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专利名称：Gps无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种海上水深测量保持测杆竖直的控制装置，特别是涉及一种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置。
背景技术：
随着国家对港口等基础建设的大力投资，港口、航道、水库、围海造陆、通航枢纽等项目大批量开工建设，科学、精密的设计规划理念对水深测量精度提出了更高的要求。精确的水深数据将为设计、疏浚施工过程提供强有力的数据支持。近年来，RTK定位技术使之高精度三维定位得以实时实现。GPS无验潮水深测量就是将GPS-RTK得到的实时三维坐标，与同步测深数据进行解算，实时得到精确的海底地形高程数据和平面坐标，改变了二维平面定位加验潮测深的传统测量模式，开辟了海洋测绘技术的新方法。其原理是:利用GPS-RTK测量技术而获得的平面坐标用于导航定位，高程用于测深改正，即将测得的天线高度减去天线至水面高度以及测得的瞬时水深值，得到该点海底地形高程，理论上可以达到厘米级测深精度。不须专门设立验潮站测定潮位，免除了传统意义的验潮作业。但是GPS-RTK无验潮水深测量系统工作的载体是测深船舶，在测量过程中，由于船舶纵摇、横摇、升沉等姿态的变化，必然会引起船上的GPS天线和换能器产生相应的变化，引起平面定位和测深误差。这在高海情下无验潮水深测量中为减小船舶倾摇带来的测深误差尤其需要订正。船舶横向摇摆造成换能器姿态的变化，使发射波束相对船舶向左或向右方向发射，偏离垂直方向从而引起误差，设α为测船横摇角；船舶纵向摇摆造成换能器姿态的变化，使发射波束相对船舶向前 方或向后方斜射，偏离垂直方向从而引起误差，设β为测船纵摇角。对海底是平坦的地形，船舶横向与纵向一般同时发生，两者综合对测深有下列关系:d=Sm*cos a *cos β(1-1)式中，Sm为实测水深值，d为真实深度。传统的改正方法是配置姿态传感器又称涌浪滤波器，它是为测深船体或水中拖体的动态变化而设计。目前世界上姿态传感器的主要型号有英国TSS公司生产的DMS2-05系列产品和挪威公司生产的MRU等系列产品。高精度姿态传感器能够同时测量出载体的垂荡、横摇和纵摇幅度，将倾斜角度实时测量值传入计算机利用公式1-1，通过软件计算对其垂直改正。这种方法在地势平坦的海底改正效果还是明显的，但是在挖泥区、泊位港区和深水航道测量中，由于地形变化剧烈，用此计算办法改正，精度就没有保证，甚至出现错误水深。且高精度姿态传感器主要依靠进口，价格较高，常规水深测量上应用有局限性
实用新型内容
[0010]本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，该装置能够实现测深船随浪流摇摆，而船侧测杆始终保持竖直状态，从而是GPS定位块和声纳发射器保持在同一垂线上，可充分发挥GPS-RTK高精度三维定位的优势，避免计算倾斜改正，真实反映海底地形，提高测深精度。本实用新型为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是:一种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，该控制装置包括:I)固接在测深船一侧的固定架；2)固接在所述固定架外侧的挠流罩；3)设置在所述挠流罩内的摇臂，所述摇臂的上端固接有上夹板，下端固接有下夹板，所述摇臂的上端连接有横向电动缸和纵向电动缸，所述横向电动缸和所述纵向电动缸成直角布置，它们的一端各通过一球铰与所述摇臂的上端连接，它们的另一端各通过一球铰与所述固定架连接；所述摇臂的下端部通过虎克铰链与支板连接，所述支板固接在所述挠流罩的内下部;4)穿装在所述摇臂内的测杆，所述测杆被所述上夹板和所述下夹板夹持，上端安装有GPS定位块，下端安装有声纳发射器；5)安装在测深船上的姿态方位传感器；6)安装在测深船上的微型控制计算机；所述微型控制计算机采集来自所述姿态方位传感器的横摇信号和纵摇信号，并生成横向移动控制信号和纵向移动控制信号，传输给所述横向电动缸和所述纵向电动缸，所述横向电动缸和所述纵向电动缸通过伸缩将所述测杆牵引到竖直位置。所述横向电动缸和所述纵向电动缸上分别安装有位移传感器，所述微型控制计算机还采集来自所述位移传感器的测杆位移反馈信号，并结合采自所述双轴倾角传感器的横摇信号和纵摇信号对所述横向电动缸和所述纵向电动缸进行闭环控制。所述微型控制计算机为工控机。所述姿态方位传感器为双轴倾角传感器。所述位移传感器为直线位移传感器。本实用新型具有的优点和积极效果是:采用集中控制方式，用一台工控机实现全部控制功能，采用双轴倾角传感器和全闭环控制结构，通过测定测杆在X，y两个方向上的倾角，通过计算，控制横向、纵向驱动电缸，将测杆牵引到竖直状态，并使其保持竖直状态，使GPS-RTK测量实现高精度。本实用新型扭力大，可达1000KN ;工作可靠，满足精度和速度要求，抗干扰能力强；结构精巧，安装拆卸方便；便于维护，适应海上工作环境；成本低，比传统依靠进口设备便宜一半以上，且功能更加实用，性价比高。

