【文章內(nèi)容簡介】 器主要包括俯仰電機、橫滾電機和方位電機，其中俯仰和橫滾采用了步進電機，方位采用直流電機；控制器是以MSP430F149為主控芯片的控制電路板。 穩(wěn)定伺服分系統(tǒng)在控制電路中，GPS通過串口向控制板發(fā)送天線所在地的經(jīng)緯度，水平儀感應整個系統(tǒng)的姿態(tài)值；三個陀螺輸出的電壓信號通過AD轉(zhuǎn)換將天線的各個軸系統(tǒng)的速度值傳送給控制器，AGC電壓信號通過AD轉(zhuǎn)換將感應到的衛(wèi)星強度信號傳送給控制器；最終控制器計算輸出各個軸所需轉(zhuǎn)動的速度，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動各個電機轉(zhuǎn)動響應的角度。下面介紹該模塊中所用到的主要器件。 MSP430簡介德州儀器(TI)公司的MSP430系列單片機(或稱為微控制器)，是一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機，具有如下特點：(1)超低功耗，工作電流為200，且具有5種節(jié)能模式；(2)高效16位RISCCPU，只需簡介的27條指令；片內(nèi)寄存器數(shù)量多，存儲器可實現(xiàn)都種運算；(3)豐富的片上外圍模塊，本系統(tǒng)采用的是MSP430F149，其包含12為A/D，精密模擬比較器，硬件乘法器，2組頻率可達8MHz的時鐘模塊，2個帶有大量捕獲、比較寄存器的16位定時器，看門狗，兩個可實現(xiàn)異步、同步的串行通信接口，數(shù)十個可實現(xiàn)方向設(shè)置及中斷功能的并行輸入、輸出端口等；(4)方便高效的開發(fā)方式：MSP430F149具有FLASH存儲器，開發(fā)工具相當簡便；(5)適應工業(yè)級運行環(huán)境：其運行環(huán)境溫度范圍為40~85，所設(shè)計的產(chǎn)品適合運行于工業(yè)環(huán)境下[43][52]。 GPS接收機GPS是以接收導航衛(wèi)星信號為基礎(chǔ)的非自主式導航與定位系統(tǒng)，通過接收來自至少4顆衛(wèi)星的信號即可提供接收地的經(jīng)度、緯度、高度等信息，其精度有幾厘米至幾十米不等，由于本系統(tǒng)只是在初始對星時需要測量載體的所在位置，精度要求不高，故選用精度為幾米的GPS即可滿足要求。GPS接收機將導航信息組成標準格式的GPS定位語句輸出給控制器，控制器將該數(shù)據(jù)做進一步的處理，并結(jié)合同步衛(wèi)星的位置信息，利用公式即可求出天線對準衛(wèi)星應保持的方位、俯仰角。目前的GPS接收機有外接天線和內(nèi)置天線兩種，為便于安裝，本系統(tǒng)選擇帶有內(nèi)置天線的GPS接收機。選用了接口為RS232口的GS216m作為GPS信號接收設(shè)備()，該接口式的GS216m除了一個DB9口外，還另外引出了2跟線，分別為電源和地線，方便與多種設(shè)備相連。其性能特點如下：1) 低功耗、性價比高、外觀設(shè)計簡潔緊湊；2) 具備快速定位、同時搜索32顆衛(wèi)星的能力；3) 內(nèi)置低噪聲、高靈敏度天線；4) 跟蹤能力：159dBm；5) 捕捉能力：148dBm；6) 差分精度可達5米；7) 標準NMEA0183語句選擇輸出，傳輸速率：4800，9600可選；8) 使用者不需進行初始化設(shè)置，可以直接接收數(shù)據(jù)；9) 定位時間(平均時間)：熱啟動3秒，暖啟動36秒，冷啟動42秒；10) 每秒脈沖1PPS(可選)；11) LED顯示使用狀態(tài)； GPS接收機 水平儀選型本系統(tǒng)中使用的水平儀是由Honeywell公司生產(chǎn)的HMR3000()，通過RS232/485串口提供航向輸出(橫滾、俯仰、與偏航)，具有快速的響應時間至20Hz，176。，176。，允許用戶對其輸出進行組態(tài)，包括六種NMEA的標準組合。在本系統(tǒng)中使用的是RS232接口，硬件連線簡單。