[發(fā)明專利]一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010176997.8
• 申請(qǐng)日: 2010-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN101839719A
• 公開（公告）日: 2010-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 崔敏;馬鐵華;曹詠弘;范錦彪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中北大學(xué)
• 主分類號(hào): G01C21/16
• 分類號(hào): G01C21/16;G01C21/18
• 代理公司: 太原同圓知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 14107
• 代理人: 王金鎖

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置。

二、背景技術(shù)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，精確打擊是大勢(shì)所趨，世界各國(guó)一方面努力發(fā)展新的制導(dǎo)彈藥，一方面也在努力將大量的常規(guī)彈藥改造成靈巧彈藥，使其具有精確打擊能力。高速旋轉(zhuǎn)是常規(guī)彈藥最常用的穩(wěn)定方式之一，獲得高速旋轉(zhuǎn)彈丸的姿態(tài)信息是對(duì)其進(jìn)行改造的必由之路。因此，設(shè)計(jì)適用于高速旋轉(zhuǎn)、小體積的慣性測(cè)量系統(tǒng)就顯得尤為重要，在傳統(tǒng)慣性測(cè)量系統(tǒng)中，常利用線加速度計(jì)測(cè)量物體的加速度，利用陀螺測(cè)量物體的角速度。但由于傳統(tǒng)的加速度計(jì)存在安裝復(fù)雜、安裝精度要求高、解算復(fù)雜等問題，這里舍棄了加速度計(jì)作為慣性器件，采用大量程MEMS陀螺。陀螺雖然能連續(xù)輸出角速度信息，但存在漂移，長(zhǎng)期應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生較大的偏差；而薄膜線圈傳感器的短期精度不如慣性器件，但它具有不隨飛行時(shí)間而累積誤差，高精度、高響應(yīng)度、微小體積等、可靠性高諸多優(yōu)點(diǎn)，是其成為目前研究比較多的導(dǎo)航器件，與其它慣性器件組合能準(zhǔn)確地確定飛行體的姿態(tài)角信息，可以提高系統(tǒng)的整體導(dǎo)航精度及導(dǎo)航性能。因此本發(fā)明采用狀態(tài)估計(jì)法，姿態(tài)確定系統(tǒng)以薄膜線圈傳感器的輸出做為姿態(tài)基準(zhǔn)，以薄膜線圈傳感器的輸出對(duì)陀螺漂移進(jìn)行校正，并采用較精確的廣義卡爾曼濾波算法提高姿態(tài)確定的精度，最后對(duì)其效果進(jìn)行了仿真、分析。

本發(fā)明提出了一種適用于高速旋轉(zhuǎn)、小體積的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的姿態(tài)測(cè)量，其目的在于充分利用薄膜線圈、陀螺傳感器的優(yōu)點(diǎn)，克服單一方法算法解算姿態(tài)角所存在的不足之處，提出了一種全新的三維姿態(tài)測(cè)量方法，并采用較精確的廣義卡爾曼濾波算法提高姿態(tài)確定的精度，本發(fā)明滿足小尺寸姿態(tài)測(cè)量的需要，又該方法設(shè)計(jì)出的三維姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)具有可靠性高、成本低、操作方便等特點(diǎn)。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置，解決了傳統(tǒng)慣性測(cè)量利用加速度計(jì)存在的安裝復(fù)雜、安裝精度要求高、解算復(fù)雜和單獨(dú)利用陀螺儀測(cè)量存在精度受陀螺角速率漂移的影響以及單獨(dú)利用薄膜式地磁傳感器不能連續(xù)三軸定姿的問題，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合了廣義卡爾曼濾波估計(jì)算法，對(duì)于研究慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)，提高高速旋轉(zhuǎn)彈的姿態(tài)信息具有重要意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置，包括陀螺和地磁傳感器，陀螺采用三軸MEMS陀螺，地磁傳感器采用兩個(gè)薄膜式地磁傳感器。薄膜式地磁傳感器采用薄膜線圈傳感器，薄膜線圈傳感器為一個(gè)n匝線圈的電磁感應(yīng)薄膜式線圈。

一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置設(shè)在圓柱形非鐵質(zhì)性材料的金屬筒內(nèi)，金屬筒內(nèi)設(shè)有三軸MEMS陀螺，三軸MEMS陀螺由陀螺面1、陀螺面3和陀螺面4組成，金屬筒的外壁上設(shè)有薄膜式地磁傳感器，薄膜式地磁傳感器由薄膜線圈傳感器2和薄膜線圈傳感器5組成，薄膜線圈傳感器2垂直于薄膜線圈傳感器5。

一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測(cè)量裝置測(cè)量的姿態(tài)參數(shù)解算方法采用廣義卡爾曼濾波姿態(tài)估計(jì)算法，將精度較高的薄膜式地磁傳感器的輸出作為姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)，用來修正三軸MEMS陀螺的誤差，利用三軸MEMS陀螺彌補(bǔ)薄膜式地磁傳感器定姿存在實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)，同時(shí)為了避免由非線性和小角度引起的計(jì)算誤差，采用四元數(shù)法代替通常的歐拉角法進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)分析得到該系統(tǒng)狀態(tài)模型和觀測(cè)模型。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、本發(fā)明舍棄了傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)采用加速度計(jì)作為慣性器件的作法，而是采用了三軸MEMS陀螺進(jìn)行角速度測(cè)量，三軸MEMS陀螺可以連續(xù)輸出角速度信號(hào)，它具有：動(dòng)態(tài)范圍高、可靠性高、啟動(dòng)時(shí)間短、低成本等優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明首先將薄膜式地磁傳感器引入姿態(tài)測(cè)量，作為輔助手段，將精度較高的薄膜式地磁傳感器的輸出作為姿態(tài)測(cè)量基準(zhǔn)，用來修正三軸MEMS陀螺的誤差，同時(shí)利用三軸MEMS陀螺彌補(bǔ)薄膜式地磁傳感器定姿存在實(shí)時(shí)性差的缺點(diǎn)。薄膜式地磁傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、能抗高過載和沖擊，信號(hào)檢測(cè)電路靈敏度高，工作穩(wěn)定、可靠、性能價(jià)格比高。

3、本發(fā)明結(jié)合了廣義卡爾曼濾波姿態(tài)估計(jì)算法，在不增加硬件成本的情況下，提高系統(tǒng)精度和可靠性。

4、本發(fā)明提出的這種適用于高速旋轉(zhuǎn)、小體積的慣性測(cè)量裝置，具有可靠性高、成本低、操作方便的特點(diǎn)。

四、附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，

圖2是高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)確定系統(tǒng)工作圖，

圖3是姿態(tài)解算框圖。

五、具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖通過實(shí)施例進(jìn)一步詳述。