水下微型位姿遙測系統(tǒng)設計*

張居成， 姬長琳， 李懷亮， 于文太

(1.哈爾濱工程大學 水聲技術重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150001；2.哈爾濱工程大學 水聲工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001；3.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引 言

隨著海洋開發(fā)技術的迅猛發(fā)展，水下潛器在石油勘探、深海打撈等領域的應用越來越廣泛[1]，已成為軍事、民用領域的重要海洋探測手段[2～4]，尤其在大型水下作業(yè)平臺的建設和海洋探測應用中，諸如遠程操控潛器(remotely operated vehicle,ROV)、水下自主航行潛器(autonomous underwater vehicle,AUV)等潛器更是發(fā)揮了至關重要的作用。在潛器與平臺特定結合點進行銜接過程中，高精度的定位和姿態(tài)測量數(shù)據(jù)成為引導潛器航行和姿態(tài)調整的重要依據(jù)。由于在水介質中電磁波能量衰減極快，無線電和光學設備的作用距離受到極大的限制。借助聲波在水中抗衰減的特性，水聲定位技術被廣泛應用于海洋開發(fā)、海底勘探等重要領域[5～8]。

本文設計了一種基于聲學測量技術的微型位姿遙測系統(tǒng)，用于水下潛器對作業(yè)平臺的位置測量和姿態(tài)估計，詳細介紹了系統(tǒng)的構成,并分析討論了其實際應用性能。

1 系統(tǒng)功能與總體組成

水下微型位姿遙測系統(tǒng)由聲學傳感器陣和電子艙組成，如圖1所示。聲學傳感器陣一般根據(jù)潛器作業(yè)特點安裝于潛器的艏部或者腹部，電子艙則安裝于潛器內部與控制單元相連接。電子艙集成了控制管理、位姿解算、信號發(fā)射以及外部傳感器數(shù)據(jù)融合等多重功能。在實際的水下作業(yè)過程中，微型位姿遙測系統(tǒng)通過與平臺安裝的合作信標進行聲學信號的交互，完成高精度的定位和姿態(tài)測量，并將數(shù)據(jù)實時傳輸至潛器的控制單元。在位姿遙測系統(tǒng)的引導下，潛器逐漸靠近平臺的指定結合點，并調整自身姿態(tài)與平臺結合點進行銜接。

依賴系統(tǒng)的高度集成度，系統(tǒng)進行了微型化處理，可便捷地安裝于小型潛器上。傳感器陣尺寸半徑為20 cm，電子艙主體設計為以20 cm為邊長的正方體形狀。

圖1 位姿遙測系統(tǒng)組成圖

2 系統(tǒng)平臺設計

2.1 聲學傳感器陣設計

聲學傳感器陣采用八元平面接收陣，8個基元均勻地布放于直徑為260 mm的圓周上，中心為發(fā)射基元，均采用絕緣樹脂進行灌封。

2.2 中央處理器設計

中央處理器采用具有設計靈活、功能強大的FPGA實現(xiàn)，其豐富的管腳和內存資源、并行處理運算模型為系統(tǒng)設計提供了絕對的優(yōu)勢[9]。系統(tǒng)選用Altera公司生產的EP2S90F780C4系列芯片，該種芯片在資源和速度上都獲得了極大的提升，為實時數(shù)據(jù)處理，高速運算奠定了基礎；管腳數(shù)量也增加至534個，加強了自身的外設擴展能力；另外，鎖相環(huán)數(shù)量的增加使其內部模塊能夠根據(jù)實際需要靈活設計工作頻率。

借助于EP2S90豐富的資源，中央處理器分別連接了數(shù)據(jù)采集模塊、信號發(fā)射、觸發(fā)信號控制、通信接口等對外接口，以及參數(shù)存儲、位姿解算、高精度時鐘等內部器件，集成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)控制和對外通信等多種功能，成為系統(tǒng)的中樞單元，如圖2所示。

圖2 中央處理器管理框圖

2.3 數(shù)據(jù)采集模塊設計

數(shù)據(jù)采集模塊用于8通道原始數(shù)據(jù)的同步采集。采集芯片選用TI公司生產的ADS8568，最多支持8通道同時工作；采樣率最高達到510 kHz(并行傳輸)或400 kHz(串行傳輸)，輸入信號范圍可以采用編程指令控制，最大達到±12 V。

數(shù)據(jù)采集由FPGA控制ADS8568完成，如圖3所示。FPGA與ADS8568通過控制信號線相互傳遞指令和狀態(tài)信息，包括采樣觸發(fā)信號、采樣狀態(tài)指示信號、通道選擇信號、讀寫使能信號等。最終數(shù)據(jù)由ADS8568通過并行數(shù)據(jù)總線依次傳輸至FPGA中。

