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        水下微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

        2014-09-25 08:03:56張居成姬長(zhǎng)琳李懷亮于文太
        傳感器與微系統(tǒng) 2014年3期
        關(guān)鍵詞:潛器遙測(cè)位姿

        張居成, 姬長(zhǎng)琳, 李懷亮, 于文太

        (1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 黑龍江 哈爾濱 150001;2.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;3.海洋石油工程股份有限公司,天津 300452)

        0 引 言

        隨著海洋開(kāi)發(fā)技術(shù)的迅猛發(fā)展,水下潛器在石油勘探、深海打撈等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1],已成為軍事、民用領(lǐng)域的重要海洋探測(cè)手段[2~4],尤其在大型水下作業(yè)平臺(tái)的建設(shè)和海洋探測(cè)應(yīng)用中,諸如遠(yuǎn)程操控潛器(remotely operated vehicle,ROV)、水下自主航行潛器(autonomous underwater vehicle,AUV)等潛器更是發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。在潛器與平臺(tái)特定結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行銜接過(guò)程中,高精度的定位和姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)成為引導(dǎo)潛器航行和姿態(tài)調(diào)整的重要依據(jù)。由于在水介質(zhì)中電磁波能量衰減極快,無(wú)線(xiàn)電和光學(xué)設(shè)備的作用距離受到極大的限制。借助聲波在水中抗衰減的特性,水聲定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于海洋開(kāi)發(fā)、海底勘探等重要領(lǐng)域[5~8]。

        本文設(shè)計(jì)了一種基于聲學(xué)測(cè)量技術(shù)的微型位姿遙測(cè)系統(tǒng),用于水下潛器對(duì)作業(yè)平臺(tái)的位置測(cè)量和姿態(tài)估計(jì),詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的構(gòu)成,并分析討論了其實(shí)際應(yīng)用性能。

        1 系統(tǒng)功能與總體組成

        水下微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)由聲學(xué)傳感器陣和電子艙組成,如圖1所示。聲學(xué)傳感器陣一般根據(jù)潛器作業(yè)特點(diǎn)安裝于潛器的艏部或者腹部,電子艙則安裝于潛器內(nèi)部與控制單元相連接。電子艙集成了控制管理、位姿解算、信號(hào)發(fā)射以及外部傳感器數(shù)據(jù)融合等多重功能。在實(shí)際的水下作業(yè)過(guò)程中,微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)通過(guò)與平臺(tái)安裝的合作信標(biāo)進(jìn)行聲學(xué)信號(hào)的交互,完成高精度的定位和姿態(tài)測(cè)量,并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至潛器的控制單元。在位姿遙測(cè)系統(tǒng)的引導(dǎo)下,潛器逐漸靠近平臺(tái)的指定結(jié)合點(diǎn),并調(diào)整自身姿態(tài)與平臺(tái)結(jié)合點(diǎn)進(jìn)行銜接。

        依賴(lài)系統(tǒng)的高度集成度,系統(tǒng)進(jìn)行了微型化處理,可便捷地安裝于小型潛器上。傳感器陣尺寸半徑為20 cm,電子艙主體設(shè)計(jì)為以20 cm為邊長(zhǎng)的正方體形狀。

        圖1 位姿遙測(cè)系統(tǒng)組成圖

        2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

        2.1 聲學(xué)傳感器陣設(shè)計(jì)

        聲學(xué)傳感器陣采用八元平面接收陣,8個(gè)基元均勻地布放于直徑為260 mm的圓周上,中心為發(fā)射基元,均采用絕緣樹(shù)脂進(jìn)行灌封。

        2.2 中央處理器設(shè)計(jì)

        中央處理器采用具有設(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大的FPGA實(shí)現(xiàn),其豐富的管腳和內(nèi)存資源、并行處理運(yùn)算模型為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[9]。系統(tǒng)選用Altera公司生產(chǎn)的EP2S90F780C4系列芯片,該種芯片在資源和速度上都獲得了極大的提升,為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,高速運(yùn)算奠定了基礎(chǔ);管腳數(shù)量也增加至534個(gè),加強(qiáng)了自身的外設(shè)擴(kuò)展能力;另外,鎖相環(huán)數(shù)量的增加使其內(nèi)部模塊能夠根據(jù)實(shí)際需要靈活設(shè)計(jì)工作頻率。

        借助于EP2S90豐富的資源,中央處理器分別連接了數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)發(fā)射、觸發(fā)信號(hào)控制、通信接口等對(duì)外接口,以及參數(shù)存儲(chǔ)、位姿解算、高精度時(shí)鐘等內(nèi)部器件,集成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制和對(duì)外通信等多種功能,成為系統(tǒng)的中樞單元,如圖2所示。

        圖2 中央處理器管理框圖

        2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)采集模塊用于8通道原始數(shù)據(jù)的同步采集。采集芯片選用TI公司生產(chǎn)的ADS8568,最多支持8通道同時(shí)工作;采樣率最高達(dá)到510 kHz(并行傳輸)或400 kHz(串行傳輸),輸入信號(hào)范圍可以采用編程指令控制,最大達(dá)到±12 V。

