電子羅盤在水下拖體的應(yīng)用

郭小俊， 談黎洲

（上海船舶運輸科學(xué)研究所 民船產(chǎn)品分所，上海200135）

0 引 言

電子羅盤作為一種測量傳感器，能夠?qū)崟r提供運載體的航向、姿態(tài)信息及所處位置的磁場強度，并具備精度高、體積小、抗干擾能力強以及環(huán)境適應(yīng)性好等特點，大量地應(yīng)用于航海、航天、自動控制、交通車輛、醫(yī)療儀器等領(lǐng)域。

隨著海洋探測和科學(xué)研究的發(fā)展，各種水下探測設(shè)備的應(yīng)用也越來越廣泛，其中包括很多聲納拖曳系統(tǒng)，如剖面儀、側(cè)掃聲納等。拖曳系統(tǒng)利用電子羅盤監(jiān)測水下拖體在拖曳過程中的姿態(tài)，對保障系統(tǒng)設(shè)備的安全性及整個系統(tǒng)的測量至關(guān)重要。

1 電子羅盤的特性

三維電子羅盤是根據(jù)磁場傳感器和傾角傳感器的輸出，通過微控制單元（Micr o Control Unit，MCU）實時解析出航向、縱搖角、橫搖角和磁場信息等參數(shù)。其組成框圖見圖1。

PNI公司的TCM3三維電子羅盤［1］使用的是三軸磁通門和加速度計，可以針對磁場源和三維物質(zhì)中的磁場失真進(jìn)行校準(zhǔn)，在緯度到達(dá)85°的時候能夠提供高精度的航向姿態(tài)信息，主要參數(shù)指標(biāo)見表1。此外，TCM3還具有體積小（3.5 c m×4.3 c m×1.3 c m）、耗能低（工作電流＜20 mA）、重量輕（＜7 g）的突出優(yōu)勢，因此經(jīng)常應(yīng)用于如高性能的水下機器人、聲納目標(biāo)定位系統(tǒng)等設(shè)備當(dāng)中。

圖1 三維電子羅盤組成框圖

表1 TCM3主要技術(shù)參數(shù)

TCM3可以設(shè)定數(shù)據(jù)刷新率，最大刷新率為20 Hz，通過RS－232接口輸出，使用的是特有的二進(jìn)制通信協(xié)議。TCM3提供了靈活的指令集。用戶可以根據(jù)需求對參數(shù)進(jìn)行編程設(shè)置。通信傳輸層數(shù)據(jù)格式見圖2。

“字節(jié)數(shù)”是包含其本身和循環(huán)冗余校驗碼（Cyclic Redundancy Check，CRC）校驗位在內(nèi)的整個信息包的字節(jié)總

數(shù)，CRC校驗算法采用的是CRC－16－CCITT多項式規(guī)范，校驗算法的有效數(shù)據(jù)對象是從字節(jié)數(shù)開始到數(shù)據(jù)包最后1個字節(jié)為止?！皵?shù)據(jù)包”是由指令標(biāo)識符“幀ID”和該幀所包含的有效數(shù)據(jù)構(gòu)成。

圖2 RS232通信數(shù)據(jù)格式

2 在水下拖體中的應(yīng)用

2.1 水下拖體

圖3 剖面儀系統(tǒng)主要組成

水下拖曳系統(tǒng)是一種水下探測裝置，一般由水下拖體、拖曳纜和收放裝置組成。收放裝置控制拖曳纜的收放長度，拖體則作為搭載核心聲學(xué)探測裝置的平臺，用于進(jìn)行海底地形地貌、淺層地質(zhì)和水下目標(biāo)的掃描探測。這些系統(tǒng)往往需要獲得探測目標(biāo)的精準(zhǔn)方位信息，三維淺地層剖面儀作為一種海底地層探測聲納系統(tǒng)也是如此，系統(tǒng)主要組成見圖3。

2.2 拖體姿態(tài)實時監(jiān)測和控制［2－4］

2.2.1 拖體姿態(tài)監(jiān)測控制

TCM3三維電子羅盤安裝在拖體內(nèi)部，為實時監(jiān)測其在水下的姿態(tài)提供可靠的數(shù)據(jù)信息。拖體姿態(tài)監(jiān)測控制可分為3個過程：

（1）姿態(tài)信息的讀取，由顯控機向TCM3傳達(dá)采集指令，并接收TCM3反饋的姿態(tài)數(shù)據(jù)；

（2）根據(jù)實時監(jiān)測的姿態(tài)數(shù)據(jù)調(diào)整拖曳纜長度和航速舵角，使拖體姿態(tài)滿足使用要求；

（3）測量數(shù)據(jù)的修正，由顯控機根據(jù)實時姿態(tài)數(shù)據(jù)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

2.2.2 拖體姿態(tài)信息的讀取

TCM3安裝方式選擇Z磁軸向上的標(biāo)準(zhǔn)式安裝，參數(shù)輸出選擇航向、俯仰角及橫滾角，故俯仰角定義為拖體縱軸相對于水平面的傾斜角，橫滾角定義為拖體橫軸對于水平面的旋轉(zhuǎn)傾角。TCM3的默認(rèn)航向角為磁方位角，通過配置磁偏角可直接測出真北方位角。

