一种小型舰船的航向姿态测量系统

ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·探索与观察　一种小型舰船的航向姿态测量系统　中国船舶重３－集团公司第七一。研究所詹金晶　该系统对陀螺罗经的航向数据和姿态传感器的横滚、俯仰数　【摘要】设计了一种用于小型舰船的航向姿态测量系统。　据进行实时处理，能为小型舰船提供高精度的航姿信息，　且系统体积小，易于安装。经过调试和试验，该测量系统已　得到成功应用。　【关键词】航向；姿态；测量　０引言　航向和姿态信息（包括横滚角度、横滚角速率、俯　仰角度和俯仰角速率）在舰船航行过程中实时变化，其对　操船控制和武器装备使用的精确性有重要影响。因此，　需要对舰船的航向和姿态进行实时测量并发送到舰船控　制系统，以进行控制修正和参数补偿，保障舰船的可靠　航行和装备的使用效能。　对大中型舰船，航向和姿态数据一般都是通过平台　罗经给出，但平台罗经的体积和重量大、费用昂贵，不宜　在小型舰艇上使用。小型舰船上一般安装陀螺罗经，利用　陀螺仪的定轴性和进动性，为舰船提供真北基准，实时测　量舰船的航向值，由姿态传感器完成舰船姿态信息的实时　测量。姿态传感器由三轴陀螺仪和三只加速度计组成，其　体积小，精度高，满足小型舰船的性能要求。　为了减少数据接口，提高各控制设备航姿数据的一　致性，本文将陀螺罗经测量的航向值和姿态传感器测量　的姿态数据融合为一路数据，同时为小型舰船上各控制　设备提供航姿信息。　１系统组成　该测量小型舰船航姿信息的系统，包括陀螺罗经、　姿态传感器和数据处理模块。　陀螺罗经完成舰船航向的实时测量，具有自动找北　的功能，在理想状态，它自动稳定在子午面内。因此，　它可以测量舰船相对北向的方位或指示舰船运动的航　向。陀螺罗经采用陀螺仪为敏感器件，根据角速度解算　出航向信息，并转换为ＲＳ４２２Ａ接口输出。陀螺罗经包括　主罗经和航向发送箱。　姿态传感器完成舰船姿态信息的实时测量，包括舰　船横滚角度、横滚角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。　姿态传感器由三轴硅微陀螺仪和三只石英振梁加速度计　组成，其体积小，精度高，适用于小型舰船。　数据处理模块完成航向数据和姿态数据的融合，主　要包括姿态传感器初始化、航向数据解析、姿态数据解　析、航姿数据融合、更新率设置、数据发送等，由软硬　件配合完成。本文主要介绍数据处理模块的实现。　图１系统组成　２数据处理模块　数据处理模块通过ＲＳ２３２Ｃ接口发送配置信息到姿态　传感器，完成对姿态传感器工作模式、数据更新率等参　数的初始化，接收到姿态传感器初始化成功的消息后开　始接收姿态数据，解析读取传感器状态、横滚角度、横　滚角速率、俯仰角度和俯仰角速率等。同时，该模块通　过ＲＳ４２２Ａ接口接收来自陀螺罗经的航向数据，解析提　取设备工作状态、航向值、航向变化率等信息。解析的　航向和姿态数据按照ＮＭＥＡ０１８３协议的格式进行组合，　同时根据更新率配置要求，该模块定时将航姿数据通过　ＲＳ４２２Ａ接口发送出去。　２．１硬件组成　数据处理模块硬件由接口电路、控制处理电路和电　压转换电路组成。控制处理电路由Ｃ５１单片机及其附属电　路组成，主要功能由灌装在单片机内的软件实现。根据　人工跳线或开关状态对姿态传感器和数据处理模块参数　进行配置，接收并解析航向数据和姿态数据，进行航姿　数据融合后将该数据发送到接口电路。　接口电路使用了ＳＴ１６Ｃ５５４芯片作为Ｃ５１单片机的　串口扩展芯片，实现４路串口通信。这４路串口通信可独　￣．７－－ｔｌｔ再　·８３·　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·探索与观察　图２　ＲＳ４２２Ａ电路　立控制发送和接收，具有可编程的串行数据发送格式。　２．２．２软件处理流程　ＳＴ１６Ｃ５５４与Ｃ５１单片机之间的接口包括：ＤＯ．Ｄ７双向８位　数据线，Ａ０．Ａ２片内寄存器选择信号，Ａ８．Ａ１１片选信号，　控制处理电路内软件处理流程如图３所示。　系统上电后，软件读入姿态传感器和系统配置参　１ＮＴＡ．ＩＮＴＤ串行口中断输出信号及ＷＲ、ＲＤ读写信号。　ＳＴ１６Ｃ５５４芯片扩展的４路串口与ＭＡｘ１４９０芯片连　接，实现ＴＴＬ电平与ＲＳ４２２Ａ电平之间的接口转换，如图　数，通过ＲＳ２３２Ｃ接口对姿态传感器的工作方式和更新率　参数进行配置，对系统输出航姿数据的更新率进行配置。　姿态传感器发送的第一帧数据为返回的配置文件，　２所示。Ｃ５ｌ单片机自身的ＵＡＲＴ串行接口与ＭＡＸ２３２芯片　连接，实现ＴＴＬ电平与ＲＳ２３２Ｃ电平之间的接口转换。１路　ＲＳ４２２Ａ接口完成控制处理电路与陀螺罗经的数据传输，　系统不作处理，在第一帧数据之后，系统通过两个串口　分别接收姿态数据和航向数据。　首先根据是否连续接收到两个起始标志“￥”来判断姿　３／￣ＲＳ４２２Ａ接口完成航姿数据的输出，１路ＲＳ２３２Ｃ接口　完成控制处理电路与姿态传感器的数据传输。　