專利名稱：一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置及其檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船舶姿態(tài)檢測領域，具體涉及一種船舶姿態(tài)檢測裝置，還涉及其專用的檢測方法。
背景技術：
船舶姿態(tài)檢測作為船舶導航及控制領域的常規(guī)檢測項目，其常用的方法是通過對船舶慣性信息或GPS導航儀接收信息進行采集與分析。其中慣性信息是通過對導航陀螺及分布于船舷艙內的加速度傳感器進行采集實現(xiàn)；GPS導航儀的數(shù)據(jù)信息則是依據(jù)導航儀對繞地運行 的GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行解算分析完成的。由于傳統(tǒng)船體的慣性信息測量方法一般存在不可修正的誤差、且該誤差會根據(jù)航行時間的增加而累加，最終導致系統(tǒng)測量精度下降；而常見的GPS導航儀的測量精度較低、衛(wèi)星信號采集干擾較大，使其無法獨立精準的完成船舶測姿任務。如何設計一款能準確進行船舶姿態(tài)測量的裝置成為船舶導航與控制領域較為重要的問題之一。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種通過對船舶運動狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)船舶姿態(tài)的檢測與估計，以保證船舶正常航行的裝置，本發(fā)明的目的還在于提供一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置專用的檢測方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn):一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，包括數(shù)據(jù)處理器、加速度傳感器、GPS數(shù)據(jù)接收機和10自由度慣性傳感器，其特征在于:傳感器分散于船體四周，其中第一加速度傳感器(Q1)、第二加速度傳感器(Q2)、第三加速度傳感器(Q3)、第四加速度傳感器(Q4)均置于船體內部，位置處于水平面且分布于船舷兩側；第一 GPS數(shù)據(jù)接收機(G1)、第二 GPS數(shù)據(jù)接收機(G2)、第三GPS數(shù)據(jù)接收機(G3)的天線位于船舶甲板上，三臺數(shù)據(jù)接收機放置位置的彼此連線所構成的三角形對稱于船舶中軸線；10自由度慣性傳感器(D1)，安裝于數(shù)據(jù)處理器上。數(shù)據(jù)處理器的總輸入電壓為VIN，其電壓值為24V ;LM2596S_5.0降壓芯片(Ul)的管腳I與VIN相連，管腳2為輸出電壓端、其電壓值為+5V，管腳3與管腳5接GND，管腳2與管腳4間接33uH的第一電感(Lll) ；200uF電容(CTl)兩端分別接于VIN與GND之間，IOOOuF電容(CT2)、第一 0.1uF電容(C132)兩端分別接于+5V與GND之間；第二電感(LOl)的兩端分別接+5V及TPS75733芯片(U9)的管腳2 ；TPS75733芯片的管腳I與管腳3接GND、管腳4端產生+3.3V電壓VCC ;第一 IOkQ電阻(R35)兩端分別接TPS75733芯片的管腳5及VCC;第一 IuF電容(C2)、第一 IOOuF電容(CT2)的兩管腳分別接于+5V與GND之間，第二 IuF電容(C121)、第一 IOuF電容(CT6)的兩管腳分別接于TPS75733芯片管腳2與GND之間；第三IuF電容(C128)、第二 IOOuF電容(CT3)兩管腳分別接于VCC與GND之間；SPX1117M3-1.8芯片(UlO)的管腳3接+5V，管腳I接GND,管腳2端產生1.8V電壓；第二0.1uF電容(C35)、第三IOOuF電容(C34)兩管腳分別接于1.8V與GND之間；1.8V電壓經過第三電感(LI) 一端，另一端為VDDA1.8V，VCC電壓經過第四電感(L2) —端，另一端記為VDDA3.3V，GND經過第五電感(L3) —端，另一端記為AGND，+5V電壓經過第六電感(LO) —端，其另一端記為VDDA5V ；TMS320F2808芯片(U2)，管腳3、管腳46、管腳65、管腳82及管腳96接VCC，管腳10、管腳42、管腳59、管腳68、管腳85、管腳93接1.8V電壓，管腳2、管腳
11、管腳41、管腳49、管腳55、管腳62、管腳69、管腳77、管腳87、管腳89、管腳94接GND ；20MHz石英晶振(Yll)，其兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳86及管腳88 ;第一 24pF電容(C181)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳88及GND ;第二 24pF電容(C191)兩端分別接TMS320F2808芯片的的管腳86及GND ；TMS320F2808芯片的管腳90接GND ；14針JTAG接口(CN31)，引腳I與TMS320F2808芯片的管腳74連接，引腳2與TMS320F2808芯片的管腳84連接，引腳3與TMS320F2808芯片的管腳73連接，引腳7與TMS320F2808芯片的管腳76連接，引腳9與TMS320F2808芯片的管腳75連接，引腳11與TMS320F2808芯片的管腳75連接，引腳13與TMS320F2808芯片的管腳80連接，引腳14與TMS320F2808芯片的管腳81連接，引腳4、引腳8、引腳10、引腳12均接GND，引腳5接VCC ;第一 4.7kQ電阻(R141)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳81及VCC、第二 4.7k Ω電阻(R131)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳80及VCC、2.2k Ω電阻(R91)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳84及GND ；第三0.1uF電容(C23)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳26及AGND ；TMS320F2808芯片的管腳26與管腳15接VDDA3.3V ；TMS320F2808芯片的管腳25、管腳14、管腳13、管腳39均接AGND ；TMS320F2808芯片的管腳12與管腳40接VDDA1.8V ;第四0.1uF電容(C24)、第五
0.1uF電容(C25)兩端分別接于VDDA1.8V及AGND之間；第二 IOkQ電阻(R711)兩端分別接于VCC與TMS320F2808芯片的管腳78之間；第六0.1uF電容(C681)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；C721 (22uF)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；按鍵(KEY51)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；第一
2.2uF電容(C17)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳37 ;第二 2.2uF電容(C16)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳36之間；22.1kQ電阻(R3)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳38之間TMS320F2808芯片的管腳24接AGND ；ADR421ARM電壓基準源芯片(U15)，管腳2接VDDA5V;第二 IOuF電容(CT8)、第七0.1uF電容(C83)兩端分別接于ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳2與GND之間；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳4接AGND ；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳6產生基準電壓記為VREF ；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳4與管腳6之間接第八0.1uF電容(C84);ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳6與TMS320F2808芯片的管腳35連接;第九0.1uF電容(C61)、第十0.1uF電容(C71)、第-j^一 0.1uF 電容(C81)、第十二 0.1uF 電容(C91 )、第十三 0.1uF 電容(C911)、第十四 0.1uF電容(C511)為降噪電容其兩端均接于VCC與GND之間；第十五0.1uF電容(C101、)、第十六
0.1uF電容(C111)、第十七0.1uF電容(C121 )、第十八0.1uF電容(C131 )、第十九0.1uF電容(C141)、第二十0.1uF電容(C142)為降噪電容其兩端均接于1.8V與GND之間；加速度傳感器為MMA7260，第一加速度傳感器(U3)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第一加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳23，第一加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳22，第一加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳
21、第一加速度傳感器 的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳47、第一加速度傳感器的管腳2接TMS320F2808芯片的管腳44、第一加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳45 ;第二加速度傳感器(U4)的管腳3接VCC、第二加速度傳感器的管腳4接GND ;第二加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳20、第二加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳19、第二加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳18、第二加速度傳感器的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳48、第二加速度傳感器的管腳2接TMS320F2808芯片的管腳51、第二加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳53 ；第三加速度傳感器(U5)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第三加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳17、第三加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳16、第三加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳27、第三加速度傳感器的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳56、第三加速度傳感器的管腳2接TMS320F2808芯片的管腳58、第三加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳60 ;第四加速度傳感器(U6)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第四加速度傳感器管腳13接TMS320F2808芯片的管腳28、第四加速度傳感器管腳14接TMS320F2808芯片的管腳29、第四加速度傳感器管腳15接TMS320F2808芯片的管腳30、第四加速度傳感器管腳I接TMS320F2808芯片的管腳61、第四加速度傳感器管腳2接TMS320F2808芯片的管腳64、第四加速度傳感器管腳12接TMS320F2808芯片的管腳70。10自由度慣性傳感器為ADIS16407，10自由度慣性傳感器(U12)管腳I與TMS320F2808芯片管腳8連接、管腳2與TMS320F2808芯片管腳9連接、管腳3與TMS320F2808芯片管腳54連接、管腳4與TMS320F2808芯片管腳52連接、管腳5與TMS320F2808芯片管腳50連接、管腳6與TMS320F2808芯片管腳57連接、管腳7與TMS320F2808芯片管腳I連接、管腳8與TMS320F2808芯片管腳100連接、管腳9與TMS320F2808芯片管腳95連接、管腳21與TMS320F2808芯片管腳32連接；第一 10自由度慣性傳感器ADIS16407管腳10、管腳11、管腳12接+5V ;管腳13、14、15接GND。數(shù)據(jù)處理器包括RS485通信芯片(U14)，第一 20kQ電阻(R27)兩端分別與TMS320F2808芯片管腳92及RS485通信芯片管腳I連接；第二 20kQ電阻(R28)兩端分別與TMS320F2808芯片 管腳92及GND連接；RS485通信芯片管腳2與管腳3連接、RS485通信芯片管腳2與TMS320F2808芯片管腳43連接、RS485通信芯片管腳4與TMS320F2808芯片管腳4連接；RS485通信芯片管腳8接+5V、管腳5接GND ;第一 120 Ω電阻(R29)兩端分別與TMS320F2808芯片管腳7及TMS320F2808芯片管腳6連接；第二i^一 0.1uF電容(C44)兩端分別接于+5V與GND之間；485通信接口(Pl)引腳I與RS485通信芯片管腳7連接、引腳2與RS485通信芯片管腳6連接、引腳3與GND連接；485通信接口的引腳1、引腳2、引腳3分別與GPS數(shù)據(jù)接收機的485通信接口連接；CAN總線通信芯片(U13)管腳I與TMS320F2808芯片管腳與U19管腳6連接、CAN總線通信芯片管腳4與U20管腳4連接；第一 20k Ω電阻(R22)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳I及+5V連接、第二 20k Ω電阻(R21)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳4及+5V連接；CAN總線通信芯片管腳2與GND連接、管腳3與+5V連接、管腳8與GND連接；CAN總線通信芯片管腳6、管腳7分別與CAN_BUS端口兩引腳連接，以實現(xiàn)CAN總線通信；第二 120 Ω電阻(R61)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳6、管腳7連接；第一光耦U20管腳4、5接GND、管腳I接+5V、管腳8接VCC、管腳6與TMS320F2808芯片管腳6相連；第二 U19管腳4、5接GND、管腳8接+5V、管腳I接VCC、管腳2與TMS320F2808芯片管腳7相連。船舶姿態(tài)復合檢測方法，包括如下步驟:(I)程序初始化；(2)通過與CAN總線通信確定不同測姿模式所占權重；(3)通過RS485通信模式依次對GPS數(shù)據(jù)接收機的數(shù)據(jù)信息進行接收；(4)對3個GPS數(shù)據(jù)接收機的數(shù)據(jù)進行降噪濾波；(5)對濾波后的GPS數(shù)據(jù)信息進行計算，確定當前船舶姿態(tài)；(6)采集三軸加速度傳感器輸出的模擬電壓，計算各測量所處而三軸加速度；(7)通過對測量點的加速度值與重力加速度g的關系，確定個測量點平面與水平面的位置關系；(8)采集10自由度慣性傳感器數(shù)據(jù)信息，作為參考數(shù)據(jù)信息；(9)數(shù)據(jù)融合，將加速度傳感器采集到的位置關系數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，估計出4個傳感器所處平面與水平面關系，實現(xiàn)船舶姿態(tài)測量；(10)根據(jù)不同測姿模式所占權重，結合GPS測姿結果與慣性元件測姿結果，計算船舶姿態(tài)； (11)通過與CAN總線通信，將船舶姿態(tài)信息上傳至主控系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明通過采用GPS測姿與慣性元件測姿相結合的方式，實現(xiàn)了對船舶姿態(tài)的實時測量，彌補了單一測量方式在測量過程中所存在的不足，提升了測量精度，優(yōu)化了測試效
