具有運動補償高精度海洋氣象多參數模擬儀的研制

劉 濱, 韓志安, 蘇力日, 綦聲波

具有運動補償高精度海洋氣象多參數模擬儀的研制

劉 濱, 韓志安, 蘇力日, 綦聲波

(中國海洋大學 工程學院, 山東 青島 266100)

針對船舶氣象儀的綜合檢查過程中檢測周期長、人工排查效率低以及傳統的自動氣象站傳感器信號模擬器的模擬精度低, 沒有相關運動補償算法導致此類系統不適應海洋船舶應用環境的問題, 對氣象要素傳感器的高精度信號采樣電路、信號輸出、軟件濾波和運動補償等方面進行了研究。通過分析傳感器和船舶氣象儀的原理, 設計了各個氣象參數的采樣電路、信號模擬電路、觸摸屏、GPS和電子羅盤采樣與模擬電路, 并在近海測試過程中進行了運動補償模型測試, 并基于STM32微控制器進行了該儀器的系統檢測實驗。研究測試結果表明: 該系統具有低功耗、高可靠性、高精度的特點, 能應用于海上環境, 同時具有對船舶實時定位、氣象要素實時模擬和采集、運動補償多項功能。并且本系統精度在運動補償后, 系統測量方差為0.019 3 m/s精度提高至接近真實值, 均符合《海洋調查規范第3部分: 海洋氣象觀測》的標準。

海洋氣象; 模擬和采樣; 高精度; 運動補償; 低功耗

21世紀被稱之為“海洋的世紀”, 海洋環境監測包括海洋水文氣象觀測、海洋環境保護監測和海洋環境預報, 它們是研究海洋、開發海洋和利用海洋的基礎[1]。海洋船舶氣象儀(以下簡稱氣象儀)作為海洋環境監測的重要設備[2]已廣泛用于海洋軍事和民用領域, 利用其自身攜帶的風速、風向、溫濕度、氣壓、雨量、GPS和電子羅盤等要素, 為船舶航行提供安全保障, 為海洋環境立體監測提供技術支持。為了保證氣象儀持續的高效率工作, 研制高精度、高集成度、高可靠性且滿足《海洋調查規范第3部分: 海洋氣象觀測》的標準、便攜且具有強大人機交互功能的海洋氣象多參數模擬儀(以下簡稱氣象模擬儀)對我國的觀測和研究海洋環境、開發和利用海洋資源至關重要。

目前, 該種類的儀器僅有無錫無線電科學研究所、芬蘭Vaisala等公司自主生產用于企業內部生產測試[2], 此類儀器通用化、模塊化、智能化差, 且配套能力差、性能指標比較低、模擬的要素缺少GPS和電子羅盤信號、沒有運動補償算法, 無法解算氣象真實值無法應用于海洋船舶環境。沒有GPS和電子羅盤模擬和采集模塊, 無法獲得當前船舶的航速、航向和姿態, 也就無法驗證船舶氣象儀的電子羅盤和GPS的性能和對觀測值進行運動補償。在GB17378—2007《海洋監測規范》和GB/T 12763— 2007《海洋調查規范》中也都規定了測量海洋氣象的標準, 而目前對氣象儀的檢測都存在浪費人力、物力和操作步驟繁瑣[3-6]等缺點。

因此, 如何實現高精度、低功耗、便攜且對海洋船舶氣象儀定期檢測的氣象模擬儀是目前亟待解決的問題。

針對上述問題, 本文研發設計了一種海洋氣象多參數模擬儀, 其具有強大的人機交互功能, 對上述的各個氣象要素傳感器信號實現高精度的模擬和采樣。文中著重介紹海洋氣象多參數模擬儀的整體設計, 對硬件設計、軟件設計上和運動補償算法方面進行研究提高本系統的精度、系統的穩定性和可靠性。

1 海洋氣象多參數模擬儀總體設計

1.1 關鍵技術和性能指標

本系統是對通信技術、嵌入式技術和嵌入式系統的綜合應用, 高度集成了溫度、濕度、氣壓、雨量、GPS、電子羅盤、風速和風向傳感器的采樣和模擬功能。本系統為了實現對船舶氣象儀的檢測而設計, 為了實現這個目標, 有如下問題需要重點解決:

(1) 人機交互設計, 為了代替繁瑣的人工故障排查, 提高本系統的通用性, 要具備操作簡單的強大人機交互功能;

(2) 本系統需要在航海期間對氣象儀進行檢驗工作, 因此系統的功耗和可靠性問題尤為重要。為此設計了電源管理[5-6]和屏幕亮度調節功能, 以降低系統的待機功耗[7];

