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        彈載磁測系統(tǒng)可視化標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)*

        2023-06-05 00:49:08王清源張曉明李惠杰
        艦船電子工程 2023年2期
        關(guān)鍵詞:可視化

        王清源 張曉明,2 李惠杰

        (1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)(2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051)

        1 引言

        隨著科技的不斷進(jìn)步,常規(guī)彈藥已經(jīng)難以適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需求,彈藥智能化、制導(dǎo)化已經(jīng)是發(fā)展的必然趨勢。地磁測姿系統(tǒng)因?yàn)榫哂姓`差不累計(jì)、抗過載能力強(qiáng)、成本低、體積小等優(yōu)勢[1],已經(jīng)成為彈載導(dǎo)航中的主要方案之一。由于三軸磁傳感器軸間不正交、系統(tǒng)電路的放大特性不完全一致、零點(diǎn)偏移等原因[2],會導(dǎo)致磁測系統(tǒng)出現(xiàn)測量精度低等問題,為了提高磁測系統(tǒng)的精度與可靠性,需要對其進(jìn)行標(biāo)定和補(bǔ)償。目前標(biāo)定流程仍采用先采集數(shù)據(jù),再用如Matlab等仿真軟件處理數(shù)據(jù)。此流程步驟繁瑣,操作復(fù)雜,且因缺乏數(shù)據(jù)可視化導(dǎo)致對標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性把握不足,難以滿足在實(shí)際要求。因此亟需一個能夠可視化、自動化的軟件來簡化操作,提升標(biāo)定速度。

        基于上述需求,本文基于Qt 開發(fā)平臺[3~4]設(shè)計(jì)了一種彈載磁測系統(tǒng)可視化自動標(biāo)定軟件,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化與標(biāo)定自動化,并針對開發(fā)過程中出現(xiàn)的問題提出行之有效的解決辦法。

        2 磁測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        磁測系統(tǒng)包含兩個子系統(tǒng),分別為彈載磁測系統(tǒng)(下位機(jī))和彈載磁測系統(tǒng)標(biāo)定測試軟件(上位機(jī))。上位機(jī)負(fù)責(zé)彈藥發(fā)射前磁測系統(tǒng)的標(biāo)定與精度測試功能,上位機(jī)標(biāo)定精度會直接影響彈載磁測系統(tǒng)的精度。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        3 上位機(jī)總體設(shè)計(jì)

        3.1 通信模塊

        串口通信通過有線連接,抗干擾能力強(qiáng),但是由于其依賴于線纜,當(dāng)下位機(jī)與下位機(jī)距離過遠(yuǎn)時(shí),其走線便會非常麻煩。藍(lán)牙采用無線連接,可解決掉走線過于繁瑣的問題,但是在其周圍無線信道擁堵時(shí),其傳輸便會收到很大影響。串口與藍(lán)牙能適應(yīng)不同的環(huán)境,因此上位機(jī)采用了串口+藍(lán)牙的方式。

        3.1.1 藍(lán)牙通信原理

        Qt提供了Qt Bluetooth 模塊操作藍(lán)牙。藍(lán)牙通信需要格外關(guān)注兩個協(xié)議,分別是GAP(Generic Access Profile)和GATT(Generic Attribute Profile),GAP用來控制設(shè)備連接和廣播。GATT則定義兩個低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間通過Service 和Characteristic通信的方式。Qt 為低功耗藍(lán)牙提供了·Qt Bluetooth Low Energy API,其基本流程如下:

        1)使用QBluetooth Device Discovery Agent 發(fā)現(xiàn)周圍所有廣播的藍(lán)牙設(shè)備;

        2)遍歷搜索到的藍(lán)牙設(shè)備,篩選出目標(biāo)設(shè)備;

        3)使用QLow Energy Controller 類的create Central()函數(shù)創(chuàng)建一個中心設(shè)備,并與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行連接,獲取藍(lán)牙services列表,根據(jù)服務(wù)的uuid篩選所需服務(wù);

        4)找到需要的服務(wù)后,根據(jù)characteristic 列表的uuid篩選出目標(biāo)characteristic;

