船舶纵横倾姿态测量系统总体框架设计

岳大超 刘敏林 吴杰长

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

船舶纵横倾姿态测量系统总体框架设计

岳大超 刘敏林 吴杰长

海军工程大学船舶与动力学院，湖北武汉 430033

随着船舶姿态控制自动化程度的提高，传统的机械式纵横倾姿态角测量装置已不能满足船舶现代化的要求。提出一种船舶纵横倾姿态数字化测量系统的总体框架设计方案，通过旋转变压器对船舶纵横倾姿态信息进行采集，经RDC-19222芯片对旋转变压器输出的模拟电信号进行数字转换，最终借由单片机的控制实现纵横倾姿态角度信息的实时显示。试验证明，该系统性能稳定，测量精度较高，具有较高的实用价值。

纵横倾；旋转变压器；单片机

1 引言

纵横倾姿态角是船舶航行的重要姿态参数之一。随着船舶姿态控制自动化程度的不断提高，纵横倾作为船舶关键的姿态参数，要求采用数字式倾角传感技术将纵横倾角度模拟信号转换为电信号后输出给船舶姿态控制系统。为满足现代船舶姿态控制数字化的需求，本文设计了一种基于旋转变压器—数字转换器（RDC）的船舶纵横倾姿态角度信号数字化测量系统。该系统通过能够适应船舶高盐高湿工作环境的旋转变压器作为船舶姿态信号的采集装置，并通过专用RDC芯片对旋转变压器输出的模拟电信号进行解码，得到与姿态角对应的数字电信号，并将之输出至液晶显示模块实现船舶姿态角的实时显示［1］。与传统机械式测量装置相比，本文设计的船舶姿态实时监测装置体积小巧，仅为传统机械式测量装置的三分之一；纵倾姿态测量精度最高可达 0.1°（在-10°～+10°范围内），满足船舶姿态角测量要求。

2 实验系统姿态角传感器机构设计

为了模拟船舶平台产生的纵横倾姿态角度变化，需要通过传感器感知船舶平台的倾斜程度。本系统采用的是两个安装位置相互垂直，结构完全相同的姿态角传感器。其中测量平面与纵轴线平行、与横轴线垂直的传感器叫做纵倾角传感器；测量平面与横轴线平行、与纵轴线垂直的传感器叫做横倾角传感器。

姿态角传感器的结构如图1所示，主要包括拨叉机构、摆锤机构、旋转变压器和底座等。

图1 固体摆式姿态角传感器结构简图Fig.1 Architecture of solid pendulum posture angle sensor

姿态角传感器的工作原理如下：传感器的地垂基准由精密的摆锤机构构成，传感器的摆锤与水平面垂线之间的夹角经过拨叉机构的传递传送给旋转变压器。拨叉机构的存在可以有效地消除交叉轴±8.5°范围内的倾斜对测量轴测量精度的影响。旋转变压器的作用是把感应到的角度值转变为幅值与之成正余弦关系的正余弦信号，输出给数据处理系统，将之转换为数字信号输出并显示。

2.1 横倾角的测量

当实验平台从水平静止位置旋转了一个角度α时，可以看做是实验平台经过先纵倾一个角度β，之后横倾一个角度γ的旋转过程。设由横倾角传感器测量的角度为γ′，经过计算可得：

由式（1）可以看出，γ′＝γ。横倾角传感器测量的角度值γ′是实验平台按照先纵倾，再横倾的顺序倾斜时的横倾角γ。

2.2 纵倾角的测量

当实验平台从水平位置倾斜了一个角度α时，可以看作是实验平台经过先横倾一个角度γ1，之后纵倾一个角度β1的旋转过程。设由纵倾角传感器测量的角度为β′，经过计算可得：

由式（2）可以看出，β′＝ β1。纵倾角传感器测量的角度值并不是实验平台按照先纵倾后横倾的顺序进行倾斜时的纵倾角β，而是按照先横倾后纵倾的顺序进行倾斜时的纵倾角β1。

