多串口水下地磁导航数据采集子系统设计，王海卫，，介绍了水下地磁辅助导航系统，针对导航过程中数据采集的实时同步和地磁数据预处理问题，分析了数据采集子系统的系统结构和各进程
山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 统结构如图3所示。 1数据采集模块实时预处理模块|导航数括发送模块 NS 串口 惯导数据 本地存储 配 磁力仪1串口 地磁数据 实时本地存储 数据打包滤 预处理 合并发送波 系 统 DGPS1串口 GPS数据 本地存储 图3水下地磁辅助导航数据采集子系统结构佟 F1g.3 Structure diagram of Data Acquisition Subsystem of UGANS 13时序分析 数据集子系统的工作流程为:①配置三个数据采集串口和两个子系统连接串口;②与 其它子系统进行“握手¨建立连接;③接收并响应管理平台控制命令“开始接收”;④进行一次 数据采集;⑤地磁薮据预处理;⑥将接收到的三路数据打包,并发送给匹配滤波了系统;⑦ 通过计时器控制,重复执行④~,直到接收到管理半台的“停止接收”命令;⑧关闭串口, 结束任务。 以上各个进程环环相扣,必须按照既定顺序执行。某个进程出问题,必将影响其它进程 的执行,轻则丢失数据,影响匹配效果,重则造成死锁,甚至导致系统崩溃。因此,有必要 对其进行吋序分析,明桷釆集系统中各进程之间的时序关系,并对可能出现的异常事件建立 柑应的处理杋制。图4为整个数据采集子系统的工作时序图。 发送请求 是收到 收到 迮接信 答复信号控制命令 俘止接收 连镂请求 “止:接收” 连搓串匚 成功 开始接收 台 包发运 个数据 地傚预欠球 采集牛 关闭串L 迕接求 导航数据 “厂发这 发送串口 连镂成刀 超过30 上时钟雄 迕接大败 图4数据采集子系统工作时序图 Fig 4 Sequence diagran of Data Acquisition Subsystem 对其中各子进程或功能模块进行时序分析如下 3 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 次 在储 On Timet( 数据采织 预处 打包公 f次集成以:‖SopM! onitoring() l数 MissCatchNum=( MissCatchNLm=( 异常数 失败 仍们 弹出提 集到数称 30次系集失败 Acquisition趋近Peno So. onto:n≤C MissCalct n ai Miss CatchNum+4 逻轩时间 图5数据采集子系统工作状态各进程时序关系图 Fig5 Time sequence relationship of processes in DAsS m strPortRXDate bmp 进行校验 no』m 传输完毕 strCheck unreceived 文线了行 strCheckSy CR+L卜 Check Sum received strPortRXDatr mlag=o 相1得到确数拉 CheckSur-O fr PMirXDaf nFas= strCheck surmreceved +- 个朴等 转换 时间 图6串口消息响应流程图 Fig 6 Scrial port mcssagc responsc flow chart 数 数抹 包确认重发末到任 灭集成功 并接发送答复 卜·条数据 感力仪 仍1 导 动币发 弹出提 连接 逻辑时间轴 TAI TA2T 图7导航数据打包发送时序图 Fig 7 S of Navigation Data pack 4 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 2程序设计 21串∏通信实现方式 在水下地磁辅助导航的数据采集了系统中,有工个串∏同吋上作,这就涉及到多串冂多 线程编程问题,本文采用基于多线程的 Serialport串口类来实现串口通信。 Serial类包括以下儿个主要函数:串口初始化函数 InitPort(,启动串口监测线栏函 数 StartMonitoringo,暂停串口监测线稈函数 Stop Monitoring,重启串口监测线程函数 RestartMonitoringO,写串口函数Writ 关闭串口函数 CloseportO。具体使用方法可 参考龚建伟老师的书作6,具体实现代码此处不再累述 22数据传输协议 (1)控制命令 数据釆集子系统接收并响应管理平台子系统的控制命令,并将接收到的数据打包发送给 匹配滤波了系统。各了系统在工作前需要完成“握手”以确保正确连接。本文定乂无符号字符 型常量( const unsigned char)作为控制信号。为∫不与正常数据中的ASCI字符混淆,选择 6个不可见的扩展ASCI字符,如表1。 表1握手信号与控制命令信号 Tab 1 Signals of hand-shake and control command 常量名 初始化(扩展ASCH码) 备注 ASK 0xA5(165) 请求信号(握手) ACK 0xC5(197) 答复信号(握手) START 0xA1(161) 开始接收(控制命令) PAUSE 0xA2(162) 暂停接收(控制命令) STOP 0xA3(163) 停止接收(控制命令) SEND 0xA4(164) 发送数据(控制命令) UNREADY 0xA6(166) 未准备就绪(控制命令) (2)数据格式及校验方法 本文借用GPS接收机上常用的NMEA083协议标准数据格式和半Byte校验。