圖4為姿態(tài)數(shù)據(jù)的讀取流程：顯控機始化工作之后，向TCM3發(fā)送請求數(shù)據(jù)命令并接收其返回的數(shù)據(jù)包。計算數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)并與傳輸過來的字節(jié)數(shù)作比較，判斷接收數(shù)據(jù)是否有丟失。正確的情況下，再對數(shù)據(jù)包進(jìn)行CRC16校驗，提取數(shù)據(jù)包中的航向、俯仰和橫滾信息。

圖4 TCM3數(shù)據(jù)讀取流程

2.2.3 拖體姿態(tài)的控制

拖體主要由鋁合金主構(gòu)架、浮力材、尾翼、探測傳感器和信號收發(fā)處理裝置構(gòu)成，在水中的基本配比成中性，浮力與重力持衡，水平漂浮在水表層之下。拖體結(jié)構(gòu)設(shè)計的流線性、重心分布及吊放拖曳點的位置等可能影響姿態(tài)平衡的因素均已確定，且自身不含可變機械單元，故對其姿態(tài)的調(diào)整主要是通過改變電動絞車收放纜的長度和拖曳船只的航速、轉(zhuǎn)角。通過確定幾者和拖體姿態(tài)的關(guān)系，在工作中取1個適當(dāng)值，進(jìn)而調(diào)整拖體的姿態(tài)。

2.3 姿態(tài)軟件工作界面及流程

圖5是基于VC的拖體姿態(tài)監(jiān)測界面。開始工作之前，先進(jìn)行與TCM3的通信設(shè)置，主要是串口端口選擇和波特率設(shè)置，數(shù)據(jù)傳輸默認(rèn)1位起始位、8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗位和l位停止位。姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示有兩種方式：數(shù)值輸出和拖體姿態(tài)圖形顯示。

工作流程如圖4所示，初始化工作通過發(fā)送k Set Config指令對TCM3數(shù)據(jù)輸出波特率進(jìn)行設(shè)置，然后再向其傳送k Set DataComponent指令，設(shè)定羅盤輸出參數(shù)的順序為 Heading（5）、Pitch（24）和Roll（24），對應(yīng)的數(shù)據(jù)格式是。發(fā)送k Get Data指令并從接收到的正確的姿態(tài)數(shù)據(jù)包里，解析出拖體當(dāng)前的姿態(tài)數(shù)據(jù)，具體解析流程見圖6。對姿態(tài)信息的采樣，還可以通過傳送k Start Inter val Mod指令將TCM3設(shè)置成自動數(shù)據(jù)輸出的格式，TCM3將按照k Set Acq Params中設(shè)定的采樣時間間隔輸出數(shù)據(jù)。

由于TCM3數(shù)據(jù)的格式是32位單浮點數(shù)，存儲格式Big Endian，格式為：，由1位二進(jìn)制符號標(biāo)識位、8位二進(jìn)制指數(shù)位和23位尾數(shù)位構(gòu)成。實際參數(shù)值計算公式為V＝（－1）3×2（指數(shù)－127）×1.尾數(shù)。因此在解析出參數(shù)之后，還需按此公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。最后，根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)，將拖體當(dāng)前在水下的姿態(tài)實時的顯示在工作界面上，便于系統(tǒng)作業(yè)人員對拖體姿態(tài)進(jìn)行直觀觀察。CRC16函數(shù)代碼為：

2.4 結(jié)果分析

圖7是三維淺地層剖面儀系統(tǒng)在實際湖試應(yīng)用當(dāng)中拖體的橫搖與縱搖角度部分采樣值。從圖7中可以看出，TCM3能夠以高于0.5°的精度，實時監(jiān)測出拖體在水下的俯仰角和橫滾角，能夠滿足系統(tǒng)的需求。

圖7 拖體姿態(tài)測量值

3 結(jié) 語

通過TCM3電子羅盤在淺地層剖面儀拖體中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對TCM3的控制編程，以及對航向、俯仰、橫滾等數(shù)據(jù)的讀取，有效地檢測拖體在水下的姿態(tài)。同時，電子羅盤亦具備體積小、重量輕、功耗低等特點，故在其水下拖曳系統(tǒng)中具有較高的實用性和較廣的應(yīng)用前景。

［1］ PNI Sensor Cor poration.Binary Protocal－RS232 Interface［EB／OL］.Califor nia：PNI Sensor Cor poration，2005［2009－03－09］.http：／／www.pnicor p.co m／system／files／TCM3—TCM5－User－Manual 2012.pdf.

［2］ 李彥波.電驅(qū)動水下滑翔器姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)研究［D］.天津：天津大學(xué)機械工程學(xué)院，2007.

［3］ 偉利國，張小超，胡小安.TCM3電子羅盤的特性與應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2009，28（7）：15－17.

［4］ 劉曉東，張方生，朱維慶，等.深水聲學(xué)拖曳系統(tǒng)［J］.海洋測繪，2005，25（6）：37－44.