CN111551168A - 一种水下机器人位姿数据采集系统及其数据融合方法 - Google Patents

一种水下机器人位姿数据采集系统及其数据融合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种水下机器人位姿数据采集系统，包括ARM处理器模块、GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块以及电源模块，ARM处理器模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块相连；GPS模块、深度计及其滤波模块和九轴传感器模块分别通过总线方式与ARM处理器模块相连接；电源模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、ARM处理器模块以及CAN数据收发模块相连接，且CAN数据收发模块通过CAN总线方式与水下机器人控制系统连接，本发明使得系统传输速率高、准确性好、稳定性强、扩展性好。

Description

一种水下机器人位姿数据采集系统及其数据融合方法
技术领域
本发明涉及一种水下机器人，特别涉及一种水下机器人位姿数据采集系统。
背景技术
水下机器人作为水下作业及水下勘察的强有力工具，在近海石油开采、海洋环境数据采集、海底管道维修、水下结构物检测等方面扮演着至关重要的角色；水下机器人由于在军事领域以及民用领域具有着广泛的应用前景，使其成为了海洋探索与开发的研究热点。
位姿信息解算是水下航行器研究的关键部分之一，位姿解算的准确性和快速性直接决定着水下机器人执行任务过程中的稳定性和可靠性。目前，水下机器人多采用集中式处理方式，主控制系统包括下位机所有的数据采集与处理、多个控制算法实现、控制指令上传下达等功能，增大了系统的负荷，使得其处理速率大大降低，维护性能和扩展性能较差，严重情况下在系统运行时会产生逻辑冲突造成死机等情况。现有的水下机器人还存在位姿测量单元中陀螺仪的积分漂移和温度漂移问题，造成水下机器人测量与实际的航向角之间存在偏差，加大了水下执行任务的时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种水下机器人位姿数据采集系统及其数据融合方法，使得系统传输速率高、准确性好、稳定性强、扩展性好。
本发明的目的是这样实现的：一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：包括ARM处理器模块、GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块以及电源模块，所述的ARM处理器模块与 GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块相连；所述GPS模块、深度计及其滤波模块和九轴传感器模块分别通过总线方式与 ARM处理器模块相连接；所述电源模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、 ARM处理器模块以及CAN数据收发模块相连接，且CAN数据收发模块通过CAN总线方式与水下机器人控制系统连接。
其中，所述的ARM处理器模块包括数据收发处理模块、互补滤波算法模块以及CAN数据包处理模块；所述互补滤波算法模块与数据收发模块和 CAN数据包处理模块连接；所述数据收发模块分别采用串口通信、RS485总线通信、SPI总线通讯方式与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块连接，CAN数据包处理模块与CAN数据收发模块连接。
作为本发明的进一步限定，所述数据采集系统还包括其他辅助模块，所述其他辅助模块通过总线通信与ARM处理器模块连接，所述其他辅助模块包括运行指示模块、电源管理模块、温湿度检测模块和漏水模块。
作为本发明的进一步限定，所述GPS模块包括微处理芯片、天线和串口数据收发芯片。
作为本发明的进一步限定，所述深度计及其滤波模块包块传感器芯片、 RS485收发芯片和滤波芯片。
作为本发明的进一步限定，所述九轴传感器模块包括三轴陀螺仪芯片、三轴加速度计芯片、三轴磁力计芯片和数据收发芯片。
作为本发明的进一步限定，所述ARM处理器模块包括ARM处理器芯片。
作为本发明的进一步限定，所述CAN数据收发模块包括CAN数据收发芯片和数据隔离芯片。
作为本发明的进一步限定，所述电源模块包括线性稳压电源、DC/DC电源和滤波电路，所述滤波电路在电源输入/出端并联不同容值的电解电容和钽电容。
一种水下机器人位姿数据采集系统的数据融合方法，包括传感器数据采集、数据处理、互补滤波算法融合和数据打包发送，具体包括以下步骤：
