1控制系统结构及工作原理
探测器由检测声呐、螺旋桨、电机和平衡吊索组成，检测声呐安装在探测器头部，声纳感测头置于溶液环境中，用于检测腔体的三维形态;螺旋桨安装在探测器尾部，由电机驱动，实现探测器的自主航行;平衡吊索外挂于探测器底部，与其重心铅垂线方向一致，用于保证探测器的平衡。控制器包括C8051F020单片机［7］、磁阻传感器、信号调理电路、光耦隔离及功率放大电路、ＲS232模块、光纤转换器和供电电源。探测器系统结构如图1所示。图1系统结构图系统启动后，由电机带动螺旋桨旋转，使探测器在腔体溶液中按照预先设定的方向和速度行进。通过检测声呐和导航系统进行腔体形态的全方位测量和信息反馈，并根据该检测结果和探测器当前运行状态，调整其运行方向和速度。同时控制器将该信息通过光纤连接至地面监控系统。
2硬件设计
2．1信号检测电路设计盐穴腔体的三维形态检测采用加拿大IMAG-ENEXTECHOLOGY公司的前视图像声纳881A［8］，该声纳体积小、重量轻、性能优，适用于水下地质勘测与检查，其主要技术参数如下:供电电源为20～36V直流电源，小于5W;声纳头扫描扇区为0°～357°;最大工作深度为3000m;最大探测距离为200m;分辨率精度为10mm;信号的传输接口为ＲS－485系列接口，传输速度为115．2kbit/s;直径为79．4mm，长为182mm。系统开始工作前，通过配套软件Win881A．exe设置声纳扫描参数。当声纳感测头获得溶腔的形态特征数据后，采用ＲS－485接口，信号经过光纤转换器进行长距离传输，上位机处理软件Win881A接收返回的特征数据，并对该数据进行处理获得详细的高精度三维图像。采用AMＲ传感器HMC1022测量地磁场，从而获得探测器相对于磁北的航向角。HMC1022内部集成两个惠斯通电桥，其输出电压Vx和Vy均为差分形式，分别对应于直角坐标系的x轴和y轴输出，可以根据公式(1)以及测得的Vx和Vy的值计算出对应的方向角。当HMC1022传感器的供电电压为5V时，输出电压范围为±2．5mV，而C8051F020内置的A/D转换器的输入信号范围是0～2．43V，为了充分利用磁阻传感器的测量精度，需要预先对传感器的输出信号进行放大。传感器信号采集及放大电路如图2所示。AMP04仪用放大器能够放大差分输入信号，具有噪声小、漂移低、共模抑制比高以及直流性能好等优点，其输出电压为Vout=(VIN+－VIN－)Gain+Vref，(2)其中Gain为105Ｒain，当增益电阻取值为500Ω时，电压增益为200，Vref由精密电源芯片MAX6106提供，电压值为1．25V。由公式(2)计算可知，磁阻传感器输出的电压经AMP04放大器后，输出电压范围为0．75～1．75V，满足AD转换器的输入要求。该放大后的信号通过AIN01、AIN02引脚进入C8051F020的片内12位ADC进行处理。为方便观察实验结果，磁阻传感器的安装角度应与磁北重合(本地的磁偏角为4°，偏西)。安装示意图如图3所示。图3电子罗盘安装示意图2．2串口通信电路设计C8051F020内部有两个UAＲT通信接口，通过交叉开关将输出引脚配置到P0．0(TX0)、P0．1(ＲX0)、P0．4(TX1)和P0．5(ＲX1)，其中UAＲT1作为单片机与上位机系统的通信接口。通过光纤转换器MWF201将ＲS232的信号转换成光信号，保证了信号的长距离传输。该信号传至地面后，再由光纤转换器变换为电信号，供上位机监控系统的采集与处理。MWF201的主要性能及参数如下:ＲS－232或ＲS－485接口可选;信号流向自动识别、透明传输;工作电压为DC+5～30V，电流小于20mA;通讯速率为300～115．