基于CR1000的海洋剖面测量平台控制系统的研究与设计.pdf

谨以此论文献给父母和关心我的人! 郭安刚 i lq i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i y 2 1 5 8 4 1 9 基于c r l 0 0 0 的海洋剖面测量平台 控制系统的研究与设计 学位论文完成日期： 塑j 至5 三三 指导教师签字 答辩委员会成员签宁 堑熟 堡竺重 家t 亩 专1 演 施虚 。娃鼠 独创声明 本人声明所呈变的学位沦史址本人裨：甘师指导f 进行的研究工作j 5 乏取得的 研究成果。据我所知除了文叶 特别加以怕；和致谢的地方外。| 仑文中不包含儿 他人已经发表或撰写主= 上的研究成果，也不包含末挟得 ( 注：如没有其他需鐾特别声叫的，本栏；窀) 或其他教育机构的学位或汪书使 f ；| 】过的材料。1 ，我一同1 作的占埘本研究所做的任何贡献均已在论文叶 作了明 确的说i i | _ | j f 表示谢意。 学位沦史怍* 篙 ：挪守闲1 签字f l 期：j 。2 年5 月巧月 学位论文版权使用授权书 奉学协论文作击先个r 斛学控仃天侏留、任刷学f t 沧史的规定井同意以下 事项： l 、学校有权保留计向围家“芙部f l 或机构送变论文的复印什和磁盘，允许 沦立被查阅和借阅。 2 、学校可以将学位沦史的食i | j 或l ：i | f 分内容编入古关数据席进行榆索，可以 采用影e 、缩日j 或扫描等复制r 段株存，札编学似论文。同时授权清1 仁人学”中 国学术期刊( 光盘版) i br 杂忐m 川l 于版和编入c 冰i 一l 一囤知识资源总库， 授权中剖科学技术信息研究所将本学位沦文收求到一l 、圈学位沦文仝文数据库。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权l5 ) 学雠文作者魏彳矛玛1 宁 签字口捌：1 0j j 年s 月) s 签字h 蚓：1 口f 2o f5 月1 ；口 基于c r l 0 0 0 的海洋剖面测量平台控制系统的研究与设计 捅姜 2 1 什纪是海洋龇纪，t p 阍是一个海洋人心。开发海洋资源、发腱海洋经济 成为沿海国家围【经济的重婴支柱也是n r 续发展战略的前沿阵地。海￥的“ 发和利用需要海洋观测技术提1 ：j 拉术曼持。找闺日前列丁剖面海洋参数的删齄 馓采川多套传感器定点测晕。返种测景方式成本较高。为了减少剖l a j 海洋参数 设蔷的成本，需要设计种j 健川。套传感器进i 亍剖i n 海洋参数测晕柏海洋船删 最统。 木课题致力f 为新型的海洋剖咖测肇平台研究神l i 5 汁控制系统。浚平什足一 种能够门t 升沉的新型海洋：| ：【删笈舒，以c r l 0 0 0 作为丰控制器，只携带套f 感器，以藩咀池作为能源，以电机为驱动能够根据设定参数测量两百水剖l h l 范 制内温j ：f f 、盐度、深变、波浪和洲嘶海流等参数。 术i 文讨沦了两利- 控制n 案：时| 刈控制，j 案以及时f h j 和胜力控制a 寰。前哲 l 。作的时间准确佃是测 i 的睬崆小能f * 证。k 坚用f 实验室测试；后曹以墟力 柬f 采i d - 海洋削1 日1 测量平台的椿度 耍用j 1 实际使川。凌系统井醴讣丁双重的数 槲系统，筇一重数据采几丁分敞仃储m 备个传感器独立存储；第二：重数掘为集中 存储，山c r l 0 0 0 的数据扩胜模块集存储从【n j 保证了自州沉式海洋剖面测量平 台f f j 数荆安全。 路业北8 部分：第l 部分从q 内外研究现状方面论述了日前削面海洋参数测 量力n 1 的发展状况给r 术课题的研究内容和研究意义：第2 部分介纠了海洋 剖面涮量f 台的概况对其口身n 水t 啪、f 衡性进行了研究，并对控制系统进“ 了四个模块的划分：笫3 部分研究了丰控制程序的设计，提出了主控制程序的两 种打案井埘两种方案进行了对比分析 功能，井对一些t 要命令进 亍弹钏解释 第4l ：i | f 分介绍了数据通信部分的作h j 垌i 第5 部分研究数据如何高效界i 安全的进 行存储：第6 部分对控制系统的外用电路进行了介绍；笫7 部分对控制系统进行 调试并分析了调试结果；第8 部分埘本论文进行了总结，并对f 步的丁，作进行 了腱单。 关键词：剖面测量：c r l 0 0 0 ：数据采集仪双重数据系统 d e s i g no fm o o r e dp r o f i l em e a s u r i n gp l a t f o r m sc o n t r o l s y s t e mb a s e do nd a t a l o g g e r o c e a ni sv e r yi m p o r t a n ti n w e 。