图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型控制系统的结构框图。图中:1.GPS定位块，2.上夹板，3.横向电动缸，4.摇臂，5.挠流罩，6.虎克铰链，7.下夹板，8.支架，9.测杆，10.声纳发射器，11.支板，12.锚链卡环，13.固定架，14.挡块， 15.锁紧螺栓，16.纵向电动缸，17.球铰。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下:请参阅图1 图2，一种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，该装置包括:I)固接在测深船一侧的固定架13，固定架13通过锁紧螺栓15和锚链固定在测深船的一侧，锚链与固定架13通过锚链卡环12连接，两个锚链卡环12分别安装在固定架13的底部两侧；2)固接在固定架13外侧的挠流罩5 ；3)设置在挠流罩5内的摇臂4，摇臂4的上端固接有上夹板2，下端固接有下夹板
7,下夹板7通过支架8固定在摇臂4的下端；摇臂4的下端部与支板11通过虎克铰链6连接，支板11固接在挠流罩4的内下部;摇臂4的上端连接有横向电动缸3和纵向电动缸16,横向电动缸3和纵向电动缸16成直角布置，它们的一端各通过一球铰17与摇臂4的上端连接，它们的另一端各通过一球铰17与固定架13连接，固定架13上设有固定挡块14，球铰17连接在挡块14上。上述电动缸含伺服电机及驱动器，由Moog公司生产，型号为J884—001。伺服电动缸行程为445mm,最大速度为555mm / s,最大推力为20.5kN,抗回转方式为外部抗回转。所采用的滚珠丝杆直径为32mm,导程为20mm,最大回隙0.1mm.同步带减速比为2:1。伺服电动缸所配电机为Moog永磁同步伺服电机,型号为G464—926,内置刹车。电机参数如下:电机极数:12额定功率:2.6kff额定转速:3OOOrpm电压:400V转子惯量:0.00068kg.τα电阻:2.8Q电感:0.0106H反馈方式:Resolver,1024 线伺服驱动器型号为DS2000 14 / 42，可用于驱动无刷直流电机和永磁同步电机，具有速度闭环和力矩闭环两种控制模式，可接受±IOV模拟信号控制。4)穿装在摇臂4内的测杆9，测杆9并被上夹板2和下夹板7夹持，上端安装有GPS定位块I，下端安装有声纳发射器10，5)安装在测深船上的姿态方位传感器；在本实施例中使用了高精度双轴倾角传感器。型号为Schaevitz T233，可同时测量水平两轴的倾角值，用于检测测杆的横摇、纵摇角度，测量范围为±30°，供电电压为±15V，单轴精度为±0.01%，两轴交叉耦合灵敏度为
0.2% FR0，温漂系数为 ±0.005% FRo / °C。[0046]6)安装在横向电动缸3上的横向位移传感器和安装在纵向电动缸16上的纵向位移传感器；2个位移传感器均为GEFRAN直线位移传感器，型号为LT-M-500-S，可测量行程500mm,独立线性度为0.05%,重复性0.0lmm,无限分辨率,允许最大位移速度5m / s,最大加速度200m/s2，工作温度-30° -+100° C。7)微型控制计算机，微型控制计算机采用研华工控机IPC.610P，其CPU是P42.4G。A / D采集卡采用台湾研华公司的PCL812高速数据采集卡。其主要性能参数:16个独立的A / D通道，A / D转换器的分辨率为12位，线胜度为± I位，精度为满量程的±0.015%，最大采样频率是30kHz，内部时基2MHz，支持软件触发、板上可编程定时器触发及外部触发三种触发方式，支持查询、中断及DMA三种数据传输方武。D / A卡采用台湾研华公司的PCL726卡。其主要性能参数:6个独互的D / A转换通道，D / A转换器的分辨率为12位。