深海機(jī)器人專用熱流探針設(shè)計(jì)*

梁康康， 童 懷， 徐鳴亞, 徐 行， 彭 登

(1.廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院， 廣東 廣州 510006; 2.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣東 廣州 510760)

0 引 言

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱作用過程最直接的地表顯示 ,其中蘊(yùn)涵著豐富的地質(zhì)、地球物理和地球動(dòng)力學(xué)信息[1]。海底熱流測(cè)量是海洋地質(zhì)調(diào)查中的一種重要的手段，海洋熱流的測(cè)量成果資料對(duì)海上油氣能源的勘探與開發(fā)，海洋基礎(chǔ)地質(zhì)研究都有著重要作用。

常規(guī)的海底熱探針(LISTER型和EWING型)，主要是進(jìn)行深海表層沉積物的熱流探測(cè)，為小比例尺的區(qū)域海底熱流探測(cè)服務(wù)，但不能滿足在深海環(huán)境下探測(cè)局部特殊地質(zhì)體中精細(xì)的熱狀態(tài)和熱結(jié)構(gòu)的技術(shù)需求[2]。針對(duì)深海環(huán)境局部特殊構(gòu)造地質(zhì)體(如水下的礦體、冷泉和熱液噴口等)的調(diào)查與研究，借助遙控水下機(jī)器人 (remote operated vehicle,ROV)、載人潛水器(human occupied vehicle,HOV)和自主水下機(jī)器人(autonomous underwater vehicle,AUV)等深海作業(yè)平臺(tái)，水下機(jī)器人的機(jī)械手直接操作熱流探針，這種采集地?zé)釁?shù)的技術(shù)與方法越來越受到科學(xué)家們的關(guān)注和重視。本文為廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局海洋六號(hào)船的海獅4000型ROV量身定做專用熱流探針，其設(shè)計(jì)要求是測(cè)量精度為0.01 ℃、溫度測(cè)量分辨率為0.005 ℃。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)分兩部分，一為機(jī)械結(jié)構(gòu)，二為電子單元部分。其中，電子單元部分又分硬件和軟件二大部分。硬件主要是有溫度測(cè)控部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、通信接口組成。軟件是由JAVA編寫的上位機(jī)和Aduc845為核心的下位機(jī)構(gòu)成。上位機(jī)軟件對(duì)探測(cè)器進(jìn)行設(shè)置、控制探測(cè)器的采樣流程；Aduc845單片機(jī)強(qiáng)大的24位A/D轉(zhuǎn)換功能，保證了對(duì)采樣數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換的精度。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目主要用于深海海底的高壓、低溫環(huán)境下作業(yè)。由于設(shè)備將有水下機(jī)器人的機(jī)械手來操作，設(shè)備的外殼以鈦合金為主材料，鈦合金強(qiáng)度高、耐海水腐蝕性好。

探測(cè)器(圖1)分為上下兩部分：上部為電子艙，內(nèi)裝電路板；下部為探測(cè)器針頭，內(nèi)部等間距的分布有5只高靈敏度的溫度傳感器，用于對(duì)不同深度的地溫進(jìn)行采樣；在探測(cè)器的頂部，設(shè)計(jì)了一個(gè)由透明的玻璃裝置和內(nèi)置7只高亮度的LED發(fā)光二極管組成的指示燈系統(tǒng)，用于監(jiān)控設(shè)備的工作姿態(tài)狀況。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)外觀圖

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以主控MCU為控制核心，負(fù)責(zé)對(duì)海底沉積物溫度信息的采集并將其存儲(chǔ)于非易失性存儲(chǔ)器；時(shí)鐘模塊與MCU配合控制整個(gè)系統(tǒng)的工作起始，并在采樣點(diǎn)加入采樣信息的時(shí)間參數(shù)，為采樣數(shù)據(jù)的規(guī)范化存儲(chǔ)提供了有利條件；5通道的高精度溫度傳感器可保證對(duì)溫度的精確采集，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；姿態(tài)傳感模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)探針的工作姿態(tài)，并產(chǎn)生量化的角度信息，用于計(jì)算海底沉積物的地溫梯度；串口通信模塊實(shí)現(xiàn)了探針與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，用于控制命令的下達(dá)與采集信息的上傳。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)以keil軟件為編譯環(huán)境，采用C語言進(jìn)行編程。系統(tǒng)上電后對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行初始化，利用串口中斷接收上位機(jī)命令，采樣時(shí)間段內(nèi)，利用單片機(jī)提供的高精準(zhǔn)TIC(time interval counter)計(jì)時(shí)器對(duì)采樣率進(jìn)行計(jì)時(shí)，并觸發(fā)TIC中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的采樣，數(shù)據(jù)保存至外部非易失性存儲(chǔ)芯片，當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)來的讀取數(shù)據(jù)命令后，將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)等待后期處理,如圖3。

