彈丸滾轉角速度測量系統的設計與實現

劉宇倫，楊新民，王勝紅

（1.南京理工大學 江蘇 南京210094；2.淮海工業集團 山西 長治 046000）

彈丸滾轉角速度測量系統的設計與實現

劉宇倫1，楊新民1，王勝紅2

（1.南京理工大學 江蘇 南京210094；2.淮海工業集團 山西 長治 046000）

為了實現彈丸在飛行過程中的姿態測量，設計一種低成本、小體積的滾轉角速度測量系統。該系統主要使用地磁傳感器獲取地磁在其3個正交軸上的分量，經過放大放大、濾波與實時的零偏校正處理，進而根據所檢測到的地磁數據的變化解算出滾轉角速度。并經理論推導了地磁滾轉角速度測量彈體滾轉角速度的可行性，并給出了適用條件與局限性。通過實驗驗證，該方法能在一定的條件下夠測得相對精準的滾轉角速度，并使得測量系統的體積、重量和成本降低。

姿態測量；滾轉角速度；地磁傳感器；彈丸

目前，隨著對彈藥射擊精度要求的提高，準確地測量彈體的姿態數據問題對彈箭精確制導的重要性由此凸顯。彈箭姿態測量常用的傳感器如陀螺儀、加速度計、磁阻傳感器等已被廣泛應用，并且在理論與實際上都有較高的發展水平。但是慣性測量元件由于炮彈膛內不上電、高過載、低成本、小體積等問題，其應用收到了一定的限制。利用磁阻傳感器由于其成本低、體積小、抗過載等特點，測量彈體滾轉姿態的方法已經在工程上實現并實際應用[1-3]。

而地磁場信號較弱，易受干擾，產生零偏誤差，補償此誤差一般采用橢圓矯正的方法[4]，但橢圓矯正僅在系統初始化時完成，無法在系統運行時實時補償，因此依據彈丸飛行過程中的特點，設計了可實時校準零偏誤差的滾轉角速度測量系統，并經實驗驗證，在一定條件下可以精確測量滾轉角速度。

1 滾轉角速度測量模塊的基本原理

滾轉角速度的測量是依靠一個3軸磁阻傳感器實現[5]。假定磁阻傳感器的Xm、Ym、Zm3個敏感軸與彈體坐標系Xb、Yb、Zb重合。地磁場向量為B在彈體坐標系下的分量為Bbx、Bby、Bbz，在導航坐標系下的三軸分量大小分別為Bnx、Bny、Bnz。如圖1所示[2-3]。

由此可推算出磁阻傳感器的滾轉角速度:

根據導航坐標系相互轉換關系可得:

將（2）（3）帶入（4）并整理，可得

2 轉角速度測量模塊硬件設計

文中所采用的磁阻傳感器為霍尼韋爾公司生產的HMC1053高精度磁阻傳感器，其輸出量為-4 mV至4 mV的模擬電壓信號，經過放大器將其弱信號放大，將調整后的信號作為ADC的輸入信號，得到SPI接口形式的數字信號傳輸到彈載計算機。彈載計算機解算出零偏值大小，通過零偏補償電路修正偏置值，構成閉環反饋。硬件設計結構框圖如圖2所示。

圖2 滾轉角速度測量結構框圖

2.1 電源電路

電源部分將模擬電源與數字電源隔離。對于模擬電源，由于磁阻傳感器對電源精度與紋波干擾要求較高，因此采用低噪聲的REG103-5線性穩壓器；放大器所需的正負5 V電源分別由REG103-5線性穩壓器與TPS6735反向DC-DC轉換器提供。對于數字電路部分。模數轉換器、數字電位器等的3.3 V數字電源，由TLV1117-33降壓穩壓模塊將5 V輸入電壓降壓穩壓后提供。零偏補償電路中DCP所需的-2.5V電源則由TPS72325將-5V電壓降壓穩壓后提供。

