精密電子設(shè)備運輸預(yù)警系統(tǒng)實現(xiàn)

楊 楠，薛 帆，張小峰

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

精密電子設(shè)備包括精密測試儀器儀表、電子控制機柜、通信傳輸裝置等。在運輸過程中精密電子設(shè)備容易因駕駛員操作不當(dāng)造成沖擊或者碰撞，或因車廂環(huán)境因素影響導(dǎo)致儀器參數(shù)發(fā)生變化、貴重物品損毀等情況，使得儀器測量結(jié)果不準確或者無法正常使用，甚至發(fā)生災(zāi)難性的損毀。在實際生產(chǎn)活動中，由于保密需求及實際運輸環(huán)境需求，各種精密電子設(shè)備可能需要通過汽車進行長途運輸。

精密電子設(shè)備在運輸過程需要極其規(guī)范的運輸流程及運輸記錄。當(dāng)一臺電子控制機柜經(jīng)歷的機械振動超過了建議級別將會發(fā)生機柜機械結(jié)構(gòu)損壞、元器件預(yù)設(shè)參數(shù)發(fā)生變化等損害。[1]這些損害一般比較隱蔽但危害極大。如果操作不慎造成精密設(shè)備損壞，使用時極易發(fā)生故障從而導(dǎo)致各類使用問題的出現(xiàn)。所以，在物流運輸過程中對沖擊有如下要求：精密電子設(shè)備在剎車操作過程中發(fā)生的縱向沖擊和由于路面情況而出現(xiàn)的垂直和橫向沖擊、垂直和橫向加速度應(yīng)小于0.5 g(重力加速度值)；避免發(fā)生滾動、顛簸和偏離航線；避免以規(guī)律性周期出現(xiàn)的低頻率振動；橫滾最大加速度應(yīng)小于0.3 g。[2-3]所以，需要一種準確性高、靈敏度好、低功耗、低成本、實時性的精密電子設(shè)備運輸預(yù)警系統(tǒng)對整個運輸過程中受到的速度、加速度、震動和撞擊，以及環(huán)境的溫濕度等進行檢測和記錄，當(dāng)精密物體受到損壞或可能發(fā)生損壞時進行預(yù)警，并為最終損壞判定提供數(shù)據(jù)支持。

車輛姿態(tài)解析是精密物品運輸狀態(tài)追蹤預(yù)警系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的研究日益受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[4]。該技術(shù)應(yīng)用三軸加速度系列傳感器(如加速度傳感器、陀螺儀、地磁傳感器)得到車輛姿態(tài)信息，并對其進行有效處理、分析，能夠準確無誤地識別出車輛的運行狀態(tài)，從而判斷是否發(fā)生碰撞；應(yīng)用溫濕度傳感器從而判斷溫濕度、光照強度對精密物品是否有影響。當(dāng)以上數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值，管理端會向車載顯示端發(fā)出提示信息來指導(dǎo)駕駛員的駕駛行為。[5]

1 預(yù)警系統(tǒng)框架設(shè)計

精密雷達設(shè)備動態(tài)運輸預(yù)警系統(tǒng)整體框架如圖1所示，其主要分為檢測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

圖1 可視化管理系統(tǒng)框架設(shè)計示意圖

精密電子設(shè)備預(yù)警系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)以航向姿態(tài)參考系統(tǒng)為基礎(chǔ)實現(xiàn)交通工具姿態(tài)和速度信息的估計。航向姿態(tài)預(yù)測系統(tǒng)主要由陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁強計等傳感器組成，能夠提供載體三軸的姿態(tài)角度、加速度、角速度、磁場值等信息。當(dāng)對三軸加速度傳感器數(shù)據(jù)進行融合分析后，核心控制板將這些數(shù)據(jù)連同溫濕度、GPS地理信息數(shù)據(jù)與時鐘信息通過GPRS模塊發(fā)送至管理端進行數(shù)據(jù)處理與存儲。這些數(shù)據(jù)都可以使用唯一的ID通過web客戶端和Android客戶端進行查詢及軌跡追蹤。