vf i r s tc e n t u r y c h i n ai sam a j o ro c e a nc o u n t r y d e v e l o p i n gm a r i n er e s o u r c e sm i dd e v e l o p i n gm a r i n ee c o n o m yh a v en o to n l yb e c o m e a ni m p o r t a n tg r o w t hp o i n to fn a t i o n a le c o n o m yo ft h ec o a s t a lc o u n t r i e s ，b u ta l s o b e c o m et i l ef o r e f i o n to ft h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y t od e v e l o pa n du s e o c e a nm a r i n eo b s e r v a t i o nt e c h n o l o g yi sn e e d e dt op r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r ti n c h i n a p r o f i l e l l e a s o l n c n s i l s c m u l t i p l c s e t so fs e n s o r st h i sm e t h o di s v c r y e x p e n s i v e i no r d e rt or e d u c et h ec o s to ft h ep r o f i l em e a s u r e m e n t san e wm a r i n e m o n d o r m ge q u i p m e n tu s i n go n l yo n es e to fs c n s o r s m e a s u r i n gp r o f i l e i sn e e d e d t h i sp a p e ri sd e d i c a t e dt os t u d ya n dd e s i g nac o n t r o ls y s t e mf o rm o o r e dp r o f i l e m e a s u r i n gp l a t f o r mw h i c hi s an e wt y p ep r o f i l e m e a s u r i n ge q u i p m e n t i t sm a i n c o n t r o l l e ri sc r l 0 0 0w h i c hi sad a t al o g g e r t h i sn e wp l a l f o r mh a so n es e to fs e n s o r s a n dan l o t o li ti s c a p a b l eo f m e a s u r t h gt e m p e r a t u r e ，s a l i n i t y d e p t h w a v ep a r a m e t e r s a n dp r o f i l ec u r r c n ，c t c h oc o n t r o ls c h e m e sa r ed i s c u s s e d ：t i m es c h e m et i m ea n dp r e s s u r es c h e m e t i m ec o n t r o ls c h c i n cc o u l dw o r ka c c u r a t e l y , b u tt h em e a s u r i n gd e p t ho fm o o r e d p r o f i l em e a s u r i n gp l a t f o r mc a n l l o lg u a r a m e et i m ec o n t r o ls c h e m ei sm a i n l yu s e df o r l a bd e b u gt i m ea n dp r e s s u r es c h e m eu s e sp r e s s u r et og u a r a n t e et h ed e p t h ，a n di ti s m a i n l yu s e df o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o nt i f f sp a p e r “j s od e s i r e dad u a ld a t as y s t e mf o r m o o r e dp r o f i l em e a s u r i n gp l a t f o r mt h i sd u a ld a t as y s t e mc o u l dm a k es u r et h a td a t a i ss t o r e da n dr e a dr i g h ta n ds a f ef i r s td a t ai sd i s t r i b u t a b l es t o r e d ，a n di sr e a