多波束姿态传感器保护系统的研发

中国海洋大学船舶中心 黄 磊 宋振杰 袁志伟

多波束姿态传感器保护系统的研发

中国海洋大学船舶中心 黄 磊 宋振杰 袁志伟

多波束姿态传感器由航向航速突变及船体共振引发的瞬时加速度，会对多波束姿态传感器测量精度产生极大影响，甚至导致机械性损毁。针对多波束传感器使用过程中出现的瞬时加速度现象，研发出一种由加速度计和空气阻尼机械臂组成的保护系统，对传感器实施有效的保护，避免仪器使用过程中的损毁。

多波束姿态传感器；瞬时加速度；空气阻尼机械臂

1. 引言

海底地形地貌资料是海洋测绘工作中重要的勘测内容，多波束调查是基于海洋调查船等载体实施的条带式全覆盖、高精度测量。由于多波束姿态传感器在自我保护上存在很大缺陷，在实际的作业甚至运输过程中易发生精度下降甚至机械性损毁事故（光纤罗经或加速度计的位移），影响测量工作的进行，造成不可估量的损失。多波束姿态传感器由光纤罗经和加速度计等组成，分别测量当地的地球旋转角速度矢量（确定南北轴向）和当地的重力加速度（由垂直轴向确定水平面）等。将地球旋转角速度矢量投影到水平面上，就可得到北方向；重力加速度的三个轴向分量可确定纵摇和横摇等数据。为有效减少分离坐标系轴系间偏差带来的影响，常规做法是将多波束姿态传感器与船体重心一体化安装。针对船舶航向航速突变及船体共振等情况，设计多波束传感器保护系统，避免突发意外造成的仪器损毁。

2. 多波束姿态传感器保护系统

多波束姿态传感器在测量过程中与船体重心时刻保持一体化状态，其正常工作环境的瞬时加速度必须小于10倍重力加速度。当航向航速突变或船体共振导致的瞬时加速度超过限定值时，传感器内部的光纤罗经或加速度计的位移会导致精度降低甚至机械性损毁，这对于海底地形地貌测量数据的精确性是致命的打击。在传感器的横、纵向位置安装外部加速度计，当外部加速度计数值到49m/s2时，就发出一级预警，提醒工作人员注意，如果海况持续恶劣应该停止采集，做好人工防范和保护工作，消除警报。当外部加速度计示数达到90m/s2时，发出二级预警，系统直接切断传感器对外数据输出，并启动扭力马达电源，接通空气阻尼机械臂电源，对系统强行保护，即依靠机械臂的延时阻尼振动减弱瞬时加速度的冲击效果。

图1 系统总体设计方框图

2.1硬件组成

图2 多波束姿态传感器保护系统透视图

多波束姿态传感器的框架4在测量过程中与船舶重心一体化固定安装，固定在万向吊桶3内的姿态传感器在正常工作环境下始终与船体处于相对静止状态（如图2所示）。同时监测横向和纵向上的摆动，在横向和纵向上相同限位处各安装加速度计预警模块。当外部加速度计2示数大于49 m/s2时触发一级预警，由光电检测电路识别后，提示对仪器进行人工干预，保护传感器系统免受瞬时冲击。

当海况较差或者仪器故障致使外部加速度计2示数超过90 m/s2时触发二级警报，系统会直接切断传感器对外数据输出，并启动扭力马达电源，接通空气阻尼机械臂1的电源，传感器固着的万向吊桶3处于自由摆动状态，此时两个空气阻尼机械臂1的延时阻尼振动会不断弱化瞬时加速度对传感器的影响，防止瞬时剧烈振动对传感器的破坏。在空气阻尼机械臂1与传感器接触点加装橡胶垫，有效避免机械臂与传感器接触碰撞时的损伤。外部加速度计2示数小于49 m/s2时警报解除，系统切断扭力马达电源，同时，空气阻尼机械臂1伸缩回初始位置，固定保护传感器固着的万向吊桶3回归初始空间位置，与船体处于相对静止状态。

2.2软件组成

多波束姿态传感器保护系统是在一个单片机的控制下运行的，系统控制电路如图3所示。当外部加速度计示数大于49 m/s2时触发一级预警时，软件系统通过光电检测电路识别后，接通黄色LED电路和发出低频蜂鸣器脉冲信号。外部加速度计示数超过90 m/s2时触发二级警报，软件系统通过光电检测电路识别二级警报，接通红色LED电路和发出高频蜂鸣器脉冲信号的同时接通继电器电路。继电器接通空气阻尼机械臂电源，使得空气阻尼机械臂的延时阻尼振动会不断弱化瞬时加速度对传感器的影响，防止瞬时剧烈振动对传感器的破坏。

图3 多波束姿态传感器保护系统电路图

3. 结语

多波束姿态传感器为精密海洋调查仪器，运输的剧烈颠簸和使用过程中的碰撞都会导致精度的降低甚至内部光纤罗经和加速度计的损毁。传感器一旦损坏，维修时需要重新对传感器的核心部件进行校准，且由于其与船体的一体化安装，需要船舶进坞进行精确的空间定位，其过程和费用远超设备自身价值。多波束姿态传感器保护系统可以有效应对瞬时加速度变化导致的突发状况，及时预警和提供延时保护，弥补了现场瞬时不可抗力及应对不及时等造成的损毁，减少直接和间接的经济损失。

本研究成果仅涉及空气阻尼机械臂工作过程的简单描述，未进一步探讨空间复位、精准定位、延时阻尼振动及传感器与船体相对静止状态的可重复性实现等问题，将在以后的工作实践中作深入研究，加快高精度海洋调查仪器的研发和升级改造进程。

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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

黄磊（1979—），男，大学本科，东方红2船实验室负责人，主要从事海洋调查及现场实验工作。

中央高校基本科研业务费实验室研究基金项目。