專利名稱：一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬于高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)測量領域，具體涉及一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，精確打擊是大勢所趨，世界各國一方面努力發(fā)展新的制導彈藥，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)信息是對其進行改造的必由之 路。因此，設計適用于高速旋轉(zhuǎn)、小體積的慣性測量系統(tǒng)就顯得尤為重要，在傳統(tǒng)慣性測量 系統(tǒng)中，常利用線加速度計測量物體的加速度，利用陀螺測量物體的角速度。但由于傳統(tǒng)的 加速度計存在安裝復雜、安裝精度要求高、解算復雜等問題，這里舍棄了加速度計作為慣性 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，長期應用會產(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間而累 積誤差，高精度、高響應度、微小體積等、可靠性高諸多優(yōu)點，是其成為目前研究比較多的導 航器件，與其它慣性器件組合能準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 航精度及導航性能。因此本發(fā)明采用狀態(tài)估計法，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，以薄膜線圈傳感器的輸出對陀螺漂移進行校正，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，最后對其效果進行了仿真、分析。本發(fā)明提出了一種適用于高速旋轉(zhuǎn)、小體積的慣性導航系統(tǒng)的姿態(tài)測量，其目的 在于充分利用薄膜線圈、陀螺傳感器的優(yōu)點，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)測量的需要，又該方法設計出的三維姿態(tài)測量系統(tǒng) 具有可靠性高、成本低、操作方便等特點。

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量裝置，解決了傳統(tǒng)慣性測量 利用加速度計存在的安裝復雜、安裝精度要求高、解算復雜和單獨利用陀螺儀測量存在精 度受陀螺角速率漂移的影響以及單獨利用薄膜式地磁傳感器不能連續(xù)三軸定姿的問題，并 在此基礎上結(jié)合了廣義卡爾曼濾波估計算法，對于研究慣性組合導航系統(tǒng)，提高高速旋轉(zhuǎn) 彈的姿態(tài)信息具有重要意義和實際應用價值。本發(fā)明可通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，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η匝線圈的電磁感應薄膜 式線圈。一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置設在圓柱形非鐵質(zhì)性材料的金屬筒 內(nèi)，金屬筒內(nèi)設有三軸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。—種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置測量的姿態(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)測量基準，用來 修正三軸MEMS陀螺的誤差，利用三軸MEMS陀螺彌補薄膜式地磁傳感器定姿存在實時性差 的缺點，同時為了避免由非線性和小角度引起的計算誤差，采用四元數(shù)法代替通常的歐拉 角法進行計算，經(jīng)分析得到該系統(tǒng)狀態(tài)模型和觀測模型。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)的慣性導航系統(tǒng)采用加速度計作為慣性器件的作法，而是采 用了三軸MEMS陀螺進行角速度測量，三軸MEMS陀螺可以連續(xù)輸出角速度信號，它具有動 態(tài)范圍高、可靠性高、啟動時間短、低成本等優(yōu)點。2、本發(fā)明首先將薄膜式地磁傳感器引入姿態(tài)測量，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)測量基準，用來修正三軸MEMS陀螺的誤差，同時利用三 軸MEMS陀螺彌補薄膜式地磁傳感器定姿存在實時性差的缺點。薄膜式地磁傳感器結(jié)構(gòu)簡 單、尺寸小、能抗高過載和沖擊，信號檢測電路靈敏度高，工作穩(wěn)定、可靠、性能價格比高。3、本發(fā)明結(jié)合了廣義卡爾曼濾波姿態(tài)估計算法，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)、小體積的慣性測量裝置，具有可靠性高、成 本低、操作方便的特點。