2.2 磁阻傳感器

磁阻傳感器是基于各向異性磁阻效應的惠斯通電橋結構，磁阻材料的電阻值隨著磁場方向變化，通過電橋測量出磁場的變化量，轉化為差分電壓信號[7]。

霍尼韋爾HMC1043型磁阻傳感器是一種用于測量磁場的惠斯通電橋裝置。在向電橋供電時，傳感器把傳感軸方向的入射磁場強度轉換成差動電壓輸出。除了電橋電路外，傳感器還有兩個芯片內磁耦合的接線條，偏置條和設置/重置條，用于入射磁場調整和磁疇調準[11-14]；從而取消了傳感器周轉布置定位線圈的需要。磁阻傳感器由鎳鐵導磁合金的薄膜組成，薄膜熔敷在硅片上并形成電阻片元件的樣式。有磁場存在時，電橋電阻元件的變化致使電橋輸出端之間的電壓有相應的變化。這些電阻元件排列在一起有一個公共的傳感軸，傳感軸在傳感方向的磁場增強時提供正電壓變化。由于輸出僅與一維軸及其量級成比例變化，因而使另外安置在正交方向上的傳感器電橋可正確測量任意的磁場方向。

HMC1053三軸磁阻傳感器由于其封裝小、成本低、磁敏感度強等優勢，非常適合測量地球磁場。其主要參數如表1所示。

表1 HMC1053主要參數

由于外界干擾磁場的存在，磁阻傳感器需要周期性調節磁阻元件的磁疇[6-15]，如果向S/R條加入正脈沖電流，則正磁場在電橋輸出端產生的電壓為正電壓，反之則產生負電壓。本設計采用向S/R條周期性加入500 mA正脈沖電流的方式調節磁疇，使之對準易磁化軸的正向，以達到在不失精度的情況下達到快速校正磁疇的效果。

2.3 信號放大電路

本設計采用HMC1053磁阻傳感器靈敏度典型值為1.0 mV/V/gauss，電橋偏置的典型值為0.5 mV/V，供電電壓為5 V，地磁場強最大約為625 mGauss，則每個電橋在最大地磁場激勵的輸出值可能為：

電橋輸出端的偏置電壓為：

因此電橋總輸出為：

加入30%的冗余值，假設磁阻傳感器的最大輸出為8 mV，并且有2.5 V共模電壓。因此需采用高共模抑制比，最大增益大于500的放大器。

AD8211是一款高壓、精密分流放大器，設定增益為20 V/V，在整個溫度范圍內的典型增益誤差為±0.35%。緩沖輸出電壓可以直接與任何典型轉換器連接。無論是否采用5 V電源供電,從-2 V至+65 V均具有出色的共模抑制性能。AD8211在分流電阻上執行單向電流測量，適合各種工業和汽車電子應用，如電機控制、電磁閥控制或電池管理等。該器件采用特殊專用電路，以保證在0 mV至250 mV整個輸入差分電壓范圍內均可以獲得線性輸出，無論是否存在共模電壓。AD8211的工作溫度范圍為-40°C至+125° C，采用5引腳小型SOT封裝。其特性如表2所示。

表2 AD8221主要參數

該運放可使用一個電阻調節器增益系數，放大器的傳遞函數為：G=1+494 kΩ/RG。選取放大倍數為500倍，則計算結果Rg=99.8 Ω，因此選擇100 Ω電阻作為放大增益電阻。其放大電路如圖3所示。

圖3 一路放大電路

2.4 偏置補償

對于磁阻、運放與外界干擾等產生的偏置信號，可以采取在運放基準輸入端進行補償。系統在前一時間段采集彈丸滾轉時地磁場在兩個軸上的分量的最大值與最小值，結合運放放大倍數、地磁傳感器靈敏度計算出補償該偏置的數字電位器的游標位置，并將數字電位器的輸出量作為運放的基準值，補償偏置量。

