水下观测平台姿态低功耗测量系统

郭虎生, 颜 冰, 吴志东



水下观测平台姿态低功耗测量系统

郭虎生, 颜 冰, 吴志东

(海军工程大学兵器工程系, 湖北武汉, 430033)

鉴于现有的姿态测量系统具有功耗高、体积大的特点, 以及水下测量平台的姿态通常在海流作用下会发生改变, 由此对平台上所搭载传感器的测量带来极大的影响等问题, 提出了一种采用三轴微加速度和三轴磁阻传感器构成微机电系统(MEMS)组合模块的设计方案, 实现了对水下测量平台俯仰角、横滚角及方向角的实时测量, 从而可实时获取平台姿态信息, 以达到校正传感器输出的目的。试验数据表明, 该系统具有低功耗、体积小、成本低及抗冲击等优点, 能够满足水下平台姿态测量精度。

水下平台; 姿态测量; 微机电系统传感器

0 引言

由于海况的高度复杂性和不可预测性, 水下测量平台将处于一种非稳定环境中。此时, 平台相对于稳定环境存在多自由度的偏差, 将会影响到对目标信息的准确测量, 其中水下平台的俯仰角和横滚角都是制约搭载传感器测量精度的关键。同时, 传统的机械式姿态测量仪因体积大、响应速度慢、成本高等缺点, 不利于水下平台姿态测量的实时性和精确性要求。因此, 本文基于微机电系统(micro electro mechanic system, MEMS)技术, 采用三轴微加速度和三轴磁阻传感器构成MEMS组合模块, 实现了对水下平台的俯仰角、方位角及横滚角的测量, 通过方向余弦法解算载体姿态角获得大地坐标系和载体坐标系之间的转换。通过坐标变换可修正平台搭载传感器测量输出从而达到获取测量数据的三轴真实值的目的。

该测量系统体积小、重量轻、功耗低、启动快, 可进行全姿态动态连续测量, 适用于水下姿态测量。

1 水下平台姿态定义

水下平台进行测量时, 载体姿态的变化会给其搭载传感器造成测量偏差, 因此实现水下载体的实时姿态测量具有重要作用。载体姿态测量常用倾角、横滚角和方位角3组角度来表示。倾角是载体向前的方向与水平面之间的夹角, 反映了载体方向相对水平面的倾斜程度。横滚角表示载体向前方向同一平面的垂直方向和水平面之间的夹角, 反映了载体横向倾斜的程度。方位角是载体向前方向在水平面的投影与正北方向之间的夹角, 它反映了水平面内转动的方向。

为了给出姿态角严格的定义, 首先建立大地坐标系,,和载体坐标系,,, 如图1所示。

假设初始状态时, 载体坐标系和大地坐标系一致,轴方向与地理北一致。其中,轴与地理东一致,轴方向与重力方向一致。

当载体姿态变化时, 在载体坐标系中,轴为沿载体轴线向前的方向,轴为与轴正交同一平面指向右方的方向,轴与载体平面垂直指向下方。则根据角度的定义, 倾角为轴与水平面间的夹角, 图中用表示; 横滚角为轴与水平面的夹角, 图中用表示; 方位角为轴在水平面的投影与正北间的夹角, 图中用表示。角度的定义均参照右手规则, 满足右手规则为正, 反之为负。

2 测量原理及姿态解算

载体姿态变化后, 利用本文设计的姿态测量系统, 就可通过2个传感器以及后续处理电路来获得这些姿态角度。利用MEMS加速计具有直流响应的特性, 获取对重力加速度的输出, 可转化为传感器的倾角和横滚角。由于磁场的水平分量指向磁北, 利用三轴磁传感器对地磁场分量的测量, 可确定载体坐标系与大地坐标系之间的方位关系, 即确定载体的方向角。

(1)

所以载体坐标系的加速度和重力加速度有

(3)

根据三轴MEMS磁阻传感器输出并结合地磁场的特性, 可完成平台在水平面上转动的方向角测量。地球可视为带有N, S磁极的大球体, 其表面的直流磁场大体上均匀分布, 在地球表面上的任意一点都可将磁场的强度分解为水平和垂直2个分量。设当前姿态下三轴磁阻传感器的输出为,,, 根据大地坐标系到水下平台坐标系的变换有

(5)