2Kbps;适用于多模或单模光纤;传输距离多模为5km，单模大于20km。2．3电机控制电路设计为实现探测器在盐腔溶液中的自主航行，采用“3机3桨”方式实现转速和转向的调节［9］。电机选用额定电压为24V的齿轮直流电机，其特点为转速低、扭矩大，便于转速和转向的控制。该控制系统采用PWM控制技术以及位置传感器构成直流电机闭环调速系统［10］。PWM脉宽信号由C8051F020的捕捉/比较模块PCA产生，通过单片机的交叉开关将PCA模块的输出CEX0、CEX1、CEX2分别配置到P0．6、P0．7、P1．0引脚，PWM脉宽信号经过TLP521光耦隔离和TIP127功率放大，驱动直流电机。电机1驱动原理如图4所示，其中D11为续流二极管。CEXn引脚低电平有效，因此PCA模块输出的PWM波形占空比越小，电机绕组的电压均值越大，电机转速越快。2．4电池电量监测电路设计系统采用26650磷酸锂铁电池组供电，连接方式为8S4P，供电电压为25．6V，容量为13Ah。采用低功率四运算放大器集成芯片LM324实现锂电池电量的分级显示。锂电池电量监测电路如图5所示。LM324运算放大器均作为电压比较器使用，TL431为三端可调分流基准源，1端对地的基准电压为2．5V，输出端3的电压通过Ｒ2/Ｒ3确定。锂电池正极输出电流经过分级电阻转换成电压，为了保证测量的精度和准确性，转换电阻采用精密电阻实现。
3软件设计
软件采用结构化设计方案，将整个程序功能分为若干个程序模块，以方便程序检查和调试。系统程序分为声纳信号采集传输模块、传感器信号采集处理及电机控制模块、电池电量信息处理模块。系统上电复位后，完成各个模块的初始化设置，然后查询串口UＲAT1是否接收到上位机发送的命令。检测到命令后，对命令进行解析与处理，最后判断探测器要进行何种操作，然后分别进入相应的子程序处理模块。其中HMC1022传感器信号采集、处理及电机控制程序流程如图6所示。为了提高测量精度，滤除外界干扰引起的角度误差，传感器采集的信号采用中位值平均滤波算法，该算法融合了中值滤波和算数平均滤波算法的优点，对偶然出现的脉冲性干扰有较好的滤除效果。系统软件程序采用C语言在KeilUvsion3集成环境中编写、编译，最后通过SILIONLABOＲATO-ＲIES仿真器下载到C8051F020单片机中运行。经过多次实验调试，由磁阻传感器的x、y轴输出计算的角度信息，以及PWM输出波形的占空比如表1所示。为了提高运算速度，将不同x、y值计算出的方位角以及不同方位角对应的PWM占空比存储在程序存储器中，以便使用时直接调用。图6软件程序流程图表1PWM占空比与方位角的关系计算得到的方位角/(°)占空比/%直行电机PWM1左转电机PWM2右转电机PWM30．62．3－－5．720．657．6－12．532．750．2－353．125．2－63．1346．334．5－52．4实验结果表明，根据磁阻传感器HMC1022采集的信息，处理后得到探测器的方向角，用以调整输出PWM波形的占空比，改变各电机的速度，完成探测器的转速和转向的调节，探测器能够边运动边测量，以保证其在溶腔溶液中自主航行的同时返回溶腔的形态特征。
4结语
本文中主要设计了一种地下深层水平盐岩溶腔探测器控制系统，详细阐述了控制系统的硬件组成和软件设计。通过实际验证，探测器能够边运动边测量，完成盐岩溶腔形态的实时探测，克服了传统探测方式测量范围小、无法检测水平盐腔形态特征的缺点，实验结果表明了该系统的可行性和正确性。
作者：陈晓恒 马春燕 关利乐 单位：太原理工大学 电气与动力工程学院 煤矿装备与安全控制山西省重点实验室