db y s e n s o r sc o m p u t e rs o f i w a r et h r o u g hc r l o g o ；s e c o n dd a t ai ss t o r e d t o g e t h e r i n c r l 0 0 0 ，a n d i sr e a db y m o o r e dp r o f i l e m e a s u r i n gp l a t f o r m sc o m p u t e rs o f t w a r e t h e r ea r ee i g h t p a r t si nt h i s p a p e r f i r s tp a r t d i s c u s s e st h es t a t u so fp r o f i l e m e a s u r e m e n t ，a n dr e s e a r c hc o n t e n ta n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo ft h i sp a p e ra l - eg i v e o u ls e c o n dp a r tg i v e sa no v e o , , i e wo f m o o r e dp r o f i l em e a s u r i n gp l a t f o r ma n ds t u d i e s t h es e l f b a l a n c eo f t h i sp l a t f o r m ，a n dd i v i d e sc o n t r o ls y s t e mi n t of o u rm o d u l e st h i r d p a r ts t u d i e sc o n t r o ls y s t e m ，t w oc o n t r o ls c h e m e si sd i s c u s s e da n dc o m p a r e da th e r e t h ef o u r t hp a r ti n t r o d u c e st h ef u n c t i o no fc o m n m n i c a t i o nm o d u l et h ef i f t hp a r t d e s c r i b e se f f e c f i v ea n ds e c u r ed u a l d a t a s y s t e m t h es i x t hp a ni n ”o d u c e st h e p e r i p h e r a lc i r c u i to f t h ec o n t r o ls y s t e mt h es e v e n t hp a r ta n a l y s i st h et e s ta n dd e b u g r e s u l tt h e e i g h t hp a n s u m m a r i z e s t h i sp a p e r a n do u t l o o k s t h e f u t u r e w o r k k e yw o r d s ：p r o f i l em e a s u r e m e n t ；c r i o o o ；d a t a l o g g e r ；d u a ld a t as y s t e m 目录 l 引言 11 课题提出的背景 12 国内外发展状况 i _ 3 论史的研究内容和意义 l3 【论文研究的主要内辑 132 论文的意义 2 海洋剖画测鼍平台概况及其自稳定性的研究 2l 海洋剖而测量平台简介 2ll 主控制器 2l2 温盐深传感器c t d 213 多普勒声学剖面海流仪a d c p 2i4 倾斜度 ， 215 电机和绞盘 22 控制系统模块的划分 23 海洋剖面测量平台自稳定陛的研究 23 【均浮力中部系标模型 232 均浮力头部系标模型 2 33 非均浮力头部系标模型 234 平稳水流中海洋剖面测量平台受力分析 24 本章小结 3 主控制程序的研究与设| 十 3l 主控制器编程语言及其编程环境 32 控制方案的选择 3 2l 时问控制方案 3 2 2 时间和压力控制方案 323 两种控制方案的对比 3 3 故障检测 3 4 海洋剖面测量平台控制系统的程序流程图 35 本章小结 4 数据存储和读取模块的设计 4 1 数据的分散存储 42 数据的集中存储 4 2l 搪二重数据的文件和数据格式设计 422 第二重数据的数据量 00：0 0，0 0 0 0捣坫峙“加虬船孔烈拍拍盯盯砧 4 23 第二重数据的凄取 43 本章小结 5 通信模块的设计 5l 数据传输的基本格式 52 参数设置命令 53 直连命令介绍 5 d 本章小结 6 外围硬件电路设计 61 电源电压的转换 62a d c p 的控制 63 串u 电平匹配蒯题 64 本章小结 7 系统调试和实验结果 7 1 主控制程序调试结果 72 双重数据实验结果 73 直连命令娴试结果 74 本章小结 8 结语与展望 参考文献黜踮盯#；船船鼯曲如加铊们帖 扯ic r i j o t ) 们一m * “w 4 量r f 拧“系统的m _ “ 1 引言 地球超过i 分之一的表面被海水覆盖浩瀚的海洋蕴藏着f - 人的资濑。