水下微型位姿遙測系統設計*

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

隨著海洋開發技術的迅猛發展，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測量數據成為引導潛器航行和姿態調整的重要依據。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、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，用于水下潛器對作業平臺的位置測量和姿態估計，詳細介紹了系統的構成,并分析討論了其實際應用性能。

1 系統功能與總體組成

水下微型位姿遙測系統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潛器作業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、信號發射以及外部傳感器數據融合等多重功能。在實際的水下作業過程中，微型位姿遙測系統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測量，并將數據實時傳輸至潛器的控制單元。在位姿遙測系統的引導下，潛器逐漸靠近平臺的指定結合點，并調整自身姿態與平臺結合點進行銜接。

依賴系統的高度集成度，系統進行了微型化處理，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 位姿遙測系統組成圖

2 系統平臺設計

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，其豐富的管腳和內存資源、并行處理運算模型為系統設計提供了絕對的優勢[9]。系統選用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，為實時數據處理，高速運算奠定了基礎；管腳數量也增加至534個，加強了自身的外設擴展能力；另外，鎖相環數量的增加使其內部模塊能夠根據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據采集模塊、信號發射、觸發信號控制、通信接口等對外接口，以及參數存儲、位姿解算、高精度時鐘等內部器件，集成數據采集、系統控制和對外通信等多種功能，成為系統的中樞單元，如圖2所示。

圖2 中央處理器管理框圖

2.3 數據采集模塊設計

數據采集模塊用于8通道原始數據的同步采集。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。

數據采集由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信息，包括采樣觸發信號、采樣狀態指示信號、通道選擇信號、讀寫使能信號等。最終數據由ADS8568通過并行數據總線依次傳輸至FPGA中。

圖3 數據采集模塊設計圖

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位并行數據總線各一套，可以進一步擴展動態存儲空間[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，增強了系統的數據處理能力。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角估計；第三片則用于外部傳感器數據與位姿測量數據的融合處理。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具備并行數據和串行數據傳輸的能力。FPGA向位姿測量模塊輸送的波形數據量很高，每秒鐘達到51.2 Mbits。因此,選用并行傳輸總線傳輸原始數據，并行總線寬度16位。為保證高速率傳輸模式的穩定性，二者采用同步傳輸方式，時鐘由FPGA統一提供。由于在系統工作時，并行總線處于高度的占用狀態，為了完成其數據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、參考基準量以及外部傳感器數據等信息均通過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，對外通信模塊主要用于位姿數據的輸出和外部傳感器數據和指令數據的輸入。該部分由FPGA管理控制，其組成包括1個支持TCP協議的網絡接口，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。

系統外部接口均采用了光耦隔離設計，系統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，保證位姿遙測系統與潛器單元的電隔離，防止互相干擾。

2.6 信號發射與接收模塊設計

發射模塊采用推挽式D類功放，克服了甲類和乙類功放體積龐大、發射效率低和散熱量大等缺點，解決了水下作業潛器空間小、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，實現功率放大器與發射傳感器的匹配，擴展了系統帶寬。另外，考慮到潛器輸出最大電流的限制，為發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遠、近距離作業造成的信號強度差異大的問題，系統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的目的。

2.7 其他模塊設計

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

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

觸發信號模塊是位姿遙測系統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，設計了同步觸發接口。系統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潛器其他設備。

3 試驗分析

為測試位姿遙測系統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

微型位姿遙測系統輸出數據為相對坐標和相對姿態測量值，參考基準為系統坐標系。為驗證微型位姿遙測系統的位姿測量精度，將安裝有合作信標的平臺布放于10 m深的水池底部，微型位姿遙測系統的傳感器陣采用吊放方式懸掛于水中。系統實時測量平臺中心點位置。圖5為系統測量的平臺中心點坐標放大圖，定位起伏精度(均方誤差)優于5 cm。圖6～圖8為系統輸出的平臺姿態測量值，姿態參考姿態角度標準差小于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°。可以發現實際測量偏差優于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 動態定位結果分析

為驗證系統的運動狀態的遙測性能，將系統安裝于潛器上，遙測系統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)。可以發現，系統能夠進行實時測量和引導服務，測量結果穩定可靠。

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，為潛器提供水下平臺位置與姿態信息，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，實現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:其位置測量精度優于5 cm，姿態測量精度優于3°，保證了潛器與平臺銜接的準確性。

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