管理端數(shù)據(jù)處理程序接收GPRS模塊發(fā)送的解析的車輛行為參數(shù)，以及環(huán)境溫濕度、GPS地理位置和時間信息。管理端對車輛行為參數(shù)進行特征提取，進而識別車輛行為，并對識別出的車輛行為、溫濕度信息進行判斷，若超出設(shè)定閾值則會發(fā)送預(yù)警信息至車載顯示端，以此來對駕駛員的駕駛行為進行指導(dǎo)。管理端數(shù)據(jù)處理程序的流程如圖2所示。

2 車輛行駛姿態(tài)解析

車輛行駛姿態(tài)解析是航向解析中一個重要的研究方向。航向解析一般依靠安裝在車輛載體上的磁強計解算出車輛加速度，接著通過安裝在車輛上的磁力傳感器、相應(yīng)的車載陀螺儀以及加速度計測量出運輸載

圖2 管理端數(shù)據(jù)處理程序流程圖

體的方位，最后通過多元異構(gòu)的方式對車輛的姿態(tài)進行解析。

本系統(tǒng)根據(jù)精密電子設(shè)備運輸預(yù)警系統(tǒng)的實際需求使用陀螺儀、加速度計和磁強計搭建航向姿態(tài)參考系統(tǒng)計算姿態(tài)、速度的估計，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)的車輛解析框架采用實時旋轉(zhuǎn)陀螺儀對車輛載體的變化角度進行求解，通過旋轉(zhuǎn)方位積分的方式可求出車輛載體在運輸工程中產(chǎn)生的相對姿態(tài)變化角度。接著通過加速度計和磁強計可求得車輛載體的航向坐標系， 最后通過航向坐標系與大地坐標系的坐

圖3 車輛行駛姿態(tài)解析示意圖

標級聯(lián)轉(zhuǎn)換的方式求解出車輛載體的航向角。

本系統(tǒng)采用三軸加速度計、三軸磁強計和三軸陀螺儀進行組合姿態(tài)測量。首先通過三軸加速度傳感器和三軸磁強計測量出車輛載體相應(yīng)的航向角度。當(dāng)?shù)玫胶较蚪嵌群?，對航線角度在大地坐標系上進行映射，可以估算出車輛載體在大地坐標系上的觀測矢量，同時依靠車輛載體在大地坐標系的觀測矢量可以得到車輛載體的實時運動軌跡。

在姿態(tài)解析系統(tǒng)中，相應(yīng)的陀螺儀是測量運動姿態(tài)最主要的傳感器。本系統(tǒng)采用的三軸微機陀螺儀的工作原理是通過科氏加速度反推出振動力塊的應(yīng)力方向，從而可以測量陀螺儀的方位，接著通過檢測振動力塊的相對位移從而得到陀螺儀相應(yīng)角速度ω，如圖4微機陀螺儀工作原理所示。具體運算如下：

假設(shè)在相應(yīng)的大地坐標系XOY內(nèi)所對應(yīng)的m在X軸方位的陀螺儀的振動速度為v，當(dāng)坐標系XOY繞Z軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)牛頓力學(xué)原理，m在世界坐標系XOY的Y軸上產(chǎn)生的科氏力為f=-2m[ω×v]，而相應(yīng)產(chǎn)生的力與角速度ω成正比，所以測量Y軸方向力塊m的位移即可求出陀螺儀的角速度ω即運動載體的姿態(tài)變化角度。

圖4 微機陀螺儀工作原理圖

在實際的數(shù)據(jù)測量中，由于物體處于運動狀態(tài)，物體質(zhì)點的加速度難以進行直接測量，所以微機加速度計采用將加速度轉(zhuǎn)變成間接牛頓力的方式進行測量。微機加速度計中具有相應(yīng)的應(yīng)力塊，通過檢測測量加速度計中應(yīng)力塊的電容、電壓值可以估算出應(yīng)力塊的慣性力，通過測量應(yīng)力塊所受的相應(yīng)的慣性力即可得出加速度值的大小。

