无陀螺测量系统（精选3篇）
无陀螺测量系统 篇1
微惯性测量系统的设计对于现代武器系统的机动能力、可靠性、环境适应性等的技术性指标具有决定性影响。它的精度在很大程度上决定了卫星、导弹、航天器的姿态精度, 对各类飞行器的定位、定向及姿态的确定具有重大作用。为此, 设计了陀螺和加速度计微惯性测量系统, 以实现对飞行体姿态的高速度、高精度采样存储。
1 微惯性测量系统的硬件设计
1.1 硬件系统总体设计
实时记录弹体内通过测量的加速度和角速度是惯性测量系统硬件部分的主要任务, 微惯性测量单元的硬件部分主要由电源控制器、中心控制器、Flash存储器、三轴陀螺、三轴加速度计、适配放大滤波电路和接口电路组成, 如图1所示。
由于A/D转换器的输入范围为0 V~2.5 V, 但是传感器的输出范围在0 V~5 V, 所以在信号从传感器输出以后, 需要将信号缩小到A/D转换器可接受的范围。本文采取了电阻分压的方式进行信号缩小, 缩小到0 V~2.5 V的信号被输入A/D转换器, 信号转换为数字信号, 并存入Flash存储器。实验完成后装置从弹体中取出, 并经过上位机读取数据后进行信号处理、解算和输出[1,2,3]。
本文中微惯性测量单元的性能指标要求工作温度在-40℃~60℃, 角速度测量范围:X, Y, Z:±2 000°/s, 加速度测量范围:±50 g, 分辨率为12 bit, 采样频率50 k Sa/s, 技术实践60 s记录通道为8通道, 存储容量48Mbyte, 陀螺传感器精度≤0.5%FR;加速度传感器精度≤0.5FR, USB接口为上位机接口方式, 数据保持时间≥72 h。
1.2 微惯性测量系统的状态设计
介于设备使用的要求和条件, 以及电路设计的原理, 通常在进行设计测试系统时要先完成功能设计, 而后进行状态设计, 最后进行整体电路设计[4,5]。图2为微惯性测量单元状态设计图, 状态设计分为待上电、初始化、顺序记录、等待读数、读数、擦除六种状态。
1) 待上电:电池开始为电源控制芯片供电, 等待上电信号。此状态下, 电流标准设置为20μA左右, 为达到低功耗要求, 只有MAX894L和CPLD电源管理芯片接通电源, 装置的上电方式为断线上电。
2) 初始化:复位信号会在断线上电后在电路中产生, 对CPLD进行复位操作。系统设定为保持上电信号1 s以上电路才进行上电, 主要原因是为了避免电路中产生的毛刺使电路误上电。
3) 顺序记录:时间60 s, 长度48Mbyte, 此状态需保证Flash存储器中的数据已被擦除过, 且电路进行断电上电, 数据记录成功后, 进入低功耗状态, 自动关闭传感器电源, 等待读数。
4) 等待读数:等待与上位机相连, 此时系统不再进行任何数据的记录和存储。
5) 读数:装置在与上位机连接后, 发出读数指令, 唤醒单片机, 设备接收指令后, AD总线进入高阻态, CPLD总线同步进入到输出状态, 读出存储设备中数据。读数完成后, 既可以进入擦除状态, 也可以直接下电。
6) 擦除:上位机对Flash存储器发擦除命令, 进行按块擦除。此状态需要在数据读出后进行。
2 传感器的选择
2.1 陀螺传感器的选择
由于相比于传统陀螺仪, MEMS陀螺具有重量轻、体积小、结构坚固、抗冲击强等特点, 故本文选择MEMS陀螺作为微惯性测量单元的传感器。
MEMS陀螺的工作原理是随着三个轴角速度的变化而输出不同的电压信号, 此信号在经过A/D转换器后以数字信号存储在Flash存储器中, 之后通过上位机软件将信号读取到计算机并解算成需要的参数值。