(1)通过深度计及其滤波模块实时采集深度计模块的数据，并滤除噪声，将得到的滤波处理后的水下机器人深度信息存储到ARM处理器的固定存储地址内；
(2)通过九轴传感器模块实时采集三轴陀螺仪数据、三轴加速度计数据和三轴磁力计数据，并滤除噪声，将得到的滤波处理后的九轴传感器原始数据存储到ARM处理器的固定存储地址内；
(3)通过互补滤波算法将处理后的数据进行融合，得到水下机器人位姿数据；
(4)通过GPS模块采集GPS数据，将得到的处理后的GPS数据存储到 ARM处理器的固定存储地址内，在GPS模块有效时，通过GPS数据校正水下机器人位姿数据；
(5)CAN数据收发模块将水下机器人位姿等数据上传至下位机主控制系统，并接收下位机主控制系统对水下机器人位姿的控制指令。
作为本发明的进一步限定，具体包括以下步骤：
(1)通过中位值平均滤波算法对采集的三轴加速度原始数据(ax、ay、 az)、三轴磁力计原始数据(mx、my、mz)进行滤波去噪；
(2)归一化加速度计和磁力计数据,即
Figure RE-GDA0002578815910000041
Figure RE-GDA0002578815910000042
(3)计算地理坐标系转换到载体坐标系的重力分量、磁场分量；
(4)通过向量叉乘计算出位姿误差的校正补偿值；陀螺仪的校正补偿值可通过载体坐标系下的加速度数据和重力分量做向量叉乘运算，即
Figure RE-GDA0002578815910000043
同理可得磁力计补偿陀螺仪的误差向量
Figure RE-GDA0002578815910000044
表示
成矩阵形式：
Figure RE-GDA0002578815910000045
式中，
Figure RE-GDA0002578815910000046
为加速度计实际测量值，
Figure RE-GDA0002578815910000047
为加速度计理论预测值,
Figure RE-GDA0002578815910000048
为磁力计实际测量值,
Figure RE-GDA0002578815910000049
为磁力计理论预测值。ea、em为实际测量值与理论预测值之间的误差；
(5)通过比例-积分法修正误差；将姿态误差补偿到角速度上，补偿值计算公式如下所示：
Figure RE-GDA00025788159100000410
对陀螺仪数据补偿后的角速度更新公式为：ωt＝ω+λ；
式中，Kp、Ki分别为调节的比例积分系数，λ为补偿值，ωt为补偿后的角速度值，ω＝(ωx、ωy、ωz)为陀螺仪的实际测量值；
(6)补偿后的ωt已知，通过四元数微分方程求解出四元数：
Figure RE-GDA0002578815910000051
根据公式求解出姿态角，即：
Figure RE-GDA0002578815910000052
式中，Q＝(q0、q1、q2、q3)为四元数，负责数据解算融合的整个过程，θ、γ、ψ为欧拉角，负责描述着水下机器人的姿态；
(7)在GPS数据有效时，通过GPS数据校正姿态角偏移值。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明一种水下机器人位姿数据采集系统为适应各模块的电气特性，不同模块采用不同的总线通信方式，极大程度上减少了总线上的数据占有量，使得系统传输速率高、准确性好、稳定性强、扩展性好；
(2)本发明一种水下机器人位姿数据采集系统的数据融合方法采用互补滤波算法，通过磁力计测得的地磁数据及加速度计测得的载体线速度数据来补偿陀螺仪数据解算后得到的航向角偏差，计算过程处理简洁、实时性好、精度高、可靠性强；
(3)本发明一种水下机器人位姿数据采集系统采用GPS模块，在GPS 模块有效时，通过GPS数据校正姿态偏差，系统整体可靠性能增强；
(4)本发明所使器件较少、成本低和体积小，方便扩展以及安装使用。
附图说明
图1为本发明一种水下机器人位姿数据采集系统总体结构示意图。
图2为本发明一种水下机器人位姿数据融合方法结构框图。
图3为本发明中位值平均滤波算法流程图。
图4为本发明中互补滤波下的姿态角。
图5为本发明中三轴磁力计原始数据。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种水下机器人位姿数据采集系统，包括GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、ARM处理器模块、CAN数据收发模块和电源模块；其中，ARM处理器模块包括数据收发处理模块、互补滤波算法模块和CAN数据包处理模块；数据收发处理模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块和互补滤波算法模块连接，互补滤波算法模块与CAN 数据包处理模块连接，CAN数据包处理模块与CAN数据收发模块连接；电源模块同时与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、ARM处理器模块和CAN数据收发模块连接。
