中國(guó)人民解放軍海軍七〇一工廠研發(fā)部 高 幸

載體動(dòng)態(tài)水平姿態(tài)采集處理設(shè)計(jì)

中國(guó)人民解放軍海軍七〇一工廠研發(fā)部 高 幸

【摘要】針對(duì)載體在各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，由于加速度干擾而影響水平姿態(tài)傳感器檢測(cè)精度的問題，研究了采用傾角傳感器與陀螺為敏感元件的載體水平姿態(tài)采集處理方法。主要分析了敏感軸向角運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的載體姿態(tài)算法，通過判定載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，計(jì)算、補(bǔ)償載體傾角信息，提高傳感器動(dòng)態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】水平姿態(tài)；動(dòng)態(tài)；精度；陀螺；姿態(tài)算法

0 引言

在軍事應(yīng)用領(lǐng)域中，準(zhǔn)確獲取車輛、飛行器、艦船、導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)姿態(tài)信息是對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控的必備條件。目前廣泛使用的擺式傾角傳感器，是利用固體、液體、氣體在重力場(chǎng)中擺的特性研制而成［1，2］。此類傾角傳感器在靜止?fàn)顟B(tài)下精度及穩(wěn)定性較高，但由于結(jié)構(gòu)原理的限制，在測(cè)量動(dòng)態(tài)載體水平姿態(tài)角時(shí)無法獲得較高精度，為彌補(bǔ)這一缺陷，將陀螺與傾角傳感器結(jié)合起來研究了一種基于MEMS元件的載體水平姿態(tài)采集處理方法，通過研究載體姿態(tài)算法，準(zhǔn)確判定載體姿態(tài)，計(jì)算傾角信息，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載體待測(cè)軸向的水平姿態(tài)信息。

1 總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，將傾角傳感器及陀螺的敏感軸置于同一軸向，陀螺僅敏感待測(cè)軸向的角速度信息，傾角傳感器敏感待測(cè)軸向的傾角信息，兩者的輸出共同判定載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，計(jì)算輸出載體實(shí)時(shí)傾角信息，系統(tǒng)框圖如圖1所示。敏感元件檢測(cè)到的載體姿態(tài)信號(hào)同時(shí)被A/D采集并轉(zhuǎn)化，通過單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算、補(bǔ)償，主要包括采集信號(hào)、濾波、傾角傳感器的零位偏移補(bǔ)償、非線性度補(bǔ)償、載體姿態(tài)判定以及動(dòng)態(tài)精度補(bǔ)償?shù)龋詈蠓糯筝敵鲚d體真實(shí)傾角信息。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2 姿態(tài)算法與運(yùn)動(dòng)分析

系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測(cè)動(dòng)載體水平姿態(tài)信息首先需要無誤差準(zhǔn)確判定載體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，陀螺和傾角傳感器輸出存在明顯區(qū)別。姿態(tài)算法中，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，敏感元件的輸出特性，分別設(shè)定陀螺與傾角傳感器輸出門限值A(chǔ)和B，根據(jù)表1所示方法，通過比較輸出電壓與對(duì)應(yīng)門限值，將載體運(yùn)動(dòng)分為：動(dòng)態(tài)、靜擾、靜態(tài)和異常狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)狀態(tài)劃分表

進(jìn)而分析提出不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，載體傾角輸出算法。如圖2所示，靜態(tài)下，敏感元件輸出變化同時(shí)小于各自設(shè)定門限值，傳感器最終輸出即為傾角傳感器實(shí)時(shí)輸出；靜擾狀態(tài)下，陀螺輸出小于設(shè)定門限值A(chǔ)時(shí)，認(rèn)定在敏感軸方向無轉(zhuǎn)動(dòng)；此時(shí)，傾角傳感器輸出變化大于門限值B，則表示存在干擾，傳感器最終輸出為上一時(shí)刻輸出；動(dòng)態(tài)下，敏感元件輸出變化均大于其設(shè)定門限值，將載體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分為兩部分：（1）理論動(dòng)態(tài)，僅敏感軸向角速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，研究動(dòng)態(tài)算法，提高檢測(cè)精度。（2）擾動(dòng)動(dòng)態(tài)，即除敏感軸向角運(yùn)動(dòng)外，載體還存在其他方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)推導(dǎo)載體運(yùn)動(dòng)方程，計(jì)算近似角速度積分輸出載體傾角變化。以下主要針對(duì)載體動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析計(jì)算。