式中，cosγ是横倾角测量机构的余弦输出，sinβ1和cosβ1分别是纵倾角测量机构的正余弦输出。若以β1代替β，必然会带来原理误差。为了消除纵倾角测量的原理误差，需要按照式（3）求取纵倾角β。

2.3 旋转变压器的选取

实验平台旋转角度模拟电信号的产生由旋转变压器完成。旋转变压器是一种输出电压幅值随转子转角变化而变化的角度传感元件。当励磁绕组通过一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成一定的函数关系，按照不同的对应函数关系分类，旋转变压器可以分为以下三大类［2－3］：

1）正—余弦旋转变压器

此类旋转变压器的输出电压与转子的转角成正—余弦函数关系。

2）线性旋转变压器

此类旋转变压器的输出电压与转子的转角成线性函数关系。线性旋转变压器按转子结构还可以分成隐极式和凸极式两种。

3）比例式旋转变压器

此类旋转变压器的输出电压与转子的转角成比例关系。

本系统中采用的旋转变压器为正—余弦式旋转变压器。该类旋转变压器基于电磁感应原理设计，它的定子和转子分别由两组空间上互成90°的绕组组成，彼此同心，相互耦合。定子的两组绕组分别称为激磁绕组和交轴绕组，转子的两组绕组分别称为正弦绕组和余弦绕组。一般采用转子单相绕组激磁。当在转子绕组上施加正弦激磁电压u＝U sinωt后，定子的正弦绕组和余弦绕组分别产生交流感应电势：

式中，Um为零位处最大电压幅值，V；αD为转子轴的机械角位移或定子轴与转子轴的角位移；ω为激磁电压角频率。

3 数据采集和处理

旋转变压器是模拟机电元件，输出的是模拟电信号，为实现纵横倾姿态角度的数字化测量，需要通过一定接口电路，即旋转变压器—数字转换器（RDC），实现模拟电信号到数字电信号的转换。本系统选用的RDC为RDC－19222芯片。

3.1 RDC－192222 简介

RDC－19222是由DDC公司生产的16位单片集成RDC芯片，与其它RDC芯片相比，具有功能丰富、体积小、功耗低、精度高、与计算机接口简单、所需外围电路少等优点。RDC－19222内部原理如图2所示，其具体特性：最高精度可达1.3角分；单5 V供电；数字输出分辨率、带宽和跟踪速率均可编程；可在－55°～125°温度范围内工作；体积小巧［4］。

图2 RDC－19222内部原理及与外围器件连接Fig.2 Inter principle and connecting peripheral devices of RDC－19222

3.2 外围器件参数选择

根据RDC－19222外围器件参数的设计原则以及系统具体要求，各外围器件参数的设计过程如下［5-7］。

RDC－19222输出信号的分辨率是通过改变A、B两引脚的逻辑状态实现的，具体控制逻辑关系如表1。

表1 RDC－19222输出分辨率控制逻辑Tab.1 Control logic for output resolution of RDC－19222

不同的分辨率会影响RDC－19222芯片输出的数字信号位数，从而影响整个系统的测量精度。10、12、14、16 位所对应的最小测量角度分别为0.35°、0.08°、0.02°和 0.005°。 根据设计要求，系统测量精度应为 0.1°，故选择 RDC－19222 分辨率为12位。

为设置满足系统要求的闭环带宽和跟踪速率，我们只需要正确选择5个外部元件（RC、RS、RV、RB和 CBW）。 根据 RDC－19222 外围元器件参数的设计原则，元件参数具体计算方法如下：

1）最大跟踪速率的选择和系统使用的载波频率分别参照表2和表3。

表2 最大跟踪速率选取参照表Tab.2 Selection ofmaximum tracking rate

表3 最大载波频率参照表Tab.3 Selection ofmaximum carrier frequency

2）要特别注意的是，在选择FBW闭环带宽时，务必保证RDC的最大跟踪速率与闭环带宽的比率不超过表4内所列指标。

表4 最大跟踪速率与闭环带宽的约束关系Tab.4 Relationship ofmaximum tracking rate and closed－loop bandwidth