果O


圖一船舶姿態(tài)檢測裝置安裝位置示意圖；圖二船舶姿態(tài)檢測裝置電路原理圖；圖三船舶姿態(tài)檢測裝置程序流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明如下:采用慣性信息與GPS測姿技術相融合的方式實現(xiàn)船舶姿態(tài)檢測通過在船體內安裝多個慣性傳感器實現(xiàn)對船舶自身運動姿態(tài)的采集、并對航向航跡進行估計與預測；通過對安置于船體甲板上的3個GPS導航儀的導航數(shù)據(jù)進行采集，通過數(shù)據(jù)融合算法實現(xiàn)基于GPS的無線電船舶姿態(tài)測量，并與傳感器航向航跡估計預測數(shù)據(jù)進行修正；通過CAN總線通信方式實現(xiàn)船舶姿態(tài)檢測裝置與中央控制室間的數(shù)據(jù)通信；本發(fā)明還有這樣一些特點:該船舶姿態(tài)檢測裝置以TMS320F2808作為數(shù)據(jù)處理器；該船舶姿態(tài)檢測裝置采用MMA7260三軸加速度傳感器、ADIS1640710自由度慣性傳感器進行船舶自身運動姿態(tài)的采集；該船舶姿態(tài)檢測裝置采用RS485通信協(xié)議實現(xiàn)與多個船舶GPS導航儀之間的網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)采集；結合圖1，本發(fā)明裝置的相關傳感器分散于船體四周，以實現(xiàn)對不同位置數(shù)據(jù)信息的采集。其中加速度傳感器Q1、Q2、Q3、Q4均置于船體內部、其位置處于水平面且分布于船舷兩側，其作用是通過對不同位置的三軸加速度信息進行采集實現(xiàn)對各測量點所處狀態(tài)進行采集；GPS數(shù)據(jù)接收機Gl、G2、G3其天線位于船舶甲板上，上述數(shù)據(jù)接收機放置位置的彼此連線所構成的三角形對稱于船舶中軸線，其作用是通過對不同位置數(shù)據(jù)接收機的GPS報文進行測姿運算，實現(xiàn)對甲板所處平面的姿態(tài)測量；D1為10自由度慣性傳感器其位置置于本發(fā)明專利裝置上，實現(xiàn)對全船綜合慣性數(shù)據(jù)的采集。如圖2所示，為本發(fā)明裝置電路原理圖。本專利的總輸入電壓為VIN，其電壓值為24V。Ul為LM2596S-5.0降壓芯片，其管腳I與VIN相連，管腳2為輸出電壓端、其電壓值為+5V，管腳3與管腳5接GND，管腳2與管腳4間接電感Lll (33uH)。電容CTl (200uF)兩端分別接于VIN與GND之間，電容CT2 (IOOOuF),電容C132 (0.1uF)兩端分別接于+5V與GND之間。電感LOl的兩端分別接+5V及U9的管腳2。U9為TPS75733，其管腳I與管腳3接GND、管腳4端產生+3.3V電壓VCC0 R35 (IOkQ)兩端分別接U9管腳5及VCC0 C2(luF)、CT2 (IOOuF)起降噪作用兩管腳分別接于+5V與GND之間，C121 (luF)、CT6 (IOuF)起降噪作用兩管腳分別接于U9管腳2與GND之間。C128 (luF)、CT3 (IOOuF)起降噪作用兩管腳分別接于VCC與GND之間。UlO為SPX1117M3-1.8，其管腳3接+5V，管腳I接GND，管腳2端產生1.8V電壓。C35 (0.luF)、C34 (IOOuF)起降噪作用兩管腳分別接于1.8V與GND之間。1.8V電壓經過電感LI 一端，其另一端記為VDDA1.8V, VCC電壓經過電感L2—端，其另一端記為VDDA3.3V，GND經過電感L3 —端，其另一端記為AGND，+5V電壓經過電感LO一端，其另一端記為 VDDA5V。U2 為 TMS320F2808，其管腳 3、46、65、82 及 96 接 VCC，管腳 10、42、59、68、85、93 接 1.8V，管腳 2、11、41、49、55、62、69、77、87、89、94 接 GND。Yll 為 2OMHz 石英晶振，其兩端分別接U2管腳86及88。電容C181 (24pF)兩端分別接U2管腳88及GND。電容C191(24pF)兩端分別接 U2管腳86及GND。U2管腳90接GND。CN31為14針JTAG接口，其引腳I與U2管腳74連接，其引腳2與U2管腳84連接，其引腳3與U2管腳73連接，其引腳7與U2管腳76連接，其引腳9與U2管腳75連接，其引腳11與U2管腳75連接，其引腳13與U2管腳80連接，其引腳14與U2管腳81連接，其引腳4、8、10、12均接GND，其引腳5接VCC。電阻R141 (4.71^)兩端分別接似管腳81及￥0:、電阻1 131 (4.7kΩ)兩端分別接U2管腳80及VCC、電阻R91 (2.2k Ω )兩端分別接U2管腳84及GND。C23 (0.1uF)兩端分別接U2管腳26及AGND。U2管腳26與管腳15接VDDA3.3V。U2管腳25、14、13、39均接于AGND0 U2管腳12與管腳40接于VDDA1.8V。C24 (0.1uF), C25 (0.1uF)兩端分別接于VDDA1.8V及AGND之間。R711 (IOk Ω )兩端分別接于VCC與U2管腳78之間。