值得注意的是，在使用中我們發(fā)現(xiàn)，如果周圍有硬鐵，或者別的帶有磁場的元器件將會對水平儀的輸出有影響，故需要謹慎安裝水平儀，或者將屏蔽水平儀，以保證其正常工作[43]。 安裝在支架塊上的水平儀 陀螺選型在本系統(tǒng)中，使用了3個陀螺，分別測量俯仰軸、橫滾軸、方位軸的擾動，采用由BEI公司生產(chǎn)的微機械陀螺，：陀螺感應軸線 陀螺外觀圖和各引腳功能圖該陀螺機構(gòu)緊湊，可靠性高，具有低功耗、快速啟動、低漂移等特點，其應用旋轉(zhuǎn)向心力效應，依靠振蕩石英的壓電變形原理敏感其軸線的旋轉(zhuǎn)角速度。主要參數(shù)如下：感應速度范圍是；電壓輸出范圍是；短期陀螺零點漂移為；分辨率為；啟動時間小于1；工作溫度范圍為。 驅(qū)動元件的選擇由于方位系統(tǒng)處于最外層，其電機的轉(zhuǎn)動會驅(qū)動整個跟蹤平臺的轉(zhuǎn)動，故方位電機的負載最大，而方位電機的調(diào)速性能又直接決定了整個系統(tǒng)的跟蹤精度，考慮到無刷直流電機具有調(diào)速性能好，效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點，故確定方位系統(tǒng)的傳動裝置為無刷直流電機。俯仰、橫滾系統(tǒng)負載較小，考慮到步進電機方便調(diào)速，控制簡單，性價比高，具有自鎖功能等特點，適合于本系統(tǒng)俯仰、橫滾系統(tǒng)，故確定橫滾、俯仰系統(tǒng)的傳動裝置為步進電機。方位電機(無刷直流電機)采用了瑞士Maxon公司的EC系列無刷直流電機EC45，定子繞組為三相星型連接，輸出軸接減速比為26:1的減速器。俯仰、橫滾電機(步進電機)采用了美國Eastern Air Devices Dover ，型號為LA23ECK12。 監(jiān)控模塊系統(tǒng)的監(jiān)控模塊主要負責實時、動態(tài)顯示系統(tǒng)的姿態(tài)值、AGC電平值、電機的轉(zhuǎn)速等，傳輸距離較遠，速率較高，故采用RS422通信(這一模塊的硬件與上面提到的直流電機的驅(qū)動在另一塊電路板中，并與以MSP430F149為主控芯片的電路板實時通信，本論文不重點介紹)。監(jiān)控計算機采用了聯(lián)想品牌機，奔騰4處理器，，這些指標可以滿足本系統(tǒng)對監(jiān)控計算機的要求。另外還需要422串口卡，AGC信號采集卡等。 本章總結(jié)本章主要介紹系統(tǒng)的總體設(shè)計及部分硬件選擇，首先介紹了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用了俯仰橫滾方位三軸跟蹤結(jié)構(gòu)，俯仰、橫滾、方位、支架塊四個自由度；然后介紹了針對海事衛(wèi)星通信的設(shè)計指標；最后根據(jù)這一指標將本系統(tǒng)模塊化，分別為衛(wèi)星通信模塊，穩(wěn)定與跟蹤控制模塊，監(jiān)控模塊三部分，重點介紹了前兩個模塊，并給出了所需硬件的選型。3 陀螺信號濾波在系統(tǒng)中的應用 引言本系統(tǒng)使用了多個傳感器，包括三個陀螺儀，一個三軸電子羅盤（水平儀），一個信標機。其中陀螺儀安裝在各個軸上，作為感知系統(tǒng)各個軸的速度信號，其輸出精度在很大程度上決定了最終系統(tǒng)的跟蹤精度。而在實際測試中，發(fā)現(xiàn)來自陀螺的輸出信號混雜了各種干擾信號。要減小陀螺信號噪聲對系統(tǒng)跟蹤精度的影響，目前主要有兩種途徑：一是選用抗干擾較強，精度較高的激光陀螺、光纖陀螺等；二是對陀螺進行濾波以達到提高信號精度的目的。然而高精度的陀螺儀價格很昂貴，并不適用于本系統(tǒng)，因此，在實際應用中，我們需要設(shè)計合理有效的濾波方法對陀螺信號進行濾波，提取陀螺輸出中有用的信號，從而保證系統(tǒng)精度。本章針對系統(tǒng)的陀螺輸出進行濾波處理，將平滑濾波、IIR數(shù)字濾波、最小二乘多項式擬合等方法進行了仿真分析，并在實際系統(tǒng)中進行應用比較。 