一種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的fpga硬件實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】針對(duì)現(xiàn)有的基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測(cè)量系統(tǒng)中鉛垂陀螺的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象將會(huì)直接導(dǎo)致姿態(tài)角測(cè)量錯(cuò)誤的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過(guò)合理地配置姿態(tài)可視化測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得加速度引起的鉛垂陀螺進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象得以消除，考慮到實(shí)際中可能存在的加工誤差，進(jìn)一步給出了鉛垂陀螺的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響及基于FPGA平臺(tái)的補(bǔ)償辦法，本發(fā)明有效解決了現(xiàn)有的基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測(cè)量系統(tǒng)中鉛垂陀螺的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象將會(huì)直接導(dǎo)致姿態(tài)角測(cè)量錯(cuò)誤的技術(shù)問(wèn)題，這種測(cè)量方法在飛機(jī)盲降、無(wú)人機(jī)著陸、著艦有著重要的應(yīng)用前景。
【專利說(shuō)明】—種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于CCD線陣的歐拉角(姿態(tài))測(cè)量方法，屬于測(cè)控技術(shù)和飛行力學(xué)等范疇。
【背景技術(shù)】
[0002]姿態(tài)測(cè)量可以確定載體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，是一切控制手段的基礎(chǔ)，對(duì)飛行器正常工作具有重要意義，更是影響飛行安全的關(guān)鍵因素。在飛行器的姿態(tài)解算系統(tǒng)尤其是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，姿態(tài)解算的方法原理上需要對(duì)角速率進(jìn)行積分運(yùn)算，因而角速率陀螺小小的偏差會(huì)在姿態(tài)解算的結(jié)果中不斷積累以至于在短時(shí)間內(nèi)造成姿態(tài)角的嚴(yán)重錯(cuò)誤。
[0003]為了修正姿態(tài)角的誤差，傳統(tǒng)的方法有以下幾類。一種是使用傾角儀或者是三軸磁力計(jì)與陀螺儀進(jìn)行組合使用，搭配數(shù)據(jù)融合算法使得姿態(tài)角偏差可以得到周期性的修正。傾角儀受震動(dòng)和加速度影響時(shí)難以得到準(zhǔn)確姿態(tài)角，而磁力計(jì)磁場(chǎng)異常干擾時(shí)不能正常工作。一種是使用單天線GPS測(cè)量速度的辦法估算出飛行器的偽姿態(tài)角，這種方法雖然可以免受震動(dòng)和磁場(chǎng)的影響，但是卻受到導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的限制，偽姿態(tài)角和真正的姿態(tài)角差別亦很大。還有一種使用載體運(yùn)動(dòng)模型模型的不完整約束可以在少數(shù)情況下限制慣性測(cè)量器件漂移誤差，但是存在精度低實(shí)用性差的弱點(diǎn)。還有基于視覺(jué)圖像的估計(jì)姿態(tài)的方法，這種方法是以觀察一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的不變物理參考為基礎(chǔ)，分別是以地平線為參考的方法；在城市中無(wú)法看到水平線時(shí)，以檢測(cè)垂直或者水平于地平線的消失點(diǎn)的方法和基于立體視覺(jué)的方法。這種方法雖然克服了其它傳感器的一些缺陷，但是當(dāng)環(huán)境光線差、視野被遮擋等條件下，基于視覺(jué)圖像的估計(jì)姿態(tài)的方法是無(wú)效的。圖像的高速處理也難以在小型嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，使得姿態(tài)更新速率低，也是實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)難題。除此之外，專利CN201110211121.7公開(kāi)了一種基于線陣CXD和鉛垂陀螺的姿態(tài)可視化測(cè)量方法，這種方法克服了以上傳統(tǒng)方法中積累誤差難題，也可以在小型化系統(tǒng)中高速測(cè)量姿態(tài)，但是它沒(méi)有公開(kāi)鉛垂陀螺產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象時(shí)所導(dǎo)致的系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果錯(cuò)誤的解決辦法以及基于FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有的基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測(cè)量系統(tǒng)中鉛垂陀螺的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象將會(huì)直接導(dǎo)致姿態(tài)角測(cè)量錯(cuò)誤的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方法，該方法通過(guò)合理地配置姿態(tài)可視化測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使得加速度引起的鉛垂陀螺進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象得以消除，考慮到實(shí)際中可能存在的加工誤差，進(jìn)一步給出了鉛垂陀螺的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)姿態(tài)測(cè)量的影響及基于FPGA平臺(tái)的補(bǔ)償辦法。
[0005]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是，一種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征包括以下步驟:
