深海海底原位觀測(cè)站傾角測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)＊

程 凱，滕紹偉，楊國(guó)仁，鄭榮兒

（中國(guó)海洋大學(xué)光學(xué)光電子青島市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100）

深海海底原位觀測(cè)站傾角測(cè)量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)＊

程 凱，滕紹偉，楊國(guó)仁，鄭榮兒＊＊

（中國(guó)海洋大學(xué)光學(xué)光電子青島市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島266100）

設(shè)計(jì)1套傾角測(cè)量裝置，用以配合海底原位設(shè)備對(duì)深海環(huán)境探測(cè)。分析常規(guī)的低成本傾角測(cè)量方式的原理及存在的不足，提出采用差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、提高后期傾角分辨率的方案。實(shí)驗(yàn)證明，這種方案能夠擴(kuò)大輸出量程、提高傾角分辨率。在全角度范圍內(nèi)，分辨率在（0.18（°），0.5（°））區(qū)間變化，能夠滿足海底觀測(cè)站對(duì)高精度傾角測(cè)量的要求。

深海；傾角測(cè)量；加速度計(jì)；運(yùn)算放大器

深海原位探測(cè)對(duì)于深海資源的開(kāi)發(fā)具有非常重要的意義，深海環(huán)境的特殊性對(duì)發(fā)展深海原位探測(cè)器提出了巨大的挑戰(zhàn)。對(duì)于深海探測(cè)，許多成分脫離深海環(huán)境，其測(cè)量不再有意義，因此發(fā)展原位傳感器就顯得尤為必要。美國(guó)Monterey Bay海洋研究所研制了深海激光拉曼光譜系統(tǒng)Doriss，致力于深海天然氣水合物研究，并通過(guò)PUP（precision underwater positioning）將原位探測(cè)器施放于海底，成功地進(jìn)行了姿態(tài)調(diào)整［1］，傾角數(shù)據(jù)的獲取方式未做闡述。由國(guó)家863計(jì)劃資助研制的我國(guó)第一代深海原位激光拉曼光譜系統(tǒng)（Docars），目前進(jìn)行多次海試并獲得了寶貴數(shù)據(jù)［2］。作為該系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展方向之一就是搭載ROV進(jìn)行海底原位探測(cè)甚至長(zhǎng)期觀測(cè)。為了使儀器設(shè)備艙能夠穩(wěn)固地施放于海底，或著床后能進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以獲得最佳的工作狀態(tài)，對(duì)設(shè)備艙姿態(tài)（三維傾角）的精確檢測(cè)便成為至關(guān)重要的技術(shù)環(huán)節(jié)。該項(xiàng)測(cè)量對(duì)其他海底探測(cè)長(zhǎng)期工作站的吊裝施放也是必要的，施放設(shè)備的傾角監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可為甲板操作提供1個(gè)可靠的判斷依據(jù)，以保證施放過(guò)程的安全和系統(tǒng)的準(zhǔn)確定位。本文旨在設(shè)計(jì)1套用于低功耗海底長(zhǎng)期原位監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中的三維傾角監(jiān)測(cè)單元，全角度范圍的分辨率在（0.18（°），0.5（°））區(qū)間變化，滿足對(duì)高精度、高分辨率、低成本的要求。

1 傾角測(cè)量方法

三維傾角的測(cè)量方法有多種，早期采用電位器式［3］、差動(dòng)變壓器方式［4］，此類三維測(cè)量單元體積及成本都比較高，且耐沖擊性比較差。近年來(lái)隨著MEMS（Micro－Electro－Mechanical Systems，微機(jī)電系統(tǒng)）的迅猛發(fā)展，開(kāi)始大量采用加速度計(jì)進(jìn)行傾角測(cè)量。以Freescale公司的MMA7260［5］加速度計(jì)為例，它以3個(gè)軸向上受到的重力加速度矢量的分量來(lái)判斷物體所處的姿態(tài)。將其固定在被測(cè)物體表面上，當(dāng)姿態(tài)改變后，重力加速度在加速度傳感器3個(gè)敏感軸上加速度分量隨之變化，因此可通過(guò)測(cè)量加速度的變化和三角運(yùn)算來(lái)得到物體姿態(tài)的變化［6－7］。MMA7260在重力場(chǎng)中進(jìn)行翻滾測(cè)試時(shí)，3個(gè)敏感軸的輸出特性基本一致，有很好的測(cè)量精度和靈敏度。圖1為坐標(biāo)變換示意圖。

