[发明专利]可回收式水下物体姿态测量传感仪系统

权利要求书

1.一种可回收式水下物体姿态测量传感仪系统，其特征在于：包括水下耐压密封腔体(7)、自卸式耦合固定机构、数据采集与传输系统、浮体单元(6)与水下供电系统；

水下耐压密封腔体(7)的上下两端分别安装有上端盖(5)和下端盖(8)；浮体单元(6)为环形圆柱体结构，其套设在水下耐压密封腔体(7)外，并与所述上端盖(5)连接；

自卸式耦合固定机构包括释放机构、三角支撑架、厚三角板(9)以及适配结构；

释放机构包括步进电机(18)、步进电机控制器(19)和圆盘(15)；步进电机(18)与步进电机控制器(19)连接，两者均封装在水下耐压密封腔体(7)内部，且步进电机(18)的转轴穿过水下耐压密封腔体(7)的下端盖(8)与位于水下耐压密封腔体(7)下方的圆盘(15)连接；圆盘(15)上设有贯通的锁槽(152)与开槽(151)，锁槽(152)与开槽(151)上下连通，并互成90°；

适配结构包括固定圆杆插销(16)、被测物体固定板(12)；固定圆杆插销(16)为近似“冂”结构，其包括竖部和横部，其竖部固定在被测物体固定板(12)上，其横部用于插入并贯穿圆盘的开槽(151)中，并在跟随圆盘(15)转动时锁入或脱离圆盘(15)的锁槽(152)，且固定圆杆插销(16)与开槽(151)、锁槽(152)之间均存在一定间隙；同时，固定圆杆插销(16)的横部上方左右两端还各焊有一根竖直限位杆(161)，用以限制固定圆杆插销(16)在开槽(151)或锁槽(152)中前后滑动的范围；厚三角板(9)位于水下耐压密封腔体(7)的下方，并与水下耐压密封腔体(7)的下端盖(8)连接，同时厚三角板(9)的中心开设有一个中心孔(93)，用于穿设圆盘(15)；三角支撑架安装在厚三角板(9)下方，其包括三个丝杆调节撑脚(11)，三个丝杆调节撑脚(11)相互间隔120°布设，其上端均可旋转地安装在厚三角板(9)的下方，其下端均安装于被测物体固定板(12)上；被测物体固定板(12)安装在水下被测物体的上部；

丝杆调节撑脚(11)包括不锈钢丝杆(111)和工程塑料地脚(112)；不锈钢丝杆(111)的下端固定安装在工程塑料地脚(112)上，其上端与厚三角板(9)转动连接；

数据采集与传输系统包括电脑、姿态传感器(21)、控制电路板(22)、声通信单元(4)、甲板单元(23)、防水信标灯(1)以及压力传感器(2)；声通信单元(4)、防水信标灯(1)、压力传感器(2)均安装在水下耐压密封腔体(7)的上端盖(5)；姿态传感器(21)封装于水下耐压密封腔体(7)内，控制电路板(22)也封装在水下耐压密封腔体(7)内部；

姿态传感器(21)的航向、俯仰、滚转基准位置与适配结构的航向、俯仰、滚转基准位置一致，通过姿态传感器(21)测量适配机构的姿态参数；控制电路板(22)与姿态传感器(21)连接，其按照预设的时间间隔向姿态传感器(21)发送指令以获取适配结构姿态数据，并将所述适配结构姿态数据进行内部解析重整格式及修正后，结合锂电池电压A/D转换检测模块实时采集到的锂电池电压、水深压力数据一起构成水下采集信号并通过串行通信接口发送至声通信单元(4)；

控制电路板包括嵌入式微控制器MCU，并集成了片上外围器件，

所述的MCU具有2个通信串行接口、多路I/O控制引脚、多路A/D转换接口，

所述外围器件包括DC-DC模块、继电器、串口通信电路、隔离通信用的光耦电路、以及锂电池电压和压力传感器电压信号的采样电路，

其中：

系统获取来自通信串行接口和A/D转换接口的数据与信息，提供给MCU，并经过MCU分析与计算后通过I/O控制继电器进行电源控制或控制步进电机进行释放机构的旋转锁定、释放；