四

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。
五具體實施例方式下面結(jié)合附圖通過實施例進一步詳述。一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置設在圓柱形鋁性材料的金屬筒內(nèi)，金 屬筒內(nèi)設有三軸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。三軸MEMS陀螺安裝在姿態(tài)測試系統(tǒng)的正交平面上，它們的敏感軸互相垂直，組成 測量體的三維坐標系，如圖1所示，GX、GY、GZ分別是MEMS陀螺儀Gl的三個敏感軸，坐標原 點0位于高速旋轉(zhuǎn)彈的幾何中心，GX、GY、GZ三軸的方向與高速旋轉(zhuǎn)彈的彈體坐標系保持一 致，而兩片薄膜線圈傳感器垂直貼在金屬筒的兩個面上。測量彈體的速度在10r/S以上，利 用該系統(tǒng)可以精確地測量高速旋轉(zhuǎn)彈在各個時刻的三維姿態(tài)信息。首先采樣三軸MEMS陀螺輸出的角速度信號，根據(jù)實際情況建立角速度數(shù)學模型，利用四元數(shù)法解算出一組四元數(shù)值；然后采樣薄膜線圈傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號并將其轉(zhuǎn)換 成角速度信號，將薄膜線圈傳感器的輸出作為姿態(tài)測量基準，用來修正三軸MEMS陀螺的誤差，同時利用三軸MEMS陀螺彌補薄膜線圈傳感器定姿實時性差的缺點，最后采用廣義卡爾曼姿態(tài)估計算法對兩組四元數(shù)值進行融合融合，得到一組更為精確的四元數(shù)值。本發(fā)明在 不增加硬件成本的情況下，提高系統(tǒng)精度和可靠性，并且還能提供統(tǒng)計的姿態(tài)確定最優(yōu)解， 估計出參考矢量和觀測矢量中的一些不確定因素。然后通過計算機處理傳感器的輸出信號和運算出測量結(jié)果，并對測試系統(tǒng)進行仿 真、分析，最后得到所需要的姿態(tài)角。1、陀螺測量方程陀螺儀又稱角速度計可以用來檢測旋轉(zhuǎn)的角速度和角度。利用陀螺儀測量載體旋 轉(zhuǎn)的角速度，是根據(jù)牛頓慣性定律的原理進行測量的。陀螺三個軸輸出隨彈體各軸向角速 率變化而變化的電壓信號，得到一組彈體的角速度信息。陀螺測量模型是姿態(tài)確定算法建 模中的一個重要問題，在定姿濾波設計中，通常采用的陀螺測量模型如下 (Oi為陀螺的測量輸出，Coi e R3xi ； ω為高速旋轉(zhuǎn)彈相對慣性空間在本體系上 的坐標，ω e R3xi，d為陀螺漂移中的指數(shù)相關(guān)部分，d e R3xi ；b為陀螺常值漂移部分， be R3X1; Iii為陀螺的測量噪聲，Ili GR3xi，通常假定Ili為白噪聲。2、薄膜線圈傳感器測量方程薄膜線圈傳感器測姿是通過安裝兩個平面夾角為θ的線圈(線圈平面沿飛行體 縱軸)隨高速旋轉(zhuǎn)彈旋轉(zhuǎn)時，線圈切割地磁場磁力線，磁通量發(fā)生變化而產(chǎn)生感應電動勢。 根據(jù)線圈初始相位，當飛行體偏離基準線時，感應電動勢的大小和方向發(fā)生周期性變化，測 量電路記錄下每一瞬時的感應電動勢值，通過解算得到飛行體的空間姿態(tài)角。根據(jù)法拉第 電磁感應定律，線圈中產(chǎn)生的感應電動勢 由上式可知，由薄膜線圈傳感器測得的電壓信息可以得到高速旋轉(zhuǎn)彈的轉(zhuǎn)速和角 速度信息。ω = [ωχ，coy，ωζ]τ是薄膜線圈傳感器相對慣性坐標系的轉(zhuǎn)動角速度。單獨利 用薄膜線圈傳感器不能連續(xù)三軸定姿，但可以利用軌道運動斷續(xù)獲取三軸姿態(tài)，但是單獨 利用薄膜線圈傳感器定姿應用上有一定的局限性，通常將薄膜線圈傳感器與陀螺組合進行 定姿。將較高精度的薄膜線圈傳感器的輸出作為姿態(tài)測量基準，用來修正陀螺的誤差。3、四元數(shù)微分方程求解。將步驟1、2的結(jié)果代入四元數(shù)微分方程在用姿態(tài)矩陣表示高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)時，歐拉角表示法是經(jīng)典的姿態(tài)描述法，但在 求解方向余弦時要引入六個約束方程，計算量較大，而且歐拉角式需要多次三角運算，并伴 有奇點問題。因此本發(fā)明采用四元數(shù)法代替歐拉角法。四元數(shù)法中的歐拉參數(shù)與方向余弦 陣相比，僅含四個變量和一個約束方程；與歐拉軸/角參數(shù)式相比，姿態(tài)矩陣的元素不含三 角函數(shù)，可以求得實現(xiàn)姿態(tài)向期望姿態(tài)機動的姿態(tài)機動參數(shù)，從而得出歐拉軸的方向和轉(zhuǎn) 角，能更簡便地得出將初始狀態(tài)趨于期望姿態(tài)所需的姿態(tài)機動四元數(shù)，并避免了歐拉角法 引起的大角度奇異問題。四元數(shù)微分方程如下所示