(3) 為了能夠驗證船舶氣象儀的工作穩定性, 要求本系統必須具備對氣象要素高精度的模擬和采樣。從硬件上設計新型采樣和模擬電路, 軟件上根據海洋氣象觀測標準設計數字濾波器并針對船舶的運動提出運動補償算法, 以提高系統的精度。

本系統的模擬氣象要素(簡稱“模擬器”)的性能指標如表1所示, 采集氣象要素(簡稱“采集器”)的性能指標如表2所示。

表1 模擬器的性能指標

表2 采集器的性能指標

1.2 系統的整體設計

本系統采用模塊化設計, 由電源模塊、主控模塊、人機交互模塊及通信電路、模擬器和采集器組成。總體設計如圖1所示, 供電模塊負責為系統提供穩定電源; 主控模塊負責完成嵌入式系統任務調度[8]、數據處理、補償算法和數據通信功能; 模擬器負責模擬的各類傳感器信號的數據處理、數據傳輸和數據保存的功能, 同時負責氣象儀供電電壓的監測; 采集器負責數據采樣、數據處理、數據傳輸和數據保存的工作, 同時監測系統對傳感器的供電電壓。

2 硬件設計

硬件設計在集成系統的發展中占據了越來越重要的地位, 成為制約精度的首要因素。為了能夠更好的實現上述的復雜功能, 本系統采用ST公司的微處理器STM32F407VET6[9-10]。本系統在充分考慮采樣和模擬方案、EMS和EMI性能的基礎上, 設計了人機交互、模擬器硬件電路、采集器硬件電路和低功耗設計, 實現硬件上對氣象要素信號的高精度采集和模擬。氣壓、溫濕度和雨量的模擬與采集與傳統氣象模擬儀模擬原理大致相同[11], 本文不再贅述。

2.1 氣象要素模擬器與采集器電路設計

模擬器硬件設計如圖1左半部分所示, 其主要包括多種傳感器的信號模擬電路。為了使系統適用海洋船舶環境, 需要保證船舶的定位和姿態的準確性, 基于此設計了電子羅盤和GPS模塊模擬和采樣電路。

本文的重點硬件電路設計:

(1) 為了高精度的模擬風, 筆者設計了差分放大電路, 將片外高精度DAC[12]的輸出及參考電壓輸入到運算放大器, 片外DAC通過SPI與主控通信, 風模擬電路設計如圖2所示。為了模擬風傳感器[13]的隔離特性, 該模塊采用隔離開關電源供電并且輸出的模擬信號要通過精密隔離運算放大器ISO122輸出。

(2) 采集器如圖1右半部分所示, 其主要包括多種傳感器采樣電路。其中, 為了提高風速采樣的精度, 設計了新型的風速采樣電路, 風速采樣電路如圖3所示, 該電路為了兼容不同類型風傳感器的輸出信號, 比如: 正弦波和脈沖的輸出信號, 筆者設計了1和2兩個0 Ω通道選擇電阻。選擇1通道時, 為單端輸入, 用于匹配采樣脈沖信號輸出的風傳感器; 選擇2通道時, 為差分輸入, 用于匹配正弦波信號輸出的風傳感器。為了風速值在小波動下不會產生突變并提高本電路的抗干擾能力, 采用滯回比較器。

圖1 海洋多參數氣象模擬儀硬件系統框圖

圖2 風模擬電路

2.2 低功耗設計

本系統作為海洋船舶氣象儀的檢測設備, 需要對該船舶儀器上進行不定期的檢測, 必須進行低功耗設計。通過本系統現場使用的情況分析可知, 本系統對固定的參數采集和模擬的次數有限, 因此本系統待機功耗對儀器工作時間起到決定的作用, 其中屏幕和對傳感器的供電的功耗占整個系統待機功耗的65%以上。

圖3 風速采樣電路

針對上述問題, 在系統中集成了電源管理模塊, 而屏幕則根據需求設計了亮度調節模式以及息屏和亮屏模式。實現對整個系統電源的自主控制, 可由屏幕控制該模塊的電源開斷, 也可自主的判斷當前若無進度執行, 關斷屏幕供電, 由按鍵喚醒屏幕。圖4為電源低功耗管理電路, 控制端接主控模塊的I/O口, 若控制端置高, 則N溝道MOS管導通, P溝道MOS管的柵-源之間存在負壓并大于其導通閾值, 電壓由P溝道MOS管的漏極輸出, 此過程為開啟電壓過程; 相應地, 將控制端置低, 則所有MOS管都處于關斷狀態。

