海底冷泉氣體滲漏模擬觀測系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

李臣豪，華志勵，何銳，連軍帥，郝宗睿*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100; 2.青島光明環(huán)保技術(shù)有限公司，山東 青島 266100)

我國海洋面積遼闊，海洋資源豐富，海底冷泉因潛在的能源因素和環(huán)境效應(yīng)而倍受關(guān)注，提高監(jiān)測和識別海底冷泉的能力，對天然氣水合物開發(fā)、溫室效應(yīng)的研究、碳循環(huán)和深海生命科學(xué)研究具有重要意義[1-3]。聲學(xué)探測是目前觀測冷泉氣泡羽流的主要手段，根據(jù)不同形狀、不同流量氣泡的聲波衰減特性和聲波幅值的不同來檢測冷泉氣體的分布范圍和活動特性[4-5]。因此，對于氣泡形態(tài)結(jié)構(gòu)的研究有助于識別海底冷泉特征和提高聲探測的精度。

目前，已有諸多學(xué)者開展了模擬海底冷泉氣體釋放的實驗研究。Kim[6]設(shè)計了一套天然氣水合物模擬裝置，分析了攪拌、噴霧等物理因素對于水合物生成速率、形態(tài)變化的影響。曹學(xué)文[7]利用高壓靜態(tài)釜式反應(yīng)容器進(jìn)行了水合物模擬實驗，分析了CO2水合物的生成機(jī)理。江磊磊[8]設(shè)計了天然氣水合物模擬試驗系統(tǒng)，研究天然氣水合物快速合成和高效強(qiáng)化水合物生成的方法。以上研究都是分析天然氣水合物的形成方式和外界因素對其的影響，但并未實現(xiàn)模擬系統(tǒng)的控制精度和功能齊全的統(tǒng)一。

本研究設(shè)計了一套控制精度高、功能全面的海底冷泉模擬觀測系統(tǒng)。以STM32單片機(jī)為載體，基于模糊PID算法對模擬產(chǎn)生氣泡的氣體流量進(jìn)行精準(zhǔn)控制，設(shè)計的以太網(wǎng)同步觸發(fā)器滿足雙目相機(jī)拍攝氣泡時對低同步誤差的要求，實驗數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)可以為氣泡形態(tài)特征和動力學(xué)特征的提取提供數(shù)據(jù)支持。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

氣泡模擬觀測系統(tǒng)主要包括氣泡模擬模塊、雙目相機(jī)成像觀測模塊和控制通訊模塊，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。控制芯片采用STM32F103YS-F1Pro單片機(jī)，其功能強(qiáng)大，集成了包含以太網(wǎng)的ENC28J60網(wǎng)絡(luò)模塊，具有豐富的通訊接口，便于進(jìn)行指令傳輸[9]。該系統(tǒng)的設(shè)計可以有效地減少冗雜繁瑣的器件，以更高的精度實現(xiàn)預(yù)期功能，系統(tǒng)設(shè)計示意圖如圖2所示。

圖1 氣泡模擬系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic of bubble simulation system

圖2 氣泡模擬系統(tǒng)設(shè)計示意圖Fig.2 Bubble simulation system design diagram

1.2 氣泡模擬模塊設(shè)計

1.2.1 氣體流量控制器的設(shè)計

SA5000流量傳感器對水和空氣等介質(zhì)兼容性都很高，可用于本系統(tǒng)氣體流量的測量。測量的流量值以模擬量的形式輸出，經(jīng)ICL7650運算放大器對流量值的模擬量信號進(jìn)行放大。將獲取的實際流量值與設(shè)定流量值進(jìn)行比對，利用模糊PID算法對流量偏差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終準(zhǔn)確地獲得預(yù)期流量值。其工作原理如圖3所示。

圖3 流量控制器工作示意圖Fig.3 Schematic of flow controller workflow

1.2.2 模糊PID控制算法

傳統(tǒng)的控制方法無法滿足本系統(tǒng)對于氣體流量控制精度高、響應(yīng)速度快的要求，為此，本文采用模糊PID控制算法，在實現(xiàn)PID控制自適應(yīng)的同時，具有模糊控制的智能性，提高系統(tǒng)的控制性能[10]。模糊PID流量控制工作原理圖如圖4所示。