C681(0.1uF)兩端分別接于GND與U2管腳78之間。C721 (22uF)兩端分別接于GND與U2管腳78之間。按鍵KEY51兩端分別接于GND與U2管腳78之間。C17 (2.2uF)兩端分別接AGND與U2管腳37。C16 (2.2uF)兩端分別接AGND與U2管腳36。R3 (22.1kΩ )兩端分別接AGND與U2管腳38。U2管腳24接AGND。U15為ADR421ARM電壓基準源芯片，其管腳2接VDDA5V。電容CT8 (10uF)、電容C83 (0.1uF)兩端分別接于U15管腳2與GND之間。U15管腳4接AGND。U15管腳6產生基準電壓記為VREF。U15管腳4與管腳6之間接電容C84(0.luF)。U15 管腳 6 與 U2 管腳 35 連接。電容 C61 (0.1uF)、C71 (0.1uF)、C81 (0.luF)、C91 (0.luF)、C911 (0.luF)、C511 (0.1uF)為降噪電容其兩端均接于VCC與GND之間。電容ClOl (0.1uF),Clll (0.1uF)、C121 (0.luF)、C131 (0.luF)、C141 (0.luF)、C142 (0.1uF)為降噪電容其兩端均接于1.8V與GND之間。U3為加速度傳感器MMA7260，其位置對應為Ql采集點。U3管腳3接VCC、管腳4接GND。U3管腳13接U2管腳23、管腳14接U2管腳
22、管腳15接U2管腳21、U3管腳I接U2管腳47、管腳2接U2管腳44、管腳12接U2管腳45。U4為加速度傳感器MMA7260，其位置對應為Q2采集點。U4管腳3接VCC、管腳4接GND0 U3管腳13接U2管腳20、管腳14接U2管腳19、管腳15接U2管腳18、U3管腳I接U2管腳48、管腳2接U2管腳51、管腳12接U2管腳53。U5為加速度傳感器MMA7260，其位置對應為Q3采集點。U5管腳3接VCC、管腳4接GND0 U3管腳13接U2管腳17、管腳14接U2管腳16、管腳15接U2管腳27、U3管腳I接U2管腳56、管腳2接U2管腳58、管腳12接U2管腳60。U6為加速度傳感器MMA7260，其位置對應為Q4采集點。U3管腳3接VCC、管腳4接GND0 U3管腳13接U2管腳28、管腳14接U2管腳29、管腳15接U2管腳30、U3管腳I接U2管腳61、管腳2接U2管腳64、管腳12接U2管腳70。U12為ADIS1640710自由度慣性傳感器，其位置對應為Dl采集點，其管腳I與U2管腳8連接、管腳2與U2管腳9連接、管腳3與U2管腳54連接、管腳4與U2管腳52連接、管腳5與U2管腳50連接、管腳6與U2管腳57連接、管腳7與U2管腳I連接、管腳8與U2管腳100連接、管腳9與U2管腳95連接、管腳21與U2管腳32連接。U12管腳10、11、12接+5V。U12管腳13、14、15接GND。U14為RS485通信芯片，其作用時實現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)接收機網(wǎng)絡與DSP2808間的數(shù)據(jù)通信。電阻R27 (20kQ )兩端 分別與U2管腳92及U14管腳I連接；電阻R28 (20kQ )兩端分別與U2管腳92及GND連接。U14管腳2與管腳3連接、U14管腳2與U2管腳43連接、U14管腳4與U2管腳4連接。U14管腳8接+5V、管腳5接GND。電阻R29 (120 Ω )兩端分別與U2管腳7及U2管腳6連接。電容C44 (0.1uF)兩端分別接于+5V與GND之間。Pl為485通信接口，其引腳I與U14管腳7連接、引腳2與U14管腳6連接、引腳3與GND連接。Pl的引腳1、2、3分別與GPS數(shù)據(jù)接收機的485通信接口相關引腳連接。U13為CAN總線通信芯片，其作用是實現(xiàn)該姿態(tài)檢測裝置與主控系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信。U13管腳I與U2管腳與U19管腳6連接、U13管腳4與U20管腳4連接。電阻R22 (20kΩ )兩端分別與U13管腳I及+5V連接、電阻R21 (20kQ)兩端分別與U13管腳4及+5V連接。U13管腳2與GND連接、管腳3與+5V連接、管腳8與GND連接。U13管腳6、7分別與CAN_BUS端口兩引腳連接，以實現(xiàn)CAN總線通信。電阻R61 (120Ω)兩端分別與U13管腳6、7連接。U20管腳4、5接GND、管腳I接+5V、管腳8接VCC、管腳6與U2管腳6相連。U19管腳4、5接GND、管腳8接+5V、管腳I接VCC、管腳2與U2管腳7相連。結合圖3，船舶姿態(tài)檢測裝置程序流程包括以下步驟:( I)程序初始化，完成后進入步驟2 ；(2)通過與CAN總線通信確定不同測姿模式所占權重，完成后進入步驟3 ；(3)通過RS485通信模式依次對GPS數(shù)據(jù)接收機(Gl、G2、G3)的數(shù)據(jù)信息進行接收，完成后進入步驟4;(4)采用差分算法對3個GPS數(shù)據(jù)接收機的數(shù)據(jù)進行降噪濾波，完成后進入步驟5 ；(5)對濾波后的GPS數(shù)據(jù)信息進行計算，確定當前船舶姿態(tài)，完成后進入步驟6 ；
