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基于ZYNQ,的激光陀螺寻北仪的设计

2023-05-11 13:05:04

李锦明,田登辉

(中北大学仪器与电子学院,山西太原 030051)

地理方位信息自古以来就是人类生产活动和社会实践中不可或缺的信息,因此人类不停地对方向定位等方面进行研究。在古代,人们通过北斗星的位置来确定北向信息,其中四大发明中指南针的发明更是体现了祖先的智慧[1]。但是古代传统的寻北方法极易受到天气、环境等外界因素的影响,存在着精度不高、适应环境困难等巨大缺陷。随着社会和科技的发展,这些方法已经不能满足人们对定位的需求,无论是军用还是民用领域对寻北的精度提出了更高的要求[2]。

对于北向的定义通常有多种,在测量时其北向的标准分为真北和磁北[3]。真北指的是在地球表面的任意一点指向北极的方向,其方向是恒定不变的。磁北通常就是指地球磁场的北极,对于古代人们使用指南针测得的北向就是磁北方向[4]。但是由于地球的磁轴在不断地运动,因此磁北的方向也在不断发生变化。

光纤陀螺寻北寻的是真北方向,光纤陀螺通过测量不同位置时地球自转角速度在光纤陀螺敏感轴向的分量,从而计算出所测方向与真北方向的夹角[5]。光纤陀螺是一种测量其敏感轴上角速度的一种传感器,因此光纤陀螺的输出实际就是其法线方向的角速度,从而将陀螺的法线作为其测量方向。图1 所示为光纤陀螺寻北的工作原理图。

图1 光纤陀螺寻北原理图

地球每天绕着地轴进行自转,地球的自转角速度为15°/h。观察图2 可知,ωe就是陀螺静止时地球的自转角速度[6]。ωe1为地理北极的角速度;
ωe2为光纤陀螺与地面垂直时的角速度;
图中的ψ指陀螺所处位置的地球纬度。在测量时陀螺是静止不动的,其陀螺输出的结果不是ωe1,而是地球自转角速度在光纤陀螺法线上的分量[7]。其光纤陀螺的输出ω'如式(1)所示:式中,θ为光纤陀螺法线方向与北方向的夹角,为陀螺输出的随机零漂。

该文所设计的光纤陀螺寻北仪由单个XB185D单轴闭环光纤陀螺和两个单轴加速度计、两个温度传感器、精密电控转台、稳压电源、串口通信和外围电路等组成。将光纤陀螺XB185D 和两个加速度计安装在控制转台上,两个加速度计的敏感轴相互正交,用于测量旋转平台的倾斜角。光纤陀螺的敏感轴和电控转台所在台面平行,用于测量地球的自转角速度。系统以Xilinx 的高性能ZYNQ-7000 系列XC7Z020 为逻辑控制核心对陀螺采集到的数据进行处理,运用四位置寻北算法进行解算后将数据发送给上位机,并且通过AD 芯片AD7693 对加速度计得到的数据进行采集,通过温度传感器DS18B20 对温度数据进行采集。系统总体框图如图2 所示。

图2 系统总体框图

2.1 加速度计信号采集模块

将两路加速度计相互正交地安装在转位机构里面,用于测量转位机构与水平面的倾斜程度。石英加速度计输出的是电流信号,而AD7693 的输入要求是电压信号,因此必须将加速度计采集到的数据进行处理将其转换为电压信号[8]。查阅加速度计的数据手册可得其输出的电流范围为-5~+5 mA。AD7693 的参考电压VREF为2.5 V,其输出的范围为0~2.5 V。为了满足AD7693 的电压输入范围,系统采用运放OPA2340 进行信号调理。将加速度的输出信号接入运放的同向端,并在同向端引入1.25 V 的偏置电压使其输出端的电压变换范围为0~2.5 V。信号调理电路图如图3 所示。

图3 信号调理电路

2.2 温度采集模块

系统采用DS18B20 作为温度采集的传感器,DS18B20 是一款常用的高精度单总线数字温度测量芯片,具有体积小、抗干扰能力强、硬件开销低、精度高的特点[9]。DS18B20 的测温范围为-55~+125 ℃,尤其是在-10~+85 ℃范围内其误差仅仅为±0.4 ℃[10]。DS18B20 总共有三个管脚,分别为电源端、电源地端和数据输入/输出端[11]。其中数据输入/输出端必须接一个上拉电阻。温度采集电路图如图4 所示。

图4 温度采集电路

2.3 陀螺数据采集模块

寻北仪采用单轴闭环光纤陀螺XB185D 进行数据采集。该陀螺建立在环形多匝光纤环基础上,是一种基于Sagnac 效应,以闭环控制电路为基础的单轴光纤角速率传感器[12]。当光纤环围绕垂直于光纤环平面的敏感轴旋转时,相向传播的两光束产生相位差,该差值正比于旋转角速度。将该差值解调输出,即可获得载体的旋转角速率。

XB185D 主要由光纤环、Y 波导、耦合器、SLD 光源、PIN-FET、光源驱动电路及信号处理电路构成,主要用于高铁、飞艇、直升机、无人机等各种光纤捷联姿态参考系统中[13]。

陀螺测量的角速率信号在外同步信号的触发下(下降沿触发),以RS422 串口方式输出。陀螺的主板接±5 V 电源,以RS422 的形式进行外部输出。陀螺通过RS422 接口接收外部400 Hz 差分方波同步信号,同步时刻为正脉冲下降沿。该陀螺的传输速为115 200 bps,其数据更新率为400 Hz。

