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        淺析一種姿態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法

        2020-05-26 02:18:11蘇瑞鄧宇孫瑜
        科學(xué)與信息化 2020年8期
        關(guān)鍵詞:慣性陀螺姿態(tài)

        蘇瑞 鄧宇 孫瑜

        摘 要 本文給出了一種小型姿態(tài)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法,介紹了該系統(tǒng)的硬件框圖及數(shù)據(jù)解算。該系統(tǒng)基于MEMS器件搭建,采用模塊設(shè)計,可實(shí)現(xiàn)小機(jī)動情況下的高精度姿態(tài)測量。最后給出機(jī)載試驗(yàn)的驗(yàn)證結(jié)果。

        關(guān)鍵詞 姿態(tài)系統(tǒng);傳感器

        引言

        在小型飛行器中,由于其本身的體積和重量都很小,要求飛行器導(dǎo)航系統(tǒng)上應(yīng)用的運(yùn)動測量設(shè)備既要保證一定的精度,又能盡量減小導(dǎo)航設(shè)備的體積和重量。傳統(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺結(jié)構(gòu)復(fù)雜,易磨損、壽命短,激光陀螺和光纖陀螺性能穩(wěn)定、可靠性高,但其高昂的價格限制其在某些場合的應(yīng)用。相比之下,基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)器件而搭建的慣性系統(tǒng)具有體積小、功耗低、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、成本低等優(yōu)點(diǎn),加以濾波和算法修正,可以達(dá)到在小型飛行器上的應(yīng)用要求。

        1系統(tǒng)概述

        本姿態(tài)系統(tǒng)采用基于MEMS三軸陀螺儀和三軸加速度計構(gòu)建的慣性系統(tǒng),通過內(nèi)置高性能處理器,采用捷聯(lián)慣性姿態(tài)算法實(shí)現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)角度測量。其中三軸加速度用于跟蹤靜態(tài)角度解算,三軸陀螺用于跟蹤動態(tài)角度解算??梢詼y量的姿態(tài)參數(shù)包括全姿態(tài)橫滾角、俯仰角、角速度和加速度等8路信號,通過RS232格式信號編碼輸出,并可通過D/A轉(zhuǎn)換器以模擬信號形式輸出各路信號,輸出信號與角度/角速度/加速度呈線性關(guān)系。系統(tǒng)組成框圖如圖1。

        2工作原理

        本姿態(tài)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,包括電源模塊、數(shù)字式慣性系統(tǒng)(包含IMU信息處理模塊和捷聯(lián)航姿解算模塊)、DA輸出模塊、殼體和接插件等功能單元。

        2.1 電源模塊

        電源模塊用于將機(jī)載28V電源轉(zhuǎn)換為信號處理電路和數(shù)字式慣性系統(tǒng)所需的15V供電,主要包括極性保護(hù)及干擾濾波兩部分,電路原理如圖2所示。極性保護(hù)電路采用二極管極性保護(hù)電路D2,選用1N4148型開關(guān)二極管。電磁干擾濾波電路選用有關(guān)廠家推薦的典型參數(shù)。

        2.2 數(shù)字式慣性系統(tǒng)

        數(shù)字式慣性系統(tǒng)通過內(nèi)置高精度6自由度慣性測量單元IMU實(shí)現(xiàn)載體的三軸向角速率和加速度測量。其中三軸向陀螺用以敏感載體運(yùn)動角速度,經(jīng)信號預(yù)處理后,提供載體姿態(tài)計算原始信息,最終通過姿態(tài)四元數(shù)算法計算載體姿態(tài)信息。由于陀螺精度較低,漂移較大,長時間工作不能保證測量精度。利用三軸向加速度計測量重力在載體三軸向上的分量,可以計算出載體相對于當(dāng)?shù)氐乩硭矫娴膬A角。由于加速度計測量精度較高,其角度解算精度也很高,因此可利用加速度計輸出作為觀測量,采用卡爾曼濾波器構(gòu)造一個可變增益的閉環(huán)反饋系統(tǒng),來修正因陀螺漂移造成的姿態(tài)誤差,從而實(shí)現(xiàn)動靜態(tài)運(yùn)動條件下載體姿態(tài)的高精度測量。工作原理如圖3所示。

