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        一種基于陀螺儀與電子羅盤的海洋浮標(biāo)云臺穩(wěn)定系統(tǒng)

        2015-05-29 13:33:32林志王小英
        電腦知識與技術(shù) 2015年10期
        關(guān)鍵詞:陀螺儀

        林志 王小英

        摘要:針對海洋浮標(biāo)在海洋環(huán)境中多擺動的問題,設(shè)計了一種基于陀螺儀與電子羅盤模塊的海洋浮標(biāo)云臺穩(wěn)定系統(tǒng),解決了單一傳感器采集數(shù)據(jù)精度較低的問題;針對垂直方向單陀螺儀采集角度數(shù)據(jù)過程中累計誤差逐漸增大的問題,提出采用加速計來采集角度數(shù)據(jù)。實驗分析結(jié)果表明,采用加速計采集角度的測量角度基本穩(wěn)定在±1°內(nèi)。

        關(guān)鍵詞:穩(wěn)定平臺;加速計;陀螺儀;加速度積分;三角函數(shù)角度計算

        中圖分類號:TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2015)10-0210-03

        1 概述

        海洋浮標(biāo)是世界各國監(jiān)測海洋水文氣象信息的重要工具,它具有全天候、長期連續(xù)、定點監(jiān)測的特點,因而得到各國的廣泛應(yīng)用。海洋浮標(biāo)通過在其上安裝各種信息采集設(shè)備來定點采集位置處的水文氣象信息[1-3]。但由于海洋環(huán)境中海浪、海風(fēng)的作用明顯使得海洋浮標(biāo)處于擺動狀態(tài),采集設(shè)備無法穩(wěn)定的采集水文氣象信息。為解決這一問題,設(shè)計了一種基于陀螺儀與電子羅盤的穩(wěn)定平臺應(yīng)用于海洋浮標(biāo)上,能夠為采集設(shè)備提供穩(wěn)定的采集環(huán)境。系統(tǒng)采用陀螺儀模塊和指南針羅盤模塊組成的姿態(tài)信息采集模塊與云臺攝像機(jī)相結(jié)合,來完成穩(wěn)定控制系統(tǒng)的搭建。

        陀螺儀模塊和指南針羅盤模塊組成的姿態(tài)信息采集模塊擁有小體積、低功耗及低成本的特點,整個系統(tǒng)的開發(fā)成本得到了降低。隨著MEMS的發(fā)展,陀螺儀傳感器精度不斷提高.陀螺儀對角度的獲取,文獻(xiàn)[4]中采用對角速度的積分實現(xiàn)。但存在單次采集時間過長以及漂移誤差使得測量中存在著累加誤差的問題。相對于高端陀螺儀類的姿態(tài)采集器件本身0.5°/hr的誤差,MEMS陀螺儀的精度無法達(dá)到此級別,在低成本模塊下更需要選擇合適的方式來采集云臺的姿態(tài)信息,以縮小數(shù)據(jù)的誤差,達(dá)到性能提升的目的。

        2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        海洋浮標(biāo)云臺穩(wěn)定系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。在云臺的姿態(tài)發(fā)生改變時,通過固定在云臺底座上的GY-521和GY-271模塊分別獲取云臺在垂直方向上的加速度分量和水平方向上的磁場變化信息。OK6410開發(fā)平臺讀取姿態(tài)模塊內(nèi)采集的原始數(shù)據(jù),經(jīng)算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化得到云臺實際的航向角和俯仰角的數(shù)值,并將所得角度數(shù)值轉(zhuǎn)化為相對應(yīng)的云臺控制指令,最后將云臺控制指令以VISCA協(xié)議(或PELCO協(xié)議)的形式傳送到云臺。云臺采取與指令相對應(yīng)的運(yùn)動從而使平臺處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        OK6410開發(fā)板基于三星公司的16/32位RSIC微處理器S3C6410的一款開發(fā)平臺,S3C6410是基于ARM1176JZF-S內(nèi)核的低功耗、高性能、高性價比的RSIC處理器。在OK6410開發(fā)板上集成了多種接口以方便開發(fā)過程中的數(shù)據(jù)傳輸工作。

        GY-521陀螺儀模塊集成了MPU6050芯片和I2C通信端口線路。MPU6050是由InvenSense公司推出的整合性6軸運(yùn)動處理組件,相較于多組件方案,免除了組合陀螺儀與加速度計之間的軸差問題,減少了大量的包裝空間。MPU6050的角速度全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec (dps),可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作。

