李俁菡，喻　言，Zhang Chunwei,杜忠誠(chéng),Kang Wonhee,田勇，4

(1．大連理工大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧大連　116024；2．西悉尼大學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施工程研究院，新南威爾士悉尼　2751；3．DLD實(shí)驗(yàn)室，北京　100083；4大連東軟信息學(xué)院電子工程系，遼寧大連 116024)

0　引言

作為一種水上運(yùn)輸工具，船舶具有裝載量大、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在海洋航運(yùn)中的作用越趨突出?，F(xiàn)代船舶發(fā)展越來越趨向于大型化、專業(yè)化，出現(xiàn)了各種新型大型船舶，如超大型油船、集裝箱船等。隨著船舶尺寸的增大，船舶營(yíng)運(yùn)條件的復(fù)雜化，船舶的安全營(yíng)運(yùn)問題尤顯突出，同時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的海洋環(huán)境污染[1]。海上艦船或平臺(tái)在風(fēng)浪作用下存在橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩和垂蕩等6個(gè)自由度的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。獲取船舶的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)并評(píng)估其安全狀態(tài)，在船舶的安全行駛、海況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境的保護(hù)等方面具有重大意義。因此，船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究越來越受到人們的重視，相應(yīng)的產(chǎn)品和研究成果也在不斷推出。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法與系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究，包括非接觸式測(cè)量、基于GPS的船舶運(yùn)動(dòng)測(cè)量以及慣性測(cè)量等。其中慣性測(cè)量是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中一門尖端學(xué)科，它利用陀螺儀和加速度傳感器測(cè)得物體瞬時(shí)的角度和加速度，再對(duì)加速度進(jìn)行兩次積分得到物體的位移。它具有抗沖擊能力強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)、成本低等優(yōu)點(diǎn)，將成為導(dǎo)航系統(tǒng)的主流發(fā)展趨勢(shì)[2]。因此，文中提出了一種基于加速度計(jì)和陀螺儀的慣性導(dǎo)航船舶升沉狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并且通過試驗(yàn)測(cè)試加以驗(yàn)證。

1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

慣性導(dǎo)航以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，利用慣性測(cè)量元件(加速度計(jì)、陀螺儀)測(cè)量載體相對(duì)于慣性空間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并經(jīng)過計(jì)算后實(shí)施導(dǎo)航任務(wù)[3]。

船舶升沉狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于嵌入式技術(shù)、先進(jìn)傳感器以及高精度信號(hào)處理算法開發(fā)，由信息采集、信息處理、信息傳輸和顯示4個(gè)模塊組成。其中，信息采集模塊由加速度計(jì)和陀螺儀采集船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，通過I/O端口和微處理系統(tǒng)進(jìn)行通信；信息處理模塊采用F28335 DSP系統(tǒng)，對(duì)采集信息分別進(jìn)行處理，獲得實(shí)時(shí)航向角以及升沉位移；最后將計(jì)算信息通過異步串行模塊發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

1．1加速度數(shù)據(jù)采集與處理原理

控制器通過加速度傳感器獲得三軸加速度值來提取船舶位移量，具體流程為：傳感器獲取船舶振動(dòng)加速度，經(jīng)過高階FIR硬件濾波器進(jìn)行濾波以獲得含較少噪聲的原信號(hào)，然后進(jìn)行FFT變換獲得加速度功率譜，再根據(jù)加速度/位移頻率變化公式獲得船舶振動(dòng)的位移譜，對(duì)位移譜進(jìn)行IFFT變換，從而獲取實(shí)時(shí)的位移時(shí)域曲線，為船舶工況分析和評(píng)估提供參考。如圖1所示。

圖1　船舶位移量提取流程圖

1.2陀螺儀數(shù)據(jù)采集與處理原理

船體俯仰角和橫滾角參數(shù)由陀螺儀獲得，陀螺儀感知船體俯仰角及橫滾角的變化輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過FIR濾波器濾除干擾信號(hào)后，通過卡爾曼濾波估計(jì)最優(yōu)姿態(tài)值，通過算法進(jìn)行融合后，對(duì)所得角度數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，從而獲取實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)曲線，如圖2所示。

圖2　船體轉(zhuǎn)角提取流程圖

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，通過傳感器采集到的船舶實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理系統(tǒng)，微處理系統(tǒng)通過嵌入算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲取船舶姿態(tài)參數(shù)，以異步串行方式將數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示。

圖3　系統(tǒng)硬件框圖

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括加速度傳感器、陀螺儀傳感器、內(nèi)部溫度校正傳感器等，數(shù)據(jù)流經(jīng)過嵌入式處理器完成濾波、設(shè)置、校正、運(yùn)算等處理以及附屬通信功能，共同完成基礎(chǔ)傳感器數(shù)據(jù)的獲得和二次處理信息，包括相對(duì)升沉和俯仰角、橫滾角等數(shù)據(jù)的獲得。

圖4　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2．1陀螺儀

該SMU單元中陀螺儀采用±250/±500/±2000(°)/s自動(dòng)變換的16位精度MEMS陀螺儀，其原始精度中隨機(jī)游走度優(yōu)于一般工業(yè)陀螺儀，具備良好的抗沖擊性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)于準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)俯仰角和橫滾角運(yùn)算提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為上位機(jī)更高層次的應(yīng)用開發(fā)提供穩(wěn)定數(shù)據(jù)。

2．2加速度計(jì)

加速度傳感器采用了定制的三軸向低頻專用傳感器，其指標(biāo)優(yōu)于目前主流的歐美制式MEMS傳感器，在±2g量程內(nèi)的有效分辨率及噪聲指標(biāo)均高于60 μg水平，并提供±2g、±4g、±8g多量程可選。由于加速度傳感器指標(biāo)直接影響系統(tǒng)相對(duì)升沉的運(yùn)算指標(biāo)，故系統(tǒng)程序內(nèi)部自動(dòng)變換量程確保測(cè)量的最佳精度范圍。

