專利名稱：用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測量旋轉(zhuǎn)飛行器的橫滾角速 率、俯仰角速率和偏航角速率等姿態(tài)參數(shù)信息的裝置和測量方法。
背景技術(shù)：
高速旋轉(zhuǎn)飛行器的滾轉(zhuǎn)可以改善氣動不對稱和推力偏心，質(zhì)量偏心，導(dǎo)彈外形工 藝誤差等干擾所造成的影響，減小無控飛行段的散布等優(yōu)點(diǎn)。因此，高速旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)參 數(shù)信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取是控制其穩(wěn)定飛行的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外對于高速旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài) 參數(shù)的測量主要基于如下兩種方式捷聯(lián)式慣性方式法和無陀螺組合方式。然而，上述這兩種方式存在諸多問題，如捷聯(lián)式慣性方式是采用陀螺測量飛行體 的滾動角度率，測量范圍比較小，通常小于7200° /s ；而采用無陀螺組合方式，如采用多個 加速度計(jì)組合、加速計(jì)與地磁傳感器組合等方式，則存在測量單元的體積大、易受環(huán)境影響 的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供一種體積小、測量范圍大、 抗干擾能力強(qiáng)、能同時(shí)測量出飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率的旋轉(zhuǎn)飛行器 姿態(tài)測量裝置。本發(fā)明的目的之二是為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題提供一種飛行器姿態(tài)的測量方 法，該方法簡單，實(shí)用，可靠性高。為實(shí)現(xiàn)上述目的之一，本發(fā)明提供了一種用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置， 包括一 MEMS陀螺、一 MEMS加速度計(jì)、一第一信號調(diào)理電路、一第二信號調(diào)理電路、一信號采 樣電路、一數(shù)字信號處理模塊、一接口電路和一外圍電路。第一信號調(diào)理電路和第二信號調(diào) 理電路分別與MEMS陀螺和MEMS加速度計(jì)連接，信號采樣電路與第一信號調(diào)理電路、第二 信號調(diào)理電路連接和數(shù)字信號處理模塊連接，接口電路和外圍電路與數(shù)字信號處理模塊連 接。數(shù)字信號處理模塊以通過信號采樣電路采集的MEMS加速度計(jì)的加速度計(jì)信號作為基 準(zhǔn)對信號采樣電路采集的陀螺信號進(jìn)行分解。由上所述，本發(fā)明用于測量飛行器姿態(tài)的測量裝置的MEMS陀螺測量飛行器的橫 滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率以輸出一陀螺信號，MEMS加速度計(jì)輸出飛行器的一加 速度計(jì)信號，利用MEMS加速度計(jì)輸出的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)，將MEMS陀螺輸出的陀螺信 號進(jìn)行分解，從而時(shí)得到飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率信息，因此本發(fā)明測 量裝置的成本低、體積小、測量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)。為實(shí)現(xiàn)上述目的之一，本發(fā)明提供了一種用于測量飛行器姿態(tài)的測量方法，包括 如下步驟(1)用一 MEMS陀螺測量飛行器的橫滾角速率，俯仰角速率，偏航角速率以輸出一 陀螺信號；
(2)用一 MEMS加速度計(jì)輸出飛行器的一加速度計(jì)信號；(3)分別通過一第一信號調(diào)理電路和一第二信號調(diào)理電路對MEMS陀螺輸出的陀 螺信號和MEMS加速度計(jì)輸出的加速度計(jì)信號進(jìn)行預(yù)處理；(4)通過一信號采樣電路將第一信號調(diào)理電路和第二信號調(diào)理電路預(yù)處理后的模 擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；(5)用一數(shù)字信號處理模塊以通過信號采樣電路采集的MEMS加速度計(jì)的加速度 計(jì)信號作為基準(zhǔn)對信號采樣電路采集的陀螺信號進(jìn)行分解。由上所述，本發(fā)明用于測量飛行器姿態(tài)的測量方法通過MEMS陀螺測量飛行器的 橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率并輸出一陀螺信號，通過MEMS加速度計(jì)輸出飛行器 的一加速度計(jì)信號，利用MEMS加速度計(jì)輸出的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)，將MEMS陀螺輸出的 陀螺信號進(jìn)行分解，從而時(shí)得到飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率信息，因此本 發(fā)明的測量方法簡單，實(shí)用，可靠性高。


在說明書附圖中圖1為本發(fā)明用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置的方框圖。圖2為本發(fā)明用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置進(jìn)行信號解調(diào)的機(jī)理示意圖。圖3為本發(fā)明用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置進(jìn)行信號解調(diào)的解調(diào)過程示 意圖。
