专利名称：卷簧式取样器振动频率的控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种取样器的控制装置，尤其是取样头振动频率控制的装置，属 于与取样器相关的信号采集与处理、计算机、电机控制等技术领域。
背景技术：
在自动控制和机器人技术飞跃发展的背景下，人类越来越多地依靠机器人等自动 化设备在人迹难至以及危险的地方采集物质进行分析，如依靠自动取样器采集月球、火星 等太空领域以及南北极、核污染或化学污染区域的矿石、土壤、冰雪等物质。在上述地方工 作的机器人等自动化设备的电源一般依靠太阳能、风能等提供，而这些绿色能源功率有限， 这就对自动取样器的功率提出了要求，同时也对取样器的取样效率提出了要求。目前国内外的取样杆主要有关节式多杆连接、齿轮齿条式多杆连接、螺筒螺杆式 多杆连接等结构，它们主要是通过关节、齿轮齿条或螺纹螺杆的方式将多节子杆连接在一 起，不工作时各子杆收缩在一起，工作时各子杆展开一字相连，从而实现工作行程的伸缩。 其控制是通过同时控制多个电机来驱动多个关节的同时运动，带动取样头插入月壤中进行 取样。这种控制对电源的功率要求较高，且取样效率较低。与上述取样器相比，卷簧式取样 器体积小、重量轻、功耗低，但其最大推力较小，因此亟需研究一种能够提高卷簧式取样器 钻取效率的装置。
实用新型内容为克服现有技术的缺陷，本实用新型提出了一种卷簧式取样器振动频率的控制装 置，能够提高取样器的钻进效率，并可降低取样器对电源功率的需求。为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案一种卷簧式取样器振动频率的控制装置包括微处理器、用于采集取样头的加速 度信号的振动传感器和信号发生模块，振动传感器的输出信号经放大和AD转换后形成微 处理器的输入信号，进入微处理器的数据输入端，所述微处理器用于选出最大振动幅值以 及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器输出端与信号发生模块的输入端 连接，所述信号发生模块用于根据微处理器的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频 率信号经功率放大模块放大后作为振动电机的驱动信号。与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下根据振动理论，取样头与月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物接触时有共振频 率，在共振频率时取样头振幅最大，与取样器接触的月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物 振幅也最大，内摩擦角值减小，降低了月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物的粘结力，改 善了其流动性，因此，此时的月壤(或土壤、灰尘、雪花)等被取样物最利于取样器的钻进。 如果能通过传感器实时采集取样头的振幅信号，通过调整取样头振动电机的振动频率使得 取样头达到共振状态，则取样头钻进时其振幅最大、钻进效率最高且消耗能量最小。根据文 献及土壤、模拟月壤等的振动试验可见取样器在钻取时的共振频率范围为几赫兹到几十赫兹，且在共振频率附近当频率偏移IHz时振幅有明显变化，综合考虑频率扫描的速度、细度 和频率覆盖范围，设定频率扫描范围为1 100Hz，频率步距为1Hz。在现有的振动器件中， 压电换能器因为其频率较高且振动幅度较小不适宜在低频工作，因此选用振动频率较低、 且振动幅度较大的振动电机作为振动器，并通过功率放大模块进行调制驱动，此外采用测 量范围宽、精度高的加速度传感器作为振动传感器用于检测取样头的振动加速度信号，微 处理器通过AD转换电路对振动加速度信号进行读取并经过两次积分后得到取样器的振动 幅度信号，本实用新型通过检测取样头振幅最大时候的振动频率，并驱动振动电机工作在 此频率，能够减小取样头钻进时的摩擦阻力，提高取样头的钻进效率，降低钻进功耗。
图1为本发明的原理框图；图2为本发明方法的工作流程图；图3为本发明中微处理器模块电路图；图4为本发明中振动信号调理电路模块及AD转换电路模块电路图；图5为本发明中信号发生模块及功率放大模块电路图。
具体实施方式