系统所选用的 RV、RB、CBW参数可由 DDC公司提供的元器件选择软件计算得到。

配合以上计算所得元器件参数，就构成了Ⅱ型闭环跟踪型RDC，可将旋转变压器输出的模拟电信号转换为数字电信号，从而满足纵横倾姿态角度数字化测量的要求。当RDC－19222外围元器件确定后，为使系统拥有较强的稳定性和抗干扰能力，需要选择能够满足系统要求的最小的闭环带宽和跟踪速率，因为这样可以获得最大的噪声抑制效果［8］。

4 系统总体设计

4.1 硬件设计

船舶纵横倾姿态测量系统要求能够快速准确地显示船舶纵横倾姿态，同时要确保其高可靠性。基于旋转变压器和RDC－19222专用转换芯片的角度测量单元可以最大程度地满足精确度要求，但要实现纵横倾姿态的实时显示，还需要通过单片机的控制，以实现数据的传输和显示。本系统以西门子公司的SAB80C166为控制微处理器［9］，系统整体框图如图3所示。

图3 纵横倾姿态测量系统框图Fig.3 Diagram of vertical and horizontalmeasurement system

4.2 软件设计

软件设计任务主要是在移植操作系统的基础上，设计控制系统的应用程序，其任务就是在总体设计和硬件设计的基础上设计软件功能模块，完成每个模块功能。本系统软件主程序设计的总体思路是：在主程序中进行单片机处理器、I／O端口、LCD的初始化，并创建主任务，之后启动整个系统，实现角度信息的采集和实时显示［10］。整个主程序的系统流程图如图4。程序运行显示效果如图5、图6所示。

图4 系统程序流程图Fig.4 System flowchart

图5 横倾姿态角显示Fig.5 Display of horizontal angle

图6 纵倾姿态角显示Fig.6 Display of vertical angle

5 实验结果分析

为检验本文设计的船舶纵横倾姿态测量系统的测量精度，通过在实验室环境下采用高精度光电编码器与本系统测量同一轴角的方法，对比其测量结果，达到检验其测量精度的目的。具体测量数据如表5所示，待测设计系统为纵倾姿态测量系统。

表5 测量对比结果Tab.5 Com parisons ofm easurement r esults

根据设计要求，进行纵倾姿态角测量时，在-10°～10°范围内精度要求为 0.1°，在其它角度范围内精度要求为0.5°。通过对比测量结果可知，本系统具有较高的测量精度，完全满足设计要求。

同时，在实验室环境下对本系统工作稳定性进行了测试。在20 d的测试时间内使其连续工作，测试期间该系统测量数据精确、工作状态稳定、无故障发生，证实本系统具有较好的工作稳定性。

6 结束语

综上所述，本文所设计的船舶纵横倾姿态测量系统角度指示精确、工作稳定而可靠，该系统的推广使用必将使船舶纵横倾姿态实时监测效率大幅度提高。

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Whole Scheme Design of the Transverse and Longitudinal Attitude Estim ation of Ships

Yue Da－Chao Liu Min－Lin Wu Jie－Chang
College of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

As the development of ship automation， traditional mechanical measurement devices for transverse and longitudinal attitude estimation could notmeet the new requirements.The paper proposed a schematic design with a new method of digitalmeasurement system，which collecting the angle information with the rotating transformer， then achieving ADC by RDC-19222 chips.The vertical and horizontal angle information was displayed in real-time under control of the MCU.The results show that the system is stable， accurate， and of high practical value.

transverse and longitudinal inclination； rotating transformer； MCU

U666.1

A

1673-3185（2011）06-83-05

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.06.017

2011-04-06

岳大超（1987-），男，硕士研究生。研究方向：船舱自动化与仿真技术。E-mail：190699223＠qq.com

刘敏林（1962-），男，副教授。研究方向：传感器技术。