q=1/2qw或q= bvq
(2)
(3)如、1、％、七為四個實數(shù)，利用畢卡逼近法求解(3)式可得到轉(zhuǎn)動四元數(shù)q，將步驟 1、2解算到得兩組角速度代入公式(3)中便可以求的兩組四元數(shù)的值。4、廣義卡爾曼濾波進行信息融合卡爾曼濾波器提供了一種高效可靠計算的方法來估計過程的狀態(tài)，并使估計均方 誤差最小。它可以估計信號的過去和當前狀態(tài)，甚至能估計將來的狀態(tài)，即使并不知道模型 的確切性質(zhì)。在高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)確定中，由于系統(tǒng)方程是非線性的，狀態(tài)估計的非線性濾波 具有重要的地位，大部分姿態(tài)確定算法，都是基于狀態(tài)估計的非線性濾波思想。廣義卡爾曼 濾波(EKF)是應用最廣泛的非線性估計方法，通過對非線性狀態(tài)方程和測量方程的線性化 處理，然后按照線性化方程濾波的思想進行濾波。這里將姿態(tài)四元數(shù)χ = (q0, Q1, Q2, Q3)作為狀態(tài)變量，將由陀螺儀的輸出角速度數(shù) 據(jù)解算到得四元數(shù)作為狀態(tài)方程，薄膜線圈傳感器的輸出角速度數(shù)據(jù)解算到得四元數(shù)作為 觀測方程。然后將這組數(shù)據(jù)利用廣義卡爾曼濾波方程進行信息融合，解算得到一組更為準 確的四元數(shù)值。在卡爾曼濾波實驗中，由于輸出數(shù)據(jù)很大程度受噪聲的影響，使數(shù)據(jù)的測量 精度變低，為了有效的利用卡爾曼濾波器，使其能達到預期的效果，往往需要對狀態(tài)變量做 一些事先和事后的處理，以便于更好地利用MATLAB卡爾曼濾波器。在本研究中，采用的是 利用實驗，測量出一組較為精確的噪聲方程，將其加載狀態(tài)方程中，這樣會使測量數(shù)據(jù)的精 度提高。5、姿態(tài)角求解利用步驟4所求得的四元數(shù)值可以得到姿態(tài)矩陣T，將姿態(tài)矩陣中的對應元素代 入公式⑷便可以求得姿態(tài)角，公式⑷中的Τ32、τ31、τ21和T11代表的是姿態(tài)矩陣T中的對 應元素值。
權(quán)利要求
一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，其特征在于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薄膜式地磁傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，其特征在于薄 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η匝線圈的電磁感應薄膜式 線圈。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，其特征在 于一個圓柱形非鐵質(zhì)性材料的金屬筒內(nèi)設有三軸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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于陀螺、地磁傳感器的慣性測量裝置，該裝置由一個三軸MEMS陀螺和兩個薄膜式地磁傳感器組成。利用薄膜式地磁傳感器不隨飛行時間而累積誤差的特點，與慣性器件三軸MEMS陀螺進行組合設計，本發(fā)明采用狀態(tài)估計法，姿態(tài)確定系統(tǒng)將精度較高的薄膜式地磁傳感器作為姿態(tài)測量基準，對三軸MEMS陀螺漂移進行校正，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。本發(fā)明同時具有體積小、重量輕、成本低的特點，可應用于高速旋轉(zhuǎn)彈姿態(tài)測量領域。
文檔編號G01C21/16GK101839719SQ20101017699
公開日2010年9月22日 申請日期2010年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月16日
發(fā)明者崔敏, 曹詠弘, 范錦彪, 馬鐵華 申請人:中北大學