(6)采集Ql、Q2、Q3、Q4三軸加速度傳感器輸出的模擬電壓，計算各測量所處而三軸加速度，完成后進入步驟7 ；(7)通過對測量點的加速度值與重力加速度g的關系，確定個測量點平面與水平面的位置關系，完成后進入步驟8 ;(8)采集DllO自由度慣性傳感器數(shù)據(jù)信息，作為參考數(shù)據(jù)信息，完成后進入步驟9 ；(9)數(shù)據(jù)融合，將Q1、Q2、Q3、Q4采集到的位置關系數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，以估計出上述4個傳感器所處平面與水平面關系，實現(xiàn)船舶姿態(tài)測量，完成后進入步驟10 ；(10)根據(jù)不同測姿模式所占權重，結合GPS測姿結果與慣性元件測姿結果，計算船舶姿態(tài)，完成后進入步驟11;(11)通過與CAN總線通信，將 船舶姿態(tài)信息上傳至主控系統(tǒng)，完成后返回步驟2。
權利要求
1.一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，包括數(shù)據(jù)處理器、加速度傳感器、GPS數(shù)據(jù)接收機和10自由度慣性傳感器，其特征在于:傳感器分散于船體四周，其中第一加速度傳感器(Q1)、第二加速度傳感器(Q2)、第三加速度傳感器(Q3)、第四加速度傳感器(Q4)均置于船體內部，位置處于水平面且分布于船舷兩側；第一 GPS數(shù)據(jù)接收機(Gl)、第二 GPS數(shù)據(jù)接收機(G2)、第三GPS數(shù)據(jù)接收機(G3)的天線位于船舶甲板上，三臺數(shù)據(jù)接收機放置位置的彼此連線所構成的三角形對稱于船舶中軸線；10自由度慣性傳感器(D1)，安裝于數(shù)據(jù)處理器上。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理器的總輸入電壓為VIN，其電壓值為24V ;LM2596S-5.0降壓芯片(Ul)的管腳I與VIN相連，管腳2為輸出電壓端、其電壓值為+5V，管腳3與管腳5接GND，管腳2與管腳4間接33uH的第一電感(Lll) ；200uF電容(CTl)兩端分別接于VIN與GND之間，IOOOuF電容(CT2)、第一 0.1uF電容(C132)兩端分別接于+5V與GND之間；第二電感(LOl)的兩端分別接+5V及TPS75733芯片(U9)的管腳2 ；TPS75733芯片的管腳I與管腳3接GND、管腳4端產生+3.3V電壓VCC;第一 IOkQ電阻(R35)兩端分別接TPS75733芯片的管腳5及VCC;第一 IuF電容(C2)、第一 IOOuF電容(CT2)的兩管腳分別接于+5V與GND之間，第二 IuF電容(C121)、第一 IOuF電容(CT6)的兩管腳分別接于TPS75733芯片管腳2與GND之間；第三IuF電容(C128)、第二 IOOuF電容(CT3)兩管腳分別接于VCC與GND之間;SPX1117M3_1.8芯片(UlO)的管腳3接+5V，管腳I接GND,管腳2端產生1.8V電壓；第二 0.1uF電容(C35)、第三IOOuF電容(C34) 兩管腳分別接于1.8V與GND之間；1.8V電壓經過第三電感(LI)一端，另一端為VDDA1.8V, VCC電壓經過第四電感(L2)—端，另一端記為VDDA3.3V,GND經過第五電感(L3)—端，另一端記為AGND，+5V電壓經過第六電感(LO)—端，其另一端記為VDDA5V ；TMS320F2808芯片(U2)，管腳3、管腳46、管腳65、管腳82及管腳96接VCC，管腳10、管腳42、管腳59、管腳68、管腳85、管腳93接1.8V電壓，管腳2、管腳11、管腳41、管腳49、管腳55、管腳62、管腳69、管腳77、管腳87、管腳89、管腳94接GND ;20MHz石英晶振(Yll )，其兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳86及管腳88 ;第一 24pF電容(C181)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳88及GND ;第二 24pF電容(C191)兩端分別接TMS320F2808芯片的的管腳86及GND ；TMS320F2808 芯片的管腳 90 接 GND ;14 針 JTAG 接口(CN31 )，引腳 I 與 TMS320F2808 芯片的管腳74連接，引腳2與TMS320F2808芯片的管腳84連接，引腳3與TMS320F2808芯片的管腳73連接，引腳7與TMS320F2808芯片的管腳76連接，引腳9與TMS320F2808芯片的管腳75連接，引腳11與TMS320F2808芯片的管腳75連接，引腳13與TMS320F2808芯片的管腳80連接，引腳14與TMS320F2808芯片的管腳81連接，引腳4、引腳8、引腳10、引腳12均接GND，引腳5接VCC ;第一 4.7k Ω電阻(R141)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳81及VCC、第二 4.7kQ電阻(R131)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳80及VCC、2.2kQ電阻(R91)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳84及GND ;第三0.1uF電容(C23)兩端分別接TMS320F2808芯片的管腳26及AGND ；TMS320F2808芯片的管腳26與管腳15接VDDA3.3V ；TMS320F2808芯片的管腳25、管腳14、管腳13、管腳39均接AGND ；TMS320F2808芯片的管腳12與管腳40接VDDA1.8V;第四0.1uF電容(C24)、第五0.1uF電容(C25)兩端分別接于VDDA1.8V及AGND之間；第二 