水下觀測平臺姿態低功耗測量系統

郭虎生, 顏 冰, 吳志東

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水下觀測平臺姿態低功耗測量系統

郭虎生, 顏 冰, 吳志東

(海軍工程大學兵器工程系, 湖北武漢, 430033)

鑒于現有的姿態測量系統具有功耗高、體積大的特點, 以及水下測量平臺的姿態通常在海流作用下會發生改變, 由此對平臺上所搭載傳感器的測量帶來極大的影響等問題, 提出了一種采用三軸微加速度和三軸磁阻傳感器構成微機電系統(MEMS)組合模塊的設計方案, 實現了對水下測量平臺俯仰角、橫滾角及方向角的實時測量, 從而可實時獲取平臺姿態信息, 以達到校正傳感器輸出的目的。試驗數據表明, 該系統具有低功耗、體積小、成本低及抗沖擊等優點, 能夠滿足水下平臺姿態測量精度。

水下平臺; 姿態測量; 微機電系統傳感器

0 引言

由于海況的高度復雜性和不可預測性, 水下測量平臺將處于一種非穩定環境中。此時, 平臺相對于穩定環境存在多自由度的偏差, 將會影響到對目標信息的準確測量, 其中水下平臺的俯仰角和橫滾角都是制約搭載傳感器測量精度的關鍵。同時, 傳統的機械式姿態測量儀因體積大、響應速度慢、成本高等缺點, 不利于水下平臺姿態測量的實時性和精確性要求。因此, 本文基于微機電系統(micro electro mechanic system, MEMS)技術, 采用三軸微加速度和三軸磁阻傳感器構成MEMS組合模塊, 實現了對水下平臺的俯仰角、方位角及橫滾角的測量, 通過方向余弦法解算載體姿態角獲得大地坐標系和載體坐標系之間的轉換。通過坐標變換可修正平臺搭載傳感器測量輸出從而達到獲取測量數據的三軸真實值的目的。

該測量系統體積小、重量輕、功耗低、啟動快, 可進行全姿態動態連續測量, 適用于水下姿態測量。

1 水下平臺姿態定義

水下平臺進行測量時, 載體姿態的變化會給其搭載傳感器造成測量偏差, 因此實現水下載體的實時姿態測量具有重要作用。載體姿態測量常用傾角、橫滾角和方位角3組角度來表示。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, 它反映了水平面內轉動的方向。

為了給出姿態角嚴格的定義, 首先建立大地坐標系,,和載體坐標系,,, 如圖1所示。

假設初始狀態時, 載體坐標系和大地坐標系一致,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。

當載體姿態變化時, 在載體坐標系中,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則, 滿足右手規則為正, 反之為負。

2 測量原理及姿態解算

載體姿態變化后, 利用本文設計的姿態測量系統, 就可通過2個傳感器以及后續處理電路來獲得這些姿態角度。利用MEMS加速計具有直流響應的特性, 獲取對重力加速度的輸出, 可轉化為傳感器的傾角和橫滾角。由于磁場的水平分量指向磁北, 利用三軸磁傳感器對地磁場分量的測量, 可確定載體坐標系與大地坐標系之間的方位關系, 即確定載體的方向角。

(1)

所以載體坐標系的加速度和重力加速度有

(3)

根據三軸MEMS磁阻傳感器輸出并結合地磁場的特性, 可完成平臺在水平面上轉動的方向角測量。地球可視為帶有N, S磁極的大球體, 其表面的直流磁場大體上均勻分布, 在地球表面上的任意一點都可將磁場的強度分解為水平和垂直2個分量。設當前姿態下三軸磁阻傳感器的輸出為,,, 根據大地坐標系到水下平臺坐標系的變換有

(5)

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

3 系統設計

由于水下測量平臺的特殊性, 還需具有低功耗以適應可長期工作在海底環境。傳統的姿態測量裝置體積大、成本高, 并不適合水下平臺的姿態測量。基于MEMS技術的加速度及磁阻式傳感器具有體積小、功耗低、成本低等優點, 且由于結構中沒有可動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上相應的設計了后續電路完成對載體姿態實時測量。

測量系統的硬件組成如圖1所示, 測量系統由傳感器、單片機、置位重置電路、多通道數據采集電路及通信存儲模塊等組成。圖中: 置位重置電路用來消除磁傳感器噪聲和漂移; 單片機控制三軸傳感器信號的24位同步采集; 外接模塊用以存儲前端采集到的數據, 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信號及重力加速度三軸分量測量, 采用低功耗24位AD芯片實現信號的六分量同步采集, 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SPI接口連接, 利用片上寄存器來實現 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間后, 溫度漂移帶來的誤差增大, 降低了測量精度, 通過對傳感器的設置和重置可以有效優化傳感器靈敏度。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實現充放電回路的邏輯控制, 利用電容與置位重置電阻構成的充放電回路產生1uS以上的置位重置脈沖。重置過程中, 在打開之前首先關閉, 關閉之前首先打開;和用來實現低壓脈沖到高壓脈沖轉化以達到迅速關斷的目的,,和構成加速網絡。

3.3 低功耗和接口設計

考慮到水下測量平臺依靠電池供電, 降低系統功耗可延長測量時間。因此在滿足系統性能的同時,設計相應電路以降低系統功耗。選取MSP430系列中的MSP430F5438作為單片機, 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來滿足系統各項功能的需要。

4 實測數據分析

根據本文設計, 同時制作了原理樣機, 并在實驗室環境下進行了相應的測試, 該系統的整體功耗為230 mW, 在無運動加速度時的轉臺上對姿態角進行測量分析, 結果如圖4所示。

圖4 姿態角誤差曲線

由試驗結果可知, 該姿態測量系統能夠測量0~360°的方位角(其中轉臺方位角0°、90°、180°、270°分別對應地理上北、東、南、西方向), ±90°的傾斜角和橫滾角。且方位角測量精度小于±1°, 而傾斜角和橫滾角的測量精度為±0.8°。該指標可以運用在海底測量平臺的姿態測量上。由于采用了磁強計作為方位角測量傳感器, 以及溫度漂移等因素, 容易產生較大的測量誤差, 故采取強制重置的方式對傳感器進行校準, 如圖4(c)中, 在轉臺方位角210°時, 對傳感器強制重置, 有效抑制了傳感器誤差角度的發散。

5 結束語

針對水下測量平臺, 本文設計了基于MEMS加速度及磁阻傳感器的姿態測量系統。該系統采用具有體積小、成本低、功耗低、可靠性高等優點的微硅加速度傳感器和磁阻式磁強計作為姿態感知器件, 實時獲取水下平臺的傾角、橫滾角和方位角信息。此系統可用于水下平臺姿態測量, 提高平臺搭載裝置的測量精度。

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(責任編輯: 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, 主要研究方向為魚雷探測與制導.