水下機器人機載傳感器信息采集與存儲系統

龍達峰，黃慰桐，黃近秋

（1.惠州學院 電子信息與電氣工程學院；2.廣東省電子功能材料與器件重點實驗室，廣東 惠州 516007）

占全球71%面積的海洋是生物資源、能源和金屬資源的戰略性開發基地。掌握海洋資源的開發和利用，爭取戰略制高點是一項極其重要的國家發展戰略。水下機器人因具有自主性強、機動靈活、下潛上浮方便等優點，已成為海洋資源的勘察與開發、海洋救險與打撈、水中通信應用中重要裝備［1-4］。就目前而言，水下導航系統主要有航位推算、慣性導航、地磁導航、聲學導航系統（長基LBL、短基線SBL 和超短基線USBL）、多普勒測速導航（DVL）、海洋重力儀、INS/GPS 及浮標組合導航等［5-10］。隨著對海洋資源的高效勘探和開發的迫切需求，對AUV、水下機器人等各類無人系統的自主運行和自主管理能力提出了更高的要求。由于水下惡劣的應用環境，水下機器人機載導航傳感器信息的準確獲取是實現其高精度導航定位的前提條件，而傳統水下機器人導航系統通?；贛CU、DSP 等微處理器作為控制器進行信息采集硬件系統設計，其移植應用于智能化更高的水下智能機器人時存在一定困難，很難滿足對自主導航和自主管理能力更高要求的導航測試應用場合。國內外研究者積極探索利用低成本慣性導航、地磁、聲學導航和重力場導航構建水下組合導航系統的解決方案［11-14］，這也是民用領域水下機器人智能化發展趨勢。針對上述需求，本文基于FPGA設計實現水下機器人機載傳感器信息采集與存儲系統為構建水下組合導航系統的解決方案，以滿足水下智能機器人自主導航系統的低成本存儲測試要求。

1 系統硬件總體方案

如前所述，利用慣性導航、地磁和聲學導航等構建水下機器人自主導航系統的解決方案。因此，本系統的機載傳感器信息采集與存儲測試硬件方案如圖1。

圖1 測量系統硬件方案

該系統主要由機載導航傳感器信號前期處理模塊、A/D 轉換模塊、FPGA 控制模塊、Flash 存儲模塊、USB 數據讀取模塊和電源模塊等6 部分組成。其中，信號調理模塊主要完成機載傳感器輸出信號放大、濾波等信號調理；ADC 轉換模塊選取ADS8365，在FPGA控制下將傳感器模擬輸出信號轉換成數字信號；存儲模塊完成采集數據實時存儲；機載導航計算機或上位機通過USB數據讀取模塊與本系統進行通信。

2 系統硬件設計

2.1 信號調理模塊

選取OPA4340放大器進行調理電路設計，如圖2。其中，IN1-IN4 和OUT1-OUT4 分別為4 路信號輸入和輸出端，各路信號相互獨立，采用單電源+5 V供電。

圖2 信號調理電路

2.2 AD轉換模塊

采用2片ADS8365模數轉換器設計12通道信號采集，ADC 采集電路如圖3。圖中OUT1-OUT6 為6 路機載導航傳感器模擬輸出端，每一路信號經由電容濾波后接入ADS8365 輸入端CHA0-CHC1；D0-D15 為AD轉換后 16 位采集數據輸出；通過控制進行6 個通道選通控制；ADS8365模擬電源AVDD接5 V，ADS8365采用3.3 V供電。

圖3 ADC采集模塊電路

選取Flash芯片進行存儲模塊設計，存儲電路如圖4。Flash芯片3.3 V供電，SD0-SD7為數據存儲與讀取端口，在FPGA控制邏輯下完成Flash采集數據擦除、讀和寫等。

考慮到Flash 存儲單元有可能存在壞塊，需要對Flash進行無效塊的檢測，并建立無效塊信息表，然后再對Flash進行讀寫操作［9-10］。壞塊檢測流程圖如圖5。

圖5 壞塊檢測流程圖

2.3 電源模塊

選取7.4 V的鋰電池作為供電電源，再通過穩壓電源芯片LM2940 和MAX8882 將7.4 V 轉換成5.0、3.3 和2.5 V 3 種不同電壓輸出，為系統各功能模塊提供工作電壓。如圖6電源轉換電路圖所示。

圖6 電源轉換電路

2.4 FPGA控制模塊

FPGA控制模塊主要完成了整個系統的數據采集、存儲和通信等，FPGA控制電路如圖7所示。

圖7 FPGA控制電路

3 實驗驗證

3.1 測試條件

系統測試驗證實驗如圖8，利用信號源模擬水下移動機器人不同運動狀態下的三軸陀螺儀、三軸加速計、三軸地磁傳感器以及水深傳感器實際測量輸出，各模擬傳感器輸出設置如表1，通過設置不同信號類型、幅值，以及不同頻率的測量輸出來驗證系統的可靠性。

表1 傳感器輸出設置

圖8 系統測試實驗

3.2 數據驗證與分析

系統采集完成后，上位機讀取Flash存儲數據并進行數據分離。未分離的數據格式如表2，其中CDCD表示為數據幀頭，第3～5位為數據幀計次數位，第6～23位為有效數據位。

表2 未分離原始數據格式

各通道數據分離后，利用Matlab 繪制采集所得傳感器測量輸出曲線如圖9-11。其中圖9為通道1～3采集所得三軸陀螺儀測量輸出曲線（8.00～8.01 S 局部放大圖），各軸輸出信號幅值分別為2.3、3.7 和3.1 V，信號頻率均為2 000 Hz，與信號源模擬傳感器輸出相同。圖10 為通道4～6 加速度計測量輸出曲線（20.0～20.1 S局部放大圖），三軸加速度計輸出幅值分別為3.0、4.8和2.7 V，信號頻率均為500 Hz，圖11為通道12水深傳感器測量輸出曲線。結果表明，系統能夠實時準確地完成各通道傳感器信號的采集與存儲。

圖9 三軸陀螺儀測量輸出

圖10 三軸加速度測量輸出

圖11 水深傳感器測量輸出

4 結論

本文提出了一種基于FPGA水下機器人機載多傳感器信息采集與存儲系統方案，并對系統進行了實驗測試驗證，結果表明該系統能夠實時準確完成12通道信號的同步采集與存儲，該方案可為水下機器人自主導航系統的低成本存儲測試提供參考。