王麗平，李　杰，2*，祝敬德，鄒珊蓉（.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原03005；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原03005）

彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺相對轉(zhuǎn)角測量電路設(shè)計*

王麗平1，李杰1，2*，祝敬德1，鄒珊蓉1
（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051）

針對MEMS捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)在高旋彈藥姿態(tài)測量過程中，無法克服高量程和高測量精度的矛盾，提出了采用半捷聯(lián)慣性測量單元和增量式光電編碼器測量旋轉(zhuǎn)彈滾轉(zhuǎn)角的方法，重點設(shè)計了相對轉(zhuǎn)角測量電路，并對增量式光電編碼器在實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進行了研究，最后通過三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺試驗進行驗證。試驗證明，該相對轉(zhuǎn)角測量電路具有一定的可行性和有效性，能夠有效測量慣性測量組合與彈體之間的相對轉(zhuǎn)角，具有一定的工程應(yīng)用價值。

旋轉(zhuǎn)彈；相對轉(zhuǎn)角測量電路；增量式光電編碼器；半捷聯(lián)慣性測量單元

常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的前提是能夠?qū)崟r獲得彈體的飛行姿態(tài)參數(shù)。基于MEMS慣性器件的慣性測量單元具有成本低、體積小、抗干擾能力強、短時間精度高、抗過載能力強的特點，在旋轉(zhuǎn)彈藥制導(dǎo)化方面得到廣泛應(yīng)用［1-2］。但是由于MEMS器件工藝的限制，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)在測量高旋轉(zhuǎn)彈藥的姿態(tài)參數(shù)時，存在量程與精度互相矛盾的問題，從而導(dǎo)致姿態(tài)測量精度較低。

王晨［3］針對火箭彈滾轉(zhuǎn)動態(tài)范圍大的問題，提出通過伺服電機驅(qū)動慣性測量單元相對彈體等速反旋，隔離在滾轉(zhuǎn)方向上高旋角速度對慣性測量單元的影響。呂清利［4］提出了一種圖像制導(dǎo)的彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺，利用磁阻傳感器和伺服控制系統(tǒng)實現(xiàn)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定。王晨、呂清利等人提出的方法雖然解決了常規(guī)彈藥在滾轉(zhuǎn)方向上的高旋問題，但此時慣性測量單元測得的滾轉(zhuǎn)角不是彈體的滾轉(zhuǎn)角。如果要想獲得彈體的滾轉(zhuǎn)角，需要在微慣性單元與彈體之間加上一個能夠測量相對轉(zhuǎn)角的裝置，測量微慣性測量單元與彈體之間的相對轉(zhuǎn)角。增量式光電編碼器具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積較小、質(zhì)量較輕、功耗較低等特點，因此本文選用增量式光電編碼器來測量相對轉(zhuǎn)角。

1　彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺工作原理

彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，光編和微慣性測量單元安裝在內(nèi)筒，內(nèi)筒與伺服控制系統(tǒng)的電機軸通過聯(lián)軸器捷聯(lián)，光電編碼器的軸通過機械加工固定在平臺外殼［5］。在已知彈體轉(zhuǎn)速和方向的前提下通過控制電路和伺服控制系統(tǒng)使得電機帶動內(nèi)筒實現(xiàn)等速反旋，光電編碼器的定子和轉(zhuǎn)子就會相互轉(zhuǎn)動，輸出脈沖數(shù)，換算成對應(yīng)的角度，就是內(nèi)筒與彈體的相對轉(zhuǎn)角。在姿態(tài)解算時通過算法即可得到彈體的姿態(tài)參數(shù)。

圖1　彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2　相對轉(zhuǎn)角電路設(shè)計

2.1光電編碼器的工作原理

光電編碼器是一個通過光電轉(zhuǎn)換裝置將輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)或者數(shù)字量的傳感器，其原理圖如圖2所示。其核心部件為光柵盤和光電檢測裝置，光柵盤是把一定直徑的圓盤等分地開通若干個長方形孔，光柵盤與光編的軸固聯(lián)。當光編的軸轉(zhuǎn)動時，光柵盤同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置會輸出若干脈沖信號，通過對輸出脈沖計數(shù)就能計算轉(zhuǎn)速，在已知時間的前提下就能算出對應(yīng)的角度。根據(jù)檢測原理，光編可以分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式，按照信號輸出形式，光編分為增量式、絕對式和混合式3種。

