基于姿態(tài)定位算法的水下電纜監(jiān)測系統(tǒng)

黃 蓉，劉敬彪，于海濱

(杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院，浙江杭州310018)

0 引言

目前海洋科學(xué)考察設(shè)備多采用同軸纜或者光電復(fù)合纜與考察船連接，完成信息交互［1］。取樣設(shè)備進(jìn)行水下作業(yè)時(shí)，由于電纜無法監(jiān)測，時(shí)有被海底巖石勾掛，或釋放過長被考察設(shè)備誤傷而受到損傷?；厥者^程中極有可能導(dǎo)致電纜在損傷處斷裂，造成重大人員財(cái)產(chǎn)損失。目前國際上對于有光照淺水區(qū)電纜監(jiān)測，采用水下攝像頭或者潛水員來監(jiān)測［2］，但此方法局限于海域與光照條件。而在深海區(qū)域內(nèi)，國內(nèi)主要通過觀察纜的承重以及設(shè)備的傾斜度來估算電纜狀態(tài)［3］或懸掛浮球以盡量避免電纜彎曲。此法依賴于人工判斷，誤差大且操作有一定的遲滯。本文介紹的監(jiān)測系統(tǒng)采用CAN總線傳輸數(shù)據(jù)，利用已有水下設(shè)備將數(shù)據(jù)傳輸至考察船集控中心，經(jīng)過運(yùn)算，可以實(shí)時(shí)反映電纜姿態(tài)，對異常狀態(tài)及時(shí)做出示警，保障作業(yè)安全。

1 系統(tǒng)工作原理

水下電纜姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由監(jiān)測系統(tǒng)、取樣設(shè)備和母船組成。本系統(tǒng)主要依靠附著于鎧裝電纜上的多個(gè)存放于高壓防水倉中的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)監(jiān)測鎧裝纜的姿態(tài)信息，并通過CAN總線將發(fā)送姿態(tài)信息以及節(jié)點(diǎn)標(biāo)號給水下取樣設(shè)備的主控倉，主控倉將數(shù)據(jù)打包通過混合傳輸系統(tǒng)或者光纖傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)上傳給母船上位機(jī)。上位機(jī)對比分析不同節(jié)點(diǎn)間的角度差與布放距離，經(jīng)計(jì)算擬合，確定電纜當(dāng)前姿態(tài)。利用現(xiàn)有主控倉CPU，無需單獨(dú)添加設(shè)備，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并且節(jié)約成本。

由于監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布放間距相對較遠(yuǎn)，本文需要采用傳輸距離較遠(yuǎn)的通信協(xié)議。目前工業(yè)上多采用RS485和CAN總線［4］。RS485是單主網(wǎng)絡(luò)，需要采用輪詢的方式通信，通信實(shí)時(shí)性不足以保證。且當(dāng)RS485某個(gè)節(jié)點(diǎn)存在故障時(shí)會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，維護(hù)成本高，安全性大打折扣。而CAN總線屬于現(xiàn)場總線范疇，以國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定的ISO模型為基礎(chǔ)，具有完整的軟件支持系統(tǒng)，能夠解決總線控制、沖突檢測、鏈路維護(hù)等問題。數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)，安全性高，穩(wěn)定性好，傳輸距離遠(yuǎn)，有很好的容錯(cuò)機(jī)制。特別適合在環(huán)境惡劣的海洋環(huán)境中使用。且取樣設(shè)備主控倉采用C8051F040 CPU，它內(nèi)置了CAN模塊外設(shè)，開發(fā)難度大大降低。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用自帶電池組供電，無需提供電源接口，減少對外連接通道，提高了系統(tǒng)安全性。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)微處理器采用ST公司生產(chǎn)的STM8S208S6［5］。此款處理器運(yùn)行速度快，穩(wěn)定性好，小巧精致，特別適合小微型的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)。主頻高達(dá)24MHz、采用高級STM8內(nèi)核、具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)、工作電壓與溫度范圍寬、內(nèi)置多路AD以及高性能CAN接口，滿足節(jié)點(diǎn)對傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)男枰?。?jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 姿態(tài)傳感器

