海底冷泉氣體滲漏模擬觀測系統設計與開發

李臣豪，華志勵，何銳，連軍帥，郝宗睿*

(1.齊魯工業大學(山東省科學院) 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266100; 2.青島光明環保技術有限公司，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境效應而倍受關注，提高監測和識別海底冷泉的能力，對天然氣水合物開發、溫室效應的研究、碳循環和深海生命科學研究具有重要意義[1-3]。聲學探測是目前觀測冷泉氣泡羽流的主要手段，根據不同形狀、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，對于氣泡形態結構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，已有諸多學者開展了模擬海底冷泉氣體釋放的實驗研究。Kim[6]設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、形態變化的影響。曹學文[7]利用高壓靜態釜式反應容器進行了水合物模擬實驗，分析了CO2水合物的生成機理。江磊磊[8]設計了天然氣水合物模擬試驗系統，研究天然氣水合物快速合成和高效強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，但并未實現模擬系統的控制精度和功能齊全的統一。

本研究設計了一套控制精度高、功能全面的海底冷泉模擬觀測系統。以STM32單片機為載體，基于模糊PID算法對模擬產生氣泡的氣體流量進行精準控制，設計的以太網同步觸發器滿足雙目相機拍攝氣泡時對低同步誤差的要求，實驗數據表明該系統可以為氣泡形態特征和動力學特征的提取提供數據支持。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體設計

氣泡模擬觀測系統主要包括氣泡模擬模塊、雙目相機成像觀測模塊和控制通訊模塊，系統原理框圖如圖1所示。控制芯片采用STM32F103YS-F1Pro單片機，其功能強大，集成了包含以太網的ENC28J60網絡模塊，具有豐富的通訊接口，便于進行指令傳輸[9]。該系統的設計可以有效地減少冗雜繁瑣的器件，以更高的精度實現預期功能，系統設計示意圖如圖2所示。

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

圖2 氣泡模擬系統設計示意圖Fig.2 Bubble simulation system design diagram

1.2 氣泡模擬模塊設計

1.2.1 氣體流量控制器的設計

SA5000流量傳感器對水和空氣等介質兼容性都很高，可用于本系統氣體流量的測量。測量的流量值以模擬量的形式輸出，經ICL7650運算放大器對流量值的模擬量信號進行放大。將獲取的實際流量值與設定流量值進行比對，利用模糊PID算法對流量偏差值進行調節，最終準確地獲得預期流量值。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

傳統的控制方法無法滿足本系統對于氣體流量控制精度高、響應速度快的要求，為此，本文采用模糊PID控制算法，在實現PID控制自適應的同時，具有模糊控制的智能性，提高系統的控制性能[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

本文在設計模糊PID控制器時，將氣體實際流量值與系統預設值進行對比，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，分析相關論域，根據規則表，進行隸屬度函數的分析，進行模糊化處理。

在對流量控制系統進行綜合分析后，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，流量控制系統選擇使用三角形隸屬函數，該隸屬函數斜率較大，可以使氣體流量控制系統獲得較好的感知速度，及時、準確的對流量誤差進行調節，三角形隸屬函數如式(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a、c對應三角形下部的兩個頂點，參數b對應三角形上部的頂點。根據隸屬度函數求出模糊子集中各元素，采用加權平均法對經過模糊推理后的輸出量進行反模糊化處理，將模糊量轉變為執行機構中的精確量，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調節器中并調節至流量調控值與目標值匹配，最終實現模擬氣泡的精準、可控復現。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 雙目相機成像觀測模塊設計

雙目相機對模擬氣泡拍攝的不同步將導致后期的氣泡三維重建、特征提取等環節出現分析誤差[12]。本系統的同步觸發過程主要由觸發信號處理、傳輸、執行構成，觸發信號的處理和傳輸主要是對信號數據進行編碼和對編碼后的信號進行發出和接收，該部分由信號檢測模塊和DM9051網口芯片構成。STM32單片機的ENC28J60模塊通過SPI接口與外圍DM9051相連，可以實現以太網的應用，將觸發數據經過網絡編碼后輸出[13-15]。