2.3 人機交互

為了實現本系統高效率的人機交互, 采用迪文科技的DGUS觸摸屏。該模塊設計了RS-232通信電路和電源管理電路, 采用自主設計UI的方式開發, 開發設計的屏幕功能包括: 變量圖標顯示、繪制歷史數據曲線、切換頁面、觸摸式鍵盤、變量錄入以及開始和結束功能按鈕等功能。

圖4 電源低功耗管理電路

圖為DGUS觸摸屏的UI以及部分按鍵功能設計如圖5所示, 其中(a)為參數選擇界面, (b)為模擬器的模式選擇界面。

圖5 DGUS觸摸屏的UI以及部分按鍵功能設計

3 軟件設計

系統主控單元的主要功能是按照DGUS屏的通信協議與主控模塊通信, 接收屏幕下發的指令, 解析報文后變更系統的狀態并執行相應動作。本系統使用Keil5-MDK IDE進行C語言編程開發。

3.1 控制主流程設計

本系統軟件采用狀態機[14]的思路編寫, 主程序軟件流程圖如圖6所示, 系統初始化后, 通過人際交互選擇系統要實現模擬功能還是采集功能, 然后選擇傳感器, 進行數據傳輸、處理和保存, 并執行相應的功能。由于本文軟件流程復雜, 因此單列一個參數的具體流程展現。本系統依托于DGUS進行人機交互, 采用RS-232的通訊方式, 對屏幕圖標的點擊, 都會生成相應的自定義地址報文, 然后會觸發串口接收中斷。通過對報文的解析, 進一步獲取系統狀態機的狀態標志位和相應的輸入參數, 然后系統執行相應的動作。

圖6 系統軟件主程序流程圖

3.2 數據處理流程

數據處理主要包括解算、反解算和運動補償。解算是采集器根據傳感器的輸出信號與真實值之間的線性對應關系, 計算出真實值的過程。反解算是模擬器根據傳感器的輸出信號與真實值之間的線性對應關系, 將屏幕輸入的參數轉換成輸出的電信號的過程。運動補償的作用是消除船的航向航速對風速和風向的影響, 首先根據真實風、相對風和船的運動建立運動補償模型, 然后利用此運動補償模型, 將風傳感器在不同航速和航向下, 測得的相對風轉化成真實風, 保證船舶在真實風的指導下從事各種海洋活動。

3.3 數字濾波器設計

按照《海洋調查規范第3部分: 海洋氣象觀測》, 瞬時風的風速風向每3 s采集1次, 溫濕度是1 min測量6次, 即每10 s測量1次。為了提高采樣數據的精度, 采用數字濾波方式排除干擾。其中, 溫濕度采用去極值平均濾波算法; 風速風向經運動補償后, 風向采用算術平均值濾波算法和風速采用測周法; 雨量采用滑動平均濾波法。

4 系統測試及運動模型驗證

為了驗證系統是否達到要求的性能指標, 設計系統測試實驗以及運動補償實驗, 其中系統測試實驗包括與氣象儀對接驗證模擬器性能實驗和與傳感器對接驗證采集器性能實驗。由于本系統參數眾多, 測試結果數據量較大, 以下僅展示部分實驗數據。

4.1 模擬器性能實驗

為了驗證模擬器的性能, 與氣象儀對接測試模擬器的性能, 本文僅展示測量的模擬量包括風速、溫度和相對濕度試驗數據, 模擬風速測試如表3所示, 模擬溫度測試如表4所示。

表3 模擬風速測試

表4 模擬溫度測試

與氣象儀對接測試模擬器性能實驗數據表明: 靜止狀態時, 模擬風速信號的誤差都保持在1 m/s以內, 氣溫要素絕對誤差保持在0.2 ℃以內, 相對濕度絕對誤差保持在0.4% RH以內, 模擬器技術指標全部達到規定要求, 且系統功能正常穩定, 能夠滿足目前的船舶氣象儀的測試要求。

4.2 采集器性能實驗

由于模擬器的性能測試通過, 為了驗證采集器在極端天氣下, 例如50 ℃的高溫或者100 m/s的風速下的系統性能, 將采集器與模擬器連接測試采集器性能。風速風向采集測試數據如表5所示。溫度采集測試數據如表6所示。

表5 風速風向采集測試

表6 溫度采集測試

與模擬器對接聯合測試數據表明: 風速的測量絕對誤差保持在1 m/s以內, 風向的絕對誤差保持在3°以內, 溫度測量絕對誤差保持在0.3 ℃以內, 相對濕度誤差采集絕對誤差保持在2% RH左右, 雨量的絕對誤差保持在0.2 mm以內, 各個要素的驗證結果均達到了系統的性能指標, 符合海洋環境觀測規范。