圖4 模糊PID流量控制原理圖Fig.4 Schematic of fuzzy PID flow control

本文在設(shè)計模糊PID控制器時，將氣體實際流量值與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行對比，通過處理器計算出氣體流量偏差以及偏差變化率，以偏差e和偏差變化率ec作為輸入，分析相關(guān)論域，根據(jù)規(guī)則表，進(jìn)行隸屬度函數(shù)的分析，進(jìn)行模糊化處理。

在對流量控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析后，選取流量偏差e的論域為[-6,6]，流量偏差變化率ec的論域為[-3,3]。考慮到流量控制要求，流量控制系統(tǒng)選擇使用三角形隸屬函數(shù)，該隸屬函數(shù)斜率較大，可以使氣體流量控制系統(tǒng)獲得較好的感知速度，及時、準(zhǔn)確的對流量誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)，三角形隸屬函數(shù)如式(1)所示[11]。

(1)

式中，μa(x)為元素x的隸屬度，x為模糊變量元素，參數(shù)a、c對應(yīng)三角形下部的兩個頂點，參數(shù)b對應(yīng)三角形上部的頂點。根據(jù)隸屬度函數(shù)求出模糊子集中各元素，采用加權(quán)平均法對經(jīng)過模糊推理后的輸出量進(jìn)行反模糊化處理，將模糊量轉(zhuǎn)變?yōu)閳?zhí)行機(jī)構(gòu)中的精確量，即：

(2)

式中，xi為模糊變量元素，μa(xi)為元素xi的隸屬度。最后將反模糊化推理求出的Kp、Ki、Kd值，輸入到PID調(diào)節(jié)器中并調(diào)節(jié)至流量調(diào)控值與目標(biāo)值匹配，最終實現(xiàn)模擬氣泡的精準(zhǔn)、可控復(fù)現(xiàn)。模糊PID氣體流量控制流程如圖5所示。

圖5 模糊PID控制流程圖Fig.5 Fuzzy PID control flowchart

1.3 雙目相機(jī)成像觀測模塊設(shè)計

雙目相機(jī)對模擬氣泡拍攝的不同步將導(dǎo)致后期的氣泡三維重建、特征提取等環(huán)節(jié)出現(xiàn)分析誤差[12]。本系統(tǒng)的同步觸發(fā)過程主要由觸發(fā)信號處理、傳輸、執(zhí)行構(gòu)成，觸發(fā)信號的處理和傳輸主要是對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和對編碼后的信號進(jìn)行發(fā)出和接收，該部分由信號檢測模塊和DM9051網(wǎng)口芯片構(gòu)成。STM32單片機(jī)的ENC28J60模塊通過SPI接口與外圍DM9051相連，可以實現(xiàn)以太網(wǎng)的應(yīng)用，將觸發(fā)數(shù)據(jù)經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)編碼后輸出[13-15]。

相機(jī)的同步觸發(fā)首先需要STM32單片機(jī)對硬件外設(shè)和SPI協(xié)議進(jìn)行初始化設(shè)置。判斷是否收到觸發(fā)命令，若收到觸發(fā)命令，則由信號發(fā)送器向交換機(jī)發(fā)送觸發(fā)相機(jī)的數(shù)據(jù)包。同時位于觸發(fā)信號接收器的交換機(jī)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)端口數(shù)據(jù)，當(dāng)接收器收到來自以太網(wǎng)傳輸?shù)挠|發(fā)信號時，單片機(jī)會驅(qū)動觸發(fā)器完成對高速攝像機(jī)的觸發(fā)功能。以太網(wǎng)的加入大大降低了信號在傳輸過程中的異步性和延時性。相機(jī)同步觸發(fā)示意圖見圖6～7。

圖6 相機(jī)同步觸發(fā)系統(tǒng)框圖Fig.6 Camera synchronization trigger system block diagram

圖7 相機(jī)同步觸發(fā)流程圖Fig.7 Camera synchronization trigger flowchart

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 控制系統(tǒng)主程序設(shè)計

針對模擬氣泡的精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)這一關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了驅(qū)動控制與串口通信中斷程序，流量多級反饋方法步驟如圖8所示。

2.2 控制界面的設(shè)計

基于C# WinForm界面開發(fā)的海底冷泉氣體滲漏模擬觀測裝置控制終端，如圖9所示，通過上位機(jī)可以調(diào)節(jié)流量控制器和相機(jī)等傳感器參數(shù)，也可實現(xiàn)傳感器信息的實時反饋，及時、有效和準(zhǔn)確地反應(yīng)模擬觀測系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

