彈載磁測(cè)系統(tǒng)可視化標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)*

王清源 張曉明，2 李惠杰

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

隨著科技的不斷進(jìn)步，常規(guī)彈藥已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求，彈藥智能化、制導(dǎo)化已經(jīng)是發(fā)展的必然趨勢(shì)。地磁測(cè)姿系統(tǒng)因?yàn)榫哂姓`差不累計(jì)、抗過(guò)載能力強(qiáng)、成本低、體積小等優(yōu)勢(shì)［1］，已經(jīng)成為彈載導(dǎo)航中的主要方案之一。由于三軸磁傳感器軸間不正交、系統(tǒng)電路的放大特性不完全一致、零點(diǎn)偏移等原因［2］，會(huì)導(dǎo)致磁測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)測(cè)量精度低等問(wèn)題，為了提高磁測(cè)系統(tǒng)的精度與可靠性，需要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償。目前標(biāo)定流程仍采用先采集數(shù)據(jù)，再用如Matlab等仿真軟件處理數(shù)據(jù)。此流程步驟繁瑣，操作復(fù)雜，且因缺乏數(shù)據(jù)可視化導(dǎo)致對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性把握不足，難以滿足在實(shí)際要求。因此亟需一個(gè)能夠可視化、自動(dòng)化的軟件來(lái)簡(jiǎn)化操作，提升標(biāo)定速度。

基于上述需求，本文基于Qt 開發(fā)平臺(tái)［3～4］設(shè)計(jì)了一種彈載磁測(cè)系統(tǒng)可視化自動(dòng)標(biāo)定軟件，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化與標(biāo)定自動(dòng)化，并針對(duì)開發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題提出行之有效的解決辦法。

2 磁測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

磁測(cè)系統(tǒng)包含兩個(gè)子系統(tǒng)，分別為彈載磁測(cè)系統(tǒng)（下位機(jī)）和彈載磁測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定測(cè)試軟件（上位機(jī)）。上位機(jī)負(fù)責(zé)彈藥發(fā)射前磁測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定與精度測(cè)試功能，上位機(jī)標(biāo)定精度會(huì)直接影響彈載磁測(cè)系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 上位機(jī)總體設(shè)計(jì)

3.1 通信模塊

串口通信通過(guò)有線連接，抗干擾能力強(qiáng)，但是由于其依賴于線纜，當(dāng)下位機(jī)與下位機(jī)距離過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，其走線便會(huì)非常麻煩。藍(lán)牙采用無(wú)線連接，可解決掉走線過(guò)于繁瑣的問(wèn)題，但是在其周圍無(wú)線信道擁堵時(shí)，其傳輸便會(huì)收到很大影響。串口與藍(lán)牙能適應(yīng)不同的環(huán)境，因此上位機(jī)采用了串口+藍(lán)牙的方式。

3.1.1 藍(lán)牙通信原理

Qt提供了Qt Bluetooth 模塊操作藍(lán)牙。藍(lán)牙通信需要格外關(guān)注兩個(gè)協(xié)議，分別是GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute Profile），GAP用來(lái)控制設(shè)備連接和廣播。GATT則定義兩個(gè)低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間通過(guò)Service 和Characteristic通信的方式。Qt 為低功耗藍(lán)牙提供了·Qt Bluetooth Low Energy API，其基本流程如下：

1）使用QBluetooth Device Discovery Agent 發(fā)現(xiàn)周圍所有廣播的藍(lán)牙設(shè)備；

2）遍歷搜索到的藍(lán)牙設(shè)備，篩選出目標(biāo)設(shè)備；

3）使用QLow Energy Controller 類的create Central（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)中心設(shè)備，并與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行連接，獲取藍(lán)牙services列表，根據(jù)服務(wù)的uuid篩選所需服務(wù)；