        數(shù)據(jù)采集由FPGA控制ADS8568完成,如圖3所示。FPGA與ADS8568通過(guò)控制信號(hào)線(xiàn)相互傳遞指令和狀態(tài)信息,包括采樣觸發(fā)信號(hào)、采樣狀態(tài)指示信號(hào)、通道選擇信號(hào)、讀寫(xiě)使能信號(hào)等。最終數(shù)據(jù)由ADS8568通過(guò)并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)依次傳輸至FPGA中。

        圖3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)圖

        2.4 位姿解算模塊設(shè)計(jì)

        位姿解算模塊由多核處理芯片組成,如圖4所示。處理芯片選用TI公司的DSP6416系列,其特點(diǎn)在于內(nèi)存空間大、運(yùn)算速度高、外部接口豐富。該芯片最多可以提供 1 MB的內(nèi)存存儲(chǔ)空間,并具備64位和16位并行數(shù)據(jù)總線(xiàn)各一套,可以進(jìn)一步擴(kuò)展動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)空間[10]。主頻高達(dá)720 MHz。

        模塊內(nèi)的多核處理器具備高速并行運(yùn)算能力,增強(qiáng)了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。位姿測(cè)量算法被分解為若干子模塊,分別植入不同的核內(nèi),最終實(shí)現(xiàn)并行處理。第一片用于聲學(xué)原始信號(hào)處理,包括噪聲譜級(jí)分析、信號(hào)帶通濾波、合作目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)以及高精度的距離估計(jì);第二片用于目標(biāo)定位解算和多目標(biāo)平面的姿態(tài)角估計(jì);第三片則用于外部傳感器數(shù)據(jù)與位姿測(cè)量數(shù)據(jù)的融合處理。為保證足夠的存儲(chǔ)空間,處理器均配備了同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器,增擴(kuò)空間達(dá)到16 MB。由于各處理器間信息傳輸量比較小,因此,設(shè)計(jì)采用多通道緩存串口(multi-channel buffer serial port,MCBSP)串行總線(xiàn)方式。

        圖4 位姿解算模塊框圖

        位姿測(cè)量模塊附屬于FPGA,其每一個(gè)處理器均與FPGA具備并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰ΑPGA向位姿測(cè)量模塊輸送的波形數(shù)據(jù)量很高,每秒鐘達(dá)到51.2 Mbits。因此,選用并行傳輸總線(xiàn)傳輸原始數(shù)據(jù),并行總線(xiàn)寬度16位。為保證高速率傳輸模式的穩(wěn)定性,二者采用同步傳輸方式,時(shí)鐘由FPGA統(tǒng)一提供。由于在系統(tǒng)工作時(shí),并行總線(xiàn)處于高度的占用狀態(tài),為了完成其數(shù)據(jù)和指令的傳輸又增設(shè)了MCBSP串行總線(xiàn)。位姿解算算法使用的檢測(cè)參數(shù)、參考基準(zhǔn)量以及外部傳感器數(shù)據(jù)等信息均通過(guò)MCBSP接收。另外,噪聲譜級(jí)、信號(hào)強(qiáng)度、位姿解算結(jié)果等也通過(guò)MCBSP傳輸至中央處理器。

        2.5 對(duì)外通信模塊設(shè)計(jì)

        對(duì)于位姿遙測(cè)系統(tǒng),對(duì)外通信模塊主要用于位姿數(shù)據(jù)的輸出和外部傳感器數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)的輸入。該部分由FPGA管理控制,其組成包括1個(gè)支持TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口,4個(gè)支持RS—232和RS—422可控的串行接口,以滿(mǎn)足不同潛器的需求。

        系統(tǒng)外部接口均采用了光耦隔離設(shè)計(jì),系統(tǒng)內(nèi)外電壓參考基準(zhǔn)地是獨(dú)立的,電信號(hào)傳輸過(guò)程中經(jīng)過(guò)了光電轉(zhuǎn)換,抑制了電噪聲的傳播,保證位姿遙測(cè)系統(tǒng)與潛器單元的電隔離,防止互相干擾。

        2.6 信號(hào)發(fā)射與接收模塊設(shè)計(jì)

        發(fā)射模塊采用推挽式D類(lèi)功放,克服了甲類(lèi)和乙類(lèi)功放體積龐大、發(fā)射效率低和散熱量大等缺點(diǎn),解決了水下作業(yè)潛器空間小、能源少和散熱不暢等困難[11]。模塊采用增強(qiáng)型場(chǎng)效應(yīng)管作為功率元件,采用脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)方式產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào),并設(shè)計(jì)了電路匹配網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)功率放大器與發(fā)射傳感器的匹配,擴(kuò)展了系統(tǒng)帶寬。另外,考慮到潛器輸出最大電流的限制,為發(fā)射模塊配備了儲(chǔ)能電容器,保證了足夠的瞬時(shí)輸出功率。

        信號(hào)接收單元采用濾波器與放大器交互組合的方式,避免了單級(jí)放大量過(guò)大造成的波形失真問(wèn)題,也使得噪聲在前級(jí)得到有效的抑制。濾波器采用抑制能力極強(qiáng)的橢圓濾波器,在同等電路規(guī)模條件下,其帶外抑制能力比線(xiàn)性濾波器增強(qiáng)10~20 dB。

