水下觀測(cè)平臺(tái)姿態(tài)低功耗測(cè)量系統(tǒng)

郭虎生, 顏 冰, 吳志東

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水下觀測(cè)平臺(tái)姿態(tài)低功耗測(cè)量系統(tǒng)

郭虎生, 顏 冰, 吳志東

(海軍工程大學(xué)兵器工程系, 湖北武漢, 430033)

鑒于現(xiàn)有的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有功耗高、體積大的特點(diǎn), 以及水下測(cè)量平臺(tái)的姿態(tài)通常在海流作用下會(huì)發(fā)生改變, 由此對(duì)平臺(tái)上所搭載傳感器的測(cè)量帶來(lái)極大的影響等問(wèn)題, 提出了一種采用三軸微加速度和三軸磁阻傳感器構(gòu)成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)組合模塊的設(shè)計(jì)方案, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下測(cè)量平臺(tái)俯仰角、橫滾角及方向角的實(shí)時(shí)測(cè)量, 從而可實(shí)時(shí)獲取平臺(tái)姿態(tài)信息, 以達(dá)到校正傳感器輸出的目的。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明, 該系統(tǒng)具有低功耗、體積小、成本低及抗沖擊等優(yōu)點(diǎn), 能夠滿足水下平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量精度。

水下平臺(tái); 姿態(tài)測(cè)量; 微機(jī)電系統(tǒng)傳感器

0 引言

由于海況的高度復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性, 水下測(cè)量平臺(tái)將處于一種非穩(wěn)定環(huán)境中。此時(shí), 平臺(tái)相對(duì)于穩(wěn)定環(huán)境存在多自由度的偏差, 將會(huì)影響到對(duì)目標(biāo)信息的準(zhǔn)確測(cè)量, 其中水下平臺(tái)的俯仰角和橫滾角都是制約搭載傳感器測(cè)量精度的關(guān)鍵。同時(shí), 傳統(tǒng)的機(jī)械式姿態(tài)測(cè)量?jī)x因體積大、響應(yīng)速度慢、成本高等缺點(diǎn), 不利于水下平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和精確性要求。因此, 本文基于微機(jī)電系統(tǒng)(micro electro mechanic system, MEMS)技術(shù), 采用三軸微加速度和三軸磁阻傳感器構(gòu)成MEMS組合模塊, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下平臺(tái)的俯仰角、方位角及橫滾角的測(cè)量, 通過(guò)方向余弦法解算載體姿態(tài)角獲得大地坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)坐標(biāo)變換可修正平臺(tái)搭載傳感器測(cè)量輸出從而達(dá)到獲取測(cè)量數(shù)據(jù)的三軸真實(shí)值的目的。

該測(cè)量系統(tǒng)體積小、重量輕、功耗低、啟動(dòng)快, 可進(jìn)行全姿態(tài)動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量, 適用于水下姿態(tài)測(cè)量。

1 水下平臺(tái)姿態(tài)定義

水下平臺(tái)進(jìn)行測(cè)量時(shí), 載體姿態(tài)的變化會(huì)給其搭載傳感器造成測(cè)量偏差, 因此實(shí)現(xiàn)水下載體的實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量具有重要作用。載體姿態(tài)測(cè)量常用傾角、橫滾角和方位角3組角度來(lái)表示。傾角是載體向前的方向與水平面之間的夾角, 反映了載體方向相對(duì)水平面的傾斜程度。橫滾角表示載體向前方向同一平面的垂直方向和水平面之間的夾角, 反映了載體橫向傾斜的程度。方位角是載體向前方向在水平面的投影與正北方向之間的夾角, 它反映了水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。

為了給出姿態(tài)角嚴(yán)格的定義, 首先建立大地坐標(biāo)系,,和載體坐標(biāo)系,,, 如圖1所示。

假設(shè)初始狀態(tài)時(shí), 載體坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系一致,軸方向與地理北一致。其中,軸與地理東一致,軸方向與重力方向一致。