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊設計圖

2.4 位姿解算模塊設計

位姿解算模塊由多核處理芯片組成，如圖4所示。處理芯片選用TI公司的DSP6416系列，其特點在于內存空間大、運算速度高、外部接口豐富。該芯片最多可以提供 1 MB的內存存儲空間，并具備64位和16位并行數(shù)據(jù)總線各一套，可以進一步擴展動態(tài)存儲空間[10]。主頻高達720 MHz。

模塊內的多核處理器具備高速并行運算能力，增強了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。位姿測量算法被分解為若干子模塊，分別植入不同的核內，最終實現(xiàn)并行處理。第一片用于聲學原始信號處理，包括噪聲譜級分析、信號帶通濾波、合作目標信號檢測以及高精度的距離估計；第二片用于目標定位解算和多目標平面的姿態(tài)角估計；第三片則用于外部傳感器數(shù)據(jù)與位姿測量數(shù)據(jù)的融合處理。為保證足夠的存儲空間，處理器均配備了同步動態(tài)存儲器，增擴空間達到16 MB。由于各處理器間信息傳輸量比較小，因此,設計采用多通道緩存串口(multi-channel buffer serial port,MCBSP)串行總線方式。

圖4 位姿解算模塊框圖

位姿測量模塊附屬于FPGA，其每一個處理器均與FPGA具備并行數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。FPGA向位姿測量模塊輸送的波形數(shù)據(jù)量很高，每秒鐘達到51.2 Mbits。因此,選用并行傳輸總線傳輸原始數(shù)據(jù)，并行總線寬度16位。為保證高速率傳輸模式的穩(wěn)定性，二者采用同步傳輸方式，時鐘由FPGA統(tǒng)一提供。由于在系統(tǒng)工作時，并行總線處于高度的占用狀態(tài)，為了完成其數(shù)據(jù)和指令的傳輸又增設了MCBSP串行總線。位姿解算算法使用的檢測參數(shù)、參考基準量以及外部傳感器數(shù)據(jù)等信息均通過MCBSP接收。另外，噪聲譜級、信號強度、位姿解算結果等也通過MCBSP傳輸至中央處理器。

2.5 對外通信模塊設計

對于位姿遙測系統(tǒng)，對外通信模塊主要用于位姿數(shù)據(jù)的輸出和外部傳感器數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)的輸入。該部分由FPGA管理控制，其組成包括1個支持TCP協(xié)議的網絡接口，4個支持RS—232和RS—422可控的串行接口，以滿足不同潛器的需求。

系統(tǒng)外部接口均采用了光耦隔離設計，系統(tǒng)內外電壓參考基準地是獨立的，電信號傳輸過程中經過了光電轉換，抑制了電噪聲的傳播，保證位姿遙測系統(tǒng)與潛器單元的電隔離，防止互相干擾。

2.6 信號發(fā)射與接收模塊設計

發(fā)射模塊采用推挽式D類功放，克服了甲類和乙類功放體積龐大、發(fā)射效率低和散熱量大等缺點，解決了水下作業(yè)潛器空間小、能源少和散熱不暢等困難[11]。模塊采用增強型場效應管作為功率元件，采用脈沖寬度調制(pulse width modulation,PWM)方式產生驅動信號,并設計了電路匹配網絡，實現(xiàn)功率放大器與發(fā)射傳感器的匹配，擴展了系統(tǒng)帶寬。另外，考慮到潛器輸出最大電流的限制，為發(fā)射模塊配備了儲能電容器，保證了足夠的瞬時輸出功率。

信號接收單元采用濾波器與放大器交互組合的方式，避免了單級放大量過大造成的波形失真問題，也使得噪聲在前級得到有效的抑制。濾波器采用抑制能力極強的橢圓濾波器，在同等電路規(guī)模條件下，其帶外抑制能力比線性濾波器增強10～20 dB。

為解決位姿遙測系統(tǒng)遠、近距離作業(yè)造成的信號強度差異大的問題，系統(tǒng)設計了基于繼電器開關的增益控制模塊，通過電平信號的驅動達到增益調節(jié)的目的。

2.7 其他模塊設計

由于位姿遙測系統(tǒng)大多工作于無人監(jiān)控模式，為便于使用增加了系統(tǒng)參數(shù)存儲模塊。所有的系統(tǒng)參數(shù)在每次保存后，均能及時地記錄到存儲器中，重新啟動時自動載入系統(tǒng)。系統(tǒng)也設有指令控制協(xié)議，必要時潛器可通過相應的協(xié)議控制系統(tǒng)調整參數(shù)。

高精度時鐘模塊是系統(tǒng)作業(yè)的重要時間參考，采用高穩(wěn)定性的銣鐘，其頻率精度達到±5×10-11。銣鐘的穩(wěn)定性體現(xiàn)在優(yōu)良的抗溫漂和抗時間老化能力。