圖8 中斷程序流程圖Fig.8 Interrupt program flowchart

圖9 控制終端界面Fig 9 Control terminal interface

3 實驗分析

首先，將預(yù)期流量值設(shè)定為100 sccm，使用Simulink工具對模糊PID流量控制和常規(guī)PID流量控制效果進(jìn)行仿真模擬，仿真結(jié)果如圖10所示，常規(guī)PID控制下的氣體流量調(diào)節(jié)時間為2.42 s，超調(diào)量為41%；模糊PID控制下的氣體流量調(diào)節(jié)時間為0.71 s，超調(diào)量為6.2%。相比之下，模糊PID控制的調(diào)節(jié)過程持續(xù)的時間更短，超調(diào)量更低，魯棒性更好。

圖10 模糊PID對比仿真圖Fig.10 Fuzzy PID comparison simulation diagram

為了驗證流量控制的實際效果，將流量值預(yù)先設(shè)定為200～1 200 sccm運行，分別采用模糊PID控制方法和常規(guī)PID控制方法對流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，用Alicat便攜式氣體流量計分別對控制后的實際流量進(jìn)行多次測量，最后取實測流量的平均值并計算誤差率，實驗結(jié)果如表1所示。

實驗發(fā)現(xiàn)較常規(guī)PID控制方法，本系統(tǒng)采用的模糊PID控制算法對流量誤差進(jìn)行多級調(diào)節(jié)，流量控制的誤差率相比于PID控制最高可降低1.5%，控制效果上有較大幅度提高，面對不同流量的氣體，模糊PID控制的誤差率可穩(wěn)定地保持在較小的范圍內(nèi)，呈現(xiàn)出良好的適應(yīng)性，滿足氣泡模擬系統(tǒng)對流量控制的需求。

表1 氣體流量控制對比實驗結(jié)果Table 1 Gas flow control comparison experiment results

為了驗證同步觸發(fā)器對相機(jī)觸發(fā)同步性的提高，分別使用本文設(shè)計的以太網(wǎng)同步觸發(fā)器和常規(guī)觸發(fā)器對GoPro HERO9相機(jī)進(jìn)行觸發(fā)控制，相機(jī)以每秒傳輸幀數(shù)為60的速度進(jìn)行拍攝，利用PotPlayerPortable軟件分別記錄不同觸發(fā)方式下雙目相機(jī)拍攝同一張照片的時間點t1和t2，根據(jù)記錄的時間點分別計算不同觸發(fā)方式下雙目相機(jī)拍攝的同步誤差Δt，實驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 雙目相機(jī)同步誤差Fig.11 Dual camera synchronization error

通過實驗發(fā)現(xiàn)，常規(guī)觸發(fā)方式下的雙目相機(jī)最大同步誤差為1.5 ms，而本文設(shè)計的以太網(wǎng)同步觸發(fā)器因以太網(wǎng)的傳輸速率高、延時低的優(yōu)勢，雙目相機(jī)的同步誤差可有效地穩(wěn)定在0.4 ms以內(nèi)，誤差波動幅值較小，整體同步誤差的波動范圍較常規(guī)狀態(tài)下降低了1.1 ms，一定程度上提高了兩相機(jī)拍攝的同步性。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于模糊PID算法的流量調(diào)節(jié)技術(shù)和雙目相機(jī)以太網(wǎng)同步觸發(fā)的方法，并基于此設(shè)計了海底冷泉模擬觀測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有流量動態(tài)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)、相機(jī)同步性高、數(shù)據(jù)實時反饋、抗干擾能力強(qiáng)的特點。該系統(tǒng)的設(shè)計彌補(bǔ)了該類裝置在氣體流量控制精確和相機(jī)同步性方面的欠缺，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。但隨著研究的深入，對氣泡模擬系統(tǒng)提出了更高的要求，裝置對環(huán)境的自適應(yīng)、復(fù)雜破碎氣泡的模擬等方面都是模擬裝置后期需要改進(jìn)的方向。改善相機(jī)的拍攝環(huán)境，獲取多樣化的模擬氣泡圖像，將為數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確全面提取提供支持。