相機的同步觸發首先需要STM32單片機對硬件外設和SPI協議進行初始化設置。判斷是否收到觸發命令，若收到觸發命令，則由信號發送器向交換機發送觸發相機的數據包。同時位于觸發信號接收器的交換機監聽網絡端口數據，當接收器收到來自以太網傳輸的觸發信號時，單片機會驅動觸發器完成對高速攝像機的觸發功能。以太網的加入大大降低了信號在傳輸過程中的異步性和延時性。相機同步觸發示意圖見圖6～7。

圖6 相機同步觸發系統框圖Fig.6 Camera synchronization trigger system block diagram

圖7 相機同步觸發流程圖Fig.7 Camera synchronization trigger flowchart

2 控制系統軟件設計

2.1 控制系統主程序設計

針對模擬氣泡的精準復現這一關鍵技術，設計了驅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 控制界面的設計

基于C# WinForm界面開發的海底冷泉氣體滲漏模擬觀測裝置控制終端，如圖9所示，通過上位機可以調節流量控制器和相機等傳感器參數，也可實現傳感器信息的實時反饋，及時、有效和準確地反應模擬觀測系統數據。

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，將預期流量值設定為100 sccm，使用Simulink工具對模糊PID流量控制和常規PID流量控制效果進行仿真模擬，仿真結果如圖10所示，常規PID控制下的氣體流量調節時間為2.42 s，超調量為41%；模糊PID控制下的氣體流量調節時間為0.71 s，超調量為6.2%。相比之下，模糊PID控制的調節過程持續的時間更短，超調量更低，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，將流量值預先設定為200～1 200 sccm運行，分別采用模糊PID控制方法和常規PID控制方法對流量進行調節，用Alicat便攜式氣體流量計分別對控制后的實際流量進行多次測量，最后取實測流量的平均值并計算誤差率，實驗結果如表1所示。

實驗發現較常規PID控制方法，本系統采用的模糊PID控制算法對流量誤差進行多級調節，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控制的誤差率可穩定地保持在較小的范圍內，呈現出良好的適應性，滿足氣泡模擬系統對流量控制的需求。

表1 氣體流量控制對比實驗結果Table 1 Gas flow control comparison experiment results

為了驗證同步觸發器對相機觸發同步性的提高，分別使用本文設計的以太網同步觸發器和常規觸發器對GoPro HERO9相機進行觸發控制，相機以每秒傳輸幀數為60的速度進行拍攝，利用PotPlayerPortable軟件分別記錄不同觸發方式下雙目相機拍攝同一張照片的時間點t1和t2，根據記錄的時間點分別計算不同觸發方式下雙目相機拍攝的同步誤差Δt，實驗結果如圖11所示。

圖11 雙目相機同步誤差Fig.11 Dual camera synchronization error

通過實驗發現，常規觸發方式下的雙目相機最大同步誤差為1.5 ms，而本文設計的以太網同步觸發器因以太網的傳輸速率高、延時低的優勢，雙目相機的同步誤差可有效地穩定在0.4 ms以內，誤差波動幅值較小，整體同步誤差的波動范圍較常規狀態下降低了1.1 ms，一定程度上提高了兩相機拍攝的同步性。

4 結論

本文提出了一種基于模糊PID算法的流量調節技術和雙目相機以太網同步觸發的方法，并基于此設計了海底冷泉模擬觀測系統。該系統具有流量動態精準調節、相機同步性高、數據實時反饋、抗干擾能力強的特點。該系統的設計彌補了該類裝置在氣體流量控制精確和相機同步性方面的欠缺，提高了數據的準確性。但隨著研究的深入，對氣泡模擬系統提出了更高的要求，裝置對環境的自適應、復雜破碎氣泡的模擬等方面都是模擬裝置后期需要改進的方向。改善相機的拍攝環境，獲取多樣化的模擬氣泡圖像，將為數據的準確全面提取提供支持。