多波束姿態傳感器保護系統的研發

中國海洋大學船舶中心 黃 磊 宋振杰 袁志偉

多波束姿態傳感器保護系統的研發

中國海洋大學船舶中心 黃 磊 宋振杰 袁志偉

多波束姿態傳感器由航向航速突變及船體共振引發的瞬時加速度，會對多波束姿態傳感器測量精度產生極大影響，甚至導致機械性損毀。針對多波束傳感器使用過程中出現的瞬時加速度現象，研發出一種由加速度計和空氣阻尼機械臂組成的保護系統，對傳感器實施有效的保護，避免儀器使用過程中的損毀。

多波束姿態傳感器；瞬時加速度；空氣阻尼機械臂

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容，多波束調查是基于海洋調查船等載體實施的條帶式全覆蓋、高精度測量。由于多波束姿態傳感器在自我保護上存在很大缺陷，在實際的作業甚至運輸過程中易發生精度下降甚至機械性損毀事故（光纖羅經或加速度計的位移），影響測量工作的進行，造成不可估量的損失。多波束姿態傳感器由光纖羅經和加速度計等組成，分別測量當地的地球旋轉角速度矢量（確定南北軸向）和當地的重力加速度（由垂直軸向確定水平面）等。將地球旋轉角速度矢量投影到水平面上，就可得到北方向；重力加速度的三個軸向分量可確定縱搖和橫搖等數據。為有效減少分離坐標系軸系間偏差帶來的影響，常規做法是將多波束姿態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，設計多波束傳感器保護系統，避免突發意外造成的儀器損毀。

2. 多波束姿態傳感器保護系統

多波束姿態傳感器在測量過程中與船體重心時刻保持一體化狀態，其正常工作環境的瞬時加速度必須小于10倍重力加速度。當航向航速突變或船體共振導致的瞬時加速度超過限定值時，傳感器內部的光纖羅經或加速度計的位移會導致精度降低甚至機械性損毀，這對于海底地形地貌測量數據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，當外部加速度計數值到49m/s2時，就發出一級預警，提醒工作人員注意，如果海況持續惡劣應該停止采集，做好人工防范和保護工作，消除警報。當外部加速度計示數達到90m/s2時，發出二級預警，系統直接切斷傳感器對外數據輸出，并啟動扭力馬達電源，接通空氣阻尼機械臂電源，對系統強行保護，即依靠機械臂的延時阻尼振動減弱瞬時加速度的沖擊效果。

圖1 系統總體設計方框圖

2.1硬件組成

圖2 多波束姿態傳感器保護系統透視圖

多波束姿態傳感器的框架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內的姿態傳感器在正常工作環境下始終與船體處于相對靜止狀態（如圖2所示）。同時監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預警模塊。當外部加速度計2示數大于49 m/s2時觸發一級預警，由光電檢測電路識別后，提示對儀器進行人工干預，保護傳感器系統免受瞬時沖擊。

當海況較差或者儀器故障致使外部加速度計2示數超過90 m/s2時觸發二級警報，系統會直接切斷傳感器對外數據輸出，并啟動扭力馬達電源，接通空氣阻尼機械臂1的電源，傳感器固著的萬向吊桶3處于自由擺動狀態，此時兩個空氣阻尼機械臂1的延時阻尼振動會不斷弱化瞬時加速度對傳感器的影響，防止瞬時劇烈振動對傳感器的破壞。在空氣阻尼機械臂1與傳感器接觸點加裝橡膠墊，有效避免機械臂與傳感器接觸碰撞時的損傷。外部加速度計2示數小于49 m/s2時警報解除，系統切斷扭力馬達電源，同時，空氣阻尼機械臂1伸縮回初始位置，固定保護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狀態。

2.2軟件組成

多波束姿態傳感器保護系統是在一個單片機的控制下運行的，系統控制電路如圖3所示。當外部加速度計示數大于49 m/s2時觸發一級預警時，軟件系統通過光電檢測電路識別后，接通黃色LED電路和發出低頻蜂鳴器脈沖信號。外部加速度計示數超過90 m/s2時觸發二級警報，軟件系統通過光電檢測電路識別二級警報，接通紅色LED電路和發出高頻蜂鳴器脈沖信號的同時接通繼電器電路。繼電器接通空氣阻尼機械臂電源，使得空氣阻尼機械臂的延時阻尼振動會不斷弱化瞬時加速度對傳感器的影響，防止瞬時劇烈振動對傳感器的破壞。

圖3 多波束姿態傳感器保護系統電路圖

3. 結語

多波束姿態傳感器為精密海洋調查儀器，運輸的劇烈顛簸和使用過程中的碰撞都會導致精度的降低甚至內部光纖羅經和加速度計的損毀。傳感器一旦損壞，維修時需要重新對傳感器的核心部件進行校準，且由于其與船體的一體化安裝，需要船舶進塢進行精確的空間定位，其過程和費用遠超設備自身價值。多波束姿態傳感器保護系統可以有效應對瞬時加速度變化導致的突發狀況，及時預警和提供延時保護，彌補了現場瞬時不可抗力及應對不及時等造成的損毀，減少直接和間接的經濟損失。

本研究成果僅涉及空氣阻尼機械臂工作過程的簡單描述，未進一步探討空間復位、精準定位、延時阻尼振動及傳感器與船體相對靜止狀態的可重復性實現等問題，將在以后的工作實踐中作深入研究，加快高精度海洋調查儀器的研發和升級改造進程。

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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，大學本科，東方紅2船實驗室負責人，主要從事海洋調查及現場實驗工作。

中央高校基本科研業務費實驗室研究基金項目。