海洋 中丰富的鱼类资源，1 ：仅使人f 1 的餐桌更加丰盛也为些工业提供了原材料： 石油是现代_ 业的血液，随着陆地石油储量的下降叶界各国已经将日光投向r 海洋，特别是深海石油：海底的矿产资源也是很r 富的科学技术的发腱使得海 底矿产的开发变的可能，此 1 ：多回家和些公一j 已经丌始进行深i f ：f 矿产开发。 我曰有1 8 0 0 01 - “ 米的人陆海岸线和1 4 0 0 0 多于米的岛屿海岸线，因此很有必 要丌发和利崩海洋米为国k 经济服务，使其成为经济的新坤 k 点。7 r 发海洋就必 须先了解和队口l 海洋，对坶洋的观测从审f j 、海而、水下到海悚基，形成了市体 的监测网“。空间观测。主要足对大范围的海面进行观测般能够测量海面温 度、洋流平u 波浪，但由丁是大范围的观测所以精确度不高：海而观测， 要由 各种浮标来完成，能够准确的删量波浪和海而温度；水f 测量的主要r 具有海洋 剖面测_ 品= 平台和水f 滑翔机，能够测皿割面温度、盐膛和海流：海床基规测利用 一些先进的传感器也能够进行剖面海流的测量。 帆多个角度、全方位的对海洋进行观测，能够使我们更好的丁解和认谀海洋， 电就使得我f f ln l 以更立的”发用l 利用海洋。目前我国进行海洋监测的设备已有不 少t 能够对各种海洋参数进行观跚。但足，随着科技的发展这些设备的测量手 段运渐落厉急需改进。= f ：且蝈际上出现丁一些新颖的测量设备值的我们学习 借鉴。冈此，根有必要对已古海洋设备进行改进，或者研制新型海洋现测的设备。 1 1 课题提出的背景 我国对于海；羊袁m 波浪的监删已经十分的成熟肘于海面以下的垂直削面海 洋参数的测量却刚刚起步3 。但避，随着我圈海洋经济的发展和四防上作的需要， 坦切需要对浅海和椿海的垂赢削面海洋参数进行k b , t 间和大范阚的监测。 日前，测量囊直剖面海洋参数的主要方式是使用多套传感器( 一套传感器包 含了测量海洋参数的多个传感器) 定点测争在不同的深度放置一套传感器，以 便进行_ ；同深度的参数测量，从嗬完成垂直剖面海洋参数的测量。这种传统的测 量方式的优点在于结构简单，能够实时监铡不同深度的海洋参数；缺点在于使用 了多套传黪器，造成r 南昂的测量成奉，h 测量的深度范围有限，1 i 利于人范围 的推广使用。 我国国内对剖面海洋参数的测量方式，是使用多套传感器定点测量的方法进 行垂直剖面测量。目前，倒内电已经扦始探索和研究新型的测量设备但还没有 一种成熟的剖面海洋参数删酸设备。倒外埘新犁测蕈方式的研究比较早，已经“l 现了成熟的新型测量世各，比如美圜壶兜莱思研究实骑窄( m c l a n er e s e a r c h l a b o r a t o r i e s ) 的壹克莱恩系泊剖面仪( t h em c l a n em o o r e dp r o f i l e r ，m m p ) ，它 l 经足一种成熟的产品并歼始销僻，麦克莱思系泊剖【町仪h 需搭载一实传感器， 通过海洋剖山j 测量平台的自主7 1 沉运动，进行大范嗣的垂“剖山j 海洋参数测量。 为了克服国内传统垂直削面j 海洋参数测量方j = l = 的缺陷，满足国家经济发展和 国防t 作的需要，并且追赶同际先进的测量方式，需要开发种能够在海中进行 白t 升沉运动的海洋剖面测量，r 台。这种海洋剖面测量平台只需携带一组传感器 通过门主的上升和下沉运动，以移动到不列的深度，从而完成难直剖耐的海洋参 数的测量。 图tji _ 洋剖面测量平台示意图 自升沉式海洋剖而铡量平台便是这样种瞪备，只需携带一套传感器便可进 亍垂直剖面海洋参数测量的设备血罔11 所示。它的桔 1 ：色潜测量平台能够在 世计深度范围内进行自主的升沉和驻留。以便使用一组传感器测量不同深度的海 佯参数。自升沉式海洋剖面测量、f 台初步设计的测量深度为2 0 0 m ，| 三【后可以增 加深度花硐，测鼍的参数有温度、盐堑、浑度、剖面海流和海词波浪。 本论文就是在这样的背摄f ，为海洋1 ； l | 面测量平台设计控制系统。 1 2 国内外发展状况 国内对于新型海洋参数测量设备的研究处于初始阶段，各种理论和实验也都 在探索阶段。国外由1 。探索较早，已经有了儿款成熟的产品可用。水下剖面参数 测量的主要研究方向有两打而：，k 下滑翔机和海洋剖i f f 测量平台”。水下滑翔 机类似于窄气中的飞机，可以在海水中滑翔移动，并可以上升和下降，但是它没 2 一 些】c r l l l 。on 0 ，4 洋剖m 1 剖量r _ f f 控制系统的究oj 设 柯锚系的束缚；海洋剖而测量1 i 台 1 | | j 角锚系的乘缚，并且锚系币能够移动，衅是 茸测量平台可以枉测艟剖向山上f 浮动“ 19 。t t l l 本论文研究的是海洋剖面 洲量_ ! | 台类的殴鍪，因此以f 介軎 一种国内的新型节能剖面海洋参数测量设备和 种国外的割断海洋参数测垦吐符。 