IOkQ電阻(R711)兩端分別接于VCC與TMS320F2808芯片的管腳78之間；第六0.1uF電容(C681)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；C721 (22uF)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；按鍵(KEY51)兩端分別接于GND與TMS320F2808芯片的管腳78之間；第一 2.2uF電容(C17)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳37 ;第二 2.2uF電容(C16)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳36之間；22.1kQ電阻(R3)兩端分別接AGND與TMS320F2808芯片的管腳38之間TMS320F2808芯片的管腳24接AGND ；ADR421ARM電壓基準源芯片(U15)，管腳2接VDDA5V ；第二 IOuF電容(CT8)、第七0.1uF電容(C83)兩端分別接于ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳2與GND之間；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳4接AGND ；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳6產生基準電壓記為VREF ；ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳4與管腳6之間接第八0.1uF電容(C84);ADR421ARM電壓基準源芯片的管腳6與TMS320F2808芯片的管腳35連接；第九 0.1uF 電容(C61)、第十 0.1uF 電容(C71)、第^^一 0.1uF 電容(C81 )、第十二 0.1uF電容(C91)、第十三0.1uF電容(C911)、第十四0.1uF電容(C511)為降噪電容其兩端均接于VCC與GND之間；第十五0.1uF電容(C101、)、第十六0.1uF電容(C111)、第十七0.1uF電容(C121)、第十八0.1uF電容(C131)、第十九0.1uF電容(C141 )、第二十0.1uF電容(C142)為降噪電容其兩端均接于1.8V與GND之間。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，其特征在于:所述的加速度傳感器為MMA7260，第一加速度傳感器(U3)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第一加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳23，第一加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳22，第一加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳21、第一加速度傳感器的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳47、第一加速度傳感器的管腳2接TMS320F2808芯片的管腳44、第一加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳45 ;第二加速度傳感器(U4)的管腳3接VCC、第二加速度傳感器的管腳4接GND ;第二加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳20、第二加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳19、第二加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳18、第二加速度傳感器的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳48、第二加速度傳感器的管腳2接TMS320F2808芯片的管腳51、第二加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳53 ;第三加速度傳感器(U5)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第三加速度傳感器的管腳13接TMS320F2808芯片的管腳17、第三加速度傳感器的管腳14接TMS320F2808芯片的管腳16、第三加速度傳感器的管腳15接TMS320F2808芯片的管腳27、第三加速度傳感器的管腳I接TMS320F2808芯片的管腳56、第三加速度傳感器的管`腳2接TMS320F2808芯片的管腳58、第三加速度傳感器的管腳12接TMS320F2808芯片的管腳60 ;第四加速度傳感器(U6)的管腳3接VCC、管腳4接GND ;第四加速度傳感器管腳13接TMS320F2808芯片的管腳28、第四加速度傳感器管腳14接TMS320F2808芯片的管腳29、第四加速度傳感器管腳15接TMS320F2808芯片的管腳30、第四加速度傳感器管腳I接TMS320F2808芯片的管腳61、第四加速度傳感器管腳2接TMS320F2808芯片的管腳64、第四加速度傳感器管腳12接TMS320F2808芯片的管腳70。