所以在获取三轴MEMS加速和磁阻传感器的输出后, 可以确定搭载平台的姿态角并可通过变换矩阵由大地坐标系变换到载体坐标系, 用以校正搭载传感器的输出。

3 系统设计

由于水下测量平台的特殊性, 还需具有低功耗以适应可长期工作在海底环境。传统的姿态测量装置体积大、成本高, 并不适合水下平台的姿态测量。基于MEMS技术的加速度及磁阻式传感器具有体积小、功耗低、成本低等优点, 且由于结构中没有可动部件因而具有良好的抗冲击性。基于此, 本文再以MEMS加速度和磁阻传感器作为传感核心的基础上相应的设计了后续电路完成对载体姿态实时测量。

测量系统的硬件组成如图1所示, 测量系统由传感器、单片机、置位重置电路、多通道数据采集电路及通信存储模块等组成。图中: 置位重置电路用来消除磁传感器噪声和漂移; 单片机控制三轴传感器信号的24位同步采集; 外接模块用以存储前端采集到的数据, 可供后期分析。

3.1 多通道采集

为了保证同步获取三轴磁场信号及重力加速度三轴分量测量, 采用低功耗24位AD芯片实现信号的六分量同步采集, 芯片选用ADI公司的24位高精度采集芯片AD7190。AD7190具有3个模拟输入通道、低噪声可编程增益放大器, 其工作电压为2.7~5.25V, 工作电流仅为5mA。3片AD7190以三线连接模式分别与单片机SPI接口连接, 利用片上寄存器来实现 AD7190的初始化、控制和操作。

3.2 重置电路

磁传感器在工作一定时间后, 温度漂移带来的误差增大, 降低了测量精度, 通过对传感器的设置和重置可以有效优化传感器灵敏度。本文采用高压Totem Pole电路, 如图3所示。图中,是大于16 V的直流电压;sr,sr和sr表示HMC1001、HMC1002置位重置电阻。由IRF7105实现充放电回路的逻辑控制, 利用电容与置位重置电阻构成的充放电回路产生1uS以上的置位重置脉冲。重置过程中, 在打开之前首先关闭, 关闭之前首先打开;和用来实现低压脉冲到高压脉冲转化以达到迅速关断的目的,,和构成加速网络。

3.3 低功耗和接口设计

考虑到水下测量平台依靠电池供电, 降低系统功耗可延长测量时间。因此在满足系统性能的同时,设计相应电路以降低系统功耗。选取MSP430系列中的MSP430F5438作为单片机, 2.2~3.6 V供电电压, 耗电电流仅为126 μA/MHz并且该芯片集成了丰富的外设来满足系统各项功能的需要。

4 实测数据分析

根据本文设计, 同时制作了原理样机, 并在实验室环境下进行了相应的测试, 该系统的整体功耗为230 mW, 在无运动加速度时的转台上对姿态角进行测量分析, 结果如图4所示。

图4 姿态角误差曲线

由试验结果可知, 该姿态测量系统能够测量0~360°的方位角(其中转台方位角0°、90°、180°、270°分别对应地理上北、东、南、西方向), ±90°的倾斜角和横滚角。且方位角测量精度小于±1°, 而倾斜角和横滚角的测量精度为±0.8°。该指标可以运用在海底测量平台的姿态测量上。由于采用了磁强计作为方位角测量传感器, 以及温度漂移等因素, 容易产生较大的测量误差, 故采取强制重置的方式对传感器进行校准, 如图4(c)中, 在转台方位角210°时, 对传感器强制重置, 有效抑制了传感器误差角度的发散。

5 结束语

针对水下测量平台, 本文设计了基于MEMS加速度及磁阻传感器的姿态测量系统。该系统采用具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高等优点的微硅加速度传感器和磁阻式磁强计作为姿态感知器件, 实时获取水下平台的倾角、横滚角和方位角信息。此系统可用于水下平台姿态测量, 提高平台搭载装置的测量精度。

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(责任编辑: 杨力军)

Attitude Measurement System with Low Power Consumption for Underwater Observation Platform

GUO Hu-sheng, YAN Bin, WU Zhi-dong

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The work of the existing attitude measurement system of the underwater observation platform will be disturbed by the ocean wave. Aiming at this problem, a design scheme of micro-electro-mechanical system(MEMS) composed of a 3-axis micro acceleration sensor and a 3-axis magneto resistance sensor is given in detail. The system can get pitch, roll and azimuth angles of the underwater observation platform in real-time. Test data show that the system has the advantages of low power consumption, small size, low cost, and shock resistance, and it meets the precision requirement for attitude measurement of the underwater observation platform.

underwater observation platform; attitude measurement; micro-electro-mechanical system sensor

U666.1

A

1673-1948(2013)03-0193-04

2012-05-02;

2012-09-21.

郭虎生(1986-), 男, 在读博士, 主要研究方向为鱼雷探测与制导.