專利名稱：適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)體(如飛行器)的慣性導航技術，特別涉及高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法，具體為一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法。
背景技術：
捷聯(lián)原文為“strapdown”，有“直接固聯(lián)”的意思。捷聯(lián)式姿態(tài)測量系統(tǒng)是將慣性測量元件直接安裝在載體上，省去了慣性平臺的臺體，代之以存貯在計算機中的“數(shù)學平臺”。捷聯(lián)式姿態(tài)測量系統(tǒng)是一個信息處理系統(tǒng)，即載體安裝的慣性測量元件所測量的飛行器運動信息，經(jīng)過計算機處理成所需要的導航和控制信息。由于省去了物理平臺，所以結(jié)構(gòu)簡單，體積、重量和成本都大大降低，而且維護方便。捷聯(lián)式系統(tǒng)提供的信息全部是數(shù)字信息，特別適合在采用數(shù)字飛行控制系統(tǒng)的飛行器上。
現(xiàn)有的捷聯(lián)式姿態(tài)測量方法是直接在載體上安裝三個加速度計和三個速率陀螺儀，三個加速度計Ax、Ay、Az和三個速率陀螺儀Gx、Gy、Gz的測量軸分別與載體坐標系b的縱軸oxb(也稱滾動軸，向前)、橫軸oyb(也稱俯仰軸，向右)以及豎軸ozb(也稱偏航軸，向下)相重合(如圖1所示)。加速度計和速率陀螺儀以及后續(xù)處理裝置置于一個殼體內(nèi)，而形成慣性導航系統(tǒng)或裝置。該測量方法通常是敏感oxb、oyb以及ozb三個軸向上的線加速度和旋轉(zhuǎn)角速率(角度)。在得到三個軸向的線加速度ax、ay、az和旋轉(zhuǎn)角速率ωx、ωy、ωz的輸出值后，利用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中以四元數(shù)為基礎的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法，對旋轉(zhuǎn)體的實時姿態(tài)信息進行更新和提取。我們稱這種測量方法為全加速度計陣列和純陀螺的姿態(tài)測試方法。
在實際中，有些載體(飛行器，如彈體)滾動軸向(oxb)轉(zhuǎn)速非常高(即為高速旋轉(zhuǎn)體)，而其余軸的轉(zhuǎn)速相對較低?，F(xiàn)有速率陀螺儀受測量精度和測量范圍的限制，無法及時感知高速旋轉(zhuǎn)體滾動軸向的旋轉(zhuǎn)角速率，使測量系統(tǒng)工作不可靠，而無法正常工作。因此，現(xiàn)有的捷聯(lián)式姿態(tài)測量方法僅適用于軸向低速旋轉(zhuǎn)的載體，無法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有載體姿態(tài)測量方法無法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體的問題，提供一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法。
本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法，在載體上安裝測量軸分別與載體坐標系的縱軸(滾動軸)oxb、橫軸(俯仰軸)oyb、豎軸(偏航軸)ozb相重合的三個加速度計Ax、Ay、Az和測量軸分別與橫軸oyb、豎軸ozb相重合的兩個速率陀螺儀Gy、Gz；在載體上還安裝有測量軸與橫軸(俯仰軸)oyb的負方向相重合的輔助加速度計A′y；高速旋轉(zhuǎn)體縱軸(滾動軸)的角速度ωx由如下計算表達式求得ωx=ay+ay′2·r]]>式中，r為加速度計Ay和A′y距離慣性導航系統(tǒng)(裝置)中心的安裝距離，ay、ay’分別為加速度計Ay和A′y輸出的線加速度的比力信息；在得到高速旋轉(zhuǎn)體三個軸向的旋轉(zhuǎn)角速度ωx、ωy、ωz和線加速度ax、ay、az之后，后續(xù)的姿態(tài)解算與導航解算便可借助捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中的相關理論和方法完成，即利用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中以四元數(shù)為基礎的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法，對旋轉(zhuǎn)體的實時姿態(tài)信息進行更新和提取。
