分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，整体结构设计稳定性好；在对取样系统姿态调节时，基于平衡算法实现其自学习，推动器动作采用扭矩控制方式实现，控制简单迅速，利用推进器保持取样系统正确着陆海床姿态，实现系统在下放过程中的自主姿态调节，而且通过设定一个循环来执行各种“动作”，根据动作序列分数的高低决定执行动作的先后顺序，保证姿态调节快速达到最优的平衡状态，有效提高深海海底表层沉积物的获取效率。

【技术实现步骤摘要】
深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法
本专利技术属于深海勘探技术及海洋工程
，具体涉及一种深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法。
技术介绍
地球表面的总面积约为5.1亿平方千米，其中约有七成面积为海洋。海洋资源的开发、利用越来越受各个国家的重视，而相关的海洋资源勘探产业已经成为了许多国家的核心战略领域。海洋深度可由几米的浅海深至数千米的深海，其中深海勘探取样的技术难度大，尤其是对取样所用设备要求高。如授权公告号为【CN105547737B】的专利技术专利公开一种深海潜水取样装置及其实施方法，可以同时实现对水样、土样和水草样品等的取样，由于海洋环境的复杂性，深海取样设备姿态的调节及平稳着陆直接影响取样的成功率及准确率，也是目前海洋资源勘探的一大瓶颈。为此，亟待提出一种深海取样自主姿态调节方案，实现对深海取样装置的姿态平衡调节，从而保障深海沉积物取样的成功率。
技术实现思路
本专利技术为了提高取样系统着陆平稳性、有效保障深海沉积物取样的成功率，提出一种深海自主姿态调节取样系统及其姿态调节方法，通过倾角仪对取样系统的实时姿态进行动态监测，并由四个不同方向的推动器进行姿态平稳调节，以保障其取样的成功率。本专利技术是采用以下的技术方案实现的：一种深海自主姿态调节取样系统，包括取样装配架以及设置在取样装配架上的箱式取样器，所述取样装配架上还设置有电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，所述电池舱组件用以为整个系统提供电源，所述倾角仪用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接；所述推动器组件包括第一推动器、第二推动器、第三推动器和第四推动器，四个推动器分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，以便于实现姿态调整时的平衡性，且四个推动器结构设计相同，均包括推进器及其驱动器，所述驱动器包括一驱动器密封舱，由于驱动器的发热量很高，因此如何高效散热在密封舱设计上将做为一个重点考量的指标，所述驱动器密封舱内设置有一铝制支架，驱动器的电路板固定设置在铝制支架上，并将主要发热部位与铝制支架的铝片贴合，铝制支架与驱动器密封舱内壁紧密贴合实现热量的传递，驱动器密封舱的外壁为翅片型结构，采用铝片导热及增大散热面积的方式实现高效散热；所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。进一步的，所述MCU主控组件通过RS485与推动器组件实现通讯，所述MCU主控组件还包括恒扭矩设置模块，用以设定驱动器电机运动模式为恒扭矩模式，其中设置变量包括扭矩、转动方向，通过RS485串口驱动，配合MCU对姿态信息的实时监测、运算，实时刷新驱动器电机的运动状态，从而达到对系统进行实时自调调整的目的。进一步的，所述取样装配架包括上、中、下三层框架结构，下层为一长方体形框架、中层为一四棱台形框架，上层为一三角形吊环框架，且上、中、下三层框架结构之间还设置有加强筋，所述取样器设置有取样装配架的内部，整体结构设计层次感强、稳定性高,整个取样系统预计重量为850Kg，转动半径为0.6m，综合考虑运动产生水阻及水动量损失，转动扭矩不小于90NM即可满足角度调整大于2°/s。进一步的，所述第一推动器和第三推动器相对设置，第二推动器和第四推动器相对设置，第一推动器和第三推动器为正转推动器，第二推动器和第四推动器为反转推动器，可有效简化推动器姿态调节过程、提高姿态调节效率。进一步的，所述电池舱组件包括电池舱架、电池密封舱以及设置在电池密封舱内的电池组，电池密封舱的两端分别设置有电池舱盖，电池密封舱通过一电池舱卡箍固定在电池舱架上，且在电池组的两端还设置有泡沫垫块，所述电池舱架安装在第一推动器旁。进一步的，所述驱动器密封舱、电池密封舱均采用钛合金材料制作，质量轻，强度高，耐海水腐蚀。本专利技术另外还提出一种深海自主姿态调节取样系统的姿态调节方法，包括以下步骤：(1)通过钢缆绞车将取样系统进行投放；(2)在取样系统从海平面下放到海底过程中，通过倾角仪实时采集数据并传输至MCU主控组件进行分析处理，进而获得取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角；(3)由MCU主控组件的扭矩列表模块设定扭矩调节动作列表，所述扭矩为0-1的随机数，根据所获得的滚转角、偏航角和方位角，从扭矩列表模块中随机提取所需的扭矩调节动作，通过推动器对当前姿态进行调整，并由自平衡执行模块对当前姿态调整结果进行判断，对所选取的扭矩调节动作进行打分，记录该次姿态信息及其对应的扭矩调节动作；(4)通过实时记录并更新扭矩列表模块的分数，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的快速平衡调节。进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，所述扭矩列表模块为每个推动器均设置有一个动作列表(系统运行时，会在这个列表中选取动作)和每个动作对应的分数(初始分数全部为零)，然后设定一个循环，每次循环开始时读取倾角仪的数据，计算出取样系统当前的姿态信息(滚转角、俯仰角和转向角)。