GPS模块包括微处理芯片、天线和串口数据收发芯片，完成GPS数据接收并通过串口传输到数据收发处理模块进行处理。
深度计及其滤波模块包括微处理芯片、RS485数据收发芯片和滤波电路，完成深度数据的接收及滤波，并RS485总线传输至数据收发处理模块进行处理。
九轴传感器模块包括三轴陀螺仪芯片、三轴加速度计芯片、三轴磁力计芯片和数据收发芯片，完成九轴初始数据的采集并通过SPI总线传输至数据收发处理模块进行处理。
ARM处理器模块包括微处理芯片，完成各模块总线上的数据接收与发送、互补滤波算法的实现、CAN数据包的处理。
CAN数据收发模块包括CAN数据收发芯片和数据隔离芯片，完成与机器人主控制系统的通信。
电源模块包括线性稳压电源、DC/DC电源和滤波电路，完成整个系统的正常供电，并且在电源输入/出端并联不同容值的电解电容和钽电容，减少电源噪声对系统的干扰。
通过本发明一种水下机器人位姿数据采集系统，进行处理时，具体为：深度计及其滤波模块将处理后的深度数据值通过RS485总线传输至ARM处理器模块，九轴传感器模块将采集的九轴原始数据通过SPI总线传输至ARM处理器模块进行滤波处理，GPS模块在有效时，将GPS数据通过串口传输至ARM 处理器，ARM处理器运用互补滤波算法，解算出水下机器人位姿信息，并通过有效的GPS数据校正姿态角的误差值，CAN数据包处理模块将位姿信息、温湿度信息和漏水信息打包后传输至机器人主控制系统，电源模块分别于 GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、ARM处理器模块和CAN 数据收发模块连接。
如图2所示，基于上述水下机器人位姿数据融合方法，具体步骤如下：
(1)通过中位值平均滤波算法对采集的三轴加速度原始数据(ax、ay、 az)、三轴磁力计原始数据(mx、my、mz)进行滤波去噪，滤波流程如图3 所示；
(2)归一化加速度计和磁力计数据,即
Figure RE-GDA0002578815910000071
Figure RE-GDA0002578815910000072
(3)计算地理坐标系转换到载体坐标系的重力分量、磁场分量；
(4)通过向量叉乘计算出位姿误差的校正补偿值；陀螺仪的校正补偿值可通过载体坐标系下的加速度数据和重力分量做向量叉乘运算，即
Figure RE-GDA0002578815910000081
同理可得磁力计补偿陀螺仪的误差向量
Figure RE-GDA0002578815910000082
表示成矩阵形式：
Figure RE-GDA0002578815910000083
(5)通过比例-积分法修正误差；将姿态误差补偿到角速度上，补偿值计算公式如下所示：
Figure RE-GDA0002578815910000084
对陀螺仪数据补偿后的角速度更新公式为：ωt＝ω+λ；
(6)补偿后的ωt已知，通过四元数微分方程求解出四元数：
Figure RE-GDA0002578815910000085
根据公式求解出姿态角，即：
Figure RE-GDA0002578815910000086
(7)在GPS数据有效时，通过GPS数据校正姿态角偏移值。
如图4-5所示，将上述数据融合方法移植到水下机器人位姿数据采集硬件系统中，经实际测试解算的水下机器人姿态信息静态效果稳定，在受到外部磁场干扰后能够恢复上一时刻姿态，满足水下机器人位姿系统控制要求，测试结果。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：包括ARM处理器模块、GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块以及电源模块，所述的ARM处理器模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块、CAN数据收发模块相连；所述GPS模块、深度计及其滤波模块和九轴传感器模块分别通过总线方式与ARM处理器模块相连接；所述电源模块与GPS模块、深度计及其滤波模块、ARM处理器模块以及CAN数据收发模块相连接，且CAN数据收发模块通过CAN总线方式与水下机器人控制系统连接；
其中，所述的ARM处理器模块包括数据收发处理模块、互补滤波算法模块以及CAN数据包处理模块；所述互补滤波算法模块与数据收发模块和CAN数据包处理模块连接；所述数据收发模块分别采用串口通信、RS485总线通信、SPI总线通讯方式与GPS模块、深度计及其滤波模块、九轴传感器模块连接，CAN数据包处理模块与CAN数据收发模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述数据采集系统还包括其他辅助模块，所述其他辅助模块通过总线通信与ARM处理器模块连接，所述其他辅助模块包括运行指示模块、电源管理模块、温湿度检测模块和漏水模块。
