[發(fā)明專利]基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測量方法

有效

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• 申請日: 2011-07-26
• 公開（公告）號: CN102410842A
• 公開（公告）日: 2012-04-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 史忠科
• 申請（專利權(quán)）人: 西安費斯達自動化工程有限公司
• 主分類號: G01C23/00
• 分類號: G01C23/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于CCD線陣的歐拉角(姿態(tài))測量方法，屬于測控技術(shù)和飛行力學等范疇。

背景技術(shù)

現(xiàn)代陀螺儀是一種能夠精確地確定運動物體的方位的儀器，它是現(xiàn)代航空，航海，航天和國防工業(yè)中廣泛使用的一種慣性導航儀器，它的發(fā)展對一個國家的工業(yè)，國防和其它高科技的發(fā)展具有十分重要的戰(zhàn)略意義；陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉(zhuǎn)時，角動量很大，旋轉(zhuǎn)軸會一直穩(wěn)定指向一個方向的性質(zhì)，所制造出來的定向儀器。不過它必需轉(zhuǎn)得夠快，或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然，只要一個很小的力矩，就會嚴重影響到它的穩(wěn)定性；設(shè)置在飛機、飛彈中的陀螺儀是內(nèi)部所提供的動力，使其保持高速轉(zhuǎn)動，使陀螺儀的轉(zhuǎn)軸穩(wěn)定的指向固定方向，將此方向與飛行器的軸心比對后，就可以精確得到飛機的正確方向，所以目前航空、航海都已經(jīng)以陀螺儀以及衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為定向的主要儀器，并且在導航、控制系統(tǒng)中扮演極為重要的角色；姿態(tài)角的測量準確與否，直接影響運動體的運動方向、運動軌跡、姿態(tài)精確控制的精度，特別是有人駕駛飛機的盲降、無人機的著陸等控制中，直接影響飛行安全；因此，歐拉角的測量與姿態(tài)精確控制已經(jīng)成為當前運動體研究的關(guān)鍵技術(shù)；

然而，運動體的俯仰、滾轉(zhuǎn)狀態(tài)絕大多數(shù)都是通過角速率陀螺等測量，然后通過解算間接得到歐拉角，從公開發(fā)表的文獻中對姿態(tài)計算主要有以下幾種算法：歐拉角法、方向余弦法、等效轉(zhuǎn)動矢量法、四元數(shù)法等：歐拉法求解姿態(tài)角是通過求解歐拉方程得到的，計算簡單，但計算誤差較大；方向余弦法需要求解9個微分方程，計算量較大，實時性較差、無法滿足工程實踐要求；等效轉(zhuǎn)動矢量法一般都是基于速率陀螺輸出為角增量的算法，然而在實際工程中，一些陀螺的輸出是角速率信號、如光纖陀螺、動力調(diào)諧陀螺等，當陀螺輸出為角速度信號時，旋轉(zhuǎn)矢量法的算法誤差明顯增大；四元數(shù)法要解一個4階微分方程組，但四元數(shù)對有限轉(zhuǎn)動引起的不可交換誤差的補償不夠，所以只適用于低動態(tài)運載體的姿態(tài)解算，而對高動態(tài)運載體，姿態(tài)解算中的算法漂移會十分嚴重；這些方法都存在積累和漂移誤差，難以控制精度并實現(xiàn)可視化。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有歐拉角間接測量方法存在的積累和漂移誤差等問題，本發(fā)明提出了一種基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測量方法，該方法通過在垂直陀螺軸線上產(chǎn)生的光束和CCD陣列，分別得到運動體的俯仰和滾轉(zhuǎn)角，通過對CCD陣列的高速采集還可以計算俯仰和滾轉(zhuǎn)角速度，并可以直接在顯示以實現(xiàn)姿態(tài)測量的可視化。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是，一種基于鉛垂陀螺和CCD線陣的姿態(tài)可視化測量方法，其特征包括以下步驟：

1)采用高速旋轉(zhuǎn)、指向地心的垂直陀螺，在垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束，將一組CCD線陣分別固定布置在機體軸系的x，y軸上，使得俯仰、滾轉(zhuǎn)、角為零時垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束向CCD線陣的投影位于CCD線陣的中心，當俯仰或滾轉(zhuǎn)角不為零時垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束向CCD線陣的投影在CCD線陣的位置與俯仰和滾轉(zhuǎn)角有對應關(guān)系，結(jié)構(gòu)示意圖在圖1中給出；

參照示意圖圖1，傳感器安裝時x軸作為飛機體軸系的x軸，y軸作為飛機體軸系的y軸；安裝在oxz平面內(nèi)的CCD線陣平行于ox軸，安裝在oyz平面內(nèi)的CCD線陣平行于oy軸；

2)俯仰和滾轉(zhuǎn)角解算式為：

3)俯仰和滾轉(zhuǎn)角速度的解算式為：

對俯仰角測量序列進行數(shù)字微分獲得俯仰角速度；對滾轉(zhuǎn)角測量序列進行數(shù)字微分得到滾轉(zhuǎn)角速度。

本發(fā)明通過鉛垂陀螺和CCD線陣可以實現(xiàn)姿態(tài)和角速度測量，并且可以直接在屏幕上顯示測量裝置的內(nèi)部情況，實現(xiàn)了測量的可視化；這種測量方法在飛機盲降、無人機著陸、著艦等有著重要的應用前景。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作詳細說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

參照圖1，選擇兩個CCD線陣。

1)在垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束，將一組CCD線陣分別固定布置在機體軸系的x，y軸上，使得俯仰、滾轉(zhuǎn)、角為零時垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束向CCD線陣的投影位于CCD線陣的中心，當俯仰或滾轉(zhuǎn)角不為零時垂直陀螺軸線上產(chǎn)生光束向CCD線陣的投影在CCD線陣的位置與俯仰和滾轉(zhuǎn)角有對應關(guān)系，結(jié)構(gòu)示意圖在圖1中給出；

參照示意圖圖1，傳感器安裝時x軸作為飛機體軸系的x軸，y軸作為飛機體軸系的y軸；安裝在oxz平面內(nèi)的CCD線陣平行于ox軸，安裝在oyz平面內(nèi)的CCD線陣平行于oy軸；

2)俯仰和滾轉(zhuǎn)角解算式為：