圖3 下位機(jī)程序流程圖

1.3.2 上位機(jī)軟件功能介紹

上位機(jī)采用JAVA語言進(jìn)行編程，主要承擔(dān)對(duì)下位機(jī)進(jìn)行開始采樣時(shí)間、結(jié)束采樣時(shí)間、系統(tǒng)時(shí)間、采樣率、波特率、串口號(hào)等參數(shù)的設(shè)置，以及對(duì)采樣數(shù)據(jù)的上傳讀取與數(shù)據(jù)處理任務(wù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

針魚探針于2013年03月跟隨“海洋六號(hào)”綜合調(diào)查船出海測(cè)試，海上試驗(yàn)的目的有2個(gè)：1)在利用深海恒溫環(huán)境下，對(duì)設(shè)備的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定；2)在深海環(huán)境下進(jìn)行設(shè)備的綜合試驗(yàn)，采集海底沉積物溫度提速數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)研發(fā)設(shè)備的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2.1 校準(zhǔn)試驗(yàn)

深水區(qū)域中同一深度可視為一個(gè)恒溫環(huán)境，在此環(huán)境中對(duì)熱敏電阻器進(jìn)行原位校準(zhǔn)，此過程利用已校準(zhǔn)過的CTD(溫鹽深儀)對(duì)探針進(jìn)行校準(zhǔn)[3]。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖4所示。

將探測(cè)器與CTD捆綁后一同放入海水中，并在不同深度水層穩(wěn)定停留，得到如表1所示的R-T數(shù)據(jù)。

根據(jù)YSI55032型熱敏電阻器的Steinhart-Hart公式將測(cè)得的電阻值轉(zhuǎn)換成溫度[4]，即有

圖4 校準(zhǔn)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

表1 校準(zhǔn)試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)R-T參數(shù)表

Tc=T+273.15，

式中R為探測(cè)器通過全橋電路所測(cè)得的電阻值，Ω；T為溫度值,℃；A，B，C為確定系數(shù)。進(jìn)行了依托CTD測(cè)試儀的設(shè)備校準(zhǔn)試驗(yàn)，根據(jù)對(duì)應(yīng)的3個(gè)深度的海水溫度T1和探測(cè)器測(cè)出的電阻值R1分別計(jì)算出每個(gè)通道的溫度系數(shù)，如表2所示。

表2 溫度系數(shù)計(jì)算結(jié)果

2.2 海洋沉積物溫度梯度探測(cè)試驗(yàn)

探測(cè)器跟隨“海洋六號(hào)”科考船在我國(guó)南海某海域進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。在甲板上利用上位機(jī)軟件對(duì)下位機(jī)采樣參數(shù)(包括采樣開始時(shí)間、采樣結(jié)束時(shí)間、采樣率)進(jìn)行設(shè)置，然后將其放入ROV上的探針容納筐中并隨ROV一同放入水中，ROV下潛至海底后，等待采樣至采樣開始時(shí)間，機(jī)械手臂抓取探針并穩(wěn)定停留3 min，以便測(cè)量完成后對(duì)各微型探針測(cè)量溫度進(jìn)行偏移修正 ,使得整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)具有良好的一致性[5]，然后將其快速豎直插入泥中，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，7 min后，將探針從泥中取出，采樣過程結(jié)束。圖5為ROV機(jī)械手臂抓取探針并將其插入海底沉積物進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖5 海底測(cè)試圖

將校準(zhǔn)試驗(yàn)中計(jì)算出的系數(shù)A,B,C和測(cè)得的熱敏電阻值代入Steinhart-Hart公式得到溫度數(shù)據(jù)部分展示如表3所示。

將5個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成溫度并畫出數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

表3 海洋測(cè)試采樣數(shù)據(jù)(部分)

圖6 海洋測(cè)試數(shù)據(jù)曲線

由圖6可看出：入泥前，探針由機(jī)械手臂抓取并穩(wěn)定停留，5個(gè)通道的溫度數(shù)據(jù)是相等的；當(dāng)探針被快速插入泥中后，由于探針管壁與沉積物的摩擦生熱作用導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果快速上升，并逐漸趨于穩(wěn)定，由于沉積物溫度要高于底層海水溫度，穩(wěn)定后，可由圖6看出：5個(gè)通道的溫度均明顯高于入泥前的溫度即底層海水溫度；沉積物深度的越深，溫度就會(huì)越高，且5個(gè)通道之間的溫度梯度順序與熱敏電阻器安裝位置一致，成功取得溫度梯度數(shù)據(jù)。

5只熱敏電阻器之間的溫度梯度明顯，恒溫環(huán)境下數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，波動(dòng)在0.003 ℃以內(nèi)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

本文將同一設(shè)備盡量采用同批次的傳感器，并在結(jié)構(gòu)上予以改進(jìn)，使熱敏電阻器緊貼設(shè)備外壁和并加入高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱膠，設(shè)備測(cè)試結(jié)果達(dá)到了較為理想的效果。通過海上仿真試驗(yàn)和海上作業(yè)，設(shè)計(jì)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)滿足了技術(shù)要求，可用于深海海底的原位測(cè)試工作中。

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