圖2　光電編碼器原理圖

2.2光編信號方向判斷

本文選用10位增量式光電編碼器測量相對轉(zhuǎn)角，其分辨率約為0.35°。該增量式光電編碼器具有體積小、價格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定，高分辨率的特點。增量式電編碼器有A、B、Z 3路輸出信號，當光電編碼器定子和轉(zhuǎn)子有相對轉(zhuǎn)動時，光電編碼器會輸出A、B兩路相互正交的數(shù)字脈沖信號。當光編旋轉(zhuǎn)一圈時，輸出一個Z脈沖信號。

圖3　光編方向判斷示意圖

如圖3所示，當編碼器正轉(zhuǎn)時，A路信號的相位超前B路信號90°。編碼器反轉(zhuǎn)時，A路信號的相位落后B路信號90°。光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈，Z路信號輸出一個脈沖信號，用來表示編碼器的零位，將脈沖誤差控制在每轉(zhuǎn)以內(nèi)，能有效的避免誤差累積。A、B兩路信號用于判斷被測物體的旋轉(zhuǎn)方向和計算被測物體的轉(zhuǎn)速。

2.3光編抖動產(chǎn)生機理

在實際運用過程中，炮彈在飛行過程中由于風(fēng)等環(huán)境因素使得彈體出現(xiàn)抖動現(xiàn)象［6］，從而引起光編的軸出現(xiàn)抖動，導(dǎo)致光編輸出的脈沖不穩(wěn)定，光編抖動信號如圖4所示。如果在對光編輸出的脈沖計數(shù)時，對干擾脈沖不進行判斷會導(dǎo)致計數(shù)不準確，最終導(dǎo)致彈體的飛行姿態(tài)參數(shù)測量不準確。

圖4　光編抖動干擾信號圖

對圖4光編輸出的干擾信號分析可知，光電編碼器有抖動干擾時，A、B兩相脈沖輸出信號不是一個完全正交的脈沖列，在脈沖的上升沿和下降沿都有可能出現(xiàn)抖動脈沖。原因是光電編碼器的轉(zhuǎn)子有機械抖動時，碼盤在很小的范圍內(nèi)做高頻率的正向運動和反向運動。如圖5所示，碼盤在位置Ⅰ和位置Ⅱ交替反復(fù)運動。

圖5　碼盤抖動運動示意圖

2.4光電編碼器抖動抑制方法

從增量式光電編碼器A、B兩相輸出的脈沖信號可以看出，A相脈沖在上升沿和下降沿時對應(yīng)的B相脈沖電平是不一致的。因此可以利用D觸發(fā)器將相鄰兩跳變沿時刻所對應(yīng)的另一相脈沖的邏輯電平寄存起來，然后進行比較。若一致，必為干擾信號，此時不應(yīng)計數(shù)，若不一致，則為正常脈沖信號，在已知方向的前提下計數(shù)加1或減1［7，8］。

3　光電編碼器接口電路設(shè)計

常規(guī)彈藥的轉(zhuǎn)速最高能達到20 rot/s，光編輸出的A、B兩相脈沖信號的最高頻率能達到20 kHz。所以光編的A、B、Z三相輸出的脈沖一般和FPGA的全局時鐘管腳連接，GCLK為FPGA提供時鐘信號，與FPGA的276管腳連接，A、B、Z三相與FPGA 的275、54和55管腳連接，如圖6所示。

圖6　光編接口電路圖

在實際運用時，光編輸入的信號首先需要接入到IBUFG的輸入端，IBUFG作為時鐘輸入管腳相連接的首級全局緩沖，從全局時鐘管腳輸入的信號都必須經(jīng)過IBUF元，否則在布局布線時會報錯。IBUFG支持LVDS、TTL、LDT等多種格式的I/O標準。從IBUFG輸出端輸出的光編信號需要接入到BUFG的輸入端，因為從BUFG的輸出端的信號到達FPGA內(nèi)部IOB、CLB的延遲和抖動最小。

圖7　飛行仿真試驗現(xiàn)場圖

4　試驗驗證

為了驗證相對轉(zhuǎn)角電路設(shè)計的正確性和有效性，將彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺安裝在飛行仿真轉(zhuǎn)臺上，安裝示意圖如圖8所示。在試驗過程中，飛行仿真轉(zhuǎn)臺在俯仰和偏航方向上保持不變，滾轉(zhuǎn)方向上高速旋轉(zhuǎn)模擬炮彈高速旋轉(zhuǎn)，記錄相關(guān)參量，對仿真試驗數(shù)據(jù)進行分析。