2．3系統(tǒng)實(shí)物

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外形尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)由圖5所示。

(a)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外形尺寸

(b)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)封裝在一個(gè)長(zhǎng)、寬、高為86．88 mm、61．88 mm和30．00 mm的長(zhǎng)方形盒子中，盒子上下兩端均有懸掛孔，較小的尺寸便于攜帶及安裝。

3　軟件設(shè)計(jì)

軟件上位機(jī)程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)役船舶升沉位移、船舶俯仰角度、船舶振動(dòng)加速度等信號(hào)采集、特征量提取、實(shí)時(shí)顯示和報(bào)警、工況錄入等功能。

考慮到監(jiān)測(cè)人員方便使用以及安全性等因素，系統(tǒng)為圖形化界面，包括3個(gè)主要模塊：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集顯示，數(shù)據(jù)分析和用戶管理。其中數(shù)據(jù)分析又細(xì)分為3個(gè)子模塊，包括歷史波形回放、頻譜分析和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。用戶管理包括添加用戶、查詢和刪除用戶3個(gè)子功能模塊。用戶登錄后只需進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)置就可以進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

而圖形化的輸出界面也便于監(jiān)測(cè)人員的觀察和分析，如圖6所示。通過歷史波形回放模塊可以在采集結(jié)束后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波形重放，為用戶對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)分析提供了方便。利用頻譜分析模塊可以對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析，在分析過程中，用戶可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置頻譜分析參數(shù)，以滿足分析需求。利用數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊可以將系統(tǒng)存儲(chǔ)的二進(jìn)制原始數(shù)據(jù)導(dǎo)出，為用戶對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理提供了方便。通過用戶管理模塊可以對(duì)使用該系統(tǒng)的用戶進(jìn)行添加、刪除和查詢操作。且在添加用戶時(shí)，可對(duì)用戶權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，保證了系統(tǒng)的使用安全。

圖6　圖形化設(shè)置及顯示界面

4　標(biāo)定方法分析與實(shí)驗(yàn)分析

4．1傳感器芯片標(biāo)定方法

系統(tǒng)中所采用的傳感器芯片除了電氣長(zhǎng)期穩(wěn)定性的參數(shù)要求、適應(yīng)環(huán)境條件外，還要在產(chǎn)品成型后分類對(duì)不同元件進(jìn)行例行標(biāo)定。

4．1．1加速度傳感器的標(biāo)定

加速度傳感器的標(biāo)定采用靜力重心加速度法標(biāo)定其量程準(zhǔn)確性，并附和局部頻率點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳感器頻響的標(biāo)定。目前常見的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)定方法是加速度對(duì)比法。文中采用標(biāo)準(zhǔn)的GT21定制力平衡式加速度傳感器和kistler 808A標(biāo)準(zhǔn)石英加速度傳感器對(duì)加速度芯片進(jìn)行標(biāo)定。

4．1．2陀螺儀的標(biāo)定

陀螺儀系統(tǒng)由于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)標(biāo)定工藝復(fù)雜，依據(jù)通行慣例一般依據(jù)原廠給定標(biāo)定數(shù)據(jù)精度和二次運(yùn)算所得參考角度精度確定其穩(wěn)定性精度。

4．1．3位移標(biāo)定

相對(duì)升沉的標(biāo)定采用步進(jìn)閉環(huán)縱向大位移驅(qū)動(dòng)架標(biāo)定，對(duì)于小位移，采用步進(jìn)立式絲杠標(biāo)定。

4．2系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)該系統(tǒng)關(guān)于相對(duì)升沉位移數(shù)據(jù)、加速度數(shù)據(jù)及橫滾角和俯仰角的數(shù)據(jù)采集進(jìn)行了一系列的對(duì)比測(cè)試。結(jié)果表明：雖然在靜止臺(tái)面上，由于噪聲及其他干擾因素的存在，系統(tǒng)的輸出有微小的振蕩，但在5 cm、20 cm、100 cm位移測(cè)試中均能以較高精度準(zhǔn)確輸出位移測(cè)試結(jié)果。隨著位移量的增大，輸出結(jié)果越加平滑。系統(tǒng)能滿足一般對(duì)位移的精度及實(shí)時(shí)性等的要求，如圖7～圖9所示。

圖7　靜止時(shí)輸出

圖8　20 s周期，5 cm位移

圖9　20 s周期，100 cm位移

而加速度計(jì)的輸出也表明：當(dāng)系統(tǒng)處于靜止時(shí)，加速度計(jì)輸出由于噪聲的影響在零刻度線附近有較小幅度的振蕩，但抗噪能力能夠滿足要求。當(dāng)系統(tǒng)移動(dòng)時(shí)，加速度計(jì)有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的輸出。并且俯仰角和橫滾角的輸出均滿足要求。

SMU傳感器具體性能參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)性能參數(shù)

5　結(jié)論

基于MEMS加速度計(jì)和陀螺儀的姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、適用范圍廣的特點(diǎn)。由于采用了加速度計(jì)和陀螺儀的數(shù)據(jù)融合，加速度計(jì)誤差對(duì)測(cè)量精度的影響被有效抑制。同時(shí)，系統(tǒng)的姿態(tài)算法簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)姿態(tài)檢測(cè)算法中大量的矩陣運(yùn)算，并保留了其算法精度，可以有效地移植到低端微控制器中，在保證姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)算速度的同時(shí)進(jìn)一步降低了系統(tǒng)成本。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)具有較好的抗干擾性、實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，而圖形化的控制顯示界面為用戶操作提供了方便，具有很好的應(yīng)用前景。

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