圖1 坐標(biāo)變換示意圖Fig.1 The diagram of coordinate

傳感器3個(gè)敏感軸上的加速度分量（Ax、Ay、Az）和重力加速度之間存在1個(gè)夾角，滿足式（1）三角函數(shù)關(guān)系，據(jù)此可以用來(lái)測(cè)定恒定的加速度。恒定加速度的一個(gè)特例就是重力加速度，當(dāng)加速度傳感器的X軸、Y軸和Z軸位置相對(duì)于重力場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)，重力將在相應(yīng)方向產(chǎn)生分量，測(cè)量3個(gè)方向的重力分量，可以計(jì)算出相應(yīng)軸向上的傾角變化。由圖1可得：

2 常規(guī)傾角測(cè)量方法的缺陷

常規(guī)測(cè)量是采用單片機(jī)對(duì)加速度計(jì)數(shù)據(jù)直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換得到傾角數(shù)據(jù)［8］。以X軸為例，當(dāng)指向－1、0、1 g時(shí)，輸出值分別為0.85、1.65、2.45 V。在基準(zhǔn)電壓為2.56 V時(shí)，10bit的A／D轉(zhuǎn)換分辨率為2.5 m V。也就是說(shuō)，在［－1g，1g］的過(guò)程中，A／D值區(qū)間為［340，980］，并不能在［0，1 023］區(qū)間變化，分辨率降低為4.0 m V。X軸輸出電壓Ux滿足以下關(guān)系［5］：

其中α范圍是［－90（°），90（°）］?？梢?jiàn)在敏感軸與重力加速度平行時(shí)，電壓變化率最大，如表1所示。

表1 0（°）及90（°）附近傾角的A／D值Table 1 The ADC value near 0（°）＆90（°）

由表1可見(jiàn)，0（°）附近，角度精度及A／D分辨率都很好，可以滿足一般的精度要求；而在90（°）附近，分辨率很低，僅能達(dá)到4.53（°），對(duì)監(jiān)測(cè)精度產(chǎn)生很大影響。因此，要使加速度計(jì)能夠在全角度范圍內(nèi)達(dá)到較高精度，必須對(duì)90（°）附近的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 硬件優(yōu)化

改善90（°）附近數(shù)據(jù)分辨率較差的缺陷，可以采用提高A／D轉(zhuǎn)換分辨率的方法。例如14－bit的A／D，最接近90（°）時(shí)，能夠分辨的傾角為89.37（°），分辨率為0.63（°）；16－bit的A／D轉(zhuǎn)換器，能夠分辨的傾角為89.43（°），分辨率仍然不及0.5（°）。24－bit的A／D轉(zhuǎn)換器，能夠分辨的傾角為89.96（°），分辨率為0.04（°），但是隨即而來(lái)的卻是成本的大幅度提高。因此在后續(xù)優(yōu)化中，采用了差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器的方案，即：將輸入電壓與參考電壓Vref相減的差值放大后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，以提高分辨率，降低誤差。原理圖見(jiàn)圖2，放大倍率Aod＝R1／R2＋1。

圖2 采用運(yùn)算放大器預(yù)處理輸入信號(hào)Fig.2 Preprocess input signal through operational amplifier

當(dāng)設(shè)置A／D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為2.56 V時(shí)，10bit A／D轉(zhuǎn)換的最小分辨電壓為2.5 m V，放大后的最小分辨電壓Umin即為（2.5／Aod）m V。接近90（°）時(shí)，Ux＝2.45－Umin，由式（2），Umin對(duì)應(yīng)的傾角可表示為

而Umin＜2.5 m V，須經(jīng)放大處理后才能被當(dāng)前A／D轉(zhuǎn)換器所分辨。

表2是Aod取不同值時(shí)，（2.45－Umin）對(duì)應(yīng)最接近90（°）的傾角數(shù)據(jù)。

表2 不同放大倍率下能夠分辨的最接近90（°）的傾角Table 2 The tilt angle closest approach 90（°）can be resolved at different gain

由表2可見(jiàn)，放大倍率越大，得到的傾角越精確。但是，一味地追求高放大倍率，在參考電壓的選取上就要求更加準(zhǔn)確，因此僅對(duì)變化率較大的區(qū)間進(jìn)行處理即可。取傾角為69.64（°）的電壓2.40 V作為基準(zhǔn)電壓，此時(shí)與滿量程電壓2.45 V差0.05 V，放大50倍為2.50 V，小于2.56 V；放大100倍后為5.00 V，大于2.56 V，此時(shí)可以通過(guò)改變A／D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓的方法來(lái)彌補(bǔ)超量程的不足。放大100倍已經(jīng)可以達(dá)到精度0.5（°）的要求，因此不必選取更高的放大倍率。轉(zhuǎn)換放大倍率可以通過(guò)單片機(jī)控制電子開(kāi)關(guān)切換反饋電阻的方式實(shí)現(xiàn)。

圖3 采用可變倍率運(yùn)算放大器預(yù)處理輸入信號(hào)Fig.3 Preprocess input signal through variable－gain operational amplifier

