船舶縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

岳大超 劉敏林 吳杰長(zhǎng)

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

船舶縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

岳大超 劉敏林 吳杰長(zhǎng)

海軍工程大學(xué)船舶與動(dòng)力學(xué)院，湖北武漢 430033

隨著船舶姿態(tài)控制自動(dòng)化程度的提高，傳統(tǒng)的機(jī)械式縱橫傾姿態(tài)角測(cè)量裝置已不能滿足船舶現(xiàn)代化的要求。提出一種船舶縱橫傾姿態(tài)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)方案，通過(guò)旋轉(zhuǎn)變壓器對(duì)船舶縱橫傾姿態(tài)信息進(jìn)行采集，經(jīng)RDC-19222芯片對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電信號(hào)進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終借由單片機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)角度信息的實(shí)時(shí)顯示。試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測(cè)量精度較高，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

縱橫傾；旋轉(zhuǎn)變壓器；單片機(jī)

1 引言

縱橫傾姿態(tài)角是船舶航行的重要姿態(tài)參數(shù)之一。隨著船舶姿態(tài)控制自動(dòng)化程度的不斷提高，縱橫傾作為船舶關(guān)鍵的姿態(tài)參數(shù)，要求采用數(shù)字式傾角傳感技術(shù)將縱橫傾角度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后輸出給船舶姿態(tài)控制系統(tǒng)。為滿足現(xiàn)代船舶姿態(tài)控制數(shù)字化的需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC）的船舶縱橫傾姿態(tài)角度信號(hào)數(shù)字化測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)能夠適應(yīng)船舶高鹽高濕工作環(huán)境的旋轉(zhuǎn)變壓器作為船舶姿態(tài)信號(hào)的采集裝置，并通過(guò)專用RDC芯片對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電信號(hào)進(jìn)行解碼，得到與姿態(tài)角對(duì)應(yīng)的數(shù)字電信號(hào)，并將之輸出至液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)船舶姿態(tài)角的實(shí)時(shí)顯示［1］。與傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)量裝置相比，本文設(shè)計(jì)的船舶姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置體積小巧，僅為傳統(tǒng)機(jī)械式測(cè)量裝置的三分之一；縱傾姿態(tài)測(cè)量精度最高可達(dá) 0.1°（在-10°～+10°范圍內(nèi)），滿足船舶姿態(tài)角測(cè)量要求。

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)姿態(tài)角傳感器機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了模擬船舶平臺(tái)產(chǎn)生的縱橫傾姿態(tài)角度變化，需要通過(guò)傳感器感知船舶平臺(tái)的傾斜程度。本系統(tǒng)采用的是兩個(gè)安裝位置相互垂直，結(jié)構(gòu)完全相同的姿態(tài)角傳感器。其中測(cè)量平面與縱軸線平行、與橫軸線垂直的傳感器叫做縱傾角傳感器；測(cè)量平面與橫軸線平行、與縱軸線垂直的傳感器叫做橫傾角傳感器。

姿態(tài)角傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括撥叉機(jī)構(gòu)、擺錘機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)變壓器和底座等。

圖1 固體擺式姿態(tài)角傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Architecture of solid pendulum posture angle sensor

姿態(tài)角傳感器的工作原理如下：傳感器的地垂基準(zhǔn)由精密的擺錘機(jī)構(gòu)構(gòu)成，傳感器的擺錘與水平面垂線之間的夾角經(jīng)過(guò)撥叉機(jī)構(gòu)的傳遞傳送給旋轉(zhuǎn)變壓器。撥叉機(jī)構(gòu)的存在可以有效地消除交叉軸±8.5°范圍內(nèi)的傾斜對(duì)測(cè)量軸測(cè)量精度的影響。旋轉(zhuǎn)變壓器的作用是把感應(yīng)到的角度值轉(zhuǎn)變?yōu)榉蹬c之成正余弦關(guān)系的正余弦信號(hào)，輸出給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出并顯示。

2.1 橫傾角的測(cè)量

當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從水平靜止位置旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度α?xí)r，可以看做是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)過(guò)先縱傾一個(gè)角度β，之后橫傾一個(gè)角度γ的旋轉(zhuǎn)過(guò)程。設(shè)由橫傾角傳感器測(cè)量的角度為γ′，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：

由式（1）可以看出，γ′＝γ。橫傾角傳感器測(cè)量的角度值γ′是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照先縱傾，再橫傾的順序傾斜時(shí)的橫傾角γ。

2.2 縱傾角的測(cè)量

當(dāng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)從水平位置傾斜了一個(gè)角度α?xí)r，可以看作是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)過(guò)先橫傾一個(gè)角度γ1，之后縱傾一個(gè)角度β1的旋轉(zhuǎn)過(guò)程。設(shè)由縱傾角傳感器測(cè)量的角度為β′，經(jīng)過(guò)計(jì)算可得：