由于成本、体积、速度等方面的考虑, 且要求设备在随着时间和温度变化的条件下依然能够保持较好的稳定性和可靠性, 本文选择采用MEMS技术芯片的西安精准测控公司生产的PA-3ARG系列固态角速率陀螺, 其是一种具有高可靠性和高封装坚固性的三轴角速度传感器。
2.2 加速度传感器的选择
由于:a=f/m, 即:加速度=惯性力/质量, 可知加速度可以通过测量惯性力的方式被计算出来。而惯性力可以通过电磁力来平衡, 电磁力和电流又存在着比例关系, 可以通过实验得出惯性力和电流的关系, 信号处理电路记录电流便可通过惯性力得出加速度[6]。
由于功耗、体积、稳定性和精度方面的考虑, 本文选用Analog Device公司的ADXL系列的加速度传感器[7]。
3 微惯性测量系统的上位机软件设计
Lab VIEW软件是一款提供直觉式开发环境的软件, 且其拥有丰富的数据采集、分析和存储等相关函数。本文选用Lab VIEW软件作为数据采集系统的设计开发软件。
3.1 软件主界面
在充分考虑人机界面要与以往软件风格的衔接及人们实际操作习惯等因素的条件下, 本系统软件界面如图3。
软件图形界面的左边是波形图空间, 用来显示数据得出的波形, 可以通过Lab VIEW软件的波形显示控件直接显示多种波形, “采样长度”控件记录采集的数据量, 以MB为单位, “采样读数”控件对设备内的数据进行读取, “打开文件”控件用于打开以前的数据, “通道选择”控件查看不同通道中的数据波形。
3.2 程序各部分功能
主程序主要由程序初始化部分, 主体部分和程序退出部分三部分组成。主体部分是用来响应用户各种操作的一个带While循环的事件结构。
根据系统要求设计了数据采集子程序、读取二进制文件子程序、数据转换子程序和通道选择子程序。
通过数据采集子程序及读取二进制文件子程序发送读数指令和读取二进制文件 (.dat文件) , 并输出成为一维数据。再用数据转换子程序将.dat文件从8位转换为16位, 并处理得到12位A/D转换的结果。
通道选择子程序能够将得到数据的一维数组, 按照8个通道分成8个数组, 并且按照用户选择的通道进行输出。
3.3 模块化程序设计
为了使主程序能够简单易读的同时又方便分开调试, 且不容易出错, 采用了子VI的方法。采样读数、读取文件、数据转换、通道选择的程序分别封装成子VI, 分别调用不同的子VI, 就能分别实现其对应功能。节省了工作路径的同时, 也提高了运行速度和稳定性。
3.4 事件结构
事件结构能够根据用户的不同动作去执行不同的程序, 是当今主要的人机界面设计方法之一。由于事件通常需要多次执行, 而不是只执行一次, 所以通常情况下事件结构需要配合While循环一同使用。相比于不断循环判断触发条件的轮询结构, 事件结构等待触发的特点能够节省大量的系统资源。
3.5 错误处理
软件设计人员需要对软件有全面的了解, 在软件发生问题的时候, 能够迅速找到问题发生的地方, 作为Lab VIEW编程中重要的一环, 软件本身提供了错误输入和错误输出控件, 通过这两个控件, 可以方便地进行错误处理。
如图4所示, 本次软件设计中, 使用了错误输入簇和错误输出簇, 程序框图最左边是错误输入簇, 之后数据流经过程序初始化部分、主循环事件结构部分、程序结束部分, 最后在错误输出簇部分结束。这样设计出来的程序, 体现了数据流编程的思想, 不但能够使程序按照数据流的方向执行, 而且能够很好地处理程序各个部分产生的错误。
4 实验结果
为了验证微惯性测量系统的性能, 利用三轴无磁性转台模拟弹体的飞行姿态。以X轴为例:如图4为两个传感器采集到的X轴信号。将采集到的三轴信号进行后续的解算即可得到需要的飞行参数。
5 结论讨论