具體實(shí)施例方式為詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所達(dá)成的目的及效果，下面將結(jié)合實(shí)施 例并配合附圖予以詳細(xì)說明。本發(fā)明用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置是安裝在諸如旋轉(zhuǎn)導(dǎo)彈等飛行器的 軸心上，用于測量飛行器的橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率等姿態(tài)參數(shù)信息。請參閱 圖1，其揭示了本發(fā)明用于測量飛行器姿態(tài)的測量裝置的一個具體實(shí)施例，在本實(shí)施例中， 該用于測量飛行器姿態(tài)的測量裝置具有一 MEMS陀螺10、一 MEMS加速度計(jì)20、一第一信號 調(diào)理電路30、一第二信號調(diào)理電路40、一信號采樣電路50、一數(shù)字信號處理模塊60、一接口 電路70和一外圍電路80。MEMS陀螺10與第一信號調(diào)理電路30連接，該MEMS陀螺10輸出陀螺信號，該陀螺 信號中含有飛行器的橫滾、俯仰和偏航角速率信息。第一信號調(diào)理電路30用于對MEMS陀 螺10輸出的陀螺信號號進(jìn)行測量、濾波及放大處理。MEMS加速度計(jì)20與第二信號調(diào)理電路40連接，該MEMS加速度計(jì)20輸出加速度 計(jì)信號，該加速度計(jì)信號作為對MEMS陀螺10輸出的陀螺信號進(jìn)行分解的基準(zhǔn)。第二信號 調(diào)理電路40用于對MEMS加速度計(jì)20輸出的加速度計(jì)信號進(jìn)行放大、濾波處理。信號采樣電路50分別與第一信號調(diào)理電路30、第二信號調(diào)理電路40和數(shù)字信號 處理模塊60連接，該信號采樣電路50在數(shù)字信號處理模塊60的控制下對第一信號調(diào)理電 路30和第二信號調(diào)理電路40處理的信號進(jìn)行采樣。數(shù)字信號處理模塊60對信號采樣電 路50的采樣信號進(jìn)行處理，數(shù)字信號處理模塊60具有DSP處理器，在本實(shí)施例中，DSP處理器采用TI公司的TMS320F2812處理器。接口電路70與數(shù)字信號處理模塊60連接，用于將數(shù)字信號處理模塊60處理的數(shù) 據(jù)輸送至上位機(jī)。外圍電路80與數(shù)字信號處理模塊60連接，用于為數(shù)字信號處理模塊60 提供工作電壓、復(fù)位信號、頻率信號等。請參閱圖2和圖3，本發(fā)明測量裝置對飛行器姿態(tài)的測量的過程詳述如下當(dāng)旋轉(zhuǎn)飛行器以橫滾角速率Φ，俯仰角速率Ωρ，偏航角速率Ωρ運(yùn)動時(shí)，MEMS陀螺 10在哥氏力作用下，輸出一被調(diào)制的正弦信號，該其頻率等于飛行器的橫滾角速率，而信號 的包絡(luò)與俯仰角速率和偏航角速率的合成成正比；MEMS加速度計(jì)20的作用是為偏航角速 率和俯仰角速率的分解提供基準(zhǔn)，兩個信號的相位差△ θ反應(yīng)了旋轉(zhuǎn)飛行器空間姿態(tài)，如 圖2所示。設(shè)某一時(shí)刻包絡(luò)電壓為U，則U = k · Ω，k是陀螺的比例系數(shù)，Ω是俯仰角度率 Ω F和偏航角度Ωρ的合成?？芍?ρ = Ω . cos ( Δ θ ) = U/k · cos ( Δ θ ) 公式(1)Ω F = Ω . sin ( Δ θ ) = u/k · sin ( Δ θ ) 公式 O)在對飛行器姿態(tài)進(jìn)行測量時(shí)，首先，將MEMS陀螺10輸出的陀螺信號和MEMS加速 度計(jì)20輸出的加速度計(jì)信號分別經(jīng)過第一信號調(diào)理電路30和第二信號調(diào)理電路40預(yù)處 理，然后通過信號采樣電路50將第一信號調(diào)理電路30和第二信號調(diào)理電路40預(yù)處理后的 模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸送至數(shù)字信號處理模塊60，由數(shù)字信號處理模塊60采用軟件 中斷的方式每采集Ims的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波運(yùn)算以消除第一信號調(diào)理電路30和第二信號 調(diào)理電路40預(yù)處理后的模擬信號還含有的噪聲信號對后續(xù)解調(diào)的影響，影響后續(xù)的解調(diào)， 因?yàn)樾盘柕南辔皇侵匾畔ⅲ辔坏淖兓瘯绊懡庹{(diào)的結(jié)果，濾波方式采用無相移濾波方 法；然后采用快速傅立葉變化的方法求取MEMS陀螺10輸出的陀螺信號的頻率，即是飛行器 的橫滾角度率，采用Hilbert變換的方法求取MEMS陀螺輸出的陀螺信號包絡(luò)，并補(bǔ)償不同 轉(zhuǎn)速下的比例系數(shù)，從而求取補(bǔ)償后的陀螺信號包絡(luò)數(shù)值；同時(shí)利用比較峰值的方法求取 MEMS陀螺10輸出的陀螺信號和MEMS加速度計(jì)20輸出的加速度計(jì)信號的相位差，利用插值 方法求取包絡(luò)每一點(diǎn)時(shí)刻的相位差；然后通過公式(1)和公式( 的信號調(diào)解運(yùn)算，可以確 定飛行器偏航角度率和俯仰角度率，從而得到飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速 率，最后，數(shù)字信號處理模塊60通過接口電路70將橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率 數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，如圖3所示。