通過加速度計的測量原理可知，加速度力所測量的數(shù)據(jù)是應(yīng)力塊所受到的慣性力與重力之和，即f=α+g。從平臺的加速度得到的結(jié)果可知，當(dāng)加速度計處于完全靜止的狀態(tài)，加速度計輸出的就是相應(yīng)的重力加速度。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可以通過計算重力場在大地坐標系的幾何關(guān)系從而得到相對應(yīng)的平臺加速度。

磁強計是一種利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象測量所處空間的弱磁場的傳感器。磁強計的基本工作原理是利用電磁的交變感應(yīng)輸出非對稱變化的電壓，通過間接測量輸出電壓的方式實現(xiàn)磁場的測量。由于環(huán)境中地磁場的強度很小，易受到外部磁場的干擾，難以準確測量。因此，只能將磁強計作為一種輔助方式進行航向姿態(tài)測量。

車輛姿態(tài)解析系統(tǒng)在傳感器相應(yīng)的選型如圖5系統(tǒng)硬件部分所示。選用六軸地磁模塊LSM403DLH作為三軸加速度計、三軸磁力計的載體。陀螺儀選型為三軸陀螺儀PR430AL()并使硬件與其坐標系與大地坐標系相互對應(yīng)。系統(tǒng)部分硬件的測量范圍、靈敏度、工作溫度具體參數(shù)如表1所示。

圖5 系統(tǒng)硬件實物圖

3 預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分

數(shù)據(jù)處理部分接收GPRS模塊發(fā)送的車輛行為參數(shù)，以及環(huán)境溫濕度、GPS地理位置和時間信息。處理部分對車輛行為參數(shù)進行特征提取，進而識別車輛運輸載體行為，對識別出的車輛行為、溫濕度信息進行判斷。如果車輛運動行為、車廂內(nèi)溫濕度超出設(shè)定閾值則會發(fā)送預(yù)警信息至車載顯示端， 以此來對駕駛員的駕駛行為進行指導(dǎo)。管理端界面如圖6所示。本項目同時設(shè)計并實現(xiàn)了精密電子設(shè)備運輸預(yù)警系統(tǒng)Android客戶查詢端。經(jīng)過后臺管理端處理分析的數(shù)據(jù)全部可以通過客戶端查詢。車輛每次運輸會有唯一的ID對應(yīng)?？蛻敉ㄟ^ID查詢可以實時地查看汽車在運輸過程中的地理位置、溫濕度、車速、車輛行為的詳細數(shù)據(jù)，并可查詢汽車的行駛軌跡，具體實現(xiàn)如圖7、8、9所示。

表1 系統(tǒng)部分硬件指標

圖6 系統(tǒng)管理端示意圖

圖7 Android客戶端界面-查詢界面示意圖

圖8 Android客戶端數(shù)據(jù)分析結(jié)果示意圖

圖9 Android客戶端界面-軌跡跟蹤示意圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種具有精度高、硬件成本低、安裝方便等優(yōu)點的精密電子設(shè)備運輸預(yù)警系統(tǒng)。該設(shè)備能夠?qū)茈娮釉O(shè)備運輸狀態(tài)進行預(yù)警及運輸過程進行存儲。該系統(tǒng)能夠通過融合加速計、磁強計等多源傳感器數(shù)據(jù)解算出運輸設(shè)備運動中的狀態(tài)(如載體加速度、載體傾角、載體振動幅度等)。同時，此設(shè)備利用溫濕度傳感器記錄精密電子設(shè)備運輸過程中設(shè)備的溫濕度狀態(tài)，并且本系統(tǒng)開發(fā)了Android客戶端的查詢軟件，能夠通過后臺數(shù)據(jù)庫查詢歷史分析結(jié)果、運行軌跡、溫濕度等數(shù)據(jù)。