中田科学院海洋研究所开发m 丁一种节能的剖面海洋参数测量蹬各“海 t ”且图卜2 所示。它利用波浪能进行川沉运动，但是措载的测量设蔷使用屯 池的能量“”。“海马”t 要由脂部分组成，一个是漂浮在海面大浮球( 图l _ 2 顶 部的遽l 球) ，另一个是能够在水下运动的测量平台( 罔卜2 - f l 绳子t 一龆的长打体) 。 漂浮在海面的大浮球丰目与于个波浪浮标，这l ! ：| ：分能准确地监删海l n l 波浪的波高 波向和波周期等参数“。处在水中的运动海洋剖面测量平台是个被动运动的部 分，它利片j 在海断浮动的大浮球随波浪卜f 浮动产生的能量进行运动“：。所以， 水r 铡馘平台能够监测温度、盐度羊剖面流速、流向等海洋参数“”。 由_ f 波浪能足水下测量平台上浮和下满的能源，而波浪能是不稳定，崮此它 的水下测量平台的运行周期不稳定。也就是说对于温度、盐度和流速、流向等海 洋参数，“海马”很难进行间定周期的测量。“海马”的优点在：能够准确的测 量波浪参数并能够测量剖面海洋参数，还是一种节能的海洋设备。但是，由于 水f 测量甲台的运动是被动的，因此年直剖面海洋参数的测量不是l 两定j 吉| 期性的 进行，返使得“海马”的应用受到丁很人的影响。 圈1 2 “海马”示意图 美国麦克莱思研究实验室( m c l a n e r e s e a r c h l a b o r a t o r i e s ) 开发出了一款麦 克莱思系泊剖面仪( t h em e l a n em o o r e dp r o f i l e r ，m m p ) “”“，图卜3 为示意 丛jc a i ( 】0 0 的m l t 削m 洲址1 r fr 拧制g 统的宄，口 吲。该设备的主要组成部分有：上r 移动的水r 测量下台( h 卜3 巾的桔红色体) ， 一个大浮球( 图1 3 中的绿色网球体) ，缆绳和锚系。缆绳端系在锚上，另 一端拴在大浮球上。人浮球始终处在海面以f ，用术提供h 大f 阿托力，这个巨人 拉力使缆绳在海水中绷直，也使得绁索的扳度固定不变化。这样缆绳就为水下测 量平台铺设了条上下运动的路，麦克莱思系m 剖面仪依靠电池的电力经过电 机转换为动力，带动水下测量平台沿着绷直的缆绳进行l 下运动。水f n 鼙平台 到哒合适的深度后，可以停留不动，这样就可以往小同的深度进行海洋参数的删 量。 由于使用电机作为动力冈此能够准确的按照计划进行海洋参数的测量。麦 克莱思系泊剖面仪的水f n 量平台爬行的速度为罐秒2 5 c m ，巾放深度范围为3 0 至6 0 0 0 m ，布放时间长达一年，能够测量的参数肯：温度、盐度、深度、海流、 溶解氧等。麦克莱思系泊剖面仪已经是一敞成熟的产品，遥合j 一进行剖1 j 海洋参 数测量。 图卜3m m p 海洋剖【由测苗、f 台示意图 1 3 论文的研究内容和意义 海洋剖面测量平台研制的一项重要内释尾剥其拄制系统的研究与设计，这也 是本论文的主要工作。由于海洋剖而测量、r 台是剥嘶型的海洋雌测设备，其t 作方式不同于浮标或者水下滑翔机，凶而刘控制系统提出了许多新的要求。海洋 剖面测量平台的控制系统设计的成功是这种新型海洋刹而删量半台耐f 制的芙键， 从而间接对我国海洋事业的艇展做t 大的贡献。 牡 c r i u 0 0n 0 衲“剐f | i i 圳量】i 矗控制系统们九。撒l 】 131 论文研究的主要内容 奉| 仑文其分为八个章肯，筹争前的i 柞如r ： 第璋，介绍了奉立的研究背景和圈内外研究现状并介绍了论文的创新点， 研究的意义以及研究的价值。 第二章，首先对海洋剖向测量1 f 台进行r 详细介绍；其次对海洋剖面测量平 台的控制系统进行丁模块划分；最后，对海洋剖面测量平台的白稳定性进行了模 型试验和，j 学分析。 第三章，对c r l 0 0 0 的编碰环境和程序结构进行了介绍：提了两种控制方 案对j l 优缺点进行丁对比：封j ：海洋f l j 面测繁平台运行过程叶 n f 能出现的故障 进行了分析计提 r 解决打案：给m 了时间和压j j 控制矗案的程序流程图。 第四章对双重数据的存储和凄取方式进行了介绍。本论文为海洋剖l 酊测最 平台设了双重数据结构。小章分别埘何一重数据的存储目i 读上瞳打式进行了详细 的说明。返阿份数据可_ 为箭份能够最犬限度地提商删量数据的安全性。 第血章彳r 绍了控制系统模块7 海洋剖面测最平台上位机软件通信的基本格 式，以参数殴置i 缶令为倒进 j ：r l 羊细i 兑旧。井对戈键的直连命令进 j ：r 洋细的助 能介绍。 第六学，对海洋剖而测量、f 卉的外【：| 习硬件电路进 rr 叙述。外幽硬件电路有 三方面分别为d c d c 电路a d c p 控制电路和串u 电、p 旺配电路。 第七章从丰控；制f 1 序渊试，数姑存储1 【1 凄取测试吼及商连命令调试二个方 面，对海洋荆面测量乎台控制系统的设计进行r 验证。实验结果表明，该控制系 统的设汁能够满足海洋剖血测鞋平台性能的霹求。 第八章对奉沦文的_ l 作进行r 总结。提出r 海洋剖面测量半台控制系统的 后续改进，并对海洋剖新测避r 台的应川前景做出了腱单。 