4）找到需要的服務(wù)后，根據(jù)characteristic 列表的uuid篩選出目標(biāo)characteristic；

5）配置目標(biāo)設(shè)備的descriptor，完成連接。

連接后，只需讀寫篩選出的characteristic 即可進(jìn)行通信。

3.1.2 串口通信原理

串口使用了Qt SerialPort 模塊，該模塊提供了一系列API，能夠滿足對(duì)串口的基本配置和操作，創(chuàng)建一個(gè)QSerialPort類配置串口的波特率、停止位等參數(shù)，然后使用open（）函數(shù)打開串口。該模塊提供了兩種方式讀寫，一種是阻塞模式，使用waitFor-ReadyRead 函數(shù)阻塞當(dāng)前線程，等待可讀數(shù)據(jù)，另一中是非阻塞方式，使用connect 函數(shù)連接QSerial-Port的信號(hào)readReady（）與對(duì)應(yīng)的槽函數(shù)，在槽函數(shù)中即可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3.2 數(shù)據(jù)可視化

為了清晰有效傳遞實(shí)驗(yàn)信息，程序設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化界面。論文通過(guò)總結(jié)以往磁測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定過(guò)程中出現(xiàn)的情況，設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)可視化界面，實(shí)驗(yàn)人員可通過(guò)此界面實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)狀態(tài)，從而對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及時(shí)做出調(diào)整。

3.2.1 可視化界面設(shè)計(jì)

在彈體標(biāo)定的過(guò)程中，存在諸多干擾：靜電或者串口誤碼有可能導(dǎo)致出現(xiàn)野值，由于數(shù)據(jù)標(biāo)定算使用的基于最小二乘的橢球擬合算法，野值會(huì)影響標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；彈體出現(xiàn)磁化現(xiàn)象使磁測(cè)系統(tǒng)中的磁傳感器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而影響磁測(cè)系統(tǒng)標(biāo)定的準(zhǔn)確度。通過(guò)對(duì)標(biāo)定過(guò)程中的干擾因素及誤差分析，論文設(shè)計(jì)一套全方位立體實(shí)時(shí)可視化的GUI 界面，界面上由了一個(gè)二維圖像、一個(gè)三維圖像以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示控件，滿足實(shí)驗(yàn)人員全方位了解數(shù)據(jù)狀態(tài)的需求。二維圖像采用了Qt 的QChart模塊，用于實(shí)時(shí)顯示六條的波形圖，如圖2所示。

圖2 二維波形圖

三維圖像顯示則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示橢球整體的情況，其采用了Qt的三維圖表模塊Data Visualization，程序使用了三維散點(diǎn)圖模式。該圖像會(huì)在標(biāo)定過(guò)程中不斷旋轉(zhuǎn)，以便實(shí)驗(yàn)人員從不同角度實(shí)時(shí)了解橢球形狀。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值時(shí)，三維橢球圖周圍會(huì)出現(xiàn)散點(diǎn)，如圖3（b）所示，當(dāng)野值過(guò)多便會(huì)影響橢球擬合的精度，此時(shí)需要重新標(biāo)定。

圖3 橢球異常情況

當(dāng)橢球某部分出現(xiàn)“削平”的情況時(shí)表示磁傳感器飽和，如圖3（a）所示，出現(xiàn)這種情況需停止標(biāo)定，繼續(xù)標(biāo)定沒(méi)有意義。往往這種情況實(shí)驗(yàn)人員需要對(duì)彈體進(jìn)行整體退磁等處理后才能重新標(biāo)定。

3.2.2 多線程優(yōu)化

由于串口波特率較高，數(shù)據(jù)接收與解析計(jì)算占用了大量的CPU的時(shí)間片，同時(shí)界面波形圖與三維橢球圖也需要占用大量CPU資源，導(dǎo)致用戶界面不能及時(shí)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)人員的操作，嚴(yán)重影響使用體驗(yàn)。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能，提升軟件界面響應(yīng)的及時(shí)性，軟件采用了多線程技術(shù)［5］。