由式（2）可以看出，β′＝ β1?？v傾角傳感器測(cè)量的角度值并不是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)按照先縱傾后橫傾的順序進(jìn)行傾斜時(shí)的縱傾角β，而是按照先橫傾后縱傾的順序進(jìn)行傾斜時(shí)的縱傾角β1。

式中，cosγ是橫傾角測(cè)量機(jī)構(gòu)的余弦輸出，sinβ1和cosβ1分別是縱傾角測(cè)量機(jī)構(gòu)的正余弦輸出。若以β1代替β，必然會(huì)帶來(lái)原理誤差。為了消除縱傾角測(cè)量的原理誤差，需要按照式（3）求取縱傾角β。

2.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的選取

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度模擬電信號(hào)的產(chǎn)生由旋轉(zhuǎn)變壓器完成。旋轉(zhuǎn)變壓器是一種輸出電壓幅值隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角變化而變化的角度傳感元件。當(dāng)勵(lì)磁繞組通過(guò)一定頻率的交流電壓勵(lì)磁時(shí)，輸出繞組的電壓幅值與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成一定的函數(shù)關(guān)系，按照不同的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系分類，旋轉(zhuǎn)變壓器可以分為以下三大類［2－3］：

1）正—余弦旋轉(zhuǎn)變壓器

此類旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成正—余弦函數(shù)關(guān)系。

2）線性旋轉(zhuǎn)變壓器

此類旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成線性函數(shù)關(guān)系。線性旋轉(zhuǎn)變壓器按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)還可以分成隱極式和凸極式兩種。

3）比例式旋轉(zhuǎn)變壓器

此類旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出電壓與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角成比例關(guān)系。

本系統(tǒng)中采用的旋轉(zhuǎn)變壓器為正—余弦式旋轉(zhuǎn)變壓器。該類旋轉(zhuǎn)變壓器基于電磁感應(yīng)原理設(shè)計(jì)，它的定子和轉(zhuǎn)子分別由兩組空間上互成90°的繞組組成，彼此同心，相互耦合。定子的兩組繞組分別稱為激磁繞組和交軸繞組，轉(zhuǎn)子的兩組繞組分別稱為正弦繞組和余弦繞組。一般采用轉(zhuǎn)子單相繞組激磁。當(dāng)在轉(zhuǎn)子繞組上施加正弦激磁電壓u＝U sinωt后，定子的正弦繞組和余弦繞組分別產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)：

式中，Um為零位處最大電壓幅值，V；αD為轉(zhuǎn)子軸的機(jī)械角位移或定子軸與轉(zhuǎn)子軸的角位移；ω為激磁電壓角頻率。

3 數(shù)據(jù)采集和處理

旋轉(zhuǎn)變壓器是模擬機(jī)電元件，輸出的是模擬電信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)角度的數(shù)字化測(cè)量，需要通過(guò)一定接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC），實(shí)現(xiàn)模擬電信號(hào)到數(shù)字電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用的RDC為RDC－19222芯片。

3.1 RDC－192222 簡(jiǎn)介

RDC－19222是由DDC公司生產(chǎn)的16位單片集成RDC芯片，與其它RDC芯片相比，具有功能豐富、體積小、功耗低、精度高、與計(jì)算機(jī)接口簡(jiǎn)單、所需外圍電路少等優(yōu)點(diǎn)。RDC－19222內(nèi)部原理如圖2所示，其具體特性：最高精度可達(dá)1.3角分；單5 V供電；數(shù)字輸出分辨率、帶寬和跟蹤速率均可編程；可在－55°～125°溫度范圍內(nèi)工作；體積小巧［4］。

圖2 RDC－19222內(nèi)部原理及與外圍器件連接Fig.2 Inter principle and connecting peripheral devices of RDC－19222

3.2 外圍器件參數(shù)選擇

根據(jù)RDC－19222外圍器件參數(shù)的設(shè)計(jì)原則以及系統(tǒng)具體要求，各外圍器件參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程如下［5-7］。

RDC－19222輸出信號(hào)的分辨率是通過(guò)改變A、B兩引腳的邏輯狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的，具體控制邏輯關(guān)系如表1。

表1 RDC－19222輸出分辨率控制邏輯Tab.1 Control logic for output resolution of RDC－19222

不同的分辨率會(huì)影響RDC－19222芯片輸出的數(shù)字信號(hào)位數(shù)，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度。10、12、14、16 位所對(duì)應(yīng)的最小測(cè)量角度分別為0.35°、0.08°、0.02°和 0.005°。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)測(cè)量精度應(yīng)為 0.1°，故選擇 RDC－19222 分辨率為12位。

為設(shè)置滿足系統(tǒng)要求的閉環(huán)帶寬和跟蹤速率，我們只需要正確選擇5個(gè)外部元件（RC、RS、RV、RB和 CBW）。 根據(jù) RDC－19222 外圍元器件參數(shù)的設(shè)計(jì)原則，元件參數(shù)具體計(jì)算方法如下：