132 论文的意义 海洋剖面测量平台只需要奁传感器便可完成曲百米以r 范罔内的温度、盐 度和海流等海洋参数的测量将极大的节省难直剖而海洋参数测量的成本，为大 范围的海洋参数监测带来。t r 能。 本论文为海洋剖面测量平台笈计控制系统在c r l 0 0 0 数据采集仪的基础上 措建了个a j 靠性高，稳定的控制系统，保证能够顺利完成各种功能并具有双 重的数据系统。使得海洋削面测量f 台能够稳定、可靠的工作，井提高了数据的 安全性。这将对我冒海洋经济的发展起到促进作用，也将对国防工程产生很大的 帮助，为我国剖面海洋参数的监测带来一场革新。 fc r l 0 0 i l 帕m ；f 刚咖删挝1 4 秆柠制系统”f r j 设 2 海洋剖面测量平台概况及其自稳定性的研究 21 海洋剖面测量平台简介 海洋剖面删量半台的拄制系统永盥图如图2 - 1 所示，丰拄制器和外田设备之 间通过六个串1 4 来实现通信。二种测晕皴槲的传感器为：倾斜度传感器、温盐深 传感器( c t d ) 以及多昔勒，5 学剖蜊每流传感器( a d c p ) 。电机为海洋剖面测 量、f 台的上卜和f 沉提供动力。 21 1 主控制器 盒 阿2 1 海洋剖而测精下台控制系统小意图 为了充分保证海洋剖叫测鞋平台的叮靠性缩短开发周期，井且降低系统开 发的难度，海洋剖而测量、f 台以c r l 0 0 0 作为主控制器”。 c r l 0 0 0 是美国c a m p b e l ls c i e n t i f i c 公司的一款数据采集仪 ( d a t a l o g g e r ) ，具有程序扫描时| 1 1 j 可设置、时钟精度高和低功耗等优点，并具 有高精度性、高适应性、高可靠r 等特点。木设引通过外接存储模块，使用2 g b 的c f 存储忙，实现了大容量f | 勺数据存储。c r l 0 0 0 具有多个r s 2 3 2 串口并且能 够扩展更多的r s 2 3 2 串口，满足了白升式海洋剖面测量平台需要六个r s 2 3 2 串 口的要求。 使用单片机和a r m 开发硬件，虽然具有很大的灵活性，但是需要大量的时间 柬进行设计和验证，并目不一定能够保证长时问正常运行和水下的恶劣环境。 c r l 0 0 0 数据乐集仪在体眠模式时的功耗大约为54 r o w ；具有温度补偿的时钟设 汁o f 偏荐约3 m i n ，井能够使川g p s 米j _ ! ? h e 钟校正：能够通过更换外接存储 q u 钮、 ，i 卧0 m 暴 矗 蠕曹。_ 丛十c r i b 0 l _ j _ + ：t 刑断测链r _ f ? 栉制采统的q f 宄堙l 摸块，实现更太容量的存储夺州。因此，来用c r l 0 0 0 使得海洋剖而测最下台的 丌发带来许多方便。 212 温盐深传惑器 温盐深传感器选择j j 拿大r b r 公刊的x r 6 2 0 c t d “。这是一款小巧的l 岛 精度c t d 自身具囱存储空叫，控：制命令 。富满足烈最数槲系统的控制要求。 能够自动测量温度、电导和深j 空三个参数，能方便的安装于各种物体r 。它具有 高精度( 国际w o c e 标准) ，r l 价比高，大存储以及高速数据f 载等优点，使j ；f | r s 2 3 2 接u 米进行控制和数姑通信。自】粜选样快速反应温度传感器，还u 川i 于测 量f ； 【| 晰，并且从数据中l ，n 算山高精度的卢速和盐度( 精度达o0 0 2p s u ) 。 213 多普勒声学剖面海流仪 多普勒卢学剖面海流仪使刖n o r t e k 的a w a c 浪屯有两利，型号：a w a c 6 0 0 k h z 和a w a c a s t6 0 0 k h zw p r o l o g ”。前者能够测量剖面海流，最人测量 范喇为5 0 m ：后者不仅能够删啦剖i f i i 海流，也能够测最海西l 波浪，剖而海流的蟥 人测量范围同样为5 0 m ，波浪的最人测量椿度为5 5 m 。 浪比是当今最知名、最尖端取l 应j _ j 频率最高的声学多普勒波浪剖而流速仪。 使i 表嘶声学跟踪( a s t ) 技术口以将浪龙投放于所有水深5 0 m 以内的水域， 测量商质量海表波浪数据而儿浪龙支持s u v 测量方式当测量区域水深人r 5 0 m 时，可使j = i j 海洋剖【自l 测量平台投放方式测量。浪龙可以内嵌于n i p 以及集 成声学渊制解调器。组成寅时测量系统，可将测量数据实时发送至弃p 端p c 或 采集器。浪龙飒j 波的最佳投放水深在5 - 5 0 m 。 返曲台a d c p 部是自容式传感器。具有波浪和海流测量功能的a d c p ，其内 j ；j f 存储空i h 为4 g b ；另台只古海流测世功能，内部存储空间为17 6 m b 。运两 种犁号的a d c p 控制命令基本帽吲。通信方式为r s 2 3 2 串u ，控制命令提供多 利恻量一式，使得海洋剖而测量f 台能够获得最简单的控制方式， 海洋剖面测量平台选择剖面海流仪是为了准确获得剖面海流数据。如果使 点式流速仪，海洋剖面测量乎台会对海流造成影响从i 村破坏测量的准确测撼。 