3.2 軟件優(yōu)化

差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器的方案主要用在變化率開(kāi)始變大的角度區(qū)間，即敏感軸與1g接近平行時(shí)；而在小角度區(qū)間，采用上述方案很容易超量程。因此在全角度采樣時(shí)，將Xout1（電壓區(qū)間［0.85，2.45］）和Xout均作為輸入電壓。小角度區(qū)間，采信Xout1數(shù)據(jù)，接近平行區(qū)間，采信Xout數(shù)據(jù)。圖4為軟件流程圖。

圖4 軟件流程圖Fig.4 The software flow chart

3.3 結(jié)果分析

為了得到更高的測(cè)量精度，需要校準(zhǔn)加速度傳感器的參數(shù)，可以采用重力場(chǎng)1g標(biāo)定法。對(duì)于低g的加速度傳感器，重力場(chǎng)是最穩(wěn)定精確的加速度參考量。以X軸為例，將加速度傳感器固定于穩(wěn)定的可調(diào)平臺(tái)上，不斷微調(diào)底腳高度，使敏感軸的方向與重力方向趨于一致。當(dāng)測(cè)量到輸出最大電壓值時(shí)（另由其他電路顯示并記錄），表明此時(shí)X軸輸出為重力加速度。

實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下（青島，g＝9.798 4 m／s2），對(duì)［0（°），90（°）］區(qū)間的傾角進(jìn)行分段轉(zhuǎn)換，區(qū)間劃分見(jiàn)圖5，轉(zhuǎn)換結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖5 轉(zhuǎn)換區(qū)間Fig.5 The extents of conversion

由圖6可見(jiàn)，3個(gè)區(qū)間上A／D轉(zhuǎn)換的輸出與傾角變化接近線性關(guān)系，［0（°），70（°））區(qū)間傾角電壓不放大，對(duì)［70（°），81（°））和［81（°），90（°）］區(qū)間分別進(jìn)行50、100倍放大，分辨率令人滿意。尤其是［88（°），90（°）］區(qū)間，分辨率達(dá)到0.5（°），相比優(yōu)化前4.53（°）提高了近一個(gè)數(shù)量級(jí)。［－90（°），0（°）］區(qū)間除電壓數(shù)據(jù)不同外，其他處理方法與此相同，從而可實(shí)現(xiàn)全角度的傾角測(cè)量。

圖6 3區(qū)間變倍率A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果Fig.6 The ADC results as a function of tilt angle at three different gain

4 結(jié)語(yǔ)

采用差動(dòng)輸入運(yùn)算放大器形式，分區(qū)間對(duì)傾角數(shù)據(jù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，使分辨率大幅提高，實(shí)現(xiàn)了全角度范圍內(nèi)精確采集傾角數(shù)據(jù)的目的，分辨率在（0.18（°），0.5（°））區(qū)間變化，尤其在敏感軸與1g接近平行時(shí)的分辨率有很大改善，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試得到了令人滿意的結(jié)果。海底原位觀測(cè)站在能源供給充足的情況下，能夠根據(jù)傾角數(shù)據(jù)對(duì)自身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使原位探測(cè)獲得最佳工作狀態(tài)。這種傾角分段測(cè)量技術(shù)可以推廣到其他對(duì)成本有要求的場(chǎng)合。

［1］ Sheri N，White，William Kirkwood，et al.Development and deployment of a precision underwater positioning system for in situ laser Raman spectroscopy in the deep ocean［J］.Deep－Sea Research I，2005，52（12）：2376－2389.

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The Optimal Design of Tilt Angle Measurement Based on Operational Amplifier for In－Situ Monitoring Station of Deepsea Benthic

CHENG Kai，TENG Shao－Wei，YANG Guo－Ren，ZHENG Rong－Er
（The Laboratory of Optics and Optoelectronics，Ocean University of China，Qingdao 266100，China）

Developed a tilt angle measuring device，in order to assist the detection of deep－sea for In－situ monitoring station of deep－sea benthic.Detailed analyzes conventional low－cost angle measurement methods，principles and shortages.New approaches to data pre－processing and angle resolution improvement are introduced in details using operational amplifier with differential input.The function of this device is verified in laboratory，it can extend the scope of output signal，increase the resolution of tilt angle.In 360 degrees range，the minimum resolution is 0.18（°）and the maximum is better than 0.5（°）.The well performance suggests that it has great potential to be used in the deep－sea benthic of all kinds of angle measurement.

deep－sea；measurement of tilt angle；accelerometer；operational amplifier

TP274

A

1672－5174（2011）11－120－04

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2006AA09Z243）資助

2010－12－10；

2011－05－25

程 凱（1974－），男，工程師，博士生，研究方向：海洋信息探測(cè)與處理。

＊＊通訊作者：E－mail：rzheng＠ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超