圖8　慣性測量單元滾轉(zhuǎn)角

通過對數(shù)據(jù)的讀取分析，得出慣性測量單元的滾轉(zhuǎn)角和光編測量的相對轉(zhuǎn)角如圖9、圖10所示。

圖9　光電編碼器測得的相對轉(zhuǎn)角

圖10　系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)角

對內(nèi)筒的滾轉(zhuǎn)角和光編測得的相對轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進行處理，得出系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)角，如圖10所示。與飛行仿真轉(zhuǎn)臺測得的滾轉(zhuǎn)角進行對比，對比結(jié)果如圖11所示。由于系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺存在軸向角度安裝誤差，所以在高速旋轉(zhuǎn)過程中會出現(xiàn)峰峰值3°左右的角度誤差，但穩(wěn)定以后誤差約為0.35°，滿足光編測量的誤差范圍。

圖11　滾轉(zhuǎn)角誤差

5　結(jié)論

本文利用增量式光電編碼器來測量彈體與內(nèi)筒的相對轉(zhuǎn)角，并通過與內(nèi)筒慣組測得的滾轉(zhuǎn)角解算出彈體的滾轉(zhuǎn)角，通過試驗驗證利用增量式光電編碼器測量彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺的相對轉(zhuǎn)角是可行的，并且具有較高的測量精度，具有一定的工程價值。

［1］ 劉俊，石云波，李杰.微慣性技術(shù)［M］.2005.

［2］ 杜繼永，黃國榮，張鳳鳴，等.基于低成本MEMS器件的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23（11）：1662-1666.

［3］ 王晨，董景新，高宗耀，等.火箭彈大動態(tài)單軸平臺慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)解算［J］.中國慣性技術(shù)學(xué)報，2012，20（3），257-261.

［4］ 呂清利.圖像制導(dǎo)彈藥的彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2011.

［5］ 李杰，劉俊，張文棟.微型慣性測量裝置［J］.儀器儀表學(xué)報，2006，27（6）：1450-1451，1462.

［6］ 李杰，劉俊.制導(dǎo)彈藥用微慣性測量單元結(jié)構(gòu)設(shè)計［J］.兵工學(xué)報，2013，34（6）：711-717.

［7］ 趙詣，李杰，劉喆，等.旋轉(zhuǎn)彈用MEMS慣性測量組合數(shù)據(jù)硬回收系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25（9）：1251-1256.

［8］ 祝敬德，李杰，王麗平，等.基于光電編碼器的相對轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)［J］.測試技術(shù)學(xué)報，2015，29（2）：145-148.

王麗平（1989-），女，山西省交城縣人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事微系統(tǒng)集成、慣性測量方向的研究，wlp624@126.com；

李杰（1976-），男，山西省嵐縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)在中北大學(xué)電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室工作，主要從事微系統(tǒng)集成理論與技術(shù)、慣性感知與控制技術(shù)、組合導(dǎo)航理論等，lijie@nuc.edu.cn。

The Relative Angle Measurement Circuit Design of Stable Roll Platform for Missile*

WANG Liping1，LI Jie1，2*，ZHU Jingde1，ZOU Shanrong1
（1.North Uniυersity of China Scienceand Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth Uniυersity of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the problem that the conventional MEMS strap-down inertialmeasurement has difficulty in overcoming the contradiction between high range and high measurement accuracy，a new measurementmethod of roll anglewas proposed by using semi-inertialmeasurement unitand incremental optic-electrical encoder.The design of the rollanglemeasurement circuitwas introduced，some researches were made on the problems of incremental photoelectric encoder in the actualapplication process，and itwas finally verified by the three-axis flightsimulator tests.Tests show that the relative anglemeasurement circuit that is feasible and effective canmeasure effectively the relative angle between IMU and projectile and ithasa certain value in engineering.

rotary bomb；relative anglemeasurement；incrementalopticalencoder；semi-strapdowninertialmeasurementunit

V241

A

1005-9490（2016）04-0903-04

項目來源：武器裝備探索研究項目（7131017）

2015-07-31修改日期：2015-08-30

EEACC:7320C；120010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.029