所述串行接口用来接收姿态传感器采集的信号以及声通信单元收到的甲板单元发送过来的控制指令；锂电池电压信号、姿态传感器采集的信号、压力传感器采集的信号，都通过串行接口输出，并通过光耦元件隔离后提供给声通信单元的发射电路；

所述I/O引脚，用于实现发送MCU控制指令给步进电机的控制器，控制步进电机动作，带动释放机构旋转；同时，用于实现发送MCU控制指令给继电器，对步进电机、声通信单元的供电控制；控制电路板外的大容量锂电池为整个系统供电，提供能量；所述DC-DC模块用于将12V锂电池的电压进行转换为控制电路板上MCU等元件工作所需的5V和3.3V，为电子元器件供电；

所述继电器选用固态继电器DMO063型号，接收来自MCU的I/O引脚信号，控制声通信单元以及步进电机功能部件的供电或断电；

所述串口通信电路用于将MCU上通信串行接口的TTL电平转换为符合RS232串口芯片通信标准的+12V/-12V电平；

所述隔离通信用的光耦电路用于隔离高速串行通信中来自继电器等干扰源的干扰；

所述采样电路将经过电阻分压采集到的锂电池电压信号以及压力传感器发送过来的电信号输入到MCU的A/D转换接口中，经过A/D功能对电压模拟信号进行量化计算得出电池电压和水压数字信号；

声通信单元用于将采集信号从水下发送至水面接收设备，其包括水声信号发射电路和换能器；

控制电路板(22)获得的锂电池电压信号及各类传感器信号数据先通过声通信单元(4)的水声信号发射电路转换成声脉冲信号，再通过声通信单元(4)的换能器以声波振动形式将数据发出；

声通信单元(4)与甲板单元(23)连接，声通信单元(4)将水下采集信号发送至作业船的甲板单元(23)，甲板单元(23)将前述信号进行信号放大、处理、解调后还原出采集到的串行通信数据，并实时发送至电脑，通过电脑将航向、俯仰、滚转电压、水深压力信息实时显示在电脑屏幕上；

声通信单元(4)基于宽带扩频信号方案，开机后自动处于睡眠模式以节约锂电池能量；一旦串口有信号时，声通信单元(4)会立刻从睡眠模式跳转为发送状态，发送数据；同时，当声通信单元(4)检测到有信号从水面的甲板单元(23)传来时，声通信单元(4)也会立刻从睡眠模式转换到接收状态，接收数据；可寻址的数据包通过声学通讯栈进行交换，通信协议确保数据的完整性，在数据包丢失时能缓冲并重新尝试发送数据；当声通信单元(4)与甲板单元(23)之间的通信通道发生临时中断时，数据暂缓发送，通信通道一旦恢复正常，被缓存的数据将自动按顺序重新发送到甲板单元(23)；

甲板单元(23)与步进电机控制器(19)通过无线声通信连接，用以在可回收式水下物体姿态测量传感仪系统完成信息采集任务或姿态传感器(21)出现故障等需要对其进行回收时，发送命令给步进电机控制器(19)，控制步进电机(18)带动圆盘(15)转动，从而将固定圆杆插销(16)从圆盘(15)的锁槽(152)位置回到开槽(151)位置，使得固定圆杆插销(16)从圆盘(15)中脱离，并使适配结构与释放机构分离，使水下姿态测量传感仪在浮体单元(6)的作用下浮出水面；

水下供电系统包括水密接插件(3)以及大容量锂电池包；大容量锂电池包由多节高能锂电池串联而成，其封装在水下耐压密封腔体(7)内部，并与声通信单元(4)、控制电路板(22)、姿态传感器(21)、步进电机(18)连接，为数据采集和传输系统提供电力支持；水密接插件(3)安装在水下耐压密封腔体(7)的上端盖(5)上，在岸上通过锂电池充电器和控制器连接水密接插件(3)对大容量锂电池包进行充电及开关控制。