1）最大跟蹤速率的選擇和系統(tǒng)使用的載波頻率分別參照表2和表3。

表2 最大跟蹤速率選取參照表Tab.2 Selection ofmaximum tracking rate

表3 最大載波頻率參照表Tab.3 Selection ofmaximum carrier frequency

2）要特別注意的是，在選擇FBW閉環(huán)帶寬時(shí)，務(wù)必保證RDC的最大跟蹤速率與閉環(huán)帶寬的比率不超過(guò)表4內(nèi)所列指標(biāo)。

表4 最大跟蹤速率與閉環(huán)帶寬的約束關(guān)系Tab.4 Relationship ofmaximum tracking rate and closed－loop bandwidth

系統(tǒng)所選用的 RV、RB、CBW參數(shù)可由 DDC公司提供的元器件選擇軟件計(jì)算得到。

配合以上計(jì)算所得元器件參數(shù)，就構(gòu)成了Ⅱ型閉環(huán)跟蹤型RDC，可將旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，從而滿足縱橫傾姿態(tài)角度數(shù)字化測(cè)量的要求。當(dāng)RDC－19222外圍元器件確定后，為使系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，需要選擇能夠滿足系統(tǒng)要求的最小的閉環(huán)帶寬和跟蹤速率，因?yàn)檫@樣可以獲得最大的噪聲抑制效果［8］。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

船舶縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)要求能夠快速準(zhǔn)確地顯示船舶縱橫傾姿態(tài)，同時(shí)要確保其高可靠性?；谛D(zhuǎn)變壓器和RDC－19222專用轉(zhuǎn)換芯片的角度測(cè)量單元可以最大程度地滿足精確度要求，但要實(shí)現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)的實(shí)時(shí)顯示，還需要通過(guò)單片機(jī)的控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和顯示。本系統(tǒng)以西門子公司的SAB80C166為控制微處理器［9］，系統(tǒng)整體框圖如圖3所示。

圖3 縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of vertical and horizontalmeasurement system

4.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)任務(wù)主要是在移植操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，其任務(wù)就是在總體設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)軟件功能模塊，完成每個(gè)模塊功能。本系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)的總體思路是：在主程序中進(jìn)行單片機(jī)處理器、I／O端口、LCD的初始化，并創(chuàng)建主任務(wù)，之后啟動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)角度信息的采集和實(shí)時(shí)顯示［10］。整個(gè)主程序的系統(tǒng)流程圖如圖4。程序運(yùn)行顯示效果如圖5、圖6所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程圖Fig.4 System flowchart

圖5 橫傾姿態(tài)角顯示Fig.5 Display of horizontal angle

圖6 縱傾姿態(tài)角顯示Fig.6 Display of vertical angle

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的船舶縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度，通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下采用高精度光電編碼器與本系統(tǒng)測(cè)量同一軸角的方法，對(duì)比其測(cè)量結(jié)果，達(dá)到檢驗(yàn)其測(cè)量精度的目的。具體測(cè)量數(shù)據(jù)如表5所示，待測(cè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)為縱傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。

表5 測(cè)量對(duì)比結(jié)果Tab.5 Com parisons ofm easurement r esults

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行縱傾姿態(tài)角測(cè)量時(shí)，在-10°～10°范圍內(nèi)精度要求為 0.1°，在其它角度范圍內(nèi)精度要求為0.5°。通過(guò)對(duì)比測(cè)量結(jié)果可知，本系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度，完全滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)本系統(tǒng)工作穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試。在20 d的測(cè)試時(shí)間內(nèi)使其連續(xù)工作，測(cè)試期間該系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)精確、工作狀態(tài)穩(wěn)定、無(wú)故障發(fā)生，證實(shí)本系統(tǒng)具有較好的工作穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)的船舶縱橫傾姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)角度指示精確、工作穩(wěn)定而可靠，該系統(tǒng)的推廣使用必將使船舶縱橫傾姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效率大幅度提高。

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Whole Scheme Design of the Transverse and Longitudinal Attitude Estim ation of Ships

Yue Da－Chao Liu Min－Lin Wu Jie－Chang
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

As the development of ship automation， traditional mechanical measurement devices for transverse and longitudinal attitude estimation could notmeet the new requirements.The paper proposed a schematic design with a new method of digitalmeasurement system，which collecting the angle information with the rotating transformer， then achieving ADC by RDC-19222 chips.The vertical and horizontal angle information was displayed in real-time under control of the MCU.The results show that the system is stable， accurate， and of high practical value.

transverse and longitudinal inclination； rotating transformer； MCU

U666.1

A

1673-3185（2011）06-83-05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.017

2011-04-06

岳大超（1987-），男，碩士研究生。研究方向：船艙自動(dòng)化與仿真技術(shù)。E-mail：190699223＠qq.com

劉敏林（1962-），男，副教授。研究方向：傳感器技術(shù)。