进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，在对取样系统的姿态进行调整时，姿态调整角速度不小于2°/s，通过机器学习优化水下自平衡算法，实现对推动器的精准控制。进一步的，所述步骤(3)和步骤(4)中，基于推动器动作对当前姿态进行调整时，通过控制驱动器PID参数，控制其以恒定扭矩方式输出。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本方案所述的深海自主姿态调节取样系统及其自主姿态调解方法，整体结构设计稳定性好，结合推动器动作采用扭矩控制方式实现，不需要通过转速和叶轮尺寸计算排水量来得出推力，直接根据扭矩得出推进器推力，从而简化了计算复杂度、控制也变得更加简单，利用推进器保持取样系统正确着陆海床姿态，实现系统在下放过程中的自主姿态调节；而且，在对取样系统姿态调节时，通过设定一个循环来执行各种“动作”，并实时根据“动作”结束后的反馈结果对该次扭矩调节动作进行评判分析，记录该次姿态调节过程中的“动作”序列和对应的分数，进行下次姿态调整时，根据动作序列分数的高低决定执行动作的先后顺序，基于平衡算法实现其自学习，从而快速达到最优的平衡状态，有效提高深海海底表层沉积物的获取效率，同时可为深海沉积物取样做出突出贡献，具有极高的实际应用价值。附图说明图1为本专利技术实施例1所述的取样系统的整体结构示意图；图2为本专利技术实施例1所述的取样系统的俯视结构示意图；图3为图1中所述推动器组件结构示意图；图4为图3中所述驱动器的剖面结构示意图；图5为所述电池密封舱的剖面结构示意图；图6为所述控制器密封舱结构示意图；图7为本专利技术实施例2所述平衡算法原理图；图8为本专利技术实施例2对取样系统在流速为1m/s的情况下模拟仿真的数据。具体实施方式为了能够更加清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.深海自主姿态调节取样系统，包括取样装配架以及设置在取样装配架上的取样器，其特征在于，所述取样装配架上还设置有电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，所述电池舱组件用以为整个系统提供电源，所述倾角仪用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接；所述推动器组件包括第一推动器、第二推动器、第三推动器和第四推动器，四个推动器分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，且四个推动器结构设计相同，均包括推进器及其驱动器；所述驱动器包括一驱动器密封舱，驱动器密封舱内设置有一铝制支架，驱动器的电路板固定设置在铝制支架上，铝制支架与驱动器密封舱内壁紧密贴合，驱动器密封舱的外壁为翅片型结构；所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行评判打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。...

【技术特征摘要】
1.深海自主姿态调节取样系统，包括取样装配架以及设置在取样装配架上的取样器，其特征在于，所述取样装配架上还设置有电池舱组件、MCU主控组件、推动器组件以及倾角仪，所述电池舱组件用以为整个系统提供电源，所述倾角仪用以实时检测该取样系统下放过程中的姿态信息，倾角仪和推动器组件均与MCU主控组件电连接；所述推动器组件包括第一推动器、第二推动器、第三推动器和第四推动器，四个推动器分别对应的设置在取样装配架的四周，两两相对呈正交设置，且四个推动器结构设计相同，均包括推进器及其驱动器；所述驱动器包括一驱动器密封舱，驱动器密封舱内设置有一铝制支架，驱动器的电路板固定设置在铝制支架上，铝制支架与驱动器密封舱内壁紧密贴合，驱动器密封舱的外壁为翅片型结构；所述MCU主控组件包括姿态解析模块、扭矩列表模块和自平衡执行模块，姿态解析模块实时接收倾角仪检测数据，并将其解析为取样系统的姿态信息，所述姿态信息包括滚转角、偏航角和方位角，依据当前姿态信息从扭矩列表模块中提取扭矩调节动作，并由自平衡执行模块依据执行扭矩调节动作之后的姿态信息对所该次的扭矩调节动作进行评判打分，每次循环检测开始时选取分数高的扭矩调节动作进行姿态调整，进而实现对取样系统姿态的平衡调节。2.根据权利要求1所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述MCU主控组件通过RS485与推动器组件实现通讯，所述MCU主控组件还包括恒扭矩设置模块，用以设定驱动器的电机运动模式为恒扭矩模式。3.根据权利要求1或2所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述取样装配架包括上、中、下三层框架结构，下层为一长方体形框架、中层为一四棱台形框架，上层为一三角形吊环框架，且上、中、下三层框架结构之间还设置有加强筋，所述取样器设置有取样装配架的内部。4.根据权利要求3所述的深海自主姿态调节取样系统，其特征在于：所述第一推动器和第三推动器相对设置，第二推动器和第四推动器相对设置，第一推动器和第三推动器为正转推动器，第二推动器和第四推动器为反转推...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨慧良，陆凯，单瑞，杨源，窦振亚，虞义勇，秦轲，张世阳，于得水，
申请(专利权)人：青岛海洋地质研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37