船舶縱橫傾姿態(tài)測量系統(tǒng)總體框架設(shè)計

岳大超 劉敏林 吳杰長

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

船舶縱橫傾姿態(tài)測量系統(tǒng)總體框架設(shè)計

岳大超 劉敏林 吳杰長

海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院，湖北武漢 430033

隨著船舶姿態(tài)控制自動化程度的提高，傳統(tǒng)的機(jī)械式縱橫傾姿態(tài)角測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)字化測量系統(tǒng)的總體框架設(shè)計方案，通過旋轉(zhuǎn)變壓器對船舶縱橫傾姿態(tài)信息進(jìn)行采集，經(jīng)RDC-19222芯片對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換，最終借由單片機(jī)的控制實現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)角度信息的實時顯示。試驗證明，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，測量精度較高，具有較高的實用價值。

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轉(zhuǎn)換為電信號后輸出給船舶姿態(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)角度信號數(shù)字化測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過能夠適應(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)信號的采集裝置，并通過專用RDC芯片對旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的模擬電信號進(jìn)行解碼，得到與姿態(tài)角對應(yīng)的數(shù)字電信號，并將之輸出至液晶顯示模塊實現(xiàn)船舶姿態(tài)角的實時顯示［1］。與傳統(tǒng)機(jī)械式測量裝置相比，本文設(shè)計的船舶姿態(tài)實時監(jiān)測裝置體積小巧，僅為傳統(tǒng)機(jī)械式測量裝置的三分之一；縱傾姿態(tài)測量精度最高可達(dá) 0.1°（在-10°～+10°范圍內(nèi)），滿足船舶姿態(tài)角測量要求。

2 實驗系統(tǒng)姿態(tài)角傳感器機(jī)構(gòu)設(shè)計

為了模擬船舶平臺產(chǎn)生的縱橫傾姿態(tài)角度變化，需要通過傳感器感知船舶平臺的傾斜程度。本系統(tǒng)采用的是兩個安裝位置相互垂直，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)的傾斜對測量軸測量精度的影響。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，輸出給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出并顯示。

2.1 橫傾角的測量

當(dāng)實驗平臺從水平靜止位置旋轉(zhuǎn)了一個角度α?xí)r，可以看做是實驗平臺經(jīng)過先縱傾一個角度β，之后橫傾一個角度γ的旋轉(zhuǎn)過程。設(shè)由橫傾角傳感器測量的角度為γ′，經(jīng)過計算可得：

由式（1）可以看出，γ′＝γ。橫傾角傳感器測量的角度值γ′是實驗平臺按照先縱傾，再橫傾的順序傾斜時的橫傾角γ。

2.2 縱傾角的測量

當(dāng)實驗平臺從水平位置傾斜了一個角度α?xí)r，可以看作是實驗平臺經(jīng)過先橫傾一個角度γ1，之后縱傾一個角度β1的旋轉(zhuǎn)過程。設(shè)由縱傾角傳感器測量的角度為β′，經(jīng)過計算可得：

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

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

2.3 旋轉(zhuǎn)變壓器的選取

實驗平臺旋轉(zhuǎn)角度模擬電信號的產(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)勵磁繞組通過一定頻率的交流電壓勵磁時，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，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：

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，為實現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)角度的數(shù)字化測量，需要通過一定接口電路，即旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字轉(zhuǎn)換器（RDC），實現(xiàn)模擬電信號到數(shù)字電信號的轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)選用的RDC為RDC－19222芯片。

3.1 RDC－192222 簡介

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、與計算機(jī)接口簡單、所需外圍電路少等優(yōu)點。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)計原則以及系統(tǒng)具體要求，各外圍器件參數(shù)的設(shè)計過程如下［5-7］。

RDC－19222輸出信號的分辨率是通過改變A、B兩引腳的邏輯狀態(tài)實現(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

不同的分辨率會影響RDC－19222芯片輸出的數(shù)字信號位數(shù)，從而影響整個系統(tǒng)的測量精度。10、12、14、16 位所對應(yīng)的最小測量角度分別為0.35°、0.08°、0.02°和 0.005°。 根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)測量精度應(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)計原則，元件參數(shù)具體計算方法如下：

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，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算得到。

配合以上計算所得元器件參數(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轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，從而滿足縱橫傾姿態(tài)角度數(shù)字化測量的要求。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，因為這樣可以獲得最大的噪聲抑制效果［8］。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