        為解決位姿遙測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)、近距離作業(yè)造成的信號(hào)強(qiáng)度差異大的問(wèn)題,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于繼電器開(kāi)關(guān)的增益控制模塊,通過(guò)電平信號(hào)的驅(qū)動(dòng)達(dá)到增益調(diào)節(jié)的目的。

        2.7 其他模塊設(shè)計(jì)

        由于位姿遙測(cè)系統(tǒng)大多工作于無(wú)人監(jiān)控模式,為便于使用增加了系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)模塊。所有的系統(tǒng)參數(shù)在每次保存后,均能及時(shí)地記錄到存儲(chǔ)器中,重新啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)載入系統(tǒng)。系統(tǒng)也設(shè)有指令控制協(xié)議,必要時(shí)潛器可通過(guò)相應(yīng)的協(xié)議控制系統(tǒng)調(diào)整參數(shù)。

        高精度時(shí)鐘模塊是系統(tǒng)作業(yè)的重要時(shí)間參考,采用高穩(wěn)定性的銣鐘,其頻率精度達(dá)到±5×10-11。銣鐘的穩(wěn)定性體現(xiàn)在優(yōu)良的抗溫漂和抗時(shí)間老化能力。

        觸發(fā)信號(hào)模塊是位姿遙測(cè)系統(tǒng)為解決聲學(xué)兼容性設(shè)計(jì)的同步管理接口。潛器一般安裝有各種聲學(xué)設(shè)備,同頻帶的設(shè)備之間往往存在嚴(yán)重的干擾,為此,設(shè)計(jì)了同步觸發(fā)接口。系統(tǒng)能夠在潛器設(shè)定的工作時(shí)序下工作,也可以為潛器提供同步信號(hào)來(lái)觸發(fā)潛器其他設(shè)備。

        3 試驗(yàn)分析

        為測(cè)試位姿遙測(cè)系統(tǒng)的位姿測(cè)量精度和實(shí)時(shí)處理性能,在實(shí)驗(yàn)室水池進(jìn)行了精度測(cè)試試驗(yàn)和引導(dǎo)模擬試驗(yàn)。水池尺寸參數(shù)為長(zhǎng)×寬×深=50 m×20 m×10 m。

        3.1 定位精度分析

        微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)為相對(duì)坐標(biāo)和相對(duì)姿態(tài)測(cè)量值,參考基準(zhǔn)為系統(tǒng)坐標(biāo)系。為驗(yàn)證微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)的位姿測(cè)量精度,將安裝有合作信標(biāo)的平臺(tái)布放于10 m深的水池底部,微型位姿遙測(cè)系統(tǒng)的傳感器陣采用吊放方式懸掛于水中。系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量平臺(tái)中心點(diǎn)位置。圖5為系統(tǒng)測(cè)量的平臺(tái)中心點(diǎn)坐標(biāo)放大圖,定位起伏精度(均方誤差)優(yōu)于5 cm。圖6~圖8為系統(tǒng)輸出的平臺(tái)姿態(tài)測(cè)量值,姿態(tài)參考姿態(tài)角度標(biāo)準(zhǔn)差小于1°。平臺(tái)在入水前進(jìn)行了傾斜角的精確測(cè)量,測(cè)量值為縱傾角20°、橫傾角0°??梢园l(fā)現(xiàn)實(shí)際測(cè)量偏差優(yōu)于3°。

        圖5 平臺(tái)中心水平位置圖

        圖6 平臺(tái)艏向角度測(cè)量曲線(xiàn)

        圖7 平臺(tái)縱傾角度測(cè)量曲線(xiàn)

        圖8 平臺(tái)橫傾角度測(cè)量曲線(xiàn)

        3.2 動(dòng)態(tài)定位結(jié)果分析

        為驗(yàn)證系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的遙測(cè)性能,將系統(tǒng)安裝于潛器上,遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)給出平臺(tái)中心在潛器坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)位置,潛器根據(jù)定位坐標(biāo)逐漸向?qū)悠脚_(tái)靠攏。圖9給出了潛器在逐漸靠近目標(biāo)平臺(tái)上方的水平定位坐標(biāo)圖(相對(duì)坐標(biāo)減小即為靠近)??梢园l(fā)現(xiàn),系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和引導(dǎo)服務(wù),測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠。

        圖9 潛器運(yùn)動(dòng)過(guò)程中目標(biāo)軌跡

        4 結(jié) 論

        為保證高效可靠的水下作業(yè),為潛器提供水下平臺(tái)位置與姿態(tài)信息,已成為不可或缺的需求。本文利用水聲測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了水下微型位姿遙測(cè)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了潛器與水下平臺(tái)的遠(yuǎn)程引導(dǎo)和近程位姿測(cè)量。水池試驗(yàn)證明:其位置測(cè)量精度優(yōu)于5 cm,姿態(tài)測(cè)量精度優(yōu)于3°,保證了潛器與平臺(tái)銜接的準(zhǔn)確性。

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