陀螺輸出的頻譜特性為了獲得陀螺輸出的有用信號，對陀螺的輸出進行頻譜分析是有必要的。由于本系統(tǒng)中陀螺信號的采樣值是一個離散值，故對陀螺的輸出進行頻譜分析時需要采用離散傅里葉變換。離散傅里葉變換（Discrete Fourier Transform，縮寫為DFT）是傅里葉變換在時域和頻域上都呈離散的形式，將信號的時域采樣變換為其DTFT的頻域采樣。在形式上，變換兩端（時域和頻域上）的序列是有限長的，而實際上這兩組序列都應當被認為是離散周期信號的主值序列。即使對有限長的離散信號作DFT，也應當將其看作其周期延拓的變換。在實際應用中通常采用快速傅里葉變換計算DFT[19]。下面給出離散傅里葉變換的變換對：對于N點序列，它的離散傅里葉變換(DFT)為 其中e是自然對數(shù)的底數(shù)，i是虛數(shù)單位。通常以符號表示這一變換，即 離散傅里葉變換的逆變換（IDFT）為： 可以記為：通過前面的討論，序列的N點DFT的物理意義是對X(ejw)在[0，2π]上進行N點的等間隔取樣。在matlab中可以實現(xiàn)離散系統(tǒng)的頻譜分析。 俯仰系統(tǒng)勻速運動陀螺輸出的頻譜圖，原始信號是俯仰陀螺在俯仰軸以18176。/s的速度恒速運動時，陀螺的輸出曲線，其輸出值是陀螺的原始輸出經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，采樣頻率是100HZ。從頻譜圖中我們可以看出，在信號的高頻段以量測噪聲為主，其幅值與俯仰系統(tǒng)的運動速度及摩擦有關(guān)。 IIR數(shù)字濾波器在系統(tǒng)中的應用在實際系統(tǒng)的調(diào)試以及陀螺的輸出頻譜分析中，我們發(fā)現(xiàn)陀螺的輸出受到的高頻噪聲影響較大，和模擬濾波器相比，因為信號的形式和實現(xiàn)濾波的方法不同，數(shù)字濾波器具有比模擬濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、重量輕、靈活、不要求阻抗匹配等優(yōu)點。本系統(tǒng)采用控制芯片在線執(zhí)行數(shù)字濾波處理程序。 IIR濾波器，即無限長單位沖激響應濾波器，是一類非常常見數(shù)字的濾波器，它的N階函數(shù)為：這一類濾波器的理論和設(shè)計方法已發(fā)展得比較成熟，且有一些典型的數(shù)字濾波器供我們選擇，如巴特沃斯(Butterworth)濾波器、切比雪夫(Chebyshev)濾波器、橢圓(Cauer)濾波器等，這些典型的濾波器各有特點。經(jīng)過各種濾波器的比較，我們發(fā)現(xiàn)巴特沃斯濾波器的特性是通帶內(nèi)的幅度響應有最大限度的平滑，但損失了截止頻率處的下降斜度；切比雪夫型濾波器通帶內(nèi)為等波紋的，阻帶內(nèi)為單調(diào)的，它在過渡帶的下降斜度比切比雪夫型濾波器大，但其代價是通帶內(nèi)波紋較大；切比雪夫型濾波器通帶內(nèi)為單調(diào)的，阻帶內(nèi)等波紋的，雖然它在過渡帶下降較快，但其阻帶內(nèi)波紋太大，以至于其能應用的場合很少；橢圓濾波器在通帶和阻帶均為等波紋的，與切比雪夫濾波器相比，它在過渡帶的下降斜度更大，一般情況下，橢圓濾波器能以最低的階數(shù)實現(xiàn)指定的性能指標。因此我們在本系統(tǒng)中主要采用了橢圓濾波器，下面對其進行分析。 橢圓濾波器的簡介橢圓濾波器幅值響應在通帶和阻帶內(nèi)都是等波紋的，對于給定的階數(shù)和給定的波紋要求，橢圓濾波器能獲得較其它濾波器更窄的過渡帶寬，就這點而言，橢圓濾波器是最優(yōu)的。通過對濾波器幅頻響應函數(shù)的介紹[39]，可以初步了解該濾波器在通帶、過渡帶和阻帶的基本特性。橢圓濾波器的幅頻響應函數(shù)為：其中N為濾波器的階數(shù)，其中，表示通帶波紋的大小，越大，波紋越大，為雅可比橢圓函數(shù)，L是一個表示波紋性質(zhì)的參量，這個波紋對應到幅頻響應函數(shù)上是阻帶內(nèi)的波紋。的特性曲線如下圖所示： N=5時，的特性曲線由圖可見，在歸一化通帶內(nèi)，即，在0到1之間振蕩，而超過后，在和間振蕩。