工控机采集来自双轴倾角传感器的横摇信号和纵摇信号，并生成横向移动控制信号和纵向移动控制信号，传输给横向电动缸和纵向电动缸，横向电动缸和纵向电动缸通过伸缩运动，将测杆牵弓I到竖直位置。工控机还采集来自横向电动缸和纵向电动缸的测杆位移反馈信号，结合采自双轴倾角传感器的横摇信号和纵摇信号对电动缸进行闭环控制。本实用新型根据测深船随浪流摇摆的数据，控制电动缸将测杆牵引到竖直位置，使GPS定位块与声纳发射器保持在同一垂线上，由于GPS定位块与声纳发射器之间连杆的长度为一固定值，因此测深船的垂直起伏不会给水下地形测量的精度带来影响。但测深船的摇摆会引起GPS定位块与声纳发射器之间连杆的倾斜将引起平面位置和测深误差，其影响只要知道船舶姿态参数，即可图解求出。本实用新型特别适用于海洋测绘GPS无验潮水深测量中，可实时保持测杆的竖直，减小因测深船的摇摆引起GPS天线与测深仪换能器之间联杆的倾斜而引起的平面位置和测深的误差，有效提高测深精度。是集传感器技术、电子技术、精密机械设计、精密运动控制、系统工程技术等多项技术于一身，以机电一体化、控制工程为主体，多个学科有机结合的产物。尽管上面结合附图对本实用新型的优选实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式
，上述的具体实施方式
仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，其特征在于，该控制装置包括: O固接在测深船一侧的固定架； 2)固接在所述固定架外侧的挠流罩； 3)设置在所述挠流罩内的摇臂，所述摇臂的上端固接有上夹板，下端固接有下夹板， 所述摇臂的上端连接有横向电动缸和纵向电动缸，所述横向电动缸和所述纵向电动缸成直角布置，它们的一端各通过一球铰与所述摇臂的上端连接，它们的另一端各通过一球铰与所述固定架连接； 所述摇臂的下端部通过虎克铰链与支板连接，所述支板固接在所述挠流罩的内下部； 4)穿装在所述摇臂内的测杆，所述测杆被所述上夹板和所述下夹板夹持，上端安装有GPS定位块，下端安装有声纳发射器； 5)安装在测深船上的姿态方位传感器； 6 )安装在测深船上的微型控制计算机；所述微型控制计算机采集来自所述姿态方位传感器的横摇信号和纵摇信号，并生成横向移动控制信号和纵向移动控制信号，传输给所述横向电动缸和所述纵向电动缸，所述横向电动缸和所述纵向电动缸通过伸缩将所述测杆牵引到竖直位置。
2.据权利要求1所述GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，其特征在于，所述横向电动缸和所述纵向电动缸上分别安装有位移传感器，所述微型控制计算机还采集来自所述位移传感器的测杆位移反馈信号，并结合采自所述双轴倾角传感器的横摇信号和纵摇信号对所述横向电动缸和所述纵向电动缸进行闭环控制。
3.据权利要求1所述GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，其特征在于，所述微型控制计算机为工控机。
4.据权利要求1所述GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，其特征在于，所述姿态方位传感器为双轴倾角传感器。
5.据权利要求2所述GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，其特征在于，所述位移传感器为直线位移传感器。
专利摘要本实用新型公开了一种GPS无验潮水深测量测杆竖直实时控制装置，包括固定架、挠流罩、摇臂、姿态方位传感器和微型控制计算机，所述摇臂的上端连接有横向电动缸和纵向电动缸，所述横向电动缸和所述纵向电动缸成直角布置，它们的一端各通过一球铰与所述摇臂的上端连接，它们的另一端各通过一球铰与所述固定架连接；所述摇臂的下端部通过虎克铰链与支板连接，所述支板固接在所述挠流罩的内下部；在所述摇臂内穿装有测杆，所述测杆上端安装有GPS定位块，下端安装有声纳发射器；所述微型控制计算机采集测杆的位姿信号，并生成控制信号，传输给电动缸，所述电动缸通过伸缩将所述测杆牵引到竖直位置。本实用新型能够使测杆始终保持竖直状态，提高测深精度。
文档编号G01C13/00GK202928573SQ20122051186
公开日2013年5月8日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者高莹, 刘瑞恒, 谌业良, 段树林, 倪文军, 李铁良, 周朝杰 申请人:天津水运工程勘察设计院, 交通运输部天津水运工程科学研究院