載體動態(tài)水平姿態(tài)采集處理設(shè)計

中國人民解放軍海軍七〇一工廠研發(fā)部 高 幸

載體動態(tài)水平姿態(tài)采集處理設(shè)計

中國人民解放軍海軍七〇一工廠研發(fā)部 高 幸

【摘要】針對載體在各種運動狀態(tài)下，由于加速度干擾而影響水平姿態(tài)傳感器檢測精度的問題，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動狀態(tài)下的載體姿態(tài)算法，通過判定載體運動狀態(tài)，計算、補償載體傾角信息，提高傳感器動態(tài)性能。

【關(guān)鍵詞】水平姿態(tài)；動態(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)彈等運動姿態(tài)信息是對其進行監(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，在測量動態(tài)載體水平姿態(tài)角時無法獲得較高精度，為彌補這一缺陷，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)，計算傾角信息，可實時監(jiān)測載體待測軸向的水平姿態(tài)信息。

1 總體設(shè)計

設(shè)計中，將傾角傳感器及陀螺的敏感軸置于同一軸向，陀螺僅敏感待測軸向的角速度信息，傾角傳感器敏感待測軸向的傾角信息，兩者的輸出共同判定載體運動姿態(tài)，計算輸出載體實時傾角信息，系統(tǒng)框圖如圖1所示。敏感元件檢測到的載體姿態(tài)信號同時被A/D采集并轉(zhuǎn)化，通過單片機進行相應(yīng)計算、補償，主要包括采集信號、濾波、傾角傳感器的零位偏移補償、非線性度補償、載體姿態(tài)判定以及動態(tài)精度補償?shù)龋詈蠓糯筝敵鲚d體真實傾角信息。

圖1 系統(tǒng)方框圖

2 姿態(tài)算法與運動分析

系統(tǒng)準(zhǔn)確檢測動載體水平姿態(tài)信息首先需要無誤差準(zhǔn)確判定載體的運動姿態(tài)，不同的運動狀態(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)不同運動狀態(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應(yīng)門限值，將載體運動分為：動態(tài)、靜擾、靜態(tài)和異常狀態(tài)。

表1 系統(tǒng)狀態(tài)劃分表

進而分析提出不同運動狀態(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時輸出；靜擾狀態(tài)下，陀螺輸出小于設(shè)定門限值A(chǔ)時，認(rèn)定在敏感軸方向無轉(zhuǎn)動；此時，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刻輸出；動態(tài)下，敏感元件輸出變化均大于其設(shè)定門限值，將載體運動狀態(tài)劃分為兩部分：（1）理論動態(tài)，僅敏感軸向角速度運動狀態(tài)，此時，研究動態(tài)算法，提高檢測精度。（2）擾動動態(tài)，即除敏感軸向角運動外，載體還存在其他方向運動，此時推導(dǎo)載體運動方程，計算近似角速度積分輸出載體傾角變化。以下主要針對載體動態(tài)進行分析計算。

圖2 系統(tǒng)實時姿態(tài)算法

2.1 理論動態(tài)分析

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

通過電壓-角度換算可得動態(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，計算其補償前動態(tài)精度分辨率為0.6507°設(shè)圖3中誤差曲線為C1，同時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)性測試圖

2.2 擾動動態(tài)分析

運動狀態(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，對赤蘚糖-4-磷酸的代謝量有顯著的影響，進而影響赤蘚糖醇的最終產(chǎn)量[27]。

則真實值：

由式（3.7）得：

代入式（3.10）得：

代入式（3.14），得：

則：

動態(tài)下，傾角傳感器受到非軸向加速度干擾時，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 信號處理實現(xiàn)

圖4 動態(tài)補償程序流程圖

4 實驗結(jié)果

為模擬載體處于擾動動態(tài)的運動狀態(tài)，采用MEMS三軸轉(zhuǎn)臺模擬載體同時存在軸向角運動及平面角運動的運動狀態(tài)。設(shè)置敏感軸向角運動，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），示波器觀察運動曲線見圖5（a），傾角芯片輸出為扭曲的類正弦曲線，通過計算后得到敏感軸向的搖擺正弦曲線。理論動態(tài)下，設(shè)置敏感軸向角運動，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)下通過計算傾角誤差函數(shù)，提高動態(tài)精度。

圖5 載體動態(tài)下示波器觀測圖

圖6 誤差曲線與補償曲線對比圖

圖7 補償后傾角誤差曲線

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、計算方法，重點分析了載體動態(tài)下姿態(tài)算法及精度補償方法，最后，對產(chǎn)品進行了動態(tài)測試，測試結(jié)果表明，動態(tài)下，傳感器可準(zhǔn)確判定、計算載體運動姿態(tài)，理論動態(tài)下，通過分析載體姿態(tài)算法，補償輸出誤差，可有效提高動態(tài)精度，20°搖擺范圍內(nèi)，動態(tài)精度分辨率≤0.05，傳感器動態(tài)性能得到明顯了提高。

參考文獻

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

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

作者簡介：

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。