數字電位器采用AD5204，4通道、255位電位器。改變電位器阻值大小是通過將11位串行數據字送入SDI引腳，寫入相對應通道的寄存器來實現的。

2.5 模數轉換電路

模數轉換器采用ADS8688，8通道16位逐次逼近型ADC，采用5 V模擬電源供電，其輸入范圍為雙極10.24 V、5.12 V與2.56 V。片上集成4.096 V基準電壓，信噪比為92 dB，功耗低至65 mW，并采用SPI數字接口通訊。其外圍電路簡單，封裝體積小，功耗低等特點，非常適用于彈載滾轉角速度測量系統。其轉換速率為500 kSPS。若對地磁輸出信號采用2路通道自動掃描模式，則有每一通道有250 K的采集速率。采集速率與彈體滾轉角速度測量精度的公式為：

通過公式(10)計算得出此采集速率在滾轉角速度為694轉/秒時精度仍可至少達到1°。輸入通道使用10 KΩ電阻與104電容組成的RC低通濾波器將高頻干擾信號濾除。

3 誤差分析

3.1 磁阻傳感器引起的誤差

假設地磁場強度為600 mGauss。參閱HMC1053磁阻傳感器的手冊，其與誤差相關的性能參數如表3所示。

表3 HMC1053誤差

由式(11)計算出磁阻傳感器產生的測量角度誤差為0.027°

3.2 放大器、AD轉換引起的誤差

磁阻傳感器HMC1053每一單軸測量地磁場的最大輸出值輸為8 mV，此微弱信號必須經運放放大后才能由A/D轉換器量化。通過參閱AD8221技術手冊中該運放的線性度誤差、溫漂誤差，通過計算得出放大器工作在最大增益G=1 000狀態時產生的角度測量誤差最大值為0.054°

A/D轉換器ADS8688的分辨率為16位，其量化誤差為0.02%FSR，積分非線性誤差為0.75 LSB。其產生的角度測量誤差最大值為0.012°

綜合上述誤差分析，該滾轉角速度測量系統的精度主要取決于放大電路的誤差水平[6-8]。整個系統器件產生的誤差為0.062°。

4 實驗與數據分析

將該滾轉角速度測量系統固定于彈體內，并進行實彈飛行測試。炮彈飛行過程中穩定平臺跟隨滾轉角速度測量系統測量的滾轉角速度，以保持其在慣性空間內的穩定狀態。在彈體繞軸旋轉時，地磁場強度矢量在傳感器XY敏感軸上的分量是正弦變化的[7]。圖4為炮彈飛行過程中，一段時間內地磁傳感器經實時校正后XY兩敏感軸所測的地磁分量大小。

圖4 飛行過程中地磁分量

圖5為彈丸飛行過程中該滾轉角測量系統所測量的滾轉角速度。

圖5 飛行過程中的滾轉角速度

由此可見，磁阻傳感器測量彈體滾轉角速度的方法是可行的，并且可以比較準確的測量滾轉角速度。

5 結 論

本論文針對彈體滾轉角[16-17]速度測量系統進行設計，以磁阻傳感器HMC1053為主要器件完成了整個測量系統的設計。通過理論證明磁阻傳感器在一定條件下可以測量彈體的滾轉角速度，同時該方法存在一定的局限性。設計了系統的硬件電路以及偏置補償方法。分析了彈體滾轉角速度測量系統的誤差。經過實驗結果證明，校正后的滾轉角速度零偏基本消除，測量精度能夠滿足要求。

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Design and realization of roll angular speed measurement system for projectile

LIU Yu-lun1，YANG Xin-min1，WANG Sheng-hong2
（1.Nanjing University of Science&Technology，Nanjing 210094，China；2.HuaiHai Industry Group，Changzhi 406000，China）

A low-cost small-size roll angular speed measurement system is designed mainly for getting the attitude of the projectile.The system using magnetic sensor to measure the geomagnetism.The roll angular speed can be calculated when the signal is amplified，filtered and bias corrected.The feasibility of the roll angular speed measurement system is proved through theoretical derivation，and the applicable conditions and limitations are given out.Experiments shows this method can get accurate roll rate under certain conditions，and the cost and size are reduced.

attitude measurement；angular speed；magnetic sensor；roll projectile

TN98

A

1674-6236（2017）09-0092-04

2016-04-09稿件編號：201604084

劉宇倫（1990—），男，山東威海人，碩士研究生。研究方向：慣性導航技術。