基于多旋翼無人機的小型海洋磁力數據采集系統(tǒng)設計與實現

趙展銘，裴彥良，梁冠輝，宗 樂，劉保華3,

（1. 長江大學 電子信息學院，湖北 荊州 434020；2. 自然資源部第一海洋研究所 自然資源部海洋地質與成礦作用重點實驗室，山東 青島266061；3. 青島海洋科學與技術國家實驗室 海洋地質過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266061；4. 國家深?；毓芾碇行?，山東 青島266237）

海洋磁力測量技術是認識海洋、開發(fā)海洋的重要途徑[1]。獲取海洋磁場信息不僅在科學考察中有助于闡明區(qū)域地質特征和勘察海洋資源，并且在軍事領域也具有重要作用?，F階段，海洋磁力測量的主要方式依舊是船載磁力測量，該方式雖然可以獲取較高精度的磁場信息，但我國擁有漫長的海岸線、大大小小的無人島嶼以及淺灘、暗礁、養(yǎng)殖區(qū)等復雜區(qū)域，這些特殊的區(qū)域使得測量船難以進入，導致部分區(qū)域磁力數據缺失[2]。因此開發(fā)一種可以在復雜海域作業(yè)，并且具有高精度、高分辨率的磁力測量系統(tǒng)十分必要。

近年來，無人機平臺技術已趨于成熟，國內將無人機應用到陸地航磁測量已較為普遍，但相比陸地航磁調查，國內的海洋無人機航空磁測的研究尚處于起步階段。例如，國家海洋局第一海洋研究所在國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）支持下開展了無人直升機航磁系統(tǒng)研究，2013年搭載V750樣機在渤海萊州灣進行了系統(tǒng)的無人機航空磁力探測試驗，完成共計511 km的測線任務[2]。2013年，海軍海洋測繪研究所與中船重工715所在天津大港海濱區(qū)進行了無人直升機海洋航磁測量試驗，并通過無人船進行磁力驗證[3-4]。

由于海洋船只空間環(huán)境有限，大中型無人機在測量船只上的起飛與降落目前依舊是海洋航磁測量的難題之一。相比于大中型無人機，小型旋翼無人機具有體積小、重量輕、操作簡單垂直起降等特點，可搭載于測量船上進行復雜海域的磁力探測[5-7]。綜上所述，項目組將多旋翼無人機搭載磁力儀等設備應用于海上磁力探測，組成了一套小型便攜式海洋磁力測量系統(tǒng)。結合小型旋翼無人機平臺的載重能力以及對航磁數據采集的精度需求，本文圍繞該系統(tǒng)設計了一套數據采集系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、精度高等特點，可以實時采集磁力數據、姿態(tài)數據和GPS定位數據，并把數據存儲在SD卡中，以便后續(xù)的數據處理與分析。

1 系統(tǒng)設計

1.1 無人機航磁系統(tǒng)簡介

無人機航磁測量是一種利用無人機平臺搭載相關磁力探測設備進行磁力探測的方式，具有安全性高、成本低、易操作等特點，可以不受地表地形等因素影響，在一些復雜特殊的海域上進行高精度的磁力測量。

本次試驗所搭建的無人機航磁系統(tǒng)由多旋翼無人機平臺、銫光泵磁力儀、碳纖維連接桿和電子設備艙組成。其中，電子設備艙內置鋰電池、數據采集模塊、GPS模塊和姿態(tài)傳感器等設備。銫光泵磁力儀探頭和電子設備艙固定在碳纖維連接桿的兩端，旋翼無人機通過吊拽的方式與碳纖維連接桿相連并進行航磁測量。無人機航磁系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 無人機航磁系統(tǒng)示意圖

該旋翼無人機的有效載重為5 kg，飛行速度為8 m/s，相比于海洋磁力數據采集系統(tǒng)，要求整個航磁系統(tǒng)在保證采集精度的前提下盡量輕以提高無人機有效航程，采樣率盡量高以保證高速飛行期間的空間采樣密度。因此，數據采集系統(tǒng)的設計在此原則下進行。