L越大，也變大。這一特點使濾波器同時在阻帶內(nèi)具有任意衰減量。 (a) N為奇數(shù) (b) N為偶數(shù) 橢圓濾波器的幅頻響應特性曲線其中確定的公式為：；；而確定N的公式為：，其中，為第一類橢圓積分，其表達式為： 橢圓濾波器的設(shè)計步驟，分析了陀螺輸出的頻譜特性，[10]，那么陀螺測得的擾動信號也應在此頻率范圍內(nèi)，在用橢圓濾波器處理中，需要考慮到這些因素。橢圓濾波器設(shè)計步驟如下：1) 根據(jù)濾波器的指標確定濾波器的階數(shù)N。設(shè)計時一般會知道以下四個量： 確定N的公式為：；2) 在matlab中用ellip函數(shù)求出濾波器的傳遞函數(shù)。3) 利用沖激響應不變法將轉(zhuǎn)換成。下面給出針對本系統(tǒng)的陀螺濾波的橢圓濾波器的設(shè)計：本系統(tǒng)陀螺的采樣頻率Fs=100Hz、 wc=10/(*Fs)、ws=15/(*Fs)、ac=、as=15。 3階橢圓濾波器的幅頻響應與相頻響應在matlab中輸入[n,wn]=ellipord(wp,ws,ap,as,39。z39。)。[b,a]=ellip(n,ap,as,wn,39。z39。)?？梢缘玫絽?shù)a,b,由于濾波器是3階的，則輸出out(i)與輸入in(i)之間的關(guān)系就可以表示為： （）可以看出陀螺的當前輸出值只與當前值以及前3個時刻的值有關(guān)，故其在控制器中的應用也會簡便很多，具有較高的實時性。后面將給出此方法的仿真曲線以及實際輸出曲線。 遞推最小二乘多項式擬合上一節(jié)提出了針對陀螺信號的輸出誤差采用了數(shù)字濾波器的方法，以傅里葉變換為基礎(chǔ)，屬于頻域的濾波方法。目前，很多研究采用建立陀螺誤差模型，然后依據(jù)模型對其進行誤差補償，通常有解析法與實驗法兩種。但本系統(tǒng)中陀螺的噪聲信號較多，不容易分析，且對其濾波處理需要在線執(zhí)行，要保證較高的實時性較，因此，對于建立陀螺模型的濾波處理方法在本系統(tǒng)的實際應用中很難做到。如果在固定的周期內(nèi)，在線的辨識出陀螺的輸出與定時周期之間的關(guān)系，并通過多項式擬合的方法，計算出該時刻的陀螺輸出，將會是一種簡便且實用的方法。因此，本節(jié)將遞推最小二乘多項式擬合方法應用到陀螺信號的濾波處理中。 遞推最小二乘的基本原理最小二乘大約是1795年高斯在他那星體運動軌道預報工作中提出的，與其他方法相比，最小二乘法原理簡單，易于理解和掌握，且最小二乘估計在一定條件下具有良好的統(tǒng)計性，因而最小二乘法得到了廣泛應用。但是在使用最小二乘法進行參數(shù)估計時,實時性較差,而本系統(tǒng)中陀螺的輸出需要在線得到，遞推最小二乘法則能解決這一問題，其更適合于在線辨識[19]。遞推最小二乘算法的基本思路是： 新的估計值=老的估計值修正值。新的估計值是在老的估計值的基礎(chǔ)上修正而成的。遞推估計算法無需存儲全部數(shù)據(jù)，取得一組觀測數(shù)據(jù)，便可估計一次參數(shù)，因此所需的計算量和占用的存儲空間都很小，而且能實現(xiàn)在線實時辨識： （）為了進行遞推計算，需要給出和的初值。 多項式擬合假設(shè)給定數(shù)據(jù)點(i=0,1,…,m)，為所有次數(shù)不超過的多項式構(gòu)成的函數(shù)類，現(xiàn)求一,使得 ()當擬合函數(shù)為多項式時，稱為多項式擬合，滿足式()的稱為最小二乘擬合多項式。特別地，當n=1時，稱為線性擬合或直線擬合。顯然 ()為的多元函數(shù)，因此上述問題即為求的極值問題。由多元函數(shù)求極值的必要條件，得 ()即 ()()是關(guān)于的線性方程組，用矩陣表示為 ()式()或式()稱為正規(guī)方程組或法方程組。可以證明，方程組()的系數(shù)矩陣是一個對稱正定矩陣，故存在唯一解。從式()中解出(k=0,1,…，n)，從而可得多項式 ()可以證明，式()中的滿足式()，即為所求的擬合多項式。我們把稱為最小二乘擬合多項式的平方誤差，記作