        5)配置目標(biāo)設(shè)備的descriptor,完成連接。

        連接后,只需讀寫篩選出的characteristic 即可進(jìn)行通信。

        3.1.2 串口通信原理

        串口使用了Qt SerialPort 模塊,該模塊提供了一系列API,能夠滿足對串口的基本配置和操作,創(chuàng)建一個QSerialPort類配置串口的波特率、停止位等參數(shù),然后使用open()函數(shù)打開串口。該模塊提供了兩種方式讀寫,一種是阻塞模式,使用waitFor-ReadyRead 函數(shù)阻塞當(dāng)前線程,等待可讀數(shù)據(jù),另一中是非阻塞方式,使用connect 函數(shù)連接QSerial-Port的信號readReady()與對應(yīng)的槽函數(shù),在槽函數(shù)中即可進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

        3.2 數(shù)據(jù)可視化

        為了清晰有效傳遞實(shí)驗(yàn)信息,程序設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)可視化界面。論文通過總結(jié)以往磁測系統(tǒng)標(biāo)定過程中出現(xiàn)的情況,設(shè)計(jì)了一種數(shù)據(jù)可視化界面,實(shí)驗(yàn)人員可通過此界面實(shí)時(shí)掌握數(shù)據(jù)狀態(tài),從而對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及時(shí)做出調(diào)整。

        3.2.1 可視化界面設(shè)計(jì)

        在彈體標(biāo)定的過程中,存在諸多干擾:靜電或者串口誤碼有可能導(dǎo)致出現(xiàn)野值,由于數(shù)據(jù)標(biāo)定算使用的基于最小二乘的橢球擬合算法,野值會影響標(biāo)定數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;彈體出現(xiàn)磁化現(xiàn)象使磁測系統(tǒng)中的磁傳感器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,從而影響磁測系統(tǒng)標(biāo)定的準(zhǔn)確度。通過對標(biāo)定過程中的干擾因素及誤差分析,論文設(shè)計(jì)一套全方位立體實(shí)時(shí)可視化的GUI 界面,界面上由了一個二維圖像、一個三維圖像以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示控件,滿足實(shí)驗(yàn)人員全方位了解數(shù)據(jù)狀態(tài)的需求。二維圖像采用了Qt 的QChart模塊,用于實(shí)時(shí)顯示六條的波形圖,如圖2所示。

        圖2 二維波形圖

        三維圖像顯示則負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示橢球整體的情況,其采用了Qt的三維圖表模塊Data Visualization,程序使用了三維散點(diǎn)圖模式。該圖像會在標(biāo)定過程中不斷旋轉(zhuǎn),以便實(shí)驗(yàn)人員從不同角度實(shí)時(shí)了解橢球形狀。當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)野值時(shí),三維橢球圖周圍會出現(xiàn)散點(diǎn),如圖3(b)所示,當(dāng)野值過多便會影響橢球擬合的精度,此時(shí)需要重新標(biāo)定。

        圖3 橢球異常情況

        當(dāng)橢球某部分出現(xiàn)“削平”的情況時(shí)表示磁傳感器飽和,如圖3(a)所示,出現(xiàn)這種情況需停止標(biāo)定,繼續(xù)標(biāo)定沒有意義。往往這種情況實(shí)驗(yàn)人員需要對彈體進(jìn)行整體退磁等處理后才能重新標(biāo)定。

        3.2.2 多線程優(yōu)化

        由于串口波特率較高,數(shù)據(jù)接收與解析計(jì)算占用了大量的CPU的時(shí)間片,同時(shí)界面波形圖與三維橢球圖也需要占用大量CPU資源,導(dǎo)致用戶界面不能及時(shí)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)人員的操作,嚴(yán)重影響使用體驗(yàn)。為了充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的性能,提升軟件界面響應(yīng)的及時(shí)性,軟件采用了多線程技術(shù)[5]。