由上所述，本發(fā)明測量裝置利用MEMS加速度計(jì)10輸出的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)， 將MEMS陀螺10輸出的陀螺信號進(jìn)行分解，從而時(shí)得到飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏 航角速率信息，因此本發(fā)明測量裝置的成本低、體積小、測量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)。本發(fā)明由上述揭露的結(jié)構(gòu)和步驟，可以達(dá)到所述目的和效果，然而以上所揭露僅 為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但不能以此限定本發(fā)明的權(quán)利范圍，至于本發(fā)明的其它等效修飾 或變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置，包括一數(shù)字信號處理模塊(60)及與該 數(shù)字信號處理模塊(60)連接的一接口電路(70)和一外圍電路(80)；其特征是該用于測量飛行器姿態(tài)的測量裝置還包括一 MEMS陀螺(10)、一 MEMS加速 度計(jì)(20)、一第一信號調(diào)理電路(30)、一第二信號調(diào)理電路00)和一信號采樣電路(50)， 第一信號調(diào)理電路(30)和第二信號調(diào)理電路GO)分別與MEMS陀螺(10)和MEMS加速度 計(jì)00)連接，信號采樣電路(50)與第一信號調(diào)理電路(30)、第二信號調(diào)理電路00)連接 和數(shù)字信號處理模塊(60)連接，數(shù)字信號處理模塊(60)以通過信號采樣電路(50)采集的 MEMS加速度計(jì)00)的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)對信號采樣電路(50)采集的陀螺信號進(jìn)行分 解。
2.一種用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量方法，其特征是，包括如下步驟(1)用一MEMS陀螺(10)測量飛行器的橫滾角速率，俯仰角速率，偏航角速率以輸出一 陀螺信號；(2)用一MEMS加速度計(jì)00)輸出飛行器的一加速度計(jì)信號；(3)分別通過一第一信號調(diào)理電路(30)和一第二信號調(diào)理電路GO)對MEMS陀螺(10) 輸出的陀螺信號和MEMS加速度計(jì)00)輸出的加速度計(jì)信號進(jìn)行預(yù)處理；(4)通過一信號采樣電路(50)將第一信號調(diào)理電路(30)和第二信號調(diào)理電路GO)預(yù) 處理后的模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；(5)用一數(shù)字信號處理模塊(60)以通過信號采樣電路(50)采集的MEMS加速度計(jì)Q0) 的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)對信號采樣電路(50)采集的陀螺信號進(jìn)行分解。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于測量飛行器姿態(tài)的測量裝置，其特征是采用的MEMS陀 螺(10)是可測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的無驅(qū)動結(jié)構(gòu)硅微機(jī)械陀螺。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量飛行器姿態(tài)的測量方法，其特征是在步驟(5)中， 由數(shù)字信號處理模塊(60)采用軟件中斷的方式每采集Ims的數(shù)據(jù)進(jìn)行無相移濾波運(yùn)算。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于測量飛行器姿態(tài)的測量方法，其特征是在步驟(5)中， 數(shù)字信號處理模塊(60)根據(jù)MEMS陀螺(10)的陀螺信號和MEMS加速度計(jì)Q0)的加速度 計(jì)信號的相位差以及MEMS陀螺(10)的陀螺信號包絡(luò)對MEMS陀螺(10)的陀螺信號進(jìn)行分 解。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置和方法，用一MEMS陀螺測量飛行器的橫滾角速率，俯仰角速率，偏航角速率以輸出一陀螺信號；用一MEMS加速度計(jì)輸出飛行器的一加速度計(jì)信號，用數(shù)字信號處理模塊以通過信號采樣電路采集的MEMS加速度計(jì)的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)對信號采樣電路采集的陀螺信號進(jìn)行分解。本發(fā)明的用于測量旋轉(zhuǎn)飛行器姿態(tài)的測量裝置和方法利用MEMS加速度計(jì)輸出的加速度計(jì)信號作為基準(zhǔn)，將MEMS陀螺輸出的陀螺信號進(jìn)行分解，從而實(shí)時(shí)得到飛行器橫滾角速率、俯仰角速率和偏航角速率信息，因此本發(fā)明測量裝置的成本低、體積小、測量范圍大、抗干擾能力強(qiáng)。本發(fā)明的測量方法簡單，實(shí)用，可靠性高。
文檔編號G01C21/24GK102072729SQ20091022380
公開日2011年5月25日 申請日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月23日
發(fā)明者吳立鋒, 張偉, 張福學(xué) 申請人:北京信息科技大學(xué)