        GY-271指南針羅盤模塊集成了HMC5883L芯片和I2C通信端口線路。HMC5883L是由Honeywell公司推出的一種表面貼裝的高集成模塊,并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片。HMC5883L包括最先進(jìn)的高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器,并附帶Honeywell專利的集成電路能使得羅盤精度控制在1°~2°內(nèi)。

        系統(tǒng)的硬件體積小、功耗低、性能好、價格也相對便宜,能夠有效的降低云臺控制系統(tǒng)的體積、功耗和成本。

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

        系統(tǒng)采用基于Linux的嵌入式平臺來完成整個軟件環(huán)境的搭建。程序的編譯運(yùn)行通過交叉編譯的方式實現(xiàn)。PC機(jī)作為上位機(jī),在其上安裝Ubuntu14系統(tǒng),并在系統(tǒng)內(nèi)安裝arm-linux-gcc4.4.1版本編譯器。源代碼經(jīng)編譯器編譯后,通過超級終端將其傳送至Qtopia2.2.0開發(fā)板平臺。

        系統(tǒng)由初始化模塊、宏定義模塊、I2C定義模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊構(gòu)成,主要完成對端口的初始化、姿態(tài)采集模塊的數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理、角度轉(zhuǎn)化為云臺控制指令以及云臺通信的任務(wù),如圖2所示。

        程序的中對數(shù)據(jù)的采集、處理以及與云臺的通信工作如下偽代碼所述。

        begin

        初始化程序;

        打開端口讀取姿態(tài)模塊內(nèi)數(shù)據(jù);

        while 能夠讀取數(shù)據(jù)

        將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化實際偏轉(zhuǎn)角度;

        將角度轉(zhuǎn)化為云臺指令;

        輸送指令到云臺;

        end while

        輸出“端口打開錯誤”;

        由于姿態(tài)采集模塊中的數(shù)據(jù)為16位的數(shù)值,在實際的讀取中一次只能讀取8位,因而需要對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行高低位的合成,可通過如下函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)合成,實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)的讀取工作。

        int GetData(unsigned char REG_Address)

        { char H,L;

        short int b;

        H=mpuread(REG_Address);

        L=mpuread(REG_Address+1);

        b=(H<<8)+L;

        return b; }

        云臺通過對Buffer數(shù)組賦予不同的值,并將其送入云臺的端口來實現(xiàn)對云臺的上、下、左、右等控制。

        unsigned char Buffer0[16] = { 0x80, 0x30, 0x01, 0xff }; //云臺初始化指令

        unsigned char Buffer1[16] = { 0x81, 0x01, 0x06, 0x01, 0x18, 0x14, 0x01, 0x03, 0xff }; //云臺向左運(yùn)動指令

        unsigned char Buffer2[16] = { 0x81, 0x01, 0x06, 0x01, 0x18, 0x14, 0x02, 0x03, 0xff }; //云臺向右運(yùn)動指令

        unsigned char Buffer3[16] = { 0x81, 0x01, 0x06, 0x01, 0x18, 0x14, 0x03, 0x01, 0xff }; //云臺向上運(yùn)動指令

        unsigned char Buffer4[16] = { 0x81, 0x01, 0x06, 0x01, 0x18, 0x14, 0x03, 0x02, 0xff }; //云臺向下運(yùn)動指令

        unsigned char Buffer5[16] = { 0x81, 0x01, 0x06, 0x01, 0x18, 0x14, 0x03, 0x03, 0xff }; //云臺停止運(yùn)動指令

        角度控制以選取垂直方向的角度指令為例,控制過程中以俯仰角的變化來選擇控制指令,基本過程可簡述如下:

        if 云臺底座俯仰角在增大 THEN

        begin

        采集俯仰角變化數(shù)據(jù);

        將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度;

        向云臺發(fā)送減小相同大小俯仰角的指令;

        end

        else /*云臺底座俯仰角在減小*/

        begin

        采集俯仰角變化數(shù)據(jù);

        采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為角度;

        向云臺發(fā)送減小相同大小俯仰角的指令;

        end

        4 實驗分析

        MEMS陀螺儀本身采集的角速度數(shù)據(jù)誤差可控制在0.5%內(nèi),但其采用對單位時間內(nèi)的角速度不斷累加的方式來實現(xiàn)角度的計算工作。隨著時間的推移陀螺儀溫度漂移等外在因素的存在將引起數(shù)據(jù)采集過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差,進(jìn)而在積分累加過程中出現(xiàn)累加誤差[5]。加速計在采集數(shù)據(jù)上本身存在著精度的誤差,但對于角度的計算是通過對實時采集的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行三角函數(shù)的轉(zhuǎn)換獲得角度,具有實時更新的特點。