觸發(fā)信號模塊是位姿遙測系統(tǒng)為解決聲學兼容性設計的同步管理接口。潛器一般安裝有各種聲學設備，同頻帶的設備之間往往存在嚴重的干擾，為此，設計了同步觸發(fā)接口。系統(tǒng)能夠在潛器設定的工作時序下工作，也可以為潛器提供同步信號來觸發(fā)潛器其他設備。

3 試驗分析

為測試位姿遙測系統(tǒng)的位姿測量精度和實時處理性能，在實驗室水池進行了精度測試試驗和引導模擬試驗。水池尺寸參數(shù)為長×寬×深=50 m×20 m×10 m。

3.1 定位精度分析

微型位姿遙測系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)為相對坐標和相對姿態(tài)測量值，參考基準為系統(tǒng)坐標系。為驗證微型位姿遙測系統(tǒng)的位姿測量精度，將安裝有合作信標的平臺布放于10 m深的水池底部，微型位姿遙測系統(tǒng)的傳感器陣采用吊放方式懸掛于水中。系統(tǒng)實時測量平臺中心點位置。圖5為系統(tǒng)測量的平臺中心點坐標放大圖，定位起伏精度(均方誤差)優(yōu)于5 cm。圖6～圖8為系統(tǒng)輸出的平臺姿態(tài)測量值，姿態(tài)參考姿態(tài)角度標準差小于1°。平臺在入水前進行了傾斜角的精確測量，測量值為縱傾角20°、橫傾角0°?？梢园l(fā)現(xiàn)實際測量偏差優(yōu)于3°。

圖5 平臺中心水平位置圖

圖6 平臺艏向角度測量曲線

圖7 平臺縱傾角度測量曲線

圖8 平臺橫傾角度測量曲線

3.2 動態(tài)定位結果分析

為驗證系統(tǒng)的運動狀態(tài)的遙測性能，將系統(tǒng)安裝于潛器上，遙測系統(tǒng)實時給出平臺中心在潛器坐標系下的相對坐標位置，潛器根據(jù)定位坐標逐漸向對接平臺靠攏。圖9給出了潛器在逐漸靠近目標平臺上方的水平定位坐標圖(相對坐標減小即為靠近)?？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能夠進行實時測量和引導服務，測量結果穩(wěn)定可靠。

圖9 潛器運動過程中目標軌跡

4 結 論

為保證高效可靠的水下作業(yè)，為潛器提供水下平臺位置與姿態(tài)信息，已成為不可或缺的需求。本文利用水聲測量技術設計了水下微型位姿遙測系統(tǒng)，實現(xiàn)了潛器與水下平臺的遠程引導和近程位姿測量。水池試驗證明:其位置測量精度優(yōu)于5 cm，姿態(tài)測量精度優(yōu)于3°，保證了潛器與平臺銜接的準確性。

參考文獻:

[1] 陳 楊.水下運動目標航跡測試方法的研究[D].西安:西北工業(yè)大學，2007:1-4.

[2] 張愛軍.水下潛器組合導航定位及數(shù)據(jù)融合技術研究[D].南京：南京理工大學,2009:1-4.

[3] 楊峻巍.水下航行器導航及數(shù)據(jù)融合技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012:2-6.

[4] 李開生，王文友.軍用無人潛器的發(fā)展及關鍵技術[J].魚雷技術, 2004，12(1):6-8.

[5] 孫大軍，鄭翠娥，錢洪寶,等.水聲定位系統(tǒng)在海洋工程中的應用[J].聲學技術,2012,31(2):125-132.

[6] Watanabe Y，Ochi H,Shimura T，et al.A tracking of AUV with integration of SSBL acoustic positioning and transmitted INS da-ta[C]∥OCEANS’09,Bremen,Germany:IEEE Computer Society,2009:1—6,11—14.

[7] Kilfoyle Daniel B,Baggeroer Arthur B.State of the art in underwater acoustic telemetry[J].IEEE Journal of Oceanic Enginee-ring,2000,25(1):4-26.

[8] 鄭翠娥.超短基線定位技術在水下潛器對接中的應用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007：12，84-87.

[9] Tuncer Adem,Yildirim Mehmet,Erkan Kadir.A hybrid implementation of genetic algorithm for path planning of mobile robots on FPGA[C]∥27th International Symposium on Computer and Information Sciences,Paris,France:Springer Netherlands,2012:459-465.

[10] 林曉靜.基于TMS320C6416的并行DSP板的設計與實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學，2007:12-15.

[11] 陳可欽，王永恒.一種水聲應答器發(fā)射電路的設計與實現(xiàn)[J].通信電源技術，2013，30(3)：41-44.