一种新型的水面舰艇姿态监测系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设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】
[0002] 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，除了磁罗经和巧螺罗经外，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 ±对其校准。巧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±对其进行定期维护。运些设备明显不符合游艇快艇运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】
[0003] 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。
[0004] 水面舰艇姿态监测系统由电源模块、微处理器、Ξ轴巧螺仪传感器、Ξ轴加速度传 感器、Ξ轴磁阻传感器W及信息输出接口组成，巧螺仪传感器、加速度传感器W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 W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。
[000引所述的Ξ轴巧螺仪传感器能提供ΧΥΖΞ个轴的旋转角加速度，可对四元数进行更 新;所述的Ξ轴加速度传感器提供ΧΥΖΞ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Ξ轴磁阻传感器能够提供ΧΥΖΞ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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 图中：1、电源模块;2、Ξ轴巧螺仪传感器;3、Ξ轴加速度传感器;4、Ξ轴磁阻传感 器;5、微处理器;6、信息输出接口。
【具体实施方式】
[0009] 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。
[0010] 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Ξ轴加速度传感器 3可W得到Ξ轴的加速度诚J，因此可W通过欧拉角公式解算横倾角I和俯仰角i，如 公式(1)所示.
[0011]
(1)
[0012] 然后通过Ξ轴磁阻传感器4得到的Ξ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敵w'y如如公式(2)所 /J、- 〇
[0013]
(2)
[0014] 由此可W得至職态条件下补偿后的航向角如公式(3)所示。
[0015]
(3)
[0016] 因动态条件下，加速度计需要进行二次积分，巧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，运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Ξ轴巧螺仪传感器2、Ξ轴加速度传感器3W及Ξ轴磁阻传感器4进行数 据融合，W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W得到初始四元数如公式(4)所示。
[0017]
(4)
[0018] 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W得到水面舰艇Ξ 轴的横倾角、俯仰角W及航向角为如公式巧)所示。
[0019]
(5)
[0020] 然后利用Ξ轴巧螺仪传感器2输出的角速度值喷对四元数进行更新。四元 数微分方程与Ξ轴巧螺仪传感器2的Ξ轴角速度的关系如公式(6)所示。
[0021]
(6)
[0022] 由于公式巧)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W得到稳定的水面舰艇的姿态角。
[0023] 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W及航向角通过信 息输出接口 6按ΝΜΕΑ0183格式输出。
【主权项】
1. 一种水面舰艇姿态监测系统，其特征在于：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NMEAO183格式对外输出。
【专利摘要】本实用新型实现了一种新型的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对外输出，电源模块为上述各组成部分提供工作所需电源。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。
【IPC分类】G01C21/20
【公开号】CN205156929
【申请号】CN201520974449
【发明人】王常顺, 张煌, 肖海荣
【申请人】山东交通学院
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年12月1日