采用陀螺和加速度计的微惯性测量系统体积小、功耗低, 能很好地实现对飞行体姿态的数据采集, 可以满足测量单元性能指标的要求。两种传感器信息的融合使得精度更高, 误差减小。该测试系统适用于很多场合, 后续将采集到的数据利用算法软件进行处理分析, 便可以解算出姿态测试所需要的参数, 有进一步研究的意义和必要性。同时, 在试验过程中也发现每一次信息的读取都需要将测试装置拆下来连接数据线读取, 若能在系统中集成小型无线数据传输模块, 便可能解决这个问题。这也是后续为提高工作效率需要改进的。
摘要：主要介绍了陀螺和加速度计的微惯性测量单元的硬件设计以及Lab VIEW上位机软件的设计。硬件设计介绍了测量系统的总体设计、状态设计和陀螺、加速度传感器的选择。软件设计介绍了软件主界面、程序各部分功能、模块化程序设计、事件结构及错误处理。最后将测量系统安装到无磁性转台进行模拟飞行试验, 并将系统中的数据采集到上位机软件进行分析。该系统满足测量三轴信息的需求, 同时兼顾了测试系统小型化低成本的要求。
关键词：惯性测量,微惯性测量单元,陀螺,加速度计
参考文献
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无陀螺测量系统 篇2
无陀螺捷联惯导系统的安装误差辨识方法
根据无陀螺捷联惯导系统(GFSINS)的工作原理,推导了理想条件下和有加速度计安装误差条件下的角速度解算方程;推导了加速度计的安装位置误差所产生的`加速度计的输出误差;在静基座条件下,通过旋转惯性测量单元坐标轴的方法改变其放置位置,建立了加速度计安装位置误差的辨识公式;数字仿真结果表明.所采用的加速度计安装误差的辨识方法有效,对辨识得到的安装误差进行补偿可以显著地提高角速度的解算精度.
作 者：吴俊伟 李绵伟 王小旭 金春竹 WU Junwei LI Mianwei WANG Xiaoxu JIN Chunzhu 作者单位：哈尔滨工程大学,自动化学院,黑龙江,哈尔滨,150001刊 名：测试技术学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF TEST AND MEASUREMENT TECHNOLOGY年，卷(期)：200822(5)分类号：V249.32关键词：无陀螺捷联惯导系统 惯性单元 安装误差 加速度计 参数辨识
陀螺仪在惯性测量系统中的应用 篇3
目前, 运动检测和姿态跟踪在自动导航、电脑输入和虚拟现实等方面得到了广泛的应用。目前的运动检测一般采用光学或电磁场等方法来实现。然而, 光学检测对周围环境的照明情况很敏感, 运动物体也必须保持在检测系统的可观察范围之内, 同时电磁场检测也很容易受到环境中金属物体或其他物体的电磁干扰的影响。使用陀螺仪的惯性测量系统则不会被外界的照明情况或电磁干扰所影响。
2. 陀螺仪与惯性测量系统的原理
2.1 陀螺仪的原理
陀螺仪的原理就是, 一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时, 是不会改变的。人们根据这个道理, 用它来保持方向, 制造出来的东西就叫陀螺仪。陀螺仪在工作时要给它一个力, 使它快速旋转起来, 一般能达到每分钟几十万转, 可以工作很长时间。然后用多种方法读取轴所指示的方向, 并自动将数据信号传给控制系统。
2.2 惯性测量系统的原理
惯性测量系统简写为包括五个主要部件:惯性测量部件, 数据处理部件, 控伟与显示部件, 数据存储部件和电源部件。
惯性测量组合 (MIMU) 的传感器包括陀螺仪和加速度计, 它们直接安装在载体上。陀螺仪组件测量沿载体坐标系三个轴的角速度信号, 加速度计组件测量沿载体坐标系三个轴的加速度信号, 并送入处理器进行数据处理。地理坐标系视为导航坐标系时, 计算机利用这些测量信息, 经误差补偿后进行姿态矩阵计算和载体坐标系至“平台”坐标系的坐标变换。