1.2 采集系統(tǒng)總體設計

本文設計的數據采集系統(tǒng)主要功能是執(zhí)行航磁數據、定位數據以及姿態(tài)數據的實時采集與處理。

數據采集系統(tǒng)是以STM32F407ZGT6單片機作為控制核心，結合高性能FPGA、GPS、姿態(tài)傳感器、ESP8266WiFi模塊、SD卡存儲模塊等，實現了無人機航磁探測數據的采集，并在航磁任務中將所采集到的磁力數據、相應的空間坐標數據及磁力儀姿態(tài)數據進行實時存儲記錄。

采集系統(tǒng)總體框圖如圖2所示。銫光泵磁力儀輸出的拉莫爾頻率信號經前端整形電路處理后，由高性能FPGA模塊進行頻率測量，航磁任務開始前，主控制器STM32F407ZGT6通過3個串口分別采集FPGA模塊、GPS模塊和姿態(tài)模塊的數據進行處理，并將數據通過WiFi模塊無線傳輸到上位機進行觀測，判斷儀器工作是否正常。航磁任務執(zhí)行期間，主控制器自動按照上述采集方式將所采集到的磁力數據、GPS定位數據以及在吊拽狀態(tài)下磁力儀的姿態(tài)數據通過SDIO接口同步存儲在MicroSD卡中。

圖2 采集系統(tǒng)設計框圖

1.3 磁力信號測量

本設計所用的磁力儀為國產高精度銫光泵磁力儀，銫光泵磁力儀輸出的拉莫爾頻率f與外界磁場強度H成正比，其比例常數稱為銫的旋磁常數，約等于3.498 577 Hz/nT，因此通過測量拉莫爾頻率f則可以得到被測磁場強度H=f/3.498 577(nT)[8]。

銫光泵磁力儀的頻率信號有兩種輸出方式，一種是將振幅調制在電源線上的混合拉莫爾信號，另一種是兼容TTL電平的方波電壓信號。本文采用第二種直接測量方波信號的頻率。由于直接從傳感器得到的矩形脈沖經傳輸后往往會發(fā)生波形畸變[9-12]，因此本文使用了施密特觸發(fā)器來對方波信號整形，得到比較理想的矩形脈沖波形后再對其進行頻率測量[9]。

頻率測量通常有兩種方式，周期測量法和頻率計數法。周期測量法是先測量出被測信號的周期T，然后根據頻率f= 1/T求出被測信號的頻率。頻率計數法是在時間t內對被測信號的脈沖數N進行計數，然后求出單位時間內的脈沖數，即為被測信號的頻率，但二種方法皆存在±1個被測脈沖信號誤差，本文采用一種改進后的等精度測頻法來對頻率信號進行測量。

2 系統(tǒng)實現

2.1 等精度測頻法

等精度測頻法是基于傳統(tǒng)測頻法的一種改進，它的最大的特點是測量的實際門控時間是一個與被測信號有關的值，剛好是被測信號的整數倍，因此它可以消除被測信號計數器±1個脈沖的誤差，且相對誤差與被測頻率的大小無關，僅與門控時間和基準頻率有關，等精度測頻法時序圖如圖3所示。

圖3 等精度測頻法時序圖

圖3中，T1為預置門控信號時間；T2為實際門控信號時間；fx_cnt為實際門控信號內被測信號個數；fs_cnt為實際門控信號內基準時鐘個數。

當門控信號使能時，在基準時鐘的上升沿，預置門控信號給出高電平，但此時并未開始測頻計數，而是等到被測信號的上升沿來到時才開始對基準頻率與被測頻率同時進行測頻計數，當預置門控信號經過T1時間結束時，也要等到被測信號的沿到來時才同時停止對基準時鐘頻率與被測信號頻率計數。基準時鐘頻率為clk_fs，被測信號頻率為clk_fx，實際門控時間為T2，在T2時間內對基準時鐘頻率和被測信號頻率的脈沖計數值分別為fs_cnt和fx_cnt，則被測信號頻率可由式（1）求得：

