高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于地磁傳感器的測(cè)量裝置，該裝置由三個(gè)互為垂直方向固定的地磁傳感器和ARM/FPGA硬件驅(qū)動(dòng)電路組成，摘除了陀螺和加速度傳感器。利用了地磁傳感器不隨飛行時(shí)間累積誤差的特點(diǎn)，本發(fā)明采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)查表及線性擬合的算法，快速準(zhǔn)確的輸出三軸方向的夾角數(shù)據(jù)幀。本發(fā)明具有體積小、重量輕、成本低的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)飛行器的姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置
[0001] 一、【技術(shù)領(lǐng)域】：本發(fā)明屬于高速旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種用ARM/ FPGA硬件驅(qū)動(dòng)地磁傳感器的三軸姿態(tài)測(cè)量裝置。
[0002] 二、【背景技術(shù)】：為獲得高速旋轉(zhuǎn)飛行器的姿態(tài)信息，設(shè)計(jì)小體積的三軸測(cè)量系統(tǒng)很 重要，在傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)中，常利用線加速度計(jì)測(cè)量物體的加速度，利用陀螺測(cè)量物體的角 度。但由于傳統(tǒng)的加速度計(jì)存在安裝復(fù)雜、安裝精度要求高、解算復(fù)雜等問(wèn)題，這里舍棄了 加速度計(jì)作為慣性器件。陀螺雖然能連續(xù)輸出角度信息，但存在漂移，長(zhǎng)期應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生較大 的累積偏差，這里也舍棄了。而地磁傳感器具有不隨飛行時(shí)間而累積誤差，高精度，高響應(yīng) 度，微小體積，可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前研究比較多的導(dǎo)航器件，它能夠準(zhǔn)確確 定飛行器的姿態(tài)角信息，可以提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度及導(dǎo)航性能。因此本發(fā)明將三軸地 磁傳感器的輸出作為姿態(tài)基準(zhǔn)，采用軟件查表及線性擬合算法進(jìn)行校正，比較精確的輸出 飛行器姿態(tài)的角度信息。
[0003] 本發(fā)明提出了一種適用于高速旋轉(zhuǎn)飛行器的、小體積的三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其目 的在于應(yīng)用地磁傳感器的探測(cè)原理，配合新型查表擬合計(jì)算方法，剔除了加速度傳感器及 陀螺儀，解決了導(dǎo)彈等飛行器在重返大氣層時(shí)，在接近自由落體的狀態(tài)下，加速度傳感器失 效及陀螺儀累積誤差較大的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，可以快速準(zhǔn)確的測(cè)定飛行器的姿態(tài)。本發(fā)明滿(mǎn) 足小尺寸姿態(tài)測(cè)量的需要，用該方法設(shè)計(jì)出來(lái)的三維姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、 操作方便等特點(diǎn)。
[0004] 三、
【發(fā)明內(nèi)容】
：本發(fā)明提供了一種基于ARM/FPGA和地磁傳感器的三軸測(cè)量裝置， 解決了傳統(tǒng)利用加速度計(jì)存在安裝復(fù)雜、安裝精度要求高、解算復(fù)雜等問(wèn)題，解決了傳統(tǒng)利 用陀螺儀測(cè)量存在精度受陀螺角速率漂移的影響問(wèn)題，解決了利用地磁傳感器不能連續(xù)三 軸定姿的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了軟件查表及線性擬合的新算法，對(duì)于研究慣性組合導(dǎo) 航系統(tǒng)，提高測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)飛行器的姿態(tài)信息具有重要意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0005] 本發(fā)明可以通過(guò)以下硬件技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝 置，包括三個(gè)單軸地磁傳感器模塊、ARM/FPGA驅(qū)動(dòng)控制模塊、多路電源供給模塊、串口通訊 模塊、EEPR0M參數(shù)保存模塊。
[0006] 高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)在高強(qiáng)度PCB電路板上，三個(gè)單軸地 磁傳感器互為垂直安裝，經(jīng)過(guò)柔性灌封后，外形可以為任意形狀，可以耐受20000g的高過(guò) 載沖擊，輸出僅有4條線纜。
[0007] 高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置的姿態(tài)參數(shù)解算方法：預(yù)先將三軸姿態(tài)信 息數(shù)據(jù)按1度分割保存為一個(gè)大型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)查表找到三組數(shù)據(jù)最接近的2個(gè)數(shù) 據(jù)記錄，再用線性擬合算法計(jì)算出最接近的參數(shù)值，在飛行器低速滾動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高精度： 各軸的分辨率可以達(dá)到〇. 1度。
[0008] 在飛行器高速滾動(dòng)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)高速度傳輸姿態(tài)數(shù)據(jù)幀：高速采樣速率可以達(dá)到 250幀/每秒，超高速采樣可以達(dá)到2500幀/每秒。