数据格 式为:“sddd,dhh<CR><LF>”,各部分意义如下 $’:文始宇符,表示廾始接收新数据。 数据帧¨dd,,d`:数据帧包含多个参量,中间用逗点分隔,便于数据处理。 *∵:文终字符,表示数据帧接收完毕,开始接收恔验位。 校验位“h”:对$与*之间所有字符ASCI码逐个异或,得到校验和 checksum,并 利用下面方法转换为两个半Byte校验位c1l,c2。 c2=checksum oxoF. 保留低四位(&00001 cl=( checksum>4)&OxOF);高四位 if(cl<10)c1+-0; else c1-'A'-10;∥高四位十六进制数转换成字符 2<10)c2+=0 else c2=A-10;∥低四位十六进制数转换成字符 回车换行符< CRS<LF>:表示条数据接收完毕。 23实时同步性的实现 (1)实时性 实时性是指接收到数据后,及时进行预处理并打包发送给匹配滤波子系统。由于传感器 发来的数据是实吋测量,随测随发的,具有不可再现性,故釆取主动发送/串∏监听模式 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 即传感器测量到数据后主动发送,无需预先通知采集串∏;采集串∏则根据设定好的采集频 率定时监听串口活动,对在其生命周期内串口接收到的所有薮据进行处理。一旦成功接收 条数据,即停止串口监测线程,等待计时器下次唤酲串口监测线程。然后对数据进行处理, 对于校验发现的误码数据,直接舍弃,马上进行一次重采样。以此来实现数据采集的实时性。 (2)同步性 这里所说的同步并非串冂通信方式中的所说的同步,而是指次发给滤波系统的数据包 中所含地憾、惯导、GPS数据为同一时刻所测。地镃匹配算法需要明显的地伭变化特征, 所以要求数据采集周期至少在5秒以上,而日前大多磁传感器的测量频率已经可以达到 10H,即使串口监听时间为1秒,也有10条数据供选择 本系统通过计时器将数据采集周期设为5秒,串口监测时间设为1秒,并为每路数据设 置个BOOL型接收完毕标识符(如表2所示) 表2数捱接牧成功标识符 Tab2 Identifier of successful data recepti 变量名 初始化 备注 m b Geo datalsok FALSE 地憾数据接收完毕 m bIns Datalsok FALSE 惯寻数据接收完毕 m bGpsDatalsOk FALSE GPS数据接收完毕 在一次数据采集周期屮,首先各路串口独立进行数据采集,采集完成后开始执行如下程 序(以地磁数据为例): ∥本次数据采集完成 m bGeoDatalsok= TRUE if( m bGeodatalsok&& m bIns Datalsok&& m bGpsDatalsOk)∥三路数据全部就绪 m PackData() ∥按照匹配算法要求对三路数据进行打包 ∥重置三个标识符 FALSE m b Geo dataIsOk False: m bIns DalalSok=FALSE m bGpsDataIsOk=FALSE 由于三路传感器的采集频率都可以达到5Hz以上,因此埋论上必定能够采集到同秒 内的三路数据来进行打包发送,如此便实现了秒纵同步。在可正常接收的频率范围内,采集 频率越高,同步性越好。当然,对于地磁匹配5秒以上的要求来说已经足够了 另外,对于数据采集子系统与匹配滤波子系统之间的数据传输,是在完成了一次数据采 集和数据预处理后进行的,为保证传输数据的正确性,选择自动重发请求( Automatic Repeat re(υuest,ARQ)模式。即当接收方接攻到·个出错的数据帧吋,自动发山个重传错帧的请 求,要求发送方自动重发岀错的薮据帧。 3地磁测量数据的实时预处理 地球表面各个地域的磁场理论上来说应该按照地球南北磁极方冋呈规律性变化。但在实 际测量中,由于各种内外因素的影响,如地磁场的口变、磁暴、船磁效应、风浪效应、地势 效应等,测量数据集合中往往包含1%~2%有时甚至更多的数据严重偏离目标真值,即所谓 的野值。这些野值的存在会使估讣岀现很大偏差,甚至导致滤波系统发散,使定位结果出 现偏差,因此,必须对地磁测量据进行实时预处理。 野值的表现形式一般有以下两种:孤立型野值,斑点型野值。本义采用门限滤波与最小 二乘拟合结合的方式对野值进行剔除 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 3.1门限滤波 根据水下运毂体主导航系统给出的位置信息和已装毂的地磁图可粗略估计出水下运载 体所处位置的地磁梯度ΔF,根据水下运载体主导航系统给出的速度信息ⅴ和地磁测量采样 间隔ΔT,即可动态计算出门限值G的大小: G-K×△F×△T×p×N 其中,K为增益系数。上述方法是在测量值稳定达到N个后才有效 实时测量数据野值的检测与剔除的门限滤波法处理流程如图8所示 箱入磁场强伯 该是直 是不没∴门限 ∵輪时界隈及长 时门的 酸场个效是等 采用时门限内 厅们划们 图8门限滤波流程图 Fig 8 Threshold filtering flow chart 门限值G的确定:取得太小,当系统随机误差较大或处」地异常较大区域时会剔除 掉一部分合理信息,阻碍新息输入:G取得太大,会造成一部分野值个能被剔除。