因為門控時間是被測信號的整數倍，這就消除了對被測信號產生的±l周期誤差，但是會產生對基準時鐘±1周期的誤差，則基準時鐘信號誤差為式（2）：

因此門控時間誤差為式（3）：

進而可以推出，被測頻率的誤差為式（4）：

等精度測頻法的相對誤差可由式（5）得到：

由上述公式可以證明，等精度測頻法的相對誤差與被測信號頻率大小無關，只與基準時鐘和門控時間有關，例如當門控時間為1 s時，理論上就只存在一個周期的基準時鐘誤差，由于基準時鐘頻率遠高于被測信號，因此它產生的±1周期誤差對測量精度的影響十分有限，特別是在中低頻測量的時候，相較于傳統(tǒng)的頻率測量和周期測量方法，可以大大提高測量精度，滿足磁總場測量需要。

此外，在航磁任務中若要進行磁總場梯度測量時，則要保證各磁力儀之間的采集完全同步，可在此等精度測頻法的基礎上，引用數字內插原理來保證各磁力儀探頭之間的同步采集[13]，其原理圖如圖4所示。

圖4 數字內插法原理圖

被測信號頻率值為式（6）：

此方式同樣可以消除被測信號±1的周期誤差，并且測量采樣的輸出時間受到閘門信號控制。當利用多個磁力儀進行磁梯度測量時，可使用相同的閘門信號控制采樣間隔即可實現多個磁力儀的同步采集。

2.2 硬件實現

2.2.1 主控單元

主控單元主要實現對4個串口的控制，完成磁力數據、GPS數據和姿態(tài)數據的采集以及與WiFi模塊的通信，并將數據保存在SD卡中。系統(tǒng)主控制器選用ST公司的STM32F407ZGT6低功耗微控制器，該芯片基于32位ARM Cortex-M4內核，主頻高達168 MHz，適用于帶有浮點運算的應用，滿足數據采集系統(tǒng)的硬件需要。除主控制器以外主控單元還包含復位電路、時鐘電路等。

2.2.2 磁力測量單元 磁力測量單元主要實現對磁力儀輸出的拉莫爾頻率進行整形并進行高精度計數，將結果通過串口2傳輸給主控制器換算成磁場值。磁力測量單元電路主要包括FPGA芯片、74HC14觸發(fā)器、50 M晶振及復位電路等，其中FPGA芯片為核心器件。本設計將Altera公司的CycloneIV系列的EP4CE10F17C8芯片選作為核心器件并結合上述等精度測頻原理來對磁力信號進行測量，該FPGA芯片擁有豐富的邏輯單元，且功耗低、尺寸小，滿足磁力測量任務的需要。

2.2.3 無線通信模塊 無人機航磁任務開始前，需要判斷各儀器設備是否正常工作，最直接的辦法就是將開始測量到的數據通過無線的方式傳輸到上位機觀測一段時間，保證航磁任務中各傳感器的正常運行。

無線通信模塊選擇以ATK-ESP8266為核心處理器的WiFi模塊，該模塊采用串口與MCU通信，內置TCP/IP協議棧，可實現串口與WiFi之間的轉換。本設計中利用主控制器通過串口4在初始化時將WiFi模塊配置為STA-TCP_client模式并開啟透傳模式，系統(tǒng)上電后，首先將采集到的磁力數據、GPS數據和姿態(tài)數據傳輸到上位機顯示，觀測各儀器的工作狀態(tài)，1 min后自動轉換成連續(xù)采集模式。

2.2.4 姿態(tài)傳感器 無論是航磁補償、質量監(jiān)控，還是對數據后處理解釋參考，飛行姿態(tài)角的測定都是不可或缺的步驟。在對采集到的磁力數據進行處理分析時，需要結合現場的姿態(tài)數據，保證發(fā)現的“磁異?，F象”是由于地質結構引起的，而不是由于無人機飛行中姿態(tài)變化引起的。