一种卷簧式取样器振动频率的控制装置，包括微处理器1、用于采集取样头的加速 度信号的振动传感器⑵和信号发生模块(3)，振动传感器(2)的输出信号经放大和AD转 换后形成微处理器(1)的输入信号，进入微处理器(1)的数据输入端，所述微处理器(1)用 于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器(1)输出 端与信号发生模块(3)的输入端连接，所述信号发生模块C3)用于根据微处理器(1)的输 出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块(4)放大后作为振动电机 的驱动信号。
以下结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。如图1所示，在取样头上设置有振动电机和振动传感器，微处理器通过信号发生 模块、功率放大模块驱动振动电机工作，振动传感器将取样头的振动信号通过调理电路模 块、AD转换电路模块送给微处理器，微处理器通过频率扫描的方式控制取样头的振动频率 同时获得取样头的振动幅值信号，在扫描频率范围内找出取样头振动幅度最大时的振动频 率，并驱动振动电机工作在此频率。如图2所示，进行振动电机频率控制步骤如下步骤1.微处理器进行初始化，定义变量fQ，fmax，i，Af，f，a，g和数组A □，F □， 并分别赋值为 f。= IHz, fmax = 100Hz, i = 1，Δ f = IHz ；步骤2.对f进行赋值，即f = ‘控制振动电机以频率f工作，同时，将频率f写 入频率数组F，使得F [i] =f ；步骤3.用振动传感器对取样头进行检测并获取取样头的加速度信号g，对加速度 信号g进行两次积分，得到振动幅值a，再将所述振动幅值a写入振幅数组A中，使得A[i] =a步骤4.如果当前振动频率f <fmax，则令i = i+l，f = f+Af，返回步骤2;否则，进入步骤5 ；步骤5.扫描振幅数组A，从中选择出最大振动幅值A[j]，记为Amax,并从频率数组 F中找出与最大振动幅值amaxW对应的振动频率F[j]，记为fmax ；步骤6.驱动振动电机以振动频率fmax工作。如图3、图4及图5所示，控制系统的电路部分主要包括微处理器(型号为 AT89C51)、振动传感器的调理电路模块和AD转换电路模块、信号发生电路模块和功率放大 电路模块，其中，CNT2外接振动传感器(传感器型号为ADXL2(^)，振动信号经过运放U3 (型 号为0P7)放大、运放U4(型号为LF35!3)低通滤波后，再经过运放TO (型号为0P7)进行电 平移动，最终将振动信号调整为0 5V的信号并输入到AD芯片(型号为TLC2M3)的第一 路AD输入口，AD芯片通过数字接口(15 18脚)与微处理器的M 27脚相连。信号发 生模块采用DDS芯片AD9850，其外部数字接口(7脚、8脚、22脚)与微处理器的21 23脚 相连，其输出信号经过功率放大器LM1875输出到插头CNT3，CNT3外接振动电机。
权利要求1. 一种卷簧式取样器振动频率的控制装置，其特征在于包括微处理器(1)、用于采集 取样头的加速度信号的振动传感器( 和信号发生模块(3)，振动传感器( 的输出信号经 放大和AD转换后形成微处理器(1)的输入信号，进入微处理器(1)的数据输入端，所述微 处理器(1)用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处 理器(1)输出端与信号发生模块(3)的输入端连接，所述信号发生模块C3)用于根据微处 理器(1)的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块(4)放大后 作为振动电机的驱动信号。
专利摘要一种卷簧式取样器振动频率的控制装置包括微处理器、用于采集取样头的加速度信号的振动传感器和信号发生模块，振动传感器的输出信号经放大和AD转换后形成微处理器的输入信号，进入微处理器的数据输入端，所述微处理器用于选出最大振动幅值以及最大振动幅值所对应的振动电机的振动频率，微处理器输出端与信号发生模块的输入端连接，所述信号发生模块用于根据微处理器的输出频率数值产生对应的频率信号，所述频率信号经功率放大模块放大后作为振动电机的驱动信号。本实用新型能够减小取样头钻进时的摩擦阻力，提高钻进效率，减小功率需求。
文档编号G05D19/02GK201819814SQ20102054463
公开日2011年5月4日 申请日期2010年9月28日 优先权日2010年9月28日
发明者凌云, 卢伟, 宋爱国, 崔建伟 申请人:东南大学