節(jié)點(diǎn)采用兩片VTI SCA60單軸傾角傳感器在板上垂直分布來監(jiān)測鎧裝電纜節(jié)點(diǎn)處的雙軸角度X和Y。它的測量范圍為±90°，單極性5V電壓供電，工作溫度范圍寬。傳感器按照角度以等比例電壓輸出，經(jīng)過精密電阻分壓，高頻電容濾波后得到質(zhì)量較好的輸出電壓送入STM8S208S6進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。

當(dāng)輸出電壓為0.5V時(shí)表示此時(shí)角度為－ /2，當(dāng)輸出電壓為4.5V時(shí)為 /2，輸出電壓與對應(yīng)角度成線性關(guān)系。如下:

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

式中，A表示實(shí)際角度值，Data為AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果，Vref為ADC的參考電壓，△d為精密電阻分壓比。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

程序主流程圖如圖2(a)所示，定時(shí)中斷流程圖如圖2(b)所示。程序的設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)步驟:

(1)開始和系統(tǒng)的初始化;

(2)設(shè)置ADC連續(xù)采集模式;

(3)定時(shí)器產(chǎn)生溢出中斷，讀取數(shù)據(jù);

(4)輪轉(zhuǎn)采集通道;

(5)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，CAN發(fā)送數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)上電瞬間，初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，定時(shí)器，AD轉(zhuǎn)換器，CAN以及中斷響應(yīng)機(jī)制。設(shè)置ADC處于連續(xù)工作模式。設(shè)置定時(shí)器使其每100ms觸發(fā)一次溢出中斷，將AD采集結(jié)果存入全局?jǐn)?shù)據(jù)變量，同時(shí)切換轉(zhuǎn)換通道。最后在While主循環(huán)中，將數(shù)據(jù)打包，通過CAN發(fā)送給主控倉CPU。主控倉CPU是水下探測設(shè)備的控制核心，僅需在其原有上行數(shù)據(jù)包末尾添加節(jié)點(diǎn)姿態(tài)數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)。

3.2姿態(tài)定位算法

姿態(tài)定位算法采用曲線逼近的方法對水下鎧裝電纜進(jìn)行模擬。本算法在甲板集控室上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)。上位機(jī)軟件使用Visual C#語言［6］進(jìn)行設(shè)計(jì)，在VS2008平臺上編輯。對電纜姿態(tài)進(jìn)行動態(tài)跟蹤，且對危險(xiǎn)操作及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

X，Y，Z坐標(biāo)示意圖如圖3所示。X軸為平行于水平面沿著船寬的方向。Y軸為平行于水平面，沿船舶行駛方向。Z軸為垂直于水平面方向。節(jié)點(diǎn)布放時(shí)需緊貼電纜。Z軸電纜旋轉(zhuǎn)不影響X，Y軸數(shù)據(jù)。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

科學(xué)考察船在設(shè)備施放時(shí)，一般處于0.2至1節(jié)的慢速航行或者動力定位狀態(tài)，且鎧裝電纜釋放至海底時(shí)有4 000至7 000m，在長距離的稀釋下，X方向角度偏差很小。采用近似三角形計(jì)算其余弦的方法計(jì)算出電纜在Z軸方向的投影。原理如圖4所示。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)按步長K分布，節(jié)點(diǎn)n－1的X軸方向傾斜角度為X，該段弧線可近似為一段直線，再利用三角公式得到節(jié)點(diǎn)n－1至節(jié)點(diǎn)n之間的電纜在垂直方向的投影長度為KcosX。此后將電纜視為只存在Y軸的偏角，且節(jié)點(diǎn)之間布放距離為KcosX。