當(dāng)載體姿態(tài)變化時(shí), 在載體坐標(biāo)系中,軸為沿載體軸線向前的方向,軸為與軸正交同一平面指向右方的方向,軸與載體平面垂直指向下方。則根據(jù)角度的定義, 傾角為軸與水平面間的夾角, 圖中用表示; 橫滾角為軸與水平面的夾角, 圖中用表示; 方位角為軸在水平面的投影與正北間的夾角, 圖中用表示。角度的定義均參照右手規(guī)則, 滿足右手規(guī)則為正, 反之為負(fù)。

2 測(cè)量原理及姿態(tài)解算

載體姿態(tài)變化后, 利用本文設(shè)計(jì)的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng), 就可通過(guò)2個(gè)傳感器以及后續(xù)處理電路來(lái)獲得這些姿態(tài)角度。利用MEMS加速計(jì)具有直流響應(yīng)的特性, 獲取對(duì)重力加速度的輸出, 可轉(zhuǎn)化為傳感器的傾角和橫滾角。由于磁場(chǎng)的水平分量指向磁北, 利用三軸磁傳感器對(duì)地磁場(chǎng)分量的測(cè)量, 可確定載體坐標(biāo)系與大地坐標(biāo)系之間的方位關(guān)系, 即確定載體的方向角。

(1)

所以載體坐標(biāo)系的加速度和重力加速度有

(3)

根據(jù)三軸MEMS磁阻傳感器輸出并結(jié)合地磁場(chǎng)的特性, 可完成平臺(tái)在水平面上轉(zhuǎn)動(dòng)的方向角測(cè)量。地球可視為帶有N, S磁極的大球體, 其表面的直流磁場(chǎng)大體上均勻分布, 在地球表面上的任意一點(diǎn)都可將磁場(chǎng)的強(qiáng)度分解為水平和垂直2個(gè)分量。設(shè)當(dāng)前姿態(tài)下三軸磁阻傳感器的輸出為,,, 根據(jù)大地坐標(biāo)系到水下平臺(tái)坐標(biāo)系的變換有

(5)

所以在獲取三軸MEMS加速和磁阻傳感器的輸出后, 可以確定搭載平臺(tái)的姿態(tài)角并可通過(guò)變換矩陣由大地坐標(biāo)系變換到載體坐標(biāo)系, 用以校正搭載傳感器的輸出。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于水下測(cè)量平臺(tái)的特殊性, 還需具有低功耗以適應(yīng)可長(zhǎng)期工作在海底環(huán)境。傳統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量裝置體積大、成本高, 并不適合水下平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量?；贛EMS技術(shù)的加速度及磁阻式傳感器具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn), 且由于結(jié)構(gòu)中沒(méi)有可動(dòng)部件因而具有良好的抗沖擊性。基于此, 本文再以MEMS加速度和磁阻傳感器作為傳感核心的基礎(chǔ)上相應(yīng)的設(shè)計(jì)了后續(xù)電路完成對(duì)載體姿態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量。

測(cè)量系統(tǒng)的硬件組成如圖1所示, 測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、單片機(jī)、置位重置電路、多通道數(shù)據(jù)采集電路及通信存儲(chǔ)模塊等組成。圖中: 置位重置電路用來(lái)消除磁傳感器噪聲和漂移; 單片機(jī)控制三軸傳感器信號(hào)的24位同步采集; 外接模塊用以存儲(chǔ)前端采集到的數(shù)據(jù), 可供后期分析。

3.1 多通道采集

為了保證同步獲取三軸磁場(chǎng)信號(hào)及重力加速度三軸分量測(cè)量, 采用低功耗24位AD芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)的六分量同步采集, 芯片選用ADI公司的24位高精度采集芯片AD7190。AD7190具有3個(gè)模擬輸入通道、低噪聲可編程增益放大器, 其工作電壓為2.7~5.25V, 工作電流僅為5mA。3片AD7190以三線連接模式分別與單片機(jī)SPI接口連接, 利用片上寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn) AD7190的初始化、控制和操作。