4.3 運動補償實驗及結果

為了使本系統的精度提高, 因此針對船舶的運動狀態建立了船舶平面運動的相對風速風向和真風速風向的解算模型。通過GPS計算得出船速和航向, 通過風傳感器采集得到相對風速風向, 根據運動補償算法, 對相對風進行運動補償, 解算出真實的風速風向, 更好地驗證船舶氣象儀與風傳感器的采樣精度的準確性。

相對風是由于船在運動狀態下產生的與船運動方向相反、速度大小一致的船風與真實風的結合產生的, 其矢量模型如圖7(a)所示。首先, 根據海洋觀測規范, 以正北方向作為軸, 順時針角度為正, 建立船舶運動平面坐標系, 如圖7(b)所示。

圖7 風的矢量模型(a)與船舶平面運動矢量模型(b)

其中真風風速為ts, 真風風向為, 相對風速為rs, 相對風向角為, 航速大小為ss, 航向角為。

此時的, 風的來向就分為兩種情況分別是

本系統是在海試長期測試過程中, 通過讀取TF卡中數據, 選取保持航向為180°即船風角為0°和航速3.0 m/s情況下的數據。在選取了真風風速為5.0 m/s且不同風向的情況下, 驗證運動補償的效果, 其中真風風速為實驗室的同期海試的屏顯風速儀獲得, 實驗數據如表7所示。

表7 風速風向運動補償實驗數據

數據分析: 未補償前的風速均值為5.97 m/s, 風速最大相對誤差達到60%, 最小相對誤差為8.4%, 風向相對值誤差波動范圍為1.3%～73.6%; 補償后的風速均值為4.97 m/s, 補償后的風速相對誤差最大為4.2%, 最小相對誤差為0.1%, 在補償后的風向的相對誤差保持在3°以內。運動補償后測量值的方差為0.019 3 m/s, 運動補償前的方差為4.332 m/s, 運動補償后得測量值更加接近真實值, 滿足《海洋調查規范中第3部分: 海洋氣象觀測》的所有誤差標準, 證明模型可行, 實現了對風向風速的高精度采集。

5 結論

為了研發高精度的新型海洋氣象多參數模擬儀, 并實現對船舶氣象儀及傳感器定期檢測, 設計了新型的風模擬和風采樣的電路, 并加入了GPS和電子羅盤的模擬模塊與采樣模塊解算船的航速和航向, 從硬件上提高了系統的精度; 又對各個模擬和采樣的傳感器參數設計了數字濾波器, 同時對風向和風速進行運動補償以解算真實風速和風向, 從軟件上提高了系統的精度。同時, 還設計了系統性能測試實驗和運動補償模型的可行性。經實驗驗證, 本系統的性能滿足海洋氣象觀測的所有標準, 證明了本系統具有低功耗、高精度、穩定性好、便攜的特點, 可以滿足對船舶氣象儀和傳感器的定期檢測。

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Development of a high-precision marine meteorological multi- parameter simulator with motion compensation

LIU Bin, HAN Zhi-an, SU Li-ri, QI Sheng-bo

(College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)

marine meteorology; simulation and sampling; high precision; motion compensation; low power consumption

In view of shortcomings such as a long detection cycle, low manual inspection efficiency, low simulation accuracy, and lack of relevant motion compensation algorithms, traditional automatic weather station sensor signal simulators are not suitable for a comprehensive inspection process of marine ship weather instruments.Moreover, these simulators require a motion compensation algorithm to adapt to a ship’s environment.This work studies the high-precision signal sampling circuit, signal output, software filtering, and motion compensation of the meteorological element sensor.The analysis of the principles of sensors and shipborne weather instruments enables the design of the sampling circuit, signal simulation circuit, touch screen, GPS and electronic compass sampling, and simulation circuit of various meteorological parameters.A motion compensation model test is performed during the offshore test.Simultaneously, instrument function and precision tests are performed.Research and test results show that the system has a low power consumption, high reliability, and high precision and can be applied to the marine environment.Moreover, it has the functions of real-time positioning of ships, real-time simulation and collection of meteorological elements, and motion compensation.After the motion compensation algorithm, the measurement variance of the wind speed is 0.0193 m/s, and the accuracy is improved close to the real value, which is in line with the standards of “Marine Survey Specification Part 3: Marine Meteorological Observation.”

Aug.10, 2020

TP23

A

1000-3096(2021)10-0104-09

10.11759/hykx20200810002

2020-08-10;

2020-12-04

劉濱(1962—), 男, 吉林四平人, 教授, 研究方向: 嵌入式技術應用開發, 海洋儀器儀表開發, E-mail: hdliubin@ouc.edu.cn

(本文編輯: 康亦兼)