姿態(tài)角的測量精度影響著磁力數據的分析結果。本設計中姿態(tài)傳感器選用的是美國PNI公司生產的TCM2.5，該傳感器具有精度高、體積小、抗干擾能力強等優(yōu)點，其羅盤航向精度為0.8°，分辨率可達0.1°，橫滾和俯仰的精度為0.2°，分辨率優(yōu)于0.01°。本試驗對姿態(tài)采樣率設定為4 Hz，波特率為9 600，輸出端口采用RS232標準通信接口，主控制器通過串口與其通信并采集磁力儀設備在空中的姿態(tài)信息。

2.2.5 GPS模塊 本設計所用的GPS模塊為RAC-P1高精度衛(wèi)星定位接收機，其定位精度可穩(wěn)定保持在1 m以內，主控制器通過串口3與其進行通信，設定數據更新速率為10 Hz，并對接收到NMEA數據進行解析，獲得所需要的定位信息，以便結合姿態(tài)數據對磁力信號進行后續(xù)的處理。

2.2.6 數據存儲 數據存儲模塊主要是用于無人機航磁任務途中對數據進行實時的存儲記錄，根據實際需要，考慮到野外工作環(huán)境較為復雜，現場人員必須方便地對數據進行讀取。綜上所述，本次設計選用MicroSD卡作為數據存儲介質，主控制器使用SDIO接口驅動，并通過移植FATFS文件系統(tǒng)來控制SD卡的讀寫操作，數據保存格式為文本文檔格式，方便現場人員進行數據拷貝。

2.3 硬件電路

采集系統(tǒng)硬件電路主要包括DC-DC穩(wěn)壓電路、EP4CE10F17C8芯片、50 M溫補晶振、配置芯片EPCS16、JTAG下載接口模塊、74HC14施密特觸發(fā)器、STM32F407ZGT6最小系統(tǒng)、LED指示燈、EPS8266WiFi模塊、SD卡模塊等，硬件原理圖如圖5所示。

圖5 硬件電路原理圖

該數據采集系統(tǒng)設備長度為11 cm，寬8 cm，高6.5 cm，重量為220 g左右。具有體積小、重量輕等特點，且對磁力數據的采樣率為10 Hz及以上，符合上述航磁系統(tǒng)任務設計要求。采集系統(tǒng)硬件實物圖如圖6所示。

圖6 數據采集系統(tǒng)實物圖

2.4 軟件編寫

2.4.1 FPGA軟件設計 本設計中FPGA的主要功能是對磁力信號進行測量，FPGA芯片主要包含5個模塊：等精度測頻模塊、時鐘分頻模塊、PLL模塊、串口模塊、狀態(tài)機模塊。其中，時鐘分頻模塊用來模擬輸入信號，等精度測頻模塊是基于等精度測頻原理來對輸入信號進行頻率測量，PLL模塊可以選擇基準時鐘進行倍頻，從而降低等精度測頻法的誤差，串口發(fā)送模塊是用來將測量得到的32位的基準時鐘個數與32位的被測時鐘個數，并以狀態(tài)機的形式發(fā)送給主控制器進行處理，發(fā)送格式為AA（幀頭）+基準時鐘個數+被測時鐘個數+BB（幀尾），各模塊采用Verilog硬件邏輯描述語言實現。其模塊結構圖如圖7所示。

圖7 FPGA內部模塊設計圖

2.4.2 單片機軟件設計 以ST公司STM32F407ZGT6單片機作為主控制器，其程序采用C語言編寫，軟件調試采用德國KEIL公司的一種多功能的集成開發(fā)環(huán)境軟件MDK5。主控制器主要實現以下功能。系統(tǒng)上電時，檢測掛載SD卡并配置好WiFi模塊，程序初始化后會延時一段時間等待GPS與姿態(tài)模塊的穩(wěn)定，并啟動模式1。在模式1下采集到的數據不會保存，而是通過WiFi傳輸到上位機顯示1 min。數據觀測正常后，自動轉為模式2。在模式2下，串口2接收FPGA發(fā)送的數據解析成磁場值并在RAM中進行緩存。串口3接收GPS的GPRMC數據并在RAM中進行緩存，串口6接收姿態(tài)傳感器數據并在RAM中進行緩存，同時啟動定時器，每一秒將緩存的3種數據寫入一次SD卡，每3 min對SD卡進行一次數據保存，以防止無人機飛行途中數據意外丟失。當航磁任務完成后可通過按鍵來關閉SD卡，再次保存數據。系統(tǒng)流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試