本發(fā)明摒棄了全加速度計陣列和純陀螺的姿態(tài)測量方法，而是采用一種綜合應用加速度計與陀螺儀輸出信息的新型姿態(tài)測量方法。本發(fā)明所述的測量方法有效地解決了現(xiàn)有MEMS慣性敏感元件——速率陀螺儀在測量精度和測量范圍方面，無法滿足高速旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)測量的現(xiàn)狀。在現(xiàn)有速率陀螺儀的基礎上，該方法可實現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量。


圖1為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)測量方法中加速度計和速率陀螺儀的安裝位置示意圖；圖2為本發(fā)明所述的適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法中加速度計和速率陀螺儀的安裝位置示意圖；具體實施方式
適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法，在載體上安裝測量軸分別與載體坐標系的縱軸(滾動軸)oxb、橫軸(俯仰軸)oyb、豎軸(偏航軸)ozb相重合的三個加速度計Ax、Ay、Az和測量軸分別與橫軸oyb、豎軸ozb相重合的兩個速率陀螺儀Gy、Gz，其中，加速度計Ax、Ay、Az分別輸出三個軸向線加速度ax、ay、az，速率陀螺儀Gy、Gz分別輸出橫軸(俯仰軸)oyb和豎軸(偏航軸)ozb的旋轉(zhuǎn)角速度ωy、ωz；在載體上還安裝有測量軸與橫軸(俯仰軸)oyb的負方向相重合的輔助加速度計A′y；高速旋轉(zhuǎn)體縱軸(滾動軸)的角速度ωx由如下計算表達式求得ωx=ay+ay′2·r]]>
式中，r為加速度計Ay和A′y距離慣性導航系統(tǒng)(裝置)中心的安裝距離，ay、ay’分別為加速度計Ay和A′y輸出的線加速度的比力信息；在得到高速旋轉(zhuǎn)體三個軸向的旋轉(zhuǎn)角速度ωx、ωy、ωz和線加速度ax、ay、az之后，后續(xù)的姿態(tài)解算與導航解算便可借助捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中的相關理論和方法完成，即利用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)中以四元數(shù)為基礎的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法，對旋轉(zhuǎn)體的實時姿態(tài)信息進行更新和提取。
權(quán)利要求
1.一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法，在載體上安裝測量軸分別與載體坐標系的縱軸oxb、橫軸oyb、豎軸ozb相重合的三個加速度計Ax、Ay、Az和測量軸分別與橫軸oyb、豎軸ozb相重合的兩個速率陀螺儀Gy、Gz；其特征為在載體上還安裝有測量軸與橫軸oyb的負方向相重合的輔助加速度計A′y；高速旋轉(zhuǎn)體縱軸的角速度ωx由如下計算表達式求得ωx=ay+ay′2·r]]>式中，r為加速度計Ay和A′y距離慣性導航系統(tǒng)中心的安裝距離，ay、ay’分別為加速度計Ay和A′y輸出的線加速度比力信息；在得到高速旋轉(zhuǎn)體三個軸向的旋轉(zhuǎn)角速度ωx、ωy、ωz和線加速度ax、ay、az之后，后續(xù)的姿態(tài)解算與導航解算便可借助捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)中的相關理論和方法完成。
全文摘要
本發(fā)明為適用于高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法，涉及旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測量方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有載體姿態(tài)測量方法無法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體的問題。該測量方法是在載體上安裝測量軸分別與載體坐標系的縱軸、橫軸、豎軸相重合的三個加速度計A
文檔編號G01C21/18GK1932444SQ200610048389
公開日2007年3月21日 申請日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者劉俊, 李 杰, 楊衛(wèi), 張文棟, 熊繼軍, 任勇峰, 石云波, 李錦明, 劉文怡, 郭濤, 甑國涌, 崔永俊, 馬幸, 劉國營 申請人:中北大學