通常判别 异常值的准则有:3σ准则、罗曼诺夫斯基准则、格罗布斯准则和狄克松准则 32最小二乘拟合 可以通过地磁场总强度F的前M个已测值,拟合出一条曲线,来预测未来F的值,最 佳拟合曲线为最小二乘拟合曲线。设拟合曲线为 (2) 令(x,)为观测数据值,=a1+a2x+a3x2-y1表示计算值和观测值的残差,令∑2最 小,则有 ∑ =0(k=1,2,3) (3) A 因 a4z2c-x2,将n=4++代入上式即可求得参数 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn a1,a2,a3,从而得到拟合曲线方程(2)。 实际地磁场测量中获得的观测值为(,F),其中L为时间(该变量为确定变量),F为地 傚场总强度。在对F进行分段处理后可以用二阶曲线拟合方程实现,如图9所小。 实洲地磁场总强度由线 拟合地磁场总强度曲线 5358 5.354 -山-+=--“==-L 534 535 5348 5.348 5346 时间(C) 时间(103) 图9海洋地磁场总强度一阶曲线拟合结果 Fig 9 Second-order Curve fitting result of marine geomagnetic field intensity 为了检验地億实时测量值F的合理性,首先对凵采样的M个值进行二阶曲线拟合,根 据拟合方程计算第M+1个预测值F并与之比较,即 (k)=F 给定r(k)一个门限值G,当r(k)超过门限值时,认为r(k)不合理,用预测值F代替F; 当r(k)不超过门限值时,认为F合理予以采用。 4仿真实验 41仿真程序 除了完成数据釆集子系统程序外,为配合数据采集仿真实验,编写数据发送端程序。通 过读取和发送现有地磁、惯导和GPS文本数据,来模拟海洋磁力仪、惯导系统和差分GPS 三个测量设备的实时数据采集。发送端程序与数据采集子系统工作界面如下图: 季数置 围权效实时显 地采集设置 笔后理 需你 叫巴 ;0.8029 连择扣口@m!送择口 泽囗cMy .041 an Channel 一关团凵 角国期(a) 国卫里数 占 制电 大 时间:35:5 大地离上1 差升时闻 停止围收 经度E的”贸 友周期〔 效友法周时〔9000)数(0020 向管埋平台平系优发缩 L设爱 便 世止 发止 向区表千发还数优 匚退出 模拟发送端稈序 数据采集」系统 图10仿真程序界面 Fig 6.8 Simulation program interface 8 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 4.2剔除野值效果验证 为了给水下地磁辅助导航原型系统的研宄提供真实数据,课题组于2008年7月在天津 渤海某区域,进行了一次海上地磁沨量试验。本文随机选取南北方向第32号沏线进行仿真 首先对采集频率为5Hz的原始测量数据以1Hz进行重采样,生成数据点折线图如图11。 ·处理前磁场强度 53500 53400 120140160180110011201140116011801 记汞号 图11第32号测线重采样数据点折线图 Fig 11 No 32 measured line re-sampled data point-fold line chart 可以看出,在总体平缓的变化趋势下,有两处波动,根据当天实验日志,该测线测量过 程中,测量船旁边有两条船经过,这便是其产生的影响。 此处仅选取异常值及其周围的部分记录进行预处理分析,如图12 处理前 处理后(K=5) 处理后(K=6) 53610 590 53570 53550 570 610630 670690 记求号 图12顶处理后数据 Fig 12 Pretreatment data 同理,对另一处异常进行分析(图13)。 一处理前一一处理后(K=4)处坦后(K=5 53480 蚀53460 53440 彐53420 16501660167016801690170017101720173017401750 图13预处理后的数据(2) 13 Pretreatment data(2) 实验结果衣明,①本文所述数据预处理方法,对实河数据中的噪声起到了定的抑制作 山国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 用;②门限滤波的增益值K不可过大,也不可过小。设置过大,野值剔除率不高;设置过 小,则可能把正常值当野值滤掉 5结東语 本文所述数据预处理方法,对实测数据中的噪声起到了一定的抑制作用,但需要取合适 的増益值K,经过多次实验,K选择4.5到5.5效果相对比较好。当前阶段的预处理算法中 被剔除掉的部分是用出现异常前最后一个正常数据来补全的。在下一步研究中,将对此进行 改善,可以通过差值算法米对数据进行平滑处理,也可以利用最小二乘方法预测值米代替, 使处理后的数据更接近实际情况。 参考文献( References [1]求是科技,李现勇. 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