由于鎧裝電纜質(zhì)地堅(jiān)韌，不易大幅度卷曲，彎曲輕微，形態(tài)近似為圓弧。節(jié)點(diǎn)n－1處的Y軸傾角為Yn－1，節(jié)點(diǎn)n處的Y軸傾角為Yn。原理如圖5所示。在圖中可以方便地得到從兩節(jié)點(diǎn)引出的切線夾角為 －(Xn－1－Xn)，那么圓弧所對應(yīng)的圓心角為 Xn－1－Xn，又有弧長公式 L=θR 得 KcosX=(Yn－1－Yn)R，進(jìn)而得到圓弧所在圓的半徑公式:

圖3 坐標(biāo)示意圖

兩節(jié)點(diǎn)間的電纜存在于與兩節(jié)點(diǎn)相切，且半徑為R的圓弧中。該圓弧即為電纜近似形狀。上位機(jī)可參照式2與圖5對電纜狀態(tài)進(jìn)行解析。從而對電纜姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。操作人員可對照電纜姿態(tài)及時(shí)調(diào)整電纜的收放。如果電纜鉤掛或釋放過長沉放在海底，此時(shí)上位機(jī)即發(fā)出警報(bào)。

圖4 X軸傾角剖視圖

圖5 Y軸傾角剖視圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

采用1m的硬質(zhì)金屬絞纜進(jìn)行模擬調(diào)試。節(jié)點(diǎn)布放在纜的同一側(cè)，同時(shí)保證在纜垂降狀態(tài)時(shí)雙軸輸出角度值為0。節(jié)點(diǎn)采用階梯式分布的方法。在近地端分布3個(gè)節(jié)點(diǎn)，相互之間步長為0.1m，分布相對密集。中間分布2個(gè)節(jié)點(diǎn)步長為0.2m。頂部分布1個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)。纜繩的最下采用C8051F020主板作為主節(jié)點(diǎn)來模擬水下設(shè)備主控倉。纜的最上端固定在高處，最下方人為牽引產(chǎn)生彎曲，模擬電纜實(shí)際使用時(shí)的狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)傾角數(shù)據(jù)如表1所示，在近地端Y軸角度明顯增大，所以監(jiān)測節(jié)點(diǎn)布放應(yīng)更密集。且X軸角度變化輕微平緩，所以可簡單等效為直線。在變換位置后上位機(jī)界面可以及時(shí)跟蹤。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)可準(zhǔn)確地定位電纜姿態(tài)并能夠?qū)ξｋU(xiǎn)操作和異常狀態(tài)及時(shí)做出預(yù)警。測試效果見圖6。

表1 傾角數(shù)據(jù)

圖6 軟件效果圖

5 結(jié)束語

本文提出的水下電纜姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有適應(yīng)近地端傾斜較大的特點(diǎn)，有效利用水下設(shè)備CPU無需添加主控單元，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)約成本。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下可監(jiān)測電纜的實(shí)時(shí)姿態(tài)，對電纜異常狀態(tài)發(fā)出警告，為海洋科學(xué)考察安全作業(yè)提供了思路。本設(shè)計(jì)下一步進(jìn)行海上試驗(yàn)，以檢驗(yàn)水下的運(yùn)行效果。

［1］鐘川源，劉敬彪，陳順舉.基于同軸電纜混合傳輸技術(shù)的研究［J］.杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28(1):4－7.

［2］李士濤，商濤.淺談海纜敷設(shè)工藝中的監(jiān)控手法［C］.太原:中國海洋工程學(xué)會，2011:445－447.

［3］陳鷹.海底熱液科學(xué)考察中的機(jī)電裝備技術(shù)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(z1):207－211.

［4］胥清華，李強(qiáng).CAN總線發(fā)展與其他總線的比較［J］.電氣技術(shù)，2011，(7):46－49.

［5］潘永雄.STM8S系列單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2008:202－213.

［6］劉麗霞，李俊民.C#范例開發(fā)大全［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:225－256.