4.根據(jù)權利要求3所述的一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，其特征在于:所述的10自由度慣性傳感器為ADIS16407，10自由度慣性傳感器(U12)管腳I與TMS320F2808芯片管腳8連接、管腳2與TMS320F2808芯片管腳9連接、管腳3與TMS320F2808芯片管腳54連接、管腳4與TMS320F2808芯片管腳52連接、管腳5與TMS320F2808芯片管腳50連接、管腳6與TMS320F2808芯片管腳57連接、管腳7與TMS320F2808芯片管腳I連接、管腳8與TMS320F2808芯片管腳100連接、管腳9與TMS320F2808芯片管腳95連接、管腳21與TMS320F2808芯片管腳32連接；第一 10自由度慣性傳感器ADIS16407管腳10、管腳11、管腳 12 接+5V ;管腳 13、14、15 接 GND。
5.根據(jù)權利要求2或4所述的一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理器包括RS485通信芯片(U14)，第一 20k Ω電阻(R27)兩端分別與TMS320F2808芯片管腳92及RS485通信芯片管腳I連接；第二 20kQ電阻(R28)兩端分別與TMS320F2808芯片管腳92及GND連接；RS485通信芯片管腳2與管腳3連接、RS485通信芯片管腳2與TMS320F2808芯片管腳43連接、RS485通信芯片管腳4與TMS320F2808芯片管腳4連接；RS485通信芯片管腳8接+5V、管腳5接GND ;第一 120 Ω電阻(R29)兩端分別與TMS320F2808芯片管腳7及TMS320F2808芯片管腳6連接；第二i^一 0.1uF電容(C44)兩端分別接于+5V與GND之間；485通信接口(Pl)引腳I與RS485通信芯片管腳7連接、引腳2與RS485通信芯片管腳6連接、引腳3與GND連接；485通信接口的引腳1、引腳2、引腳3分別與GPS數(shù)據(jù)接收機的485通信接口連接；CAN總線通信芯片(U13)管腳I與TMS320F2808芯片管腳與U19管腳6連接、CAN總線通信芯片管腳4與U20管腳4連接；第一 20k Ω電阻(R22)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳I及+5V連接、第二 20kQ電阻(R21)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳4及+5V連接；CAN總線通信芯片管腳2與GND連接、管腳3與+5V連接、管腳8與GND連接；CAN總線通信芯片管腳6、管腳7分別與CAN_BUS端口兩引腳連接，以實現(xiàn)CAN總線通信；第二 120 Ω電阻(R61)兩端分別與CAN總線通信芯片管腳6、管腳7連接；第一光耦U20管腳4、5接GND、管腳I接+5V、管腳8接VCC、管腳6與TMS320F2808芯片管腳6相連；第二 U19管腳4、5接GND、管腳8接+5V、管腳I接VCC、管腳2與TMS320F2808芯片管腳7相連。
6.一種船舶姿態(tài)復合檢測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)程序初始化； (2)通過與CAN總線通信確定不同測姿模式所占權重； (3)通過RS485通信模式依次對GPS數(shù)據(jù)接收機的數(shù)據(jù)信息進行接收； (4)對3個GPS數(shù)據(jù)接收機的數(shù)據(jù)進行降噪濾波； (5)對濾波后的GPS數(shù)據(jù)信息進行計算，確定當前船舶姿態(tài)； (6)采集三軸加速度傳感器輸出的模擬電壓，計算各測量所處而三軸加速度； (7)通過對測量點的加速度值與重力加速度g的關系，確定個測量點平面與水平面的位置關系； (8)采集10自由度慣性傳感器數(shù)據(jù)信息，作為參考數(shù)據(jù)信息； (9)數(shù)據(jù)融合，將加速度傳感器采集到的位置關系數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，估計出4個傳感器所處平面與水平面關系，實現(xiàn)船舶姿態(tài)測量； (10)根據(jù)不同測姿模式所占權重，結合GPS測姿結果與慣性元件測姿結果，計算船舶姿態(tài)； (11)通過與CAN總線通信，將船舶姿態(tài)信息上傳至主控系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及船舶姿態(tài)檢測領域，具體涉及一種船舶姿態(tài)檢測裝置，還涉及其專用的檢測方法。一種船舶姿態(tài)復合檢測裝置，包括數(shù)據(jù)處理器、加速度傳感器、GPS數(shù)據(jù)接收機和10自由度慣性傳感器，其特征在于傳感器分散于船體四周，其中第一加速度傳感器、第二加速度傳感器、第三加速度傳感器、第四加速度傳感器均置于船體內部，位置處于水平面且分布于船舷兩側；三臺數(shù)據(jù)接收機放置位置的彼此連線所構成的三角形對稱于船舶中軸線；10自由度慣性傳感器，安裝于數(shù)據(jù)處理器上。本發(fā)明通過采用GPS測姿與慣性元件測姿相結合的方式，實現(xiàn)了對船舶姿態(tài)的實時測量，彌補了單一測量方式在測量過程中所存在的不足，提升了測量精度，優(yōu)化了測試效果。
文檔編號G01S19/49GK103245964SQ201310121150
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月9日 優(yōu)先權日2013年4月9日
發(fā)明者陳瀟, 邢博聞, 李冰, 曹姝清 申請人:哈爾濱工程大學