        2.3 D/A輸出模塊

        D/A輸出模塊包括D/A轉(zhuǎn)換部分和信號放大、濾波部分。其中D/A轉(zhuǎn)換采用專用四通道轉(zhuǎn)換芯片AD5324,該芯片為12位單極性信號輸出,輸出信號范圍為0V~Vref。

        為了提高放大電路的精度、方便調(diào)零和濾波電路的設(shè)計,放大電路采用了兩級放大,采用美國AD公司的OP297芯片。該芯片內(nèi)部集成兩個運(yùn)算放大器,具有低輸入偏置電壓、高開環(huán)增益、低噪聲密度等突出特點(diǎn)。第一級為減法電路,由RefF02Bu及電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生約0.94V基準(zhǔn)電壓Vref,反向放大2倍后與D/A輸出電壓值疊加,輸出-1.875V~1.875V電壓信號。第二級為反向放大、濾波電路,通過電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定其增益為-2、通帶截止頻率為10Hz,從而把上級輸出放大成穩(wěn)定的-3.75V~+3.75VDC雙極性標(biāo)準(zhǔn)電壓信號。原理圖如圖4所示。

        2.4 軟件解碼算法

        數(shù)字式慣性系統(tǒng)的輸出為RS232信號格式的數(shù)據(jù)包,需對其解碼運(yùn)算后再送入D/A轉(zhuǎn)換模塊。

        數(shù)據(jù)包為37字節(jié)的十六進(jìn)制數(shù),格式如圖5所示。依次為通信協(xié)議起始字符(數(shù)據(jù)包頭)、橫滾角、俯仰角、偏航角、三軸向角速率、三軸向加速度、溫度、時間、狀態(tài)信息和CRC校驗(yàn)碼。此處提取橫滾角、俯仰角、三軸向角速率和三軸向加速度共8路信號進(jìn)行標(biāo)度轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為輸出電壓信號。

        以橫滾角為例,解算公式為:

        橫滾角=接收數(shù)據(jù)/(65536/量程)=接收數(shù)據(jù)*量程/65536? ? ? ? ?(1)

        輸出電壓=橫滾角*(電壓量程/角度量程)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?(2)

        由于采集數(shù)據(jù)為實(shí)數(shù),編碼時采用補(bǔ)碼,首先要對補(bǔ)碼進(jìn)行范圍轉(zhuǎn)換,再根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的量程對數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行截取限定。按照公式1、公式2進(jìn)行解算和標(biāo)度轉(zhuǎn)換后,進(jìn)行CRC校驗(yàn),如無誤碼,則輸出轉(zhuǎn)換的電壓,出現(xiàn)誤碼則丟棄該數(shù)據(jù)包,重新接收。

        3試驗(yàn)驗(yàn)證

        該姿態(tài)系統(tǒng)經(jīng)兩次機(jī)載試驗(yàn),與機(jī)載地平儀的輸出信號進(jìn)行比對。

        試驗(yàn)中平飛、懸停、機(jī)動產(chǎn)品輸出正常,動態(tài)跟隨性好,但在連續(xù)大機(jī)動、加速-平飛-懸停段,產(chǎn)品輸出發(fā)散,誤差大。因此該系統(tǒng)僅能應(yīng)用在小機(jī)動條件下。數(shù)據(jù)如圖6、圖7所示。

        4結(jié)束語

        由試驗(yàn)結(jié)果可知,該系統(tǒng)質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高,可滿足小機(jī)動條件下的小型飛行器的姿態(tài)測量。該小型姿態(tài)系統(tǒng)目前已裝機(jī)使用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張謙,裴海龍,羅沛.基于MEMS器件的姿態(tài)航向參考系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用.2007,28(3):631-634.

        [2] 黃旭,王常虹.基于微機(jī)械慣性器件和磁強(qiáng)計的姿態(tài)航向系統(tǒng).2005,24(8)54-56.

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