        4.1 角速度積分法

        實驗中選擇對俯仰角進(jìn)行采集,陀螺儀通過對角速度的積分[6]來獲取,采用積分法來獲得角度值時,設(shè)陀螺儀采集的角速度為Ω(t),陀螺儀工作時間為t1到t2,在此時間內(nèi)的角度變化值即俯仰角(∠α),通過公式(1)進(jìn)行積分[8]計算,便可獲得角度的數(shù)值。實際算法中采用公式(2),在極短的時間內(nèi)的角速度與時間的乘積即Ω(t)*△t的數(shù)值進(jìn)行累加來獲得角度的數(shù)值。

        [∠α=t1t2Ω(t)dt] (1)

        [∠α=limλ→0Ω(τi)Δti] (2)

        實驗中對陀螺儀處于0°狀態(tài)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并繪制成圖,如圖3所示。理想狀態(tài)下的模型得出的數(shù)據(jù)應(yīng)是過原點的一條直線,而在實際的實驗中所得數(shù)據(jù)在原點上下小范圍內(nèi)擺動的角度。

        實際測試時,讓陀螺儀處于靜止?fàn)顟B(tài),運(yùn)行積分算法程序并記錄輸出數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖處理得到如圖4所示的輸出角度圖形。

        在采樣個數(shù)為1000個,采集時間為20s左右的情況下角度的累加誤差在不斷的增加,由初始的0.02°到達(dá)0.12°,并且隨著時間的推移,角度的偏移量將繼續(xù)加大。

        結(jié)果表明對陀螺儀的角速度進(jìn)行積分計算獲得角度的方式,靜止?fàn)顟B(tài)時由于受到陀螺儀本身的零漂以及溫漂引起的誤差使得累加誤差隨著時間的推移不斷增大,不適合長時間的采集。

        4.2 三角函數(shù)法

        加速計是對加速度進(jìn)行三角函數(shù)的變換來獲得俯仰角數(shù)值。如圖5所示,加速計可以采集ax、az的數(shù)據(jù)。ax、az數(shù)值為重力加速度g分量的加速度值[9],二者在位置上是兩個相互垂直的加速度,相加得到重力加速度g。因而可以得到公式(3)的三角函數(shù)關(guān)系,根據(jù)反三角函數(shù)的知識,采用公式(4)的方式求得傾角α的值,便是所要得到的俯仰角(∠α)。

        實際的數(shù)據(jù)采集中,選擇隨機(jī)的角度進(jìn)行測試,圖6是采集到的部分角度數(shù)據(jù)圖形,其角度值在43.9°左右。

        從圖6中可以看出,輸出角度的偏差在±1°內(nèi),并不會隨著時間的推移產(chǎn)生累加誤差。對采集數(shù)據(jù)的方差和均方根值進(jìn)行計算,結(jié)果為0.001444和0.030407。可見采集的數(shù)據(jù)基本反映了俯仰角的實際數(shù)值,該方式可以實現(xiàn)對俯仰角的測量工作。

        相對陀螺儀角速度積分方式在長時間積分后產(chǎn)生大的累加誤差,加速計采用加速度實時分量的值來獲得角度,在較長時間內(nèi)能夠保證采集角度的精確性。

        5 結(jié)論

        本文介紹了一種基于陀螺儀與電子羅盤的海洋浮標(biāo)云臺穩(wěn)定系統(tǒng),在分析對俯仰角測量方式的選擇時,通過比較陀螺儀和加速計二者采集數(shù)據(jù)的適用性來選擇更合適的方案以完成角度的測量工作。設(shè)計總體上達(dá)到了對穩(wěn)定性的需求。與現(xiàn)有的高端穩(wěn)定器相比,采用價格低廉的陀螺儀模塊和指南針羅盤模塊的結(jié)合,使得整個系統(tǒng)的成本得到大幅降低。相比高端穩(wěn)定平臺萬元的價格,該系統(tǒng)所采用模塊均為百元內(nèi),因而在性價比方面有著巨大的優(yōu)勢。

        由于本設(shè)計采用的模塊本身采集數(shù)據(jù)的精度沒有達(dá)到高端使用的光纖陀螺儀0.5°/hr的水平,因而在實際的使用中,如對采集的角度信息有更高的精度要求時,可以通過其他的姿態(tài)傳感器來與其結(jié)合,相互修正以獲得更加精確的數(shù)值。

        參考文獻(xiàn):

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        [3] 趙聰嬌,周燕. 國內(nèi)海洋浮標(biāo)監(jiān)測系統(tǒng)研究概況[J]. 海洋開發(fā)與管理, 2011(11):13-18.

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