中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 詹金晶

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一種小型艦船的航向姿態(tài)測量系統(tǒng)

中國船舶重工集團公司第七一〇研究所 詹金晶

【摘要】設(shè)計了一種用于小型艦船的航向姿態(tài)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)對陀螺羅經(jīng)的航向數(shù)據(jù)和姿態(tài)傳感器的橫滾、俯仰數(shù)據(jù)進行實時處理，能為小型艦船提供高精度的航姿信息，且系統(tǒng)體積小，易于安裝。經(jīng)過調(diào)試和試驗，該測量系統(tǒng)已得到成功應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】航向；姿態(tài)；測量

0 引言

航向和姿態(tài)信息（包括橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率）在艦船航行過程中實時變化，其對操船控制和武器裝備使用的精確性有重要影響。因此，需要對艦船的航向和姿態(tài)進行實時測量并發(fā)送到艦船控制系統(tǒng)，以進行控制修正和參數(shù)補償，保障艦船的可靠航行和裝備的使用效能。

對大中型艦船，航向和姿態(tài)數(shù)據(jù)一般都是通過平臺羅經(jīng)給出，但平臺羅經(jīng)的體積和重量大、費用昂貴，不宜在小型艦艇上使用。小型艦船上一般安裝陀螺羅經(jīng)，利用陀螺儀的定軸性和進動性，為艦船提供真北基準(zhǔn)，實時測量艦船的航向值，由姿態(tài)傳感器完成艦船姿態(tài)信息的實時測量。姿態(tài)傳感器由三軸陀螺儀和三只加速度計組成，其體積小，精度高，滿足小型艦船的性能要求。

為了減少數(shù)據(jù)接口，提高各控制設(shè)備航姿數(shù)據(jù)的一致性，本文將陀螺羅經(jīng)測量的航向值和姿態(tài)傳感器測量的姿態(tài)數(shù)據(jù)融合為一路數(shù)據(jù)，同時為小型艦船上各控制設(shè)備提供航姿信息。

1 系統(tǒng)組成

該測量小型艦船航姿信息的系統(tǒng)，包括陀螺羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊。

陀螺羅經(jīng)完成艦船航向的實時測量，具有自動找北的功能，在理想狀態(tài)，它自動穩(wěn)定在子午面內(nèi)。因此，它可以測量艦船相對北向的方位或指示艦船運動的航向。陀螺羅經(jīng)采用陀螺儀為敏感器件，根據(jù)角速度解算出航向信息，并轉(zhuǎn)換為RS422A接口輸出。陀螺羅經(jīng)包括主羅經(jīng)和航向發(fā)送箱。

姿態(tài)傳感器完成艦船姿態(tài)信息的實時測量，包括艦船橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。姿態(tài)傳感器由三軸硅微陀螺儀和三只石英振梁加速度計組成，其體積小，精度高，適用于小型艦船。

數(shù)據(jù)處理模塊完成航向數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的融合，主要包括姿態(tài)傳感器初始化、航向數(shù)據(jù)解析、姿態(tài)數(shù)據(jù)解析、航姿數(shù)據(jù)融合、更新率設(shè)置、數(shù)據(jù)發(fā)送等，由軟硬件配合完成。本文主要介紹數(shù)據(jù)處理模塊的實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)組成

2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊通過RS232C接口發(fā)送配置信息到姿態(tài)傳感器，完成對姿態(tài)傳感器工作模式、數(shù)據(jù)更新率等參數(shù)的初始化，接收到姿態(tài)傳感器初始化成功的消息后開始接收姿態(tài)數(shù)據(jù)，解析讀取傳感器狀態(tài)、橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。同時，該模塊通過RS422A接口接收來自陀螺羅經(jīng)的航向數(shù)據(jù)，解析提取設(shè)備工作狀態(tài)、航向值、航向變化率等信息。解析的航向和姿態(tài)數(shù)據(jù)按照NMEA0183協(xié)議的格式進行組合，同時根據(jù)更新率配置要求，該模塊定時將航姿數(shù)據(jù)通過RS422A接口發(fā)送出去。

2.1 硬件組成

數(shù)據(jù)處理模塊硬件由接口電路、控制處理電路和電壓轉(zhuǎn)換電路組成。控制處理電路由C51單片機及其附屬電路組成，主要功能由灌裝在單片機內(nèi)的軟件實現(xiàn)。根據(jù)人工跳線或開關(guān)狀態(tài)對姿態(tài)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊參數(shù)進行配置，接收并解析航向數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)，進行航姿數(shù)據(jù)融合后將該數(shù)據(jù)發(fā)送到接口電路。

接口電路使用了ST16C554芯片作為C51單片機的串口擴展芯片，實現(xiàn)4路串口通信。這4路串口通信可獨立控制發(fā)送和接收，具有可編程的串行數(shù)據(jù)發(fā)送格式。ST16C554與C51單片機之間的接口包括：D0-D7雙向8位數(shù)據(jù)線，A0-A2片內(nèi)寄存器選擇信號，A8-A11片選信號，INTA-INTD串行口中斷輸出信號及WR、RD讀寫信號。

圖2 RS422A電路

ST16C554芯片擴展的4路串口與MAX1490芯片連接，實現(xiàn)TTL電平與RS422A電平之間的接口轉(zhuǎn)換，如圖2所示。C51單片機自身的UART串行接口與MAX232芯片連接，實現(xiàn)TTL電平與RS232C電平之間的接口轉(zhuǎn)換。1路RS422A接口完成控制處理電路與陀螺羅經(jīng)的數(shù)據(jù)傳輸，3路RS422A接口完成航姿數(shù)據(jù)的輸出，1路RS232C接口完成控制處理電路與姿態(tài)傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。