3.1 實驗室測試

本設計將愛普生TG-5501CA-97N 50 MHz晶振用作磁力測量單元的時鐘晶振，也是上述等精度測頻法的基準時鐘信號。該溫補晶振的總頻差為50 Hz。

實驗室測試分三步實現：第一步，將該50 M晶振通過安捷倫53132A頻率計數器驗證其穩(wěn)定性；第二步，將此50 M晶振的輸出脈沖分頻作為測試信號，輸入至磁力測量單元，用來測試程序的可行性；第三步；通過Tektronix AFG2021函數/任意波形發(fā)生器模擬磁力信號輸入到磁力測量單元進行測試。

通常情況下，地磁場的強度約在50 000 nT~60 000 nT之間，因此對應拉莫爾頻率信號測試范圍主要為170 ~ 210 kHz之間，所測頻率值保留小數點后3位，采樣率為設為10 Hz。所用晶振穩(wěn)定性測試示意圖如圖9所示，晶振脈沖信號分頻測試結果如表1所示，波形發(fā)生器輸出測試結果如表2所示。

圖9 晶振穩(wěn)定性測試示意圖

在實驗室內通過安捷倫53132A頻率計數器對晶振脈沖進行觀測，發(fā)現此晶振的抖動范圍僅在小數點后兩位跳變，穩(wěn)定性能極好，適用于高精度的頻率測量。

表1測試是將此晶振進行500，400，300，250，200分頻測量得到的，被測時鐘與基準時鐘是基于同一時鐘下，由上表的數據可以說明程序上的可行性。

表1 晶振脈沖信號分頻測試結果

表2 波形發(fā)生器輸出測試結果

以上測試是將Tektronix AFG2021函數/任意波形發(fā)生器直接輸入到本采集系統(tǒng)中的磁力測量單元進行頻率測量，將所測得的結果與理論值進行計算，得到相對誤差，從以上數據可知，在170~210 kHz頻率范圍內，該采集系統(tǒng)相對誤差均小于4.0×10-7，滿足試驗誤差要求。

此外，將信號發(fā)生器輸出頻率以0.001 Hz為步進間隔增加，取測量值發(fā)生變化時，此時增加的最大幅度為當前頻段的有效分辨率，經測試此頻段下的頻率計數分辨率約為0.005 Hz左右，對應磁場值約為1.4 pT左右,滿足試驗要求。

3.2 無人機航磁采集測試

無人機航磁試驗選在國家深?；毓芾碇行拇a頭海域開展，提取某段測試結果中的定位數據與磁力數據后如表3所示，其中無人機飛行的海拔高度保持在65 m左右。

表3 航磁采集測試結果

表中的數據僅為實際測線數據中的一部分，且表中提取的數據間隔為1 s，測試結果驗證了該采集系統(tǒng)在航磁任務中能夠完成對數據的采集與存儲，滿足無人機航空磁力測量的要求。

4 結 論

本文圍繞多旋翼無人機的小型海洋磁力測量系統(tǒng)，研制了一套數據采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、精度高等特點。其設計原理主要基于STM32單片機和FPGA芯片，并結合銫光泵磁力儀、GPS傳感器、姿態(tài)傳感器等，實現了對磁力信號的高精度測量以及對GPS定位數據和姿態(tài)數據的實時采集和存儲。此外，在航磁任務開始前，可通過WiFi模塊將采集的數據傳輸到上位機顯示，便于工作人員及時觀測傳感器設備工作狀態(tài)，提高航磁測量的可靠性。通過實際航磁測試，驗證了該數據采集系統(tǒng)的有效性與實用性，滿足航磁任務的需要。對海洋航磁測量的數據采集具有一定參考意義。