船舶縱橫傾姿態(tài)測量系統(tǒng)要求能夠快速準(zhǔn)確地顯示船舶縱橫傾姿態(tài)，同時要確保其高可靠性。基于旋轉(zhuǎn)變壓器和RDC－19222專用轉(zhuǎn)換芯片的角度測量單元可以最大程度地滿足精確度要求，但要實現(xiàn)縱橫傾姿態(tài)的實時顯示，還需要通過單片機(jī)的控制，以實現(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)測量系統(tǒng)框圖Fig.3 Diagram of vertical and horizontalmeasurement system

4.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計任務(wù)主要是在移植操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序，其任務(wù)就是在總體設(shè)計和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上設(shè)計軟件功能模塊，完成每個模塊功能。本系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計的總體思路是：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)，之后啟動整個系統(tǒng)，實現(xiàn)角度信息的采集和實時顯示［10］。整個主程序的系統(tǒng)流程圖如圖4。程序運行顯示效果如圖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 實驗結(jié)果分析

為檢驗本文設(shè)計的船舶縱橫傾姿態(tài)測量系統(tǒng)的測量精度，通過在實驗室環(huán)境下采用高精度光電編碼器與本系統(tǒng)測量同一軸角的方法，對比其測量結(jié)果，達(dá)到檢驗其測量精度的目的。具體測量數(shù)據(jù)如表5所示，待測設(shè)計系統(tǒng)為縱傾姿態(tài)測量系統(tǒng)。

表5 測量對比結(jié)果Tab.5 Com parisons ofm easurement r esults

根據(jù)設(shè)計要求，進(jìn)行縱傾姿態(tài)角測量時，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°。通過對比測量結(jié)果可知，本系統(tǒng)具有較高的測量精度，完全滿足設(shè)計要求。

同時，在實驗室環(huán)境下對本系統(tǒng)工作穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。在20 d的測試時間內(nèi)使其連續(xù)工作，測試期間該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)精確、工作狀態(tài)穩(wěn)定、無故障發(fā)生，證實本系統(tǒng)具有較好的工作穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

綜上所述，本文所設(shè)計的船舶縱橫傾姿態(tài)測量系統(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)實時監(jiān)測效率大幅度提高。

［1］ 文思國.基于旋轉(zhuǎn)變壓器反饋的全數(shù)字交流永磁同步伺服系統(tǒng)設(shè)計［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2006.

［2］ 徐大林，黃慶安.數(shù)字式自整角機(jī)／旋轉(zhuǎn)變壓器變換技術(shù)發(fā)展綜述［J］.微電機(jī)，2006，39（3）：81-85.

XU D L，HUANG Q A.The technology and development of digital to synchro/resolver conversion ［J］.Micromotors，2006，39（3）：81-85.

［3］ 趙葵銀，尋大勇，唐勇奇.基于AD2S80A的永磁同步電動機(jī)高精度位置檢測系統(tǒng) ［J］.低壓電器，2006，47（9）：25-27.

ZHAO K Y，XUN D Y，TANG Y Q.High accuracy position measuring system based on AD2S80A for permanent magnet synchronous motor ［J］.Lon Votage Appratus，2006，47（9）：25-27.

［4］ RD RDC series converters applications manual［S］.Data Device Corporation，2006.

［5］ RDC-19222 series 16-BIT monolithic tracking resolverto-digital converters［S］.Data Device Corporation，2006.

［6］ 袁潛.RDC-1922X及其在雷達(dá)伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.電子工程師，2008，34（8）：1-2，11.

YUANG Q.RDC-1922X and its application in radar servo system［J］.Electronic Engineer，2008，34（8）：1-2，11.

［7］ ATTAIANESE C，TOMASSO G.Position measurement in industrial drives by means of low-cost resolver-to-digital converter ［J］.IEEE Transactions on Instrumentaition and Measurement，2007，56（6）：2155-2159.

［8］ 楊波，劉春.高精度旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)角測量數(shù)字轉(zhuǎn)換電路［J］.電測與儀表，2004，41（3）：17-18，28.

YANG B，LIU C.High accuracymeasurement of angle resolver/digital converter circuit ［J］.Electrical Measurement&Instrumentation，2004，41（3）：17-18，28.

［9］ 王曉露，劉詩斌.基于C8051F064的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器［J］.電氣應(yīng)用，2006，25（5）：35-37.

WANG X L，LIU SB.Applied revolver-to-digital converter by using C8051F064 chip microcomputer ［J］.Electrotechnical Application，2006，25（5）：35-37.

［10］ SUN L Z， LU Y P.Rotor-position sensing system based on one type of variable-reluctance resolver［C］//IEEE 32nd Annual Conference on Industrial Electronics（IECON2006）.Paris，F(xiàn)rance，2006：1162-1165.

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)。