系统的软件设计部分主要是通过verilog 语言在vivado 中进行编程来实现[14]。该节将会对光纤陀螺数据采集模块、加速度计数据采集模块、A/D 转换模块、FIFO 存储模块、上位机姿态显示模块等进行详细描述,这些模块主要完成数据的处理,然后利用上位机根据用户指标完成光纤陀螺姿态角的显示。

3.1 陀螺数据采集软件设计

系统在转台运行到0°、90°、180°、270°位置时对陀螺进行数据采集。系统通过vivado 编写光纤陀螺数据采集程序。XC7Z020 作为主控芯片主要由PS和PL 两部分组成的,在PL 中编写脉冲使能信号,并将其封装成IP 核;
然后在vivado 的block design 中对ZYNQ7 Processing System 进行配置,并将封装好的IP 核连接到该系统中;
在XC7Z020 的PS 模块中接收光纤陀螺采集的数据。

FPGA 与陀螺之间的数据传输是通过RS422总线进行实现的,双方规定它们之间的波特率为115 200 bps。每次主控芯片要获取光纤陀螺的数据,就需要向光纤陀螺发送一个脉冲使能信号,该系统采用的使能脉冲信号的周期为1 s,通过一个I/O端口向光纤陀螺发送脉冲信号,然后光纤陀螺向主控发送10 个字节的光纤陀螺数据。

3.2 A/D转换模块

AD7693 是一种基于电荷再分配DAC 的16 位的逐次逼近型ADC。系统采用状态机的方式对AD7693进行驱动程序的编写。在驱动AD7693 的过程中采用四种状态,其分别为空闲状态、A/D 转换状态、数据获取状态、数据输出状态。首先当AD 器件处于空闲状态时将器件的CNV 端拉低,并将SDI 端变成高电平,对其寄存器进行初始化。当接收到使能信号后开始进行AD 转换,在AD 转换过程中将CNV 端变为高电平并对其所处高电平的时间进行计时,当计时时间达到2 μs 时,将CNV 端拉低,其状态跳转到数据获取状态。在数据获取状态中,通过SDO 端将A/D 转换的数据存储到FPGA 的FIFO 中。其A/D 转换控制模块流程图如图5 所示。

图5 A/D转换模块流程图

3.3 寻北算法解析模块

陀螺寻北采用四位置寻北法进行解算,其四位置法就是测量四个位置的陀螺数据,且每个位置相距90°。将陀螺最开始的位置测得的数据记为ω1,此时它与真北方向的夹角为θ。将比ω1大90°的位置所测的转速记为ω2;
比ω1大180°的位置的转速记为ω3;
比ω1大270°的位置的转速记为ω4;
此时根据陀螺的输出公式可得结果如式(2)所示:

式中,ω为地球的自转角速度,ψ为陀螺所处位置的纬度,θ为初始位置与真北方向的夹角,e为随机误差,e0为系统误差。然后经过一系列的三角运算可得tanθ,其计算公式如式(3)所示:

利用反三角函数从而求出北向夹角θ,其公式如式(4)所示:

3.4 数据编帧模块

在采集完数据之后下位机需要通过串口将数据结果发送给上位机。由于系统对多组数据进行采集,为了防止数据发生紊乱,因此对所采集的陀螺数据、加速度数据、温度数据进行编帧处理。系统采用90H 作为帧头、91H 作为帧尾,用于识别每一帧的数据,其中帧头后的四位数据为陀螺采集到的数据,之后为加速度计和温度的数据。其具体的数据帧结构如表1 所示。

表1 数据帧结构

在测量之前必须保证转台所处平面水平不能有任何的倾斜角度[15]。将陀螺垂直放进转台中,接通电源开始进行数据的采集。为了提高数据的精度,在每个位置进行多次测量然后取平均值。上位机与下位机每经过1 s 进行一次数据通信,在每个位置采集1 min。之后控制转位机进行90°旋转,再继续进行数据的采集,按相同的操作进行180°、270°数据的采集。将四个位置所得的角速度分别记为ω1、ω2、ω3、ω4,将所得结果带入式(4)就可以得到初次测量位置距离北向的夹角。为了验证四位置法标定的真北方向的精度,分别测量八个位置。其具体结果如表2 所示。

表2 光纤陀螺四位置法寻北结果

通过上位机对光纤陀螺进行标定后,此时上位机能够准确地显示光纤陀螺与真北角相差的角度,该系统设置的光纤陀螺与真北角相差角度范围为0°~360°[16]。通过设置上位机的寻北方法为四位置法,采样时间为100 s,转台转动的角速度为36 °/s,将四位置寻北算法作为测试模型,可以在上位机的航向角上实时显示光纤陀螺的姿态角。图6 为上位机的姿态角显示图。

图6 上位机的姿态角显示图

将转台的初始位置放置在与北向相差45°的位置,将所采集到的数据进行解算,然后根据上位机选择的寻北算法,解算出当前光纤陀螺的姿态角为45.03°,偏差0.03°,完全满足指标要求。

该文提出了一种基于ZYNQ 平台的单轴光纤陀螺寻北仪的设计,分别从硬件和软件方面描述了该寻北仪的设计思路。经过实验测试,该寻北仪系统安全可靠、精度高,其误差范围在0.3°以内,能很好地完成寻北任务。并且该系统灵活易携,便于安装和使用,能广泛应用于各个领域,有很高的实用价值。

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