3. 陀螺仪在惯性测量系统中的具体应用
3.1 陀螺惯性测量系统在军事中的应用
坦克、装甲等战车上的铁制物和电磁系统较多, 通常指南针会受到影响因而难以发挥作用。如果在车辆开始行进时, 将陀螺仪的高速转轴放置在南北方向, 则由于陀螺仪的定轴性, 在车辆行进过程中, 无论车身如何转动, 陀螺仪的高速转轴都会稳定地指向当地的南北方向。车辆的纵轴与陀螺仪高速转轴的夹角即为航向角, 根据其大小即可确定方向, 并通过电子系统控制车辆的前进。前苏联最早即在自行高炮和萨姆导弹的发射车上装置了陀螺仪。由此可见, 机械陀螺仪是以力学中的惯性原理为依据制成的, 其导航精度完全取决于元件本身, 与周围物理环境无关, 不受外界干扰。速率陀螺仪提供的角速度信号能为防空火力控制瞄准器提供前置角数据, 能为飞机、车辆等导航制导系统提供稳定数据, 从而改善系统的动态品质。
3.2 陀螺惯性测量系统在数字温控系统中的应用
保证温控有较高精度的技术途径为:1) 提高温度控制质量, 使陀螺周围的温度受外界的温度影响最小;2) 保证内部温度场分布均匀。基于此, 需要选择合适的控制方案。
3.2.1 分级控制
采用分级控制的实质是通过把热源分散开, 使其尽可能分布在被控对象上, 减小外界温度的干扰, 使内部温度场的温度分布均匀, 使控制对象的温度以高精度稳定在设定点, 从而实现对陀螺和加速度计温度的精密控制。
3.2.2 分段控制
为了使系统温度能以最快速度、最小的超调升高到工作温度, 并稳定下来。全速加热阶段, 陀螺、加速度计和本体的加热膜都以全功率工作。当接近各自的工作温度时, 温控进入第二阶段即DA精确控制阶段。此时, 通过温度传感器传回的温度信号, 结合所采用的算法, 计算出控制电压的大小, 进行相应的控制。当系统温度升高到工作温度时, 系统的加热功率与热耗散功率保持动态平衡。
3.2.3 闭环控制
温度传感器将光纤陀螺惯性测量组合的温度值传送给DSP控制器, DSP计算出相应的控制量, 数字控制量经过DA转换后, 输出模拟电压值驱动功率放大器工作, 控制加热膜的工作状态, 最终达到控制光纤陀螺惯性测量组合温度的目的。本系统总共涉及7路温度控制, 分别为台体、三个轴向的加速度计和三个轴向的光纤陀螺。因此, 在温控系统中同时存在7个闭环回路并行工作。采用单级温度控制, 在低温环境下, 温度控制对象的温度难以上升至目标温度。采用两级温度控制之后, 在低温环境下温控对象能够迅速上升至所设定的目标温度点55℃ (台体为52℃) , 并稳定下来。
4. 结语
加速度计和陀螺仪是惯性测量系统的核心元件, 它们的稳定性和灵敏度是决定惯性测量系统工作精度的最重要因素之一。因为迄今为止使用的仪器还是建立在大约十年前旧的技术基础上的。所以测量的精度还不够理想。近几年来, 不论是加速度计或是陀螺仪的制造都有新的突破, 以陀螺仪而言, 就有挠性陀螺、静电陀螺、电磁陀螺、低温超导陀螺、流体陀螺以及激光陀螺等各种类型。利用精度较高的新型敏感元件, 可以期望新一代惯性测量系统将会带来显著的精度提高和测量程序的简化。惯性测量系统的出现, 为大地测量提供了新的测量手段, 它可以替代天文测量、重力测量、三角测量、水准测量和距离测量等, 所有这些测量成果都能以汽车或直升飞机的运动速度来求得, 而且它不受昼夜、雨雪的影响, 也不需要参照外界任何目标, 所以是自主式的。将惯性测量系统和卫星多普勒测量相配合, 有可能引起大地测量技术的根本性变革。
参考文献
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