一種姿態測量裝置在迫擊炮上的應用*

梁 棟，蘇建斌，聶 鑫，孫 戰，段嗣宗

（1.北方自動控制技術研究所，太原 030006；2.山西北方機械制造有限責任公司，太原 030009）

0 引言

迫擊炮對目標進行瞄準時，通過裝訂前沿觀測所計算出的射擊諸元實施射擊，射擊諸元通常包括方位、表尺等數據。理論上，單炮通過裝訂射擊諸元即可實施射擊，但在實際操縱中，由于火炮后坐力大，自身穩定性差，在射擊過程中非常容易發生位移和姿態的變化。該姿態測量裝置能夠使得迫擊炮在射擊后快速準確回到初始瞄準位置，進行下一步射擊操作，大大縮短了瞄準時間，減小了在射擊過程中由于火炮后坐力和自身穩定性等帶來的影響。

1 設備組成

迫擊炮瞄準裝置主要由電子瞄準機構、機械瞄準機構、緩沖器、法蘭及配套裝備組成。整個瞄準裝置重量控制在800 g 之內，最大外形尺寸177 mm×110 mm×129 mm，姿態測量裝置安裝在瞄準裝置的電子瞄準機構中。瞄準裝置配合迫擊炮使用，該瞄準裝置主要利用鏡內平顯瞄準標志（采用全息瞄準鏡或紅點瞄準鏡）賦予射向，能夠進行方向修正，具有射向保持功能；瞄準裝置通過法蘭與迫擊炮連接裝拆便捷一致，在發射沖擊過載作用下狀態穩定，具有機械測角機構，滿足部隊降級使用要求。

1.1 總體組成

姿態測量裝置由慣性測量單元（以下簡稱MIMU）、采集解算單元和電源等部分組成。系統組成框圖如圖1 所示。

1.1.1 微慣性測量單元

微慣性測量單元（MIMU）由獨立封裝的高精度國產分離式MEMS 慣性元件構成，包含X、Y、Z 3 個軸向的MEMS 陀螺儀和MEMS 加速度計，具備三維空間角、線運動測量能力。陀螺和加速度計通過線路板結構組裝，構成捷聯載體正交坐標系。

1.1.2 采集單元

采集單元將微慣性測量單元中MEMS 陀螺儀和MEMS 加速度計輸出的角速率、比力、溫度等信息，通過同步數字接口采集處理，按照要求的時序通過串行總線統一發送至解算單元。

1.1.3 解算單元

解算單元以高性能ARM 作為處理器構架，用于對MEMS 陀螺儀和MEMS 加速度計數據進行誤差補償、標度預處理、設備時序控制，并完成瞄準裝置初始對準、捷聯慣導姿態解算、方位保持解算、數據收發等。

1.1.4 電源模塊

電源模塊對電池電壓進行轉換，為設備內部組件提供工作電源。

2 原理方案設計

2.1 溫度誤差補償

MEMS 系統陀螺零偏和加速度計零位與溫度相關，隨著環境溫度變化，輸出隨之改變，由此帶來溫度誤差項。因此，必須對MEMS 器件的溫度誤差模型進行分析，并設計相應溫度循環試驗，對模型參數進行辨識，在獲取MEMS 陀螺和MEMS 加表原始數據后，首先進行溫度補償。

典型的MEMS 器件輸出與溫度關系曲線如圖2所示。

圖2 典型MEMS 器件輸出與溫度關系

在進行標度變換之前需對陀螺零偏和加速度計零位進行溫度補償，在標度變換中扣除陀螺零偏和加速度計零位與溫度相關項。溫補系數為事先在可編程隔振溫箱中，經過全溫度循環試驗建模，用最小二乘法求解得出的模型參數。

陀螺零偏和加速度計零位溫度補償模型如下：

式中，j 為X、Y、Z 軸，BgjT為陀螺溫補零偏誤差，NajT為加速度計零偏誤差，p 為溫度項階數，xi為溫度項，βgji為陀螺零偏溫補系數，βaji為加速度計零位溫補系數。

以MEMS 陀螺為例，經過溫度補償后陀螺零偏穩定性大幅提高，如下頁圖3 所示。

2.2 慣性組件參數標定

MEMS 慣性元件陀螺零偏、標度因數、安裝誤差角，加速度計零位、標度因數、安裝誤差角為事先在三軸轉臺上，通過分立式標定方法獲得。計算模型如下：

圖3 MEMS 陀螺溫度補償前后對比

2.3 方位姿態解算更新

基本原理如下：

相應原理圖如圖4 所示。

圖4 系統解算原理圖

3 硬件設計

3.1 慣性元件板

慣性元件板作為慣性傳感器的承載，主要用于MEMS 陀螺、MEMS 加速度計數字信號傳遞，提供慣性傳感器相關外圍電路，滿足捷聯慣性坐標系的正交性要求，如圖5 所示。

圖5 慣性元件板設計方案

3.2 采集解算板

采集模塊實現3 路MEMS 加速度計、3 路MEMS 陀螺的比力、角速率、溫度輸出信號的采集、濾波、誤差補償。采樣值通過SPI 數據總線傳送至SPI MASTER 控制器。如圖6 所示。

圖6 采集模塊設計方案

解算模塊主要實現系統解算、通訊接口擴展、時序控制等功能，以STM32F429 為基礎構架，設計方案如圖7 所示。

圖7 解算板設計方案

4 軟件流程

4.1 準備階段

設備開機即進入準備工作階段，該階段不進行姿態解算，并需要保持設備靜止，主要用來初始化以及測量MEMS 陀螺的漂移，防止設備移動導致陀螺漂移估計失效，以用于補償陀螺輸出。

4.2 工作階段

準備階段結束后，進入MEMS 姿態解算過程，根據陀螺和加速度計的輸出，同時對陀螺漂移進行常值漂移補償和溫度補償，以及對加速度計進行溫度補償，利用四元數實時解算姿態角。

設備軟件流程圖如圖8 所示。

圖8 系統的軟件流程圖

5 結論

姿態測量裝置是以微機電（MEMS）慣性傳感器為核心元器件，研制的MEMS 類高精度、小體積、低功耗慣性測量設備，具備自主姿態保持能力，可對外提供裝置的方位、水平姿態信息。在迫擊炮瞄準、射擊的過程中，作為輔助設備構成可靠的坐標系統，使迫擊炮使用更加便利和高效。