2 14 倾斜度 倾斜度传感器能够测量两维的倾斜角度，通过r s 2 3 2 串口来进行控制和数 据通信。该传感器丰要用于海洋剖面测量平台姿态的测量并和其他数据同步存 储咀使在海洋剖面测量平台州收后能够进行海洋剖面测量平台的姿态反演。它 内部没宵存姥空间，不足自容，传感器。具宵自动发送棚0 量数据和手动发送测量 丛十c r l 0 0 0 的m t 削m 删世r 轩 制系统呐】e _ 宄，设l i 数据9 h l - 控制方式海洋削而测毓、r 钉选择手动山式进行控；i j 0 215 电机和绞盘 电机为海洋剖血铡晕平台提供运动的动力，电足通过r s 2 3 2 ：bu 来进行通 信和控制。电机具有正转、反转、停l r 等功能，使海洋剖面测量半台能够上浮、 下潜和驻留。 绞盘可以规则的缠绕缆绳，2 0 0 m 的缆绳全部缠绕j 其f 。电机的动力传输 给绞盘，绞珊通过对缆绳的释放和收i ! ：! | 带动海洋剖面测鞋甲f f 升降。 22 控制系统模块的划分 为了盟好的对海洋剖面测鼙、i - 台的控制系统j 行设计，术沧文将控：洲系统分 为l ：_ 个横块：主控制模块，数据存储和凄取模块，通信命令模块和外嘲硬件乜料 模块。 = 控制模块主婪研究如何枉c r l 0 0 0i 搭建一个符合要求的摔制系统，并对 海洋剖面测h l ：平台的运行模式进行探i - t 。数据处耻模块对全j nj 存储海洋制衙测啭 平台的运行信息进行了研究，提出的烈重数据系统能够提l 讪数据存储的安争障， 通信命令模块是上位机软件与控制系统沟通的桥粱控制系统的设嚣f 存储数据 的读取部可以通过通信命令来完成。，由于c r l 0 0 0 足款数据采集仪，吲此其 已经自身已经具备r 大部分的碗件电路。外川硬f l 吨路模块1 要是指控制系统需 要的除c r l 0 0 0 以外的硬件电路，这里剥二种硬什电路_ i 行r 说叫。 23 海洋剖面测量平台自稳定性的研究 研究海洋剖筒测量平台的自稳定性具有畦要意义。如粜海洋剖m l 测量平台在 一定的机械设计之后，能够有白稳定性，那么就不需要控制系统对填下衡状态进 行控制。这样就省掉了对平衡状态的监测和控制等环仉叫以大大的简化海洋剖 而测量平台的设计。 此处的自稳定性是指，海洋剖面测量甲台在静水。| l 海洋剖而测量平台能够自 己保持半衡状态的能力。如果在静水c f | 海洋剖面测量r 台部小凡各自稳定眭，那 么在有海流的情况下一般也不会保持平衡状态，此时就需要控制系统来进行平衡 控制。反之，若海洋剖面测量平台在静水中具有自稳定性，那么棒稳定的海流中 它也会保持平衡状态。因而本论文有必要在本论文巾对海洋剖而测量平台在静水 中自稳定性进行研究。 对自稳定性的研究主要分为两类实验；均浮力系标和非均浮力系标。海洋剖 面测量平台的水下测量平台如图2 2 所以图。| l 宵两个大小不同的模型，这是为 坫jc k i o 以，t 削l nj 删m _ i tr 拧制乐绒的m 宽j 矬 了更好的模拟真实情况。目22 悄+ 唑伴内的黄色和白色圆球体是乒乓球，用柬提 供浮力，模型体内的底部装雨金膳块川米丧求重物。实验环境和犍置如图23 所示，黼色代表水褙，底都黑包育块代表重物，底酃红色圆代表埘轮，桔红乜线 条包同的、形似导弹的不规则休越海洋剖咖测量f 白的水下测量、f 台。 通过底部朐滑轮，托动绳子髓l l r 以使模唑体和冰中上升自if 潜，村i 当r 幞拟 了海洋剖【l i 测量平台在水- l 的l 和r 潜。利削不同的模型滩便可以对海洋剖i f i 测量平台足卉具有白稳定性做 i j 削断。 宴验均在静水 - 进行。咀下小结分圳给出睹类实验情况和理沦分析。 斟23 空验示意图 2 31 均浮力中部系标模型 均浮山中部系标模型是指，缆绳系j ：海洋剖血删艟平台的中部，浮力均匀的 分布在、r 台r 。实融、模式足将乒吒球等n 日隔的放置征模型- l - ，如图2 , t 所示。 削24 均浮力叶 部系杯模型示意罔 实验脱象如f ：海洋剖而测量平台静止时。能够以不大的倾角保持在水平位 置此角度大约为5 。左右：上浮过程，海洋剖面测量平台会稍有倾斜f 是倾 斜的角度大约在1 0 。左右运动停止之后海洋剖面测量平台能够自动恢复到 水平位置：下潜过程海洋剖面测量平台鞘有倾斜，f 足倾斜的角度大约在1 0 。 左右，运动停止之后，能够自动恢复到水甲位置。 力矩分析：海洋刹而测量甲台受力分析l 剖为h25 。其巾，f 和f ； r 部为 4jc r l 【】0 0n 脚 r m 一mr 制 制番冼的究。斌| 乒乓球产生的浮力，且两者大小相等：g 为蕈物和标体的重力，f ”拉为缆绳产生 i h j i ；, j f 的拉力。f n + o f h j a d 、成为f ，l + i i f r 炳者之和，即重力和托力的总和等 于总浮力。 f 浮i l：l ： -_， ： l f 浮 罔25 均浮力巾部系标模型f 衡状态受力分析 于f n + g 处于f ，fl _ f | | f ，? r 的1 问虚髓，吲此通过力矩来分析海洋剖i i 测量 中台姿志： 海洋剖面测量3 p 台左边的山矩：m l = f 口l l 海洋剖山】测最平台右边的力矩：m r = f * r l 凼为左右浮力相等，故：m l = m r 。