3.2 重置電路

磁傳感器在工作一定時(shí)間后, 溫度漂移帶來(lái)的誤差增大, 降低了測(cè)量精度, 通過(guò)對(duì)傳感器的設(shè)置和重置可以有效優(yōu)化傳感器靈敏度。本文采用高壓Totem Pole電路, 如圖3所示。圖中,是大于16 V的直流電壓;sr,sr和sr表示HMC1001、HMC1002置位重置電阻。由IRF7105實(shí)現(xiàn)充放電回路的邏輯控制, 利用電容與置位重置電阻構(gòu)成的充放電回路產(chǎn)生1uS以上的置位重置脈沖。重置過(guò)程中, 在打開之前首先關(guān)閉, 關(guān)閉之前首先打開;和用來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓脈沖到高壓脈沖轉(zhuǎn)化以達(dá)到迅速關(guān)斷的目的,,和構(gòu)成加速網(wǎng)絡(luò)。

3.3 低功耗和接口設(shè)計(jì)

考慮到水下測(cè)量平臺(tái)依靠電池供電, 降低系統(tǒng)功耗可延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間。因此在滿足系統(tǒng)性能的同時(shí),設(shè)計(jì)相應(yīng)電路以降低系統(tǒng)功耗。選取MSP430系列中的MSP430F5438作為單片機(jī), 2.2~3.6 V供電電壓, 耗電電流僅為126 μA/MHz并且該芯片集成了豐富的外設(shè)來(lái)滿足系統(tǒng)各項(xiàng)功能的需要。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)本文設(shè)計(jì), 同時(shí)制作了原理樣機(jī), 并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試, 該系統(tǒng)的整體功耗為230 mW, 在無(wú)運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)的轉(zhuǎn)臺(tái)上對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行測(cè)量分析, 結(jié)果如圖4所示。

圖4 姿態(tài)角誤差曲線

由試驗(yàn)結(jié)果可知, 該姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)能夠測(cè)量0~360°的方位角(其中轉(zhuǎn)臺(tái)方位角0°、90°、180°、270°分別對(duì)應(yīng)地理上北、東、南、西方向), ±90°的傾斜角和橫滾角。且方位角測(cè)量精度小于±1°, 而傾斜角和橫滾角的測(cè)量精度為±0.8°。該指標(biāo)可以運(yùn)用在海底測(cè)量平臺(tái)的姿態(tài)測(cè)量上。由于采用了磁強(qiáng)計(jì)作為方位角測(cè)量傳感器, 以及溫度漂移等因素, 容易產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差, 故采取強(qiáng)制重置的方式對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn), 如圖4(c)中, 在轉(zhuǎn)臺(tái)方位角210°時(shí), 對(duì)傳感器強(qiáng)制重置, 有效抑制了傳感器誤差角度的發(fā)散。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)水下測(cè)量平臺(tái), 本文設(shè)計(jì)了基于MEMS加速度及磁阻傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用具有體積小、成本低、功耗低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的微硅加速度傳感器和磁阻式磁強(qiáng)計(jì)作為姿態(tài)感知器件, 實(shí)時(shí)獲取水下平臺(tái)的傾角、橫滾角和方位角信息。此系統(tǒng)可用于水下平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量, 提高平臺(tái)搭載裝置的測(cè)量精度。

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(責(zé)任編輯: 楊力軍)

Attitude Measurement System with Low Power Consumption for Underwater Observation Platform

GUO Hu-sheng, YAN Bin, WU Zhi-dong

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The work of the existing attitude measurement system of the underwater observation platform will be disturbed by the ocean wave. Aiming at this problem, a design scheme of micro-electro-mechanical system(MEMS) composed of a 3-axis micro acceleration sensor and a 3-axis magneto resistance sensor is given in detail. The system can get pitch, roll and azimuth angles of the underwater observation platform in real-time. Test data show that the system has the advantages of low power consumption, small size, low cost, and shock resistance, and it meets the precision requirement for attitude measurement of the underwater observation platform.

underwater observation platform; attitude measurement; micro-electro-mechanical system sensor

U666.1

A

1673-1948(2013)03-0193-04

2012-05-02;

2012-09-21.

郭虎生(1986-), 男, 在讀博士, 主要研究方向?yàn)轸~雷探測(cè)與制導(dǎo).