圖2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)姿態(tài)算法

2.1 理論動(dòng)態(tài)分析

采用MEMS傳感器三軸精密轉(zhuǎn)臺(tái)模擬載體理論動(dòng)態(tài)下，載體在待測(cè)敏感軸方向做角振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以敏感軸向20°，0.2Hz振動(dòng)狀態(tài)為例，設(shè)置敏感軸向運(yùn)動(dòng)搖擺角度為±20°，搖擺頻率0.2Hz。采集卡同時(shí)采集運(yùn)動(dòng)平臺(tái)角度變化數(shù)據(jù)、傳感器組合輸出及陀螺輸出，采集時(shí)間間隔1ms，采集角度變化五周（0°～+20°～0o～-20o～0o為一周），取第三周期（n個(gè)采樣數(shù)據(jù)，此狀態(tài)下：n＝5000，i＝1～n）觀察計(jì)算，（三組組數(shù)據(jù)均為隨時(shí)間變化的正弦波曲線，即橫軸為時(shí)間、縱軸為轉(zhuǎn)臺(tái)搖擺角度、傾角傳感器輸出電壓及陀螺輸出電壓），搖擺測(cè)試臺(tái)輸出數(shù)據(jù)Yi和傳感器組合傾角模擬電壓輸出數(shù)據(jù)Vi（補(bǔ)償前為傾角傳感器輸出）。

通過電壓-角度換算可得動(dòng)態(tài)誤差曲線，即傾角傳感器采樣輸出與中框?qū)嶋H搖擺電壓的差值曲線，誤差曲線如圖3中C1曲線所示，計(jì)算其補(bǔ)償前動(dòng)態(tài)精度分辨率為0.6507°設(shè)圖3中誤差曲線為C1，同時(shí)選取同次采樣其他周期數(shù)據(jù)C2，以及重復(fù)采樣數(shù)據(jù)C3、C4，四條誤差曲線基本吻合，傾角誤差有明顯重復(fù)性規(guī)律。

圖3 傾角傳感器輸出誤差曲線重復(fù)性測(cè)試圖

2.2 擾動(dòng)動(dòng)態(tài)分析

運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，水平姿態(tài)傳感器輸出：

在該代謝途徑中，轉(zhuǎn)酮醇酶是關(guān)鍵性的酶，對(duì)赤蘚糖-4-磷酸的代謝量有顯著的影響，進(jìn)而影響赤蘚糖醇的最終產(chǎn)量[27]。

則真實(shí)值：

由式（3.7）得：

代入式（3.10）得：

代入式（3.14），得：

則：

動(dòng)態(tài)下，傾角傳感器受到非軸向加速度干擾時(shí)，傾角輸出零位差將大于陀螺角速度積分所得角度值，即：

設(shè)非軸向加速度產(chǎn)生的誤差：

3 信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)

圖4 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為模擬載體處于擾動(dòng)動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，采用MEMS三軸轉(zhuǎn)臺(tái)模擬載體同時(shí)存在軸向角運(yùn)動(dòng)及平面角運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)置敏感軸向角運(yùn)動(dòng)，即中框20°，0.2Hz搖擺，并設(shè)置內(nèi)框參數(shù)5°，2Hz搖擺（即載體所在平面的角振動(dòng)），示波器觀察運(yùn)動(dòng)曲線見圖5（a），傾角芯片輸出為扭曲的類正弦曲線，通過計(jì)算后得到敏感軸向的搖擺正弦曲線。理論動(dòng)態(tài)下，設(shè)置敏感軸向角運(yùn)動(dòng)，即中框20°，0.2Hz搖擺，輸出如圖5（b）所示，傾角輸出與最終輸出均為隨載體傾角變化的平滑曲線，此狀態(tài)下通過計(jì)算傾角誤差函數(shù)，提高動(dòng)態(tài)精度。

圖5 載體動(dòng)態(tài)下示波器觀測(cè)圖

圖6 誤差曲線與補(bǔ)償曲線對(duì)比圖

圖7 補(bǔ)償后傾角誤差曲線

5 總結(jié)

本文從傾角傳感器及陀螺為敏感元件的水平姿態(tài)傳感器組合的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究了載體姿態(tài)判定、計(jì)算方法，重點(diǎn)分析了載體動(dòng)態(tài)下姿態(tài)算法及精度補(bǔ)償方法，最后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了動(dòng)態(tài)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)下，傳感器可準(zhǔn)確判定、計(jì)算載體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，理論動(dòng)態(tài)下，通過分析載體姿態(tài)算法，補(bǔ)償輸出誤差，可有效提高動(dòng)態(tài)精度，20°搖擺范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)精度分辨率≤0.05，傳感器動(dòng)態(tài)性能得到明顯了提高。

參考文獻(xiàn)

［1］張福學(xué).自然對(duì)流氣流的擺特性及其在傳感器中的應(yīng)用［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2002，4（8）.

［2］樸林華，張偉，張金鐸等.加速度對(duì)氣體擺式傾角傳感器影響機(jī)理的探究［J］.傳感器技術(shù)，2004，23（7）.

作者簡(jiǎn)介：

高幸（1988—），安徽合肥人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)、慣性器件的研究。