程序中使用Qt提供的QThread類，將耗時(shí)的串口讀寫與數(shù)據(jù)解析、計(jì)算等操作移動(dòng)到子線程中，界面主線程只負(fù)責(zé)采用數(shù)據(jù)可視化與響應(yīng)用戶操作，通過(guò)多線程技術(shù)，軟件響應(yīng)速度與流暢度得到了大幅度提升。其流程如圖4所示。

圖4 多線程執(zhí)行流程圖

3.3 磁測(cè)系統(tǒng)誤差模型及補(bǔ)償

3.3.1 磁測(cè)系統(tǒng)誤差模型

磁測(cè)系統(tǒng)的誤差來(lái)源主要有三個(gè)：三軸不正交誤差、三軸靈敏度誤差、零偏誤差［6～8］。由于三個(gè)誤差的存在，導(dǎo)致地磁矢量由圓球面畸變?yōu)槠揭频臋E球面［9～11］。由根據(jù)誤差來(lái)源建立三軸磁傳感器誤差模型，如式（1）所示：

其中：為三軸磁傳感器的誤差矩陣；(X Y Z)T為三軸磁傳感器的實(shí)際輸出（存在誤差）；kx、ky、kz為三軸磁傳感器的靈敏度；X0、Y0、Z0分別為傳感器三個(gè)軸的理想值（不存在誤差）。x，y，z為三軸零偏誤差，α、β、γ為三軸間不正交誤差角。

3.3.2 基于橢球擬合的誤差標(biāo)定

由于地磁三維矢量和理論上是一個(gè)定值，因此，在理想的情況下，三軸磁傳感器在全空間范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)后的輸出值可以構(gòu)成一個(gè)圓球，但是由于三種誤差的存在，圓球面畸變成橢球面。

設(shè)橢球方程為

經(jīng)過(guò)推導(dǎo)最終得到三軸磁傳感器誤差參數(shù)如式（3）所示：

其中Bb為傳感器理論三維矢量和，B0為系統(tǒng)的零偏誤差。

3.3.3 誤差補(bǔ)償

根據(jù)誤差模型，易得傳感器理論輸出如式（4）所示：

根據(jù)標(biāo)定模式下的數(shù)據(jù)，計(jì)算得到磁測(cè)系統(tǒng)三軸零偏、靈敏度和不正交角等數(shù)據(jù)，利用上位機(jī)將標(biāo)定數(shù)據(jù)下載到磁測(cè)下位機(jī)系統(tǒng)，下位機(jī)即可根據(jù)式（4）的誤差補(bǔ)償模型，將傳感器的測(cè)量值補(bǔ)償后輸出，從而得到理想值。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證程序標(biāo)定數(shù)據(jù)的正確性以及有效性，本文以三軸磁傳感器HMC1053 為例，利用軟件對(duì)帶有HMC1053 三軸磁傳感器的磁測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)定與補(bǔ)償。

首先在一個(gè)磁干擾較小的環(huán)境中，全范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁測(cè)系統(tǒng)，軟件會(huì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化處理。采集數(shù)據(jù)完成后軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算誤差標(biāo)定與補(bǔ)償系統(tǒng)，并將數(shù)據(jù)下載的系統(tǒng)中。精度驗(yàn)證方法如下，將滾轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)一周，每30°記錄一次數(shù)據(jù)，其波形如圖5所示，精度對(duì)比如表1所示。

表1 補(bǔ)償前后滾轉(zhuǎn)角對(duì)比

圖5 補(bǔ)償后精度測(cè)試

由表1 分析可得，其最大誤差為1°，已經(jīng)在誤差允許的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件采用橢球擬合的方法，能夠正確對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁測(cè)系統(tǒng)的高精度補(bǔ)償。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)磁傳感器標(biāo)定中的可視化、自動(dòng)化等問(wèn)題設(shè)計(jì)開發(fā)了一套上位機(jī)軟件，其對(duì)標(biāo)定流程及精度驗(yàn)證流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面可視化處理，且極大簡(jiǎn)化了全流程的操作。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，程序可快速、準(zhǔn)確對(duì)磁測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，極大提高了標(biāo)定效率。