[0006]I)定義機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)o、x軸、y軸和z軸如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示包含兩個(gè)線陣CCD傳感器、支架、內(nèi)框、底座以及內(nèi)核，其中內(nèi)核如圖2所示由內(nèi)殼、端蓋、電機(jī)、轉(zhuǎn)子和兩枚一字型激光燈組成，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在內(nèi)核內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩枚一字型激光燈相互垂直固定在內(nèi)核底部，內(nèi)核通過(guò)軸承和內(nèi)環(huán)軸與內(nèi)框連接，內(nèi)框通過(guò)軸承和外環(huán)軸與支架連接，內(nèi)環(huán)軸與外環(huán)軸相交于支點(diǎn)O與機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)O重合，支架固定在底座上，于是內(nèi)核可以繞內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸做兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，底座安裝在載體上時(shí)，外環(huán)軸與機(jī)體坐標(biāo)系的X軸重合，內(nèi)環(huán)軸與機(jī)體坐標(biāo)系I軸重合，內(nèi)核軸線與機(jī)體坐標(biāo)系Z軸重合，兩個(gè)線陣CXD傳感器分別擺放在內(nèi)環(huán)軸與外環(huán)軸垂直平面內(nèi)，同時(shí)使得一字型激光燈可以照射到線陣CCD傳感器上面，當(dāng)載體俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為零時(shí)，一字型激光燈的光線正好垂直照射在線陣CCD的中心；
[0007]2)在FPGA中編寫(xiě)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊，如附圖3所示包含時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集與存儲(chǔ)控制模塊、圖像緩沖區(qū)、圖像緩沖控制及信息提取模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊，其中時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生線陣CCD正常工作所需要的脈沖信號(hào)，使其穩(wěn)定地輸出所需線陣CCD圖像信號(hào)，圖像采集與存儲(chǔ)控制模塊依據(jù)上一個(gè)模塊的脈沖信號(hào)時(shí)序接收線陣CCD輸出的圖像信號(hào)，并將信號(hào)封裝成固定格式的數(shù)據(jù)按照像素順序依次存入圖像緩沖區(qū)中，當(dāng)完整的一幅線陣CCD圖像存儲(chǔ)完畢即發(fā)出信號(hào)給圖像緩沖控制及信息提取模塊，該模塊得到上述信號(hào)即開(kāi)始提取俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信息，數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊將俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信息發(fā)出；
[0008]3)配置內(nèi)核的質(zhì)心O。位置，使其與支點(diǎn)O重合，載體的加速運(yùn)動(dòng)造成的轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象得以消除，內(nèi)核的軸線相對(duì)慣性空間保持原有的方向，此時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不會(huì)受到轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的影響，配置FPGA的圖像緩沖控制及信息提取模塊按照下式得到俯仰角和滾轉(zhuǎn)角:
[0009]
【權(quán)利要求】
1.一種姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的FPGA硬件實(shí)現(xiàn)方法，其特征包括以下步驟: 1)定義機(jī)體坐標(biāo)系的原點(diǎn)ο、X軸、y軸和z軸，整個(gè)系統(tǒng)包含兩個(gè)線陣(XD傳感器、支架、內(nèi)框、底座以及內(nèi)核，其中內(nèi)核又由內(nèi)殼、端蓋、電機(jī)、轉(zhuǎn)子和兩枚一字型激光燈組成，電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子在內(nèi)核內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，兩枚一字型激光燈相互垂直固定在內(nèi)核底部，內(nèi)核通過(guò)軸承和內(nèi)環(huán)軸與內(nèi)框連接，內(nèi)框通過(guò)軸承和外環(huán)軸與支架連接，內(nèi)環(huán)軸與外環(huán)軸相交于支點(diǎn)O與機(jī)體坐標(biāo)系原點(diǎn)ο重合，支架固定在底座上，于是內(nèi)核可以繞內(nèi)環(huán)軸和外環(huán)軸做兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)，底座安裝在載體上時(shí)，外環(huán)軸與機(jī)體坐標(biāo)系的X軸重合，內(nèi)環(huán)軸與機(jī)體坐標(biāo)系I軸重合，內(nèi)核軸線與機(jī)體坐標(biāo)系z(mì)軸重合，兩個(gè)線陣CCD傳感器分別擺放在內(nèi)環(huán)軸與外環(huán)軸垂直平面內(nèi)，同時(shí)使得一字型激光燈可以照射到線陣CCD傳感器上面，當(dāng)載體俯仰角和滾轉(zhuǎn)角為零時(shí)，一字型激光燈的光線正好垂直照射在線陣CCD的中心； 2)在FPGA中編寫(xiě)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模塊包含時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集與存儲(chǔ)控制模塊、圖像緩沖區(qū)、圖像緩沖控制及信息提取模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊，其中時(shí)序驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生線陣CXD正常工作所需要的脈沖信號(hào)，使其穩(wěn)定地輸出所需線陣CXD圖像信號(hào)，圖像采集與存儲(chǔ)控制模塊依據(jù)上一個(gè)模塊的脈沖信號(hào)時(shí)序接收線陣CCD輸出的圖像信號(hào)，并將信號(hào)封裝成固定格式的數(shù)據(jù)按照像素順序依次存入圖像緩沖區(qū)中，當(dāng)完整的一幅線陣CCD圖像存儲(chǔ)完畢即發(fā)出信號(hào)給圖像緩沖控制及信息提取模塊，該模塊得到上述信號(hào)即開(kāi)始提取俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信息，數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊將俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信息發(fā)出； 3)配置內(nèi)核的質(zhì)心O。位置，使其與支點(diǎn)O重合，載體的加速運(yùn)動(dòng)造成的轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象得以消除，內(nèi)核的軸線相對(duì)慣性空間保持原有的方向，此時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果不會(huì)受到轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象的影響，配置FPGA的圖像緩沖控制及信息提取模塊按照下式得到俯仰角和滾轉(zhuǎn)角:
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK103557875SQ201310562169
【公開(kāi)日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月10日
【發(fā)明者】史忠科, 沈繼睿 申請(qǐng)人:西安費(fèi)斯達(dá)自動(dòng)化工程有限公司