龍達(dá)峰，黃慰桐，黃近秋

（1.惠州學(xué)院 電子信息與電氣工程學(xué)院；2.廣東省電子功能材料與器件重點實驗室，廣東 惠州 516007）

占全球71%面積的海洋是生物資源、能源和金屬資源的戰(zhàn)略性開發(fā)基地。掌握海洋資源的開發(fā)和利用，爭取戰(zhàn)略制高點是一項極其重要的國家發(fā)展戰(zhàn)略。水下機(jī)器人因具有自主性強(qiáng)、機(jī)動靈活、下潛上浮方便等優(yōu)點，已成為海洋資源的勘察與開發(fā)、海洋救險與打撈、水中通信應(yīng)用中重要裝備［1-4］。就目前而言，水下導(dǎo)航系統(tǒng)主要有航位推算、慣性導(dǎo)航、地磁導(dǎo)航、聲學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)（長基LBL、短基線SBL 和超短基線USBL）、多普勒測速導(dǎo)航（DVL）、海洋重力儀、INS/GPS 及浮標(biāo)組合導(dǎo)航等［5-10］。隨著對海洋資源的高效勘探和開發(fā)的迫切需求，對AUV、水下機(jī)器人等各類無人系統(tǒng)的自主運行和自主管理能力提出了更高的要求。由于水下惡劣的應(yīng)用環(huán)境，水下機(jī)器人機(jī)載導(dǎo)航傳感器信息的準(zhǔn)確獲取是實現(xiàn)其高精度導(dǎo)航定位的前提條件，而傳統(tǒng)水下機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)通常基于MCU、DSP 等微處理器作為控制器進(jìn)行信息采集硬件系統(tǒng)設(shè)計，其移植應(yīng)用于智能化更高的水下智能機(jī)器人時存在一定困難，很難滿足對自主導(dǎo)航和自主管理能力更高要求的導(dǎo)航測試應(yīng)用場合。國內(nèi)外研究者積極探索利用低成本慣性導(dǎo)航、地磁、聲學(xué)導(dǎo)航和重力場導(dǎo)航構(gòu)建水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案［11-14］，這也是民用領(lǐng)域水下機(jī)器人智能化發(fā)展趨勢。針對上述需求，本文基于FPGA設(shè)計實現(xiàn)水下機(jī)器人機(jī)載傳感器信息采集與存儲系統(tǒng)為構(gòu)建水下組合導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案，以滿足水下智能機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的低成本存儲測試要求。

1 系統(tǒng)硬件總體方案

如前所述，利用慣性導(dǎo)航、地磁和聲學(xué)導(dǎo)航等構(gòu)建水下機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的解決方案。因此，本系統(tǒng)的機(jī)載傳感器信息采集與存儲測試硬件方案如圖1。

圖1 測量系統(tǒng)硬件方案

該系統(tǒng)主要由機(jī)載導(dǎo)航傳感器信號前期處理模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、FPGA 控制模塊、Flash 存儲模塊、USB 數(shù)據(jù)讀取模塊和電源模塊等6 部分組成。其中，信號調(diào)理模塊主要完成機(jī)載傳感器輸出信號放大、濾波等信號調(diào)理；ADC 轉(zhuǎn)換模塊選取ADS8365，在FPGA控制下將傳感器模擬輸出信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；存儲模塊完成采集數(shù)據(jù)實時存儲；機(jī)載導(dǎo)航計算機(jī)或上位機(jī)通過USB數(shù)據(jù)讀取模塊與本系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 信號調(diào)理模塊

選取OPA4340放大器進(jìn)行調(diào)理電路設(shè)計，如圖2。其中，IN1-IN4 和OUT1-OUT4 分別為4 路信號輸入和輸出端，各路信號相互獨立，采用單電源+5 V供電。

圖2 信號調(diào)理電路

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

采用2片ADS8365模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計12通道信號采集，ADC 采集電路如圖3。圖中OUT1-OUT6 為6 路機(jī)載導(dǎo)航傳感器模擬輸出端，每一路信號經(jīng)由電容濾波后接入ADS8365 輸入端CHA0-CHC1；D0-D15 為AD轉(zhuǎn)換后 16 位采集數(shù)據(jù)輸出；通過控制進(jìn)行6 個通道選通控制；ADS8365模擬電源AVDD接5 V，ADS8365采用3.3 V供電。

圖3 ADC采集模塊電路

選取Flash芯片進(jìn)行存儲模塊設(shè)計，存儲電路如圖4。Flash芯片3.3 V供電，SD0-SD7為數(shù)據(jù)存儲與讀取端口，在FPGA控制邏輯下完成Flash采集數(shù)據(jù)擦除、讀和寫等。

考慮到Flash 存儲單元有可能存在壞塊，需要對Flash進(jìn)行無效塊的檢測，并建立無效塊信息表，然后再對Flash進(jìn)行讀寫操作［9-10］。壞塊檢測流程圖如圖5。

圖5 壞塊檢測流程圖

2.3 電源模塊

選取7.4 V的鋰電池作為供電電源，再通過穩(wěn)壓電源芯片LM2940 和MAX8882 將7.4 V 轉(zhuǎn)換成5.0、3.3 和2.5 V 3 種不同電壓輸出，為系統(tǒng)各功能模塊提供工作電壓。如圖6電源轉(zhuǎn)換電路圖所示。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路

2.4 FPGA控制模塊

FPGA控制模塊主要完成了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲和通信等，F(xiàn)PGA控制電路如圖7所示。

圖7 FPGA控制電路

3 實驗驗證

3.1 測試條件

系統(tǒng)測試驗證實驗如圖8，利用信號源模擬水下移動機(jī)器人不同運動狀態(tài)下的三軸陀螺儀、三軸加速計、三軸地磁傳感器以及水深傳感器實際測量輸出，各模擬傳感器輸出設(shè)置如表1，通過設(shè)置不同信號類型、幅值，以及不同頻率的測量輸出來驗證系統(tǒng)的可靠性。

表1 傳感器輸出設(shè)置

圖8 系統(tǒng)測試實驗

3.2 數(shù)據(jù)驗證與分析

系統(tǒng)采集完成后，上位機(jī)讀取Flash存儲數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分離。未分離的數(shù)據(jù)格式如表2，其中CDCD表示為數(shù)據(jù)幀頭，第3～5位為數(shù)據(jù)幀計次數(shù)位，第6～23位為有效數(shù)據(jù)位。

表2 未分離原始數(shù)據(jù)格式

各通道數(shù)據(jù)分離后，利用Matlab 繪制采集所得傳感器測量輸出曲線如圖9-11。其中圖9為通道1～3采集所得三軸陀螺儀測量輸出曲線（8.00～8.01 S 局部放大圖），各軸輸出信號幅值分別為2.3、3.7 和3.1 V，信號頻率均為2 000 Hz，與信號源模擬傳感器輸出相同。圖10 為通道4～6 加速度計測量輸出曲線（20.0～20.1 S局部放大圖），三軸加速度計輸出幅值分別為3.0、4.8和2.7 V，信號頻率均為500 Hz，圖11為通道12水深傳感器測量輸出曲線。結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地完成各通道傳感器信號的采集與存儲。

圖9 三軸陀螺儀測量輸出

圖10 三軸加速度測量輸出

圖11 水深傳感器測量輸出

4 結(jié)論

本文提出了一種基于FPGA水下機(jī)器人機(jī)載多傳感器信息采集與存儲系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)進(jìn)行了實驗測試驗證，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確完成12通道信號的同步采集與存儲，該方案可為水下機(jī)器人自主導(dǎo)航系統(tǒng)的低成本存儲測試提供參考。