电压转换电路完成输入电压＋２４Ｖ￣ｌＪ模块上各芯片所　态数据是否收齐，若已经收齐，则计算接收数据的校验　码，并与接收数据中传输的校验码进行比较，若一致，　则接收数据无误，开始解析提取姿态数据中的传感器状　态、横滚角度、横滚角速率、俯仰角度和俯仰角速率等　信息。　需电压＋１２ｖ、＋５ｖ和＋３．３Ｖ的转换，由开关电源芯片和电　容、电阻、电感等元器件组成。在电压转换电路的ＰＣＢ　设计中，电源芯片与电容、电感的连接必须尽可能近，　若姿态数据未收齐，或姿态数据有误，或姿态数据　己正确解析，则根据是否连续接收到两个起始标志“￥，＇判　断航向数据是否收齐。若航向数据未收齐，或航向数据　有误，则继续接收航向数据，并进行判断。若已收齐，　则计算接收数据的校验和，并与接收数据中的校验码对　比，若一致，则对航向数据进行解析提取出工作状态和　航向值。　以减小输出电压的波动。　２．２软件实现　２．２．１软件功能　数据处理模块软件实现姿态传感器配置功能、姿态　数据采集功能、航向数据采集功能、航向姿态数据融合　功能以及串口通信功能。　数据处理模块软件通过读取硬件跳线设置，￣ＲＳ２３２Ｃ　串口配置姿态传感器的工作参数。该系统中不采用姿态传　感器的航向值，所以配置报文中序号３．序号７的内容都填０。　若航向数据己正确解析，则将横滚角度、横滚角速　率、俯仰角度、俯仰角速率及航向数据进行融合，并计　算校验码，组成一帧完整的航姿数据。　数据处理模块软件在完成姿态传感器配置后，通过　ＲＳ２３２Ｃ串口采集姿态传感器的姿态数据，通过ＲＳ４２２Ａ　串口采集罗经的航向数据。数据处理模块软件完成姿态　数据或航向数据采集后，进行航向姿态数据处理，包括　姿态数据的解析、计算和格式转换。航向姿态数据处理　完成后，将融合后的航姿数据通过串口输出。　·８４·电子世鼻　根据系统更新率配置参数，设置定时器时长，在定　时达到时将航姿数据通过串口发送出去。　在整个处理流程中，虽然先对姿态数据进行采集解　析，但其状态不影响航向数据的处理。但是，若未收到　有效的航向数据，则系统不输出航姿数据。在航姿数据　中，需要在相应的有效状态位对姿态和航向数据的实际　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ　ＷＯＲＬＤ·探索与观察　状态进行标识。　码错误等不同情况下航姿数据的输出状况。姿态传感器　直接接入到系统，改变姿态传感器的横滚角度和俯仰角　度，观察航姿数据是否正确。　经过调试，数据处理模块能正确解析和融合姿态数　据及航向数据。经过与陀螺罗经、姿态传感器的联合调　试，系统工作正常。　３结束语　本文实现了由陀螺罗经、姿态传感器和数据处理模　块组成的小型舰船航姿测量系统，该系统体积小、精度　高，经过调试和试验，能满足小型舰船对航姿数据测量　的要求，具有实际应用意义。　参考文献　图３数据处理流程　【１】孙庆祥，金炳哲，孟巍，臧义华．ＳＧＢｌＯ００７ｓＡ￣陀螺罗经　ｓ２．３系统调试　接口设计与实现Ⅱ】＿应用科技，２００７，３４（４）：３６—３８．　为了测试系统在各种不同状态下的输出，由计算　［２】李众，高键，李彦．基于单片机技术的数字电罗经系　机串口模拟输出陀螺罗经的航向数据，分别测试罗经未　统Ⅱ］．华东船舶工业学院学报，２０００，１４１５］：２７—３１．　稳定状态、稳定状态、航向数据不完整、航向数据校验　（上接第８２页）　作区产生低频共振噪声，而低频共振噪声会导致工作人　员心情烦躁。通过在发电机安装框架与方舱底框之间加　装减震器，可以隔离振动的传递。选用具有变阻尼特性　的减震器，在共振区内有大阻尼抑制共振峰值，在隔振　区内阻尼迅速减小，从而可达到较好的隔振效果。　图４通风散热方案　４通风散热设计　５结束语　开架式柴油发电机工作会产生大量的热量，并且靠　周围的空气流动将热量带走。为了保证发电机在允许的　通过采取上述综合措施，形成了基于开架式柴油　环境温度范围内长时间正常工作，需要对发电机舱做通　发电机的车载供电系统设计方案。方案中发电机散热良　风散热设计，重点是选择满足通风量要求的风机并设计　好、噪声等级满足系统要求且操作方便。该方案己得到　合理的通风风道。　应用，能够保证应急通信指挥车顺利开展工作。　首先，计算出发电机散热所需要的通风换气量以及　进、排气口的空气流速，以及以上计算所得的数据选择　参考文献　合适的排风机。［２］其次，解决好降噪与通风散热的矛盾，　【１］勾长虹，杜津玲．车载发电机组的降噪及通风散热技　在保证进气量、空气流速满足发电机正常工作的前提　术研究及应用Ⅱ】．中国汽车工程学会年会论文集，２００９．　下，控制风道截面积及长度，尽量减小噪音泄漏量。通　［２］张华，余晶晶，等．方舱内柴油机组的降温降噪处理Ⅱ］．　风散热设计方案如图４所示。　数字技术及机械加工工艺装备，２０１１（８）：３６－３９．　电子心鼻　·８５·