電壓轉(zhuǎn)換電路完成輸入電壓+24V到模塊上各芯片所需電壓+12V、+5V和+3.3V的轉(zhuǎn)換，由開關(guān)電源芯片和電容、電阻、電感等元器件組成。在電壓轉(zhuǎn)換電路的PCB設(shè)計中，電源芯片與電容、電感的連接必須盡可能近，以減小輸出電壓的波動。

2.2 軟件實現(xiàn)

2.2.1 軟件功能

數(shù)據(jù)處理模塊軟件實現(xiàn)姿態(tài)傳感器配置功能、姿態(tài)數(shù)據(jù)采集功能、航向數(shù)據(jù)采集功能、航向姿態(tài)數(shù)據(jù)融合功能以及串口通信功能。

數(shù)據(jù)處理模塊軟件通過讀取硬件跳線設(shè)置，由RS232C串口配置姿態(tài)傳感器的工作參數(shù)。該系統(tǒng)中不采用姿態(tài)傳感器的航向值，所以配置報文中序號3-序號7的內(nèi)容都填0。

數(shù)據(jù)處理模塊軟件在完成姿態(tài)傳感器配置后，通過RS232C串口采集姿態(tài)傳感器的姿態(tài)數(shù)據(jù)，通過RS422A串口采集羅經(jīng)的航向數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理模塊軟件完成姿態(tài)數(shù)據(jù)或航向數(shù)據(jù)采集后，進行航向姿態(tài)數(shù)據(jù)處理，包括姿態(tài)數(shù)據(jù)的解析、計算和格式轉(zhuǎn)換。航向姿態(tài)數(shù)據(jù)處理完成后，將融合后的航姿數(shù)據(jù)通過串口輸出。

2.2.2 軟件處理流程

控制處理電路內(nèi)軟件處理流程如圖3所示。

系統(tǒng)上電后，軟件讀入姿態(tài)傳感器和系統(tǒng)配置參數(shù)，通過RS232C接口對姿態(tài)傳感器的工作方式和更新率參數(shù)進行配置，對系統(tǒng)輸出航姿數(shù)據(jù)的更新率進行配置。

姿態(tài)傳感器發(fā)送的第一幀數(shù)據(jù)為返回的配置文件，系統(tǒng)不作處理，在第一幀數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)通過兩個串口分別接收姿態(tài)數(shù)據(jù)和航向數(shù)據(jù)。首先根據(jù)是否連續(xù)接收到兩個起始標(biāo)志“$” 來判斷姿態(tài)數(shù)據(jù)是否收齊，若已經(jīng)收齊，則計算接收數(shù)據(jù)的校驗碼，并與接收數(shù)據(jù)中傳輸?shù)男ｒ灤a進行比較，若一致，則接收數(shù)據(jù)無誤，開始解析提取姿態(tài)數(shù)據(jù)中的傳感器狀態(tài)、橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度和俯仰角速率等信息。

若姿態(tài)數(shù)據(jù)未收齊，或姿態(tài)數(shù)據(jù)有誤，或姿態(tài)數(shù)據(jù)已正確解析，則根據(jù)是否連續(xù)接收到兩個起始標(biāo)志“$”判斷航向數(shù)據(jù)是否收齊。若航向數(shù)據(jù)未收齊，或航向數(shù)據(jù)有誤，則繼續(xù)接收航向數(shù)據(jù)，并進行判斷。若已收齊，則計算接收數(shù)據(jù)的校驗和，并與接收數(shù)據(jù)中的校驗碼對比，若一致，則對航向數(shù)據(jù)進行解析提取出工作狀態(tài)和航向值。

若航向數(shù)據(jù)已正確解析，則將橫滾角度、橫滾角速率、俯仰角度、俯仰角速率及航向數(shù)據(jù)進行融合，并計算校驗碼，組成一幀完整的航姿數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)更新率配置參數(shù)，設(shè)置定時器時長，在定時達到時將航姿數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。在整個處理流程中，雖然先對姿態(tài)數(shù)據(jù)進行采集解析，但其狀態(tài)不影響航向數(shù)據(jù)的處理。但是，若未收到有效的航向數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)不輸出航姿數(shù)據(jù)。在航姿數(shù)據(jù)中，需要在相應(yīng)的有效狀態(tài)位對姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)的實際狀態(tài)進行標(biāo)識。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

2.3 系統(tǒng)調(diào)試

為了測試系統(tǒng)在各種不同狀態(tài)下的輸出，由計算機串口模擬輸出陀螺羅經(jīng)的航向數(shù)據(jù)，分別測試羅經(jīng)未穩(wěn)定狀態(tài)、穩(wěn)定狀態(tài)、航向數(shù)據(jù)不完整、航向數(shù)據(jù)校驗碼錯誤等不同情況下航姿數(shù)據(jù)的輸出狀況。姿態(tài)傳感器直接接入到系統(tǒng)，改變姿態(tài)傳感器的橫滾角度和俯仰角度，觀察航姿數(shù)據(jù)是否正確。

經(jīng)過調(diào)試，數(shù)據(jù)處理模塊能正確解析和融合姿態(tài)數(shù)據(jù)及航向數(shù)據(jù)。經(jīng)過與陀螺羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器的聯(lián)合調(diào)試，系統(tǒng)工作正常。

3 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了由陀螺羅經(jīng)、姿態(tài)傳感器和數(shù)據(jù)處理模塊組成的小型艦船航姿測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)體積小、精度高，經(jīng)過調(diào)試和試驗，能滿足小型艦船對航姿數(shù)據(jù)測量的要求，具有實際應(yīng)用意義。

參考文獻

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