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基于陀螺仪的姿态角存储测试实现方案的研究

1 、小序

飞行体姿态角的测试措施有很多种,如磁敏传感器、高速照相仪、加速率计法以及陀螺仪等。各类措施都有其优点及利用局限,适用于不合的利用处合。某小型飞行体飞行历程中所受过载较小,姿态角变更不大年夜,可容纳测试仪的空间有限,针对该小型飞行器姿态角测试,提出了一种基于陀螺仪的姿态角存储测试措施,先容了详细实现规划。

2、 姿态角测试系统设计

磁敏传感器法平日只是作为一种帮助测试手段,高速照相法易受气象影响也限定了它的利用。加速率计法有着低资源、低功耗、高靠得住性等优点,然则理论谋略及安装繁杂限定了该措施的利用,在海内多以理论钻研为主。而陀螺仪法在过载不太大年夜的场合利用方便,成为此飞行器姿态角测试的一个很好的选择。飞行体的姿态运动是飞行体绕自身质心的迁移转变运动。在引入刚体假设和坐标系转换的观点后,飞行体的姿态定义为飞行体坐标系相对付参考坐标系的旋转变换。

2.1 陀螺仪姿态角测试道理

在对刚体的迁移转变运动进行解析描述时.常利用欧拉角或卡尔丹角。卡尔丹角适用于姿态角变更较小的场合,是以.用卡尔丹角进行描述。取初始时候飞行体坐标系Oξηζ为固定坐标系,0xyz为与飞行体凝集的动坐标系。卡尔丹角拔取的措施是,首先绕ξ轴转过α角,到达0x1y1zl的位置;再绕y1轴迁移转变β角,到达0x2y2z2的位置;再绕z2轴迁移转变γ角,到达0xyz的位置。迁移转变关系如图1所示。

α、β以及γ分手为沿0ξ轴、0y1轴与0z轴的角速率分量,三次迁移转变如式(1)所示:

在此,以cx表示cosx、sx表示sinx,正切以tgx表示。各次迁移转变响应的偏向余弦矩阵分手为

飞行体的角速率ω,可以表示为:

式(7)为卡尔丹角表示的运动学微分方程,此中ωx、ωy及ωz分手为陀螺x轴、y轴及z轴的输出。积分此式,可得卡尔丹角。

2.2 系统实现

钻研存储测试技巧之后,设计了存储测试系统。体积微小和丈量时不必要引线即不必要对外界的电磁辐射是他的最凸起特征。在动态参数的存储测试领域,测试仪要随被测体一路运动,要求测试系统具有体积小、功耗低及抗高过载等特征,下面将结合系统设计阐述这些要求的响应办理步伐。

主控器件能否正常事情,是全部系统能否靠得住得到被测参数的关键。CPLD输入和输出引脚的原始电平可预先设定,开机即能达到预定电平,状态明确。旌旗灯号传输效率高,得当高速采样场合。可编程逻辑宏单元或逻辑块之间的互相连线在同一封装内,受外界滋扰影响小,电磁兼容(EMC)机能好。综上所述,CPLD具有逻辑性强、相应光阴快、法度榜样不易跑飞等特征。为此选用CPLD作为主控器件,设计只管即便简单靠得住的器件内部逻辑,以确保全部测试历程系统的正常事情。本系统存储容量为512 Kxl2 bit,负延迟为128 Kxl2 bit,采样频率为8 kHz。测试系统道理框图如图2所示。

存储测试系统包括:陀螺输出,旌旗灯号处置惩罚(通道切换、旌旗灯号适配电路、A/D转换器、数据存储器),系统节制(中间节制器、电源节制)和接口电路4个部分。对三维角速率旌旗灯号采纳的是继续采样的措施,必要进行通道切换。陀螺输出的是电压旌旗灯号,可先辈行通道切换再进行旌旗灯号适配,这样电路板的面积可以减小,进一步减小测试仪的体积。经由过程通道切换依次把传感器旌旗灯号送至旌旗灯号适配电路,经疗养后送至A/D转换器,将模拟量转换为数字量,存入存储器。当触发旌旗灯号到来后,测试系统记录完预设的容量,中间节制器给出模拟电源关断旌旗灯号,电源节制器竣事记录,测试系统进入省电模式。系统等待谋略机发读数指令由接口电路将数据读出。设计了响应的接口电路,USB口和并口都可读取测试装配的数据。

2.3 系统抗冲击处置惩罚

测试系统事情全程要遭遇冲击过载,装配必须要进行抗冲击处置惩罚,保护测试装配,使其能在高冲击情况下正常事情。为了抗高冲击过载,专门拔取了抗高过载的器件。此中最紧张的主控器件采纳XCR3064,抗高过载能力达到3×105g[6]。针对测试系统专门设计了抗冲击机器壳体,并且用环氧树脂对测试装配进行了真空灌封处置惩罚,将测试电路凝集在电路保护壳中以抗高过载。颠末上述抗高过载步伐处置惩罚后,测试装配能够很好满意测试必要,包管了测试系统的正常事情,系统可重复应用。

3、 测试结果及实测数据阐发

存储测试系统已经成功利用于某小型飞行体的试验,成功得到了测试数据。下面是实测曲线及其阐发,x轴为自转轴,z轴为飞行偏向。实测飞行历程角速率旌旗灯号如图3所示,图3中,3个轴的角速率曲线在70 ms处均有一个小鼓包,为陀螺的加速率效应在曲线上的体现。

陀螺仪测得的ωx、ωy以及ωz已知,根据表达式7所示的运动学微分方程,在MATLAB下解算出角度,如图4所示。经比较,与高速照相记录的姿态异常吻合。

4、 结语

面向某飞行体姿态角测试的实际必要,钻研姿态角测试技巧,提出一种姿态角测试规划,阐发理论根基,作实际测试,实验结果注解,该规划可满意系统应用需求。

责任编辑:gt

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