[实用新型]一种新型的水面舰艇姿态监测系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种新型的水面舰艇姿态监测系统，属于航海设备领域。

背景技术

近年来，游艇快艇等小型水面舰艇受到了越来越多的关注，在水面巡逻和旅游业 中得到了大量的应用。目前航海设备中，除了磁罗经和陀螺罗经外，没有能够指示航向的小 型设备。磁罗经体检小，重量轻，但其提供的信号无法直接为电子设备使用，且需要专业人 士对其校准。陀螺罗经可为电子设备提供航向指示信号，但其启动时间长，造价十分昂贵， 需要专业人士对其进行定期维护。这些设备明显不符合游艇快艇这类小型的水面舰艇使 用。基于此背景，我们设计了该水面舰艇姿态监测系统。

发明内容

本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种可靠性高、使用方便的水面舰艇姿 态监测系统。

水面舰艇姿态监测系统由电源模块、微处理器、三轴陀螺仪传感器、三轴加速度传 感器、三轴磁阻传感器以及信息输出接口组成，陀螺仪传感器、加速度传感器以及磁阻传感 器与微处理器相连，为微处理器提供数据，微处理器将计算出的水面舰艇的俯仰角、横倾角 以及航向角通过信息输出接口按NMEA0183格式对外输出，电源模块为上述各组成部分提供 工作所需电源。

所述的三轴陀螺仪传感器能提供XYZ三个轴的旋转角加速度，可对四元数进行更 新；所述的三轴加速度传感器提供XYZ三轴的直线加速度，可在静态条件下计算出水面舰艇 的俯仰角和横倾角；所述的三轴磁阻传感器能够提供XYZ三轴的地磁感应强度，通过载体俯 仰角和横倾角补偿，能在静态条件下计算出载体的航向角；所述的信息输出接口能对外输 出NMEA0183信号。

本实用新型实现的水面舰艇姿态监测系统姿态角输出精度高，体积小，故障率低， 输出信号能直接用于电子导航设备。

附图说明

图1是本实用新型游艇自动驾驶系统的组成结构原理示意框图。

图中：1、电源模块；2、三轴陀螺仪传感器；3、三轴加速度传感器；4、三轴磁阻传感 器；5、微处理器；6、信息输出接口。

具体实施方式

水面舰艇姿态监测系统的组成结构如图1所示。下面参考附图，分别从水面舰艇姿 态角的计算方法和输出方法来阐述本实用新型的具体实施实施方式。

姿态角计算在微处理器5中运行中。首先计算静态条件下，通过三轴加速度传感器3可以得到三轴的加速度，因此可以通过欧拉角公式解算横倾角和俯仰角，如公式（1）所示.

（1）

然后通过三轴磁阻传感器4得到的三轴的磁场强度，然后对其进行坐标轴旋转后的补偿，得到补偿后的磁场强度如公式（2）所示。

（2）

由此可以得到静态条件下补偿后的航向角如公式（3）所示。

（3）

因动态条件下，加速度计需要进行二次积分，陀螺仪长期使用时会存在比较大的 累积误差，磁阻传感器易受干扰，这些原因将会导致姿态角计算误差变的很大。本实用新型 中利用四元数法对三轴陀螺仪传感器2、三轴加速度传感器3以及三轴磁阻传感器4进行数 据融合，以便得到稳定精确的水面舰艇运动姿态。根据静态情况下解算得到的水面舰艇的 姿态信息，利用欧拉角与四元数的转换关系，可以得到初始四元数如公式（4）所示。

（4）

利用四元数表示法和方向余弦法表示法在本质上是等价的，可以得到水面舰艇三 轴的横倾角、俯仰角以及航向角为如公式（5）所示。

（5）

然后利用三轴陀螺仪传感器2输出的角速度值对四元数进行更新。四元数微分方程与三轴陀螺仪传感器2的三轴角速度的关系如公式（6）所示。

（6）

由于公式（5）计算出的水面舰艇姿态角容易带有随机的跳变，数据不稳定，因此需 要对其进行卡尔曼滤波，就可以得到稳定的水面舰艇的姿态角。

微处理器5将卡尔曼滤波后得到的水面舰艇的横倾角、俯仰角以及航向角通过信 息输出接口6按NMEA0183格式输出。