[0009] 由于摘除了加速度計(jì)及陀螺降低了成本簡(jiǎn)化了控制：在導(dǎo)彈、火箭等飛行器上的 具體應(yīng)用單元價(jià)格約5000元。
[0010] 應(yīng)用面廣泛：該裝置可以應(yīng)用于：各種導(dǎo)彈、火箭、航彈、無(wú)人機(jī)等精確制導(dǎo)武器 上，用于輔助測(cè)量飛行姿態(tài)，經(jīng)過(guò)柔性灌封后可以抗高過(guò)載。
[0011] 四、【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】：圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖2是飛行器姿態(tài)測(cè)定示意圖。
[0013] 圖3是姿態(tài)解算框圖。
[0014] 五、【具體實(shí)施方式】：下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳述。
[0015] 高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置設(shè)計(jì)在高強(qiáng)度PCB電路板上，三軸地磁傳 感器安裝在PCB板的正交平面上，它們的敏感軸互相垂直，組成測(cè)量體的三維坐標(biāo)系，如圖 1所示，GX、GY、GZ分別是地磁傳感器的三個(gè)敏感軸，坐標(biāo)原點(diǎn)0不必位于高速旋轉(zhuǎn)飛行器 的幾何中心，三個(gè)敏感軸的方向與高速旋轉(zhuǎn)飛行器的彈體坐標(biāo)系只需保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，不必 保持一致，極大的方便本測(cè)量裝置的安裝固定?？蓽y(cè)量飛行器的轉(zhuǎn)速在100R/S以上，利用 該系統(tǒng)可以精確地測(cè)量高速旋轉(zhuǎn)飛行器在各個(gè)時(shí)刻的三軸姿態(tài)信息。
[0016] 首先采樣三軸地磁傳感器輸出的角向量信號(hào)，根據(jù)實(shí)際情況建立測(cè)量裝置與飛行 器坐標(biāo)系的角向量數(shù)學(xué)模型，查表數(shù)據(jù)庫(kù)找到2組最接近的數(shù)據(jù)，用線性擬合算法精確推 算出飛行器當(dāng)前的姿態(tài)信息。本發(fā)明在降低硬件成本的情況下，提高了系統(tǒng)精度和可靠性， 并且還可以提供飛行器姿態(tài)變化的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄，從而估計(jì)出參考矢量和觀測(cè)矢量中的一 些不確定因素。
[0017] 然后通過(guò)ARM/FPGA處理傳感器的輸出信號(hào)并且輸出測(cè)量結(jié)果，并對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn) 行仿真、分析，最后得到所需要的飛行器姿態(tài)角數(shù)據(jù)幀。
【權(quán)利要求】
1. 高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：采用ARM/FPGA硬件驅(qū)動(dòng)三軸 地磁傳感器，摘除了陀螺和加速度傳感器，用軟件程序算法實(shí)現(xiàn)了被摘除的硬件功能。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：采用 軟件程序查表線性擬合的算法，提高了三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)幀的精度與傳輸速度。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：其硬 件輸出為標(biāo)準(zhǔn)的三線制串行口,其軟件輸出為標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)格式幀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：本裝 置支持控制機(jī)使用串行口來(lái)設(shè)置本裝置的控制通訊參數(shù)，并且新設(shè)置的控制通訊參數(shù)會(huì)自 動(dòng)保存，長(zhǎng)期不會(huì)丟失。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：三個(gè) 單軸地磁傳感器1~3是互相垂直方向固定的，見(jiàn)摘要附圖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：本裝 置采用單一電源供電，裝置內(nèi)部設(shè)置有多路穩(wěn)壓模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了供電方式，方便各類(lèi)飛 行器上的應(yīng)用。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：本裝 置重新加電時(shí)，首先自動(dòng)發(fā)送一幀控制通訊參數(shù)測(cè)試幀，再按控制通訊參數(shù)的規(guī)定格式連 續(xù)發(fā)送三軸的姿態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)幀。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度高速度低成本三軸姿態(tài)測(cè)量裝置，其特征在于：本裝 置不必特意進(jìn)行工作環(huán)境鐵磁補(bǔ)償操作，只要接通電源后將本裝置在實(shí)際應(yīng)用位置任意旋 轉(zhuǎn)一圈后，即可以自動(dòng)計(jì)算出補(bǔ)償數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01C21/08GK104121904SQ201310602102
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年4月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月1日
【發(fā)明者】李賈達(dá) 申請(qǐng)人:李賈達(dá)