        程序中使用Qt提供的QThread類,將耗時(shí)的串口讀寫與數(shù)據(jù)解析、計(jì)算等操作移動到子線程中,界面主線程只負(fù)責(zé)采用數(shù)據(jù)可視化與響應(yīng)用戶操作,通過多線程技術(shù),軟件響應(yīng)速度與流暢度得到了大幅度提升。其流程如圖4所示。

        圖4 多線程執(zhí)行流程圖

        3.3 磁測系統(tǒng)誤差模型及補(bǔ)償

        3.3.1 磁測系統(tǒng)誤差模型

        磁測系統(tǒng)的誤差來源主要有三個:三軸不正交誤差、三軸靈敏度誤差、零偏誤差[6~8]。由于三個誤差的存在,導(dǎo)致地磁矢量由圓球面畸變?yōu)槠揭频臋E球面[9~11]。由根據(jù)誤差來源建立三軸磁傳感器誤差模型,如式(1)所示:

        其中:為三軸磁傳感器的誤差矩陣;(X Y Z)T為三軸磁傳感器的實(shí)際輸出(存在誤差);kx、ky、kz為三軸磁傳感器的靈敏度;X0、Y0、Z0分別為傳感器三個軸的理想值(不存在誤差)。x,y,z為三軸零偏誤差,α、β、γ為三軸間不正交誤差角。

        3.3.2 基于橢球擬合的誤差標(biāo)定

        由于地磁三維矢量和理論上是一個定值,因此,在理想的情況下,三軸磁傳感器在全空間范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)后的輸出值可以構(gòu)成一個圓球,但是由于三種誤差的存在,圓球面畸變成橢球面。

        設(shè)橢球方程為

        經(jīng)過推導(dǎo)最終得到三軸磁傳感器誤差參數(shù)如式(3)所示:

        其中Bb為傳感器理論三維矢量和,B0為系統(tǒng)的零偏誤差。

        3.3.3 誤差補(bǔ)償

        根據(jù)誤差模型,易得傳感器理論輸出如式(4)所示:

        根據(jù)標(biāo)定模式下的數(shù)據(jù),計(jì)算得到磁測系統(tǒng)三軸零偏、靈敏度和不正交角等數(shù)據(jù),利用上位機(jī)將標(biāo)定數(shù)據(jù)下載到磁測下位機(jī)系統(tǒng),下位機(jī)即可根據(jù)式(4)的誤差補(bǔ)償模型,將傳感器的測量值補(bǔ)償后輸出,從而得到理想值。

        4 系統(tǒng)測試

        為了驗(yàn)證程序標(biāo)定數(shù)據(jù)的正確性以及有效性,本文以三軸磁傳感器HMC1053 為例,利用軟件對帶有HMC1053 三軸磁傳感器的磁測系統(tǒng)進(jìn)行自動標(biāo)定與補(bǔ)償。

        首先在一個磁干擾較小的環(huán)境中,全范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁測系統(tǒng),軟件會實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行可視化處理。采集數(shù)據(jù)完成后軟件會自動計(jì)算誤差標(biāo)定與補(bǔ)償系統(tǒng),并將數(shù)據(jù)下載的系統(tǒng)中。精度驗(yàn)證方法如下,將滾轉(zhuǎn)角旋轉(zhuǎn)一周,每30°記錄一次數(shù)據(jù),其波形如圖5所示,精度對比如表1所示。

        表1 補(bǔ)償前后滾轉(zhuǎn)角對比

        圖5 補(bǔ)償后精度測試

        由表1 分析可得,其最大誤差為1°,已經(jīng)在誤差允許的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該軟件采用橢球擬合的方法,能夠正確對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,實(shí)現(xiàn)了對磁測系統(tǒng)的高精度補(bǔ)償。

        5 結(jié)語

        本文針對磁傳感器標(biāo)定中的可視化、自動化等問題設(shè)計(jì)開發(fā)了一套上位機(jī)軟件,其對標(biāo)定流程及精度驗(yàn)證流程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面可視化處理,且極大簡化了全流程的操作。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明,程序可快速、準(zhǔn)確對磁測系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,極大提高了標(biāo)定效率。

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