由力矩分析可知，海洋剖面测量平台能 够在水甲位置处于平衡状态。通过模型试验。也确实得到了这样的结果。因此也 就验证了以 的力矩分析的l e 确性。 当海洋削面测量平台倾斜。角度后装有3 个乒乓球的模型，8 * l 和r 不 时千| 1 等th f * l f * ra 装有2 个厉吨眯的模型f * l 和f ”r 相等。试验结果显 示海洋剖而测量平台能够自动恢复到水f 位置。以下用力矩分析来解释示意图 如图26 所示： 海洋剖面测量平台左边的力矩：m l = f ”lx ( l + 4 - a l ) c o s 0 海洋剖面测量平台右边的力矩：m r = f 口rx ( l 一l ) c o s 0 瑚为l f 口r 或肴5 * l = f * r ，敞：m l m r 。所以海洋剖面测量平台 将以缆绳和，f 台的接触点为c i - 心，越上行顺时针旋转，也就是海洋剖丽测量平台的 左中部分( 头部) 将会上浮，右、r 部分( 尾部) 将会下潜。随着顺时针旋转，b 和 1 0 # jc r i 伽0 一b t t = ；| | m 】w 0 _ i 自 m 统“ r _ l l 乩角都会渐渐变小( 0 改变z 后l 会相应的政变) 。当测量下台达到水甲位置 时ti 坶眚都变为零时m l m r 世栈变为r t , 4 l = m r 。当模型体头部岛，尾部低 时，分忻结果相同。这也就解释j 海洋剂嘶测量平台件如何能够恢复到水，f 位置。 f7 f 【 恻26 均浮，jf ，部系枷、模型倾斜状态受力分析 2 32 均浮力头部系标模型 等浮力头部系标模型是指缆绳系j ：海洋削面测量平台模型的头部浮山均匀 的分m 拒浮体上。实际模式足将f 乓球等川隔的放置枉模型中，如倒27 所1 ；。 图2 7 均浮山l | _ l 头部系杯模型示意图 丈验现象如f ：海洋剖面测繁平台静止时，模型体静止之后倾角比较大，大 约在3 0 。至5 0 。左右，尾部州显l 魈：e 浮过程，海洋剖面测量平台会逐渐的 恢复到平衡位置：f 潜过程，海洋剖碰测量平台不能保持平衡，尾部上翘的角度 比较大。倾斜的角度与f 潜的速度有关系速度越大倾斜角度越大。 力矩分析：此种形式下力矩的旋转中心同样为缆绳和海洋剖面测量平台体 的接触点，不过接触点由海洋剖面测董平台体巾部变为了海洋剖面测量平台的头 l f ，力矩分析圈为图1 1 和图1 2 。装柯3 个乒乓球的模型，f * ，和f 日。不再相等 且f * l f ， ra 一删节的参数仃r 和g 其l i l r 为缆绳和海洋剖 面测量平台体的接触点到左边浮力点的跃度g 为重物的重力。 水平状态受力分析如图21 l ： 实验参数为： 2 l = 1 s e r er = 3 c m f * l = 6 7 0 2 n f # r = 3 35 1 n 海洋剖面测量平台左边的力矩计算蛳f ： m l = f * l a r = 6 7 0 2x3 1 0 1 = 2 0 1 0 6 ( n r 1 1 ) 海洋削面测量平白体右边的力砸l i 。算如下： m r = f * r ( 2 l a t ) 一gx ( l a t ) 13 4 j 二c r l 0 0 0 m 海| l w 盟r 舟拧制系程。j 鼓 = 3 35 1x ( 1 5 3 ) 1 02 4 26 9x ( 75 3 ) 1 0 2 = 4 0 2 1 2 1 0 1 9 2 1 1 1 02 = 2 1 0 0 1 ( nm ) l ll 一 7 i - i 广 f t l g j ， f 浮“ i 割2 - 1 l 非均浮j 头部系标模型水平状态受力分析 1 f 均浮力头部系标力矩分析和均浮力头部系标力矩分析相似，“小过庀边浮 力时 边的似价。由以上寅骑数据t 以彳 出，只型选择r 合适的头部系标点，左 7 i ) j 矩就能够相同也就足能惦m 水平忙置半衡。术实验中也确实得到了海洋剖 面测量平台的平衡位置。 倾斜状态山矩分析如图2 一1 2 ： 图2 一1 2i b 均浮山头部系标模型倾斜状态受力分析 海洋剖面测：匠平台左边的力矩：m l = f * lx ( r + a l ) 海洋剖而测量平台有边的力矩： m r = f * rx ( 2 l a r a l ) c o s 0 一g x ( l 一r + a l ) c o s o - 1 4 韭r c r l 0 0 0n 0 由t 削【删f 二f 拧制系统的q 究o 玻j 在倾斜状态f ，如果m l m r 井以l 分析已经得到了海洋剖面测量下台 能够托水半位置操持平衡状态川幺海洋剖嘶测量平台就能够自动恢复到水平位 置，电就足彳丁自稳定性。奉实验结果中是海洋剖面测量平台能够从倾斜状态自动 愀复到水平位置，充分说叫了舱均浮力头【；1 5 系标模型。只要参数选择台理，则海 洋剖由洲量平矗会具有自稳定性。 2 34 平稳水流中海洋剖面测量平台受力分析 以上实验均是在静止的水- f l 进 亍的，如果将海洋剖而测量、f 台放置在水甲稳 定的水流- h 是甭还会具有自稳定性? 静水叶 ，海洋剖丽测