3.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述GPS模块包括微处理芯片、天线和串口数据收发芯片。
4.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述深度计及其滤波模块包块传感器芯片、RS485收发芯片和滤波芯片。
5.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述九轴传感器模块包括三轴陀螺仪芯片、三轴加速度计芯片、三轴磁力计芯片和数据收发芯片。
6.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述ARM处理器模块包括ARM处理器芯片。
7.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述CAN数据收发模块包括CAN数据收发芯片和数据隔离芯片。
8.根据权利要求1所述的一种水下机器人位姿数据采集系统，其特征在于：所述电源模块包括线性稳压电源、DC/DC电源和滤波电路，所述滤波电路在电源输入/出端并联不同容值的电解电容和钽电容。
9.一种权利要求1所述的水下机器人位姿数据采集系统的数据融合方法，其特征在于：包括传感器数据采集、数据处理、互补滤波算法融合和数据打包发送，具体包括以下步骤：
(1)通过深度计及其滤波模块实时采集深度计模块的数据，并滤除噪声，将得到的滤波处理后的水下机器人深度信息存储到ARM处理器的固定存储地址内；
(2)通过九轴传感器模块实时采集三轴陀螺仪数据、三轴加速度计数据和三轴磁力计数据，并滤除噪声，将得到的滤波处理后的九轴传感器原始数据存储到ARM处理器的固定存储地址内；
(3)通过互补滤波算法将处理后的数据进行融合，得到水下机器人位姿数据；
(4)通过GPS模块采集GPS数据，将得到的处理后的GPS数据存储到ARM处理器的固定存储地址内，在GPS模块有效时，通过GPS数据校正水下机器人位姿数据；
(5)CAN数据收发模块将水下机器人位姿等数据上传至下位机主控制系统，并接收下位机主控制系统对水下机器人位姿的控制指令。
10.根据权利要求9所述的一种数据融合方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
(1)通过中位值平均滤波算法对采集的三轴加速度原始数据(ax、ay、az)、三轴磁力计原始数据(mx、my、mz)进行滤波去噪；
(2)归一化加速度计和磁力计数据，即
Figure FDA0002475382480000031
Figure FDA0002475382480000032
(3)计算地理坐标系转换到载体坐标系的重力分量、磁场分量；
(4)通过向量叉乘计算出位姿误差的校正补偿值；陀螺仪的校正补偿值可通过载体坐标系下的加速度数据和重力分量做向量叉乘运算，即
Figure FDA0002475382480000033
同理可得磁力计补偿陀螺仪的误差向量
Figure FDA0002475382480000034
表示成矩阵形式：
Figure FDA0002475382480000041
式中，
Figure FDA0002475382480000042
为加速度计实际测量值，
Figure FDA0002475382480000043
为加速度计理论预测值，
Figure FDA0002475382480000044
为磁力计实际测量值，
Figure FDA0002475382480000045
为磁力计理论预测值。ea、em为实际测量值与理论预测值之间的误差。
(5)通过比例-积分法修正误差；将姿态误差补偿到角速度上，补偿值计算公式如下所示：
λ＝Kp(ea+em)+Ki∫0 t(ea+em)dt
对陀螺仪数据补偿后的角速度更新公式为：ωt＝ω+λ；
式中，Kp、Ki分别为调节的比例积分系数，λ为补偿值，ωt为补偿后的角速度值，ω＝(ωx、ωy、ωz)为陀螺仪的实际测量值。
(6)补偿后的ωt已知，通过四元数微分方程求解出四元数：
Figure FDA0002475382480000046
根据公式求解出姿态角，即：
Figure FDA0002475382480000047
式中，Q＝(q0、q1、q2、q3)为四元数，负责数据解算融合的整个过程，θ、γ、ψ为欧拉角，负责描述着水下机器人的姿态。
(7)在GPS数据有效时，通过GPS数据校正姿态角偏移值。
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