一种高动态环境下的组合式姿态测量方法技术

本发明专利技术属于导航技术中的姿态测量应用技术领域，具体涉及一种高动态环境下的组合式姿态测量方法，同时使用霍尔传感器和针对被测物体进行姿态测量的测量单元进行基础数据采集，并在此基础上计算被测目标对象的姿态。本发明专利技术克服了旋转弹修正系统在高动态环境下成本和体积的限制，填补了技术空白，其可代替传统的测姿方法，能够满足实际应用中的解算精度，具有可预期的较为巨大的经济价值和社会价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高动态环境下的组合式姿态测量方法所属
本专利技术属于导航技术中的姿态测量应用
，具体涉及一种高动态环境下的组合式姿态测量方法。技术背景现有技术中，对于高动态环境下的旋转弹丸，飞行时具有如下的姿态特点：偏航角有微小变化，俯仰角低动态变化，滚转角高动态变化，滚转角速率高达100r/s以上。旋转弹修正系统中修正舵的姿态测量问题，是二维弹道修正过程中的关键技术。一方面，常规陀螺仪由于量程限制而无法满足弹丸高动态滚转要求；另一方面，由于舵片内部空间狭小，其他测量器件无法安装，舵片的姿态测量问题一直难以解决。人们期望获得一种技术效果优良的高动态环境下的组合式姿态测量方法。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术提供一种高动态环境下的组合式姿态测量方法，即利用磁阻传感器1或微惯性组件3，同时联合针对被测物体进行姿态测量的测量单元进行基础数据采集，并在此基础上计算被测目标对象的姿态。所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，包括如下步骤：步骤一，为了对目标被测对象进行姿态测量，首先使用下述两种方法之一，对实际被测对象进行测量，得出实际被测对象的基础测量数据；所述目标被测对象为被测物体的前部，所述实际被测对象为被测物体的后部；所述目标被测对象与实际被测对象连接，二者之间存在相对旋转；其中，方法一：利用磁阻传感器1在线精确估计所述实际被测对象低动态变化的俯仰角；得到所述俯仰角的预估值后，计算所述实际被测对象高动态变化的滚转角；方法二：利用陀螺仪和加速度计组成的微惯性组件3计算所述实际被测对象的俯仰角和滚转角；步骤二，利用所述测量单元来测量并计算所述实际被测对象和目标被测对象的相对转角，所述测量单元包括安装在所述实际被测对象上的霍尔传感器7和安装在所述目标被测对象上的磁钢片8；步骤三，将所述俯仰角、滚转角和相对转角作为基础数据，计算目标被测对象的姿态。在所述步骤三之后还有步骤四，其要求是：重复步骤一到步骤三，实现所述目标被测对象的姿态更新。所述组合式姿态测量方法中，所述被测物体是旋转弹丸，所述目标被测对象是设置在旋转弹丸前部的舵片5，所述磁钢片8安装在所述舵片5的某一片的相应位置上；所述实际被测对象是所述旋转弹丸的后部，即后部弹体2；所述舵片5布置在所述旋转弹丸的前部的外壳外侧面上；所述舵片5与后部弹体2之间存在所述相对转角；所述方法一中，在线精确估计所述后部弹体2低动态变化的俯仰角要求如下：①首先，根据所述旋转弹丸的发射系统所提供的所述后部弹体2的偏航角所述磁阻传感器1的布置采用如下的方案：所述磁阻传感器1为三轴的磁阻传感器，是一个整体封装的电子器件，其内部分为三个逻辑单元：x轴单元、y轴单元和z轴单元；所述x轴单元沿着所述后部弹体2的旋转轴x轴的轴线方向平行布置，所述y轴单元和z轴单元布置在与所述x轴单元处于同一个笛卡尔三维直角坐标系中的另两个坐标轴，即y轴和z轴上，且所述y轴单元和z轴单元分别与该笛卡尔三维直角坐标系中的y轴和z轴的轴线方向平行布置；所述y轴单元和z轴单元同时布置在相对于所述x轴单元垂直的同一个径向截面内；②其次，使用模糊神经元网络；所述模糊神经元网络的输入量为：所述磁阻传感器1的输出值Bb、反映所述后部弹体2滚转角变化的预估滚转角速率和反映所述后部弹体2俯仰角变化的磁阻变化率所述模糊神经元网络的输出量为：所述后部弹体2的俯仰角预估值和俯仰角的调整量Δθ；③再次，根据所述磁阻传感器1的输出值Bb分别对应的所述x轴单元、y轴单元和z轴单元的输出值，即测量值和通过以下公式计算预估滚转角④所述预估滚转角速率的计算公式为：其中tk-1和tk表示两个相邻的采样时刻；和分别为tk-1和tk时刻预估滚转角度值；⑤通过所述相邻采样时刻对应的所述测量值进行所述磁阻变化率的计算：其中和分别为所述tk-1和tk时刻对应的测量值；⑥根据反映所述预估滚转角速率和反映所述磁阻变化率来调节所述俯仰角的调整量Δθ，建立模糊控制规则，其中每条规则对应一对样本；通过所述模糊规则选取的滚转角速率磁阻变化率与期望俯仰角的调整量Δθd作为模糊神经元网络的训练样本，依次送入所述模糊神经元网络进行离线训练，使所述模糊神经元网络记忆所述模糊控制规则，使其具有联想记忆功能；⑦利用地面转台模拟姿态实验数据，采用所述磁阻传感器1的输出数据和与所述地面转台中框模拟的俯仰角设定值θd作为所述模糊神经元网络的训练样本，通过在线计算即得到所述俯仰角预估值⑧根据所述模糊神经元网络的输出量，即所述俯仰角预估值和俯仰角的调整量Δθ，计算所述后部弹体2的最佳俯仰角预估值⑨根据所述最佳俯仰角预估值和偏航角计算所述后部弹体2的径向截面内地磁矢量及其磁场强度的分量因为在一个采样周期内，滚转角的变化速率比俯仰角的变化速率快得多，所以计算滚转角时，能够假定当前时刻的俯仰角度近似不变；当地地磁矢量Bn为已知量，经过坐标变换到弹体坐标系s下，变换过程如下：其中，为当地地磁矢量Bn在n系下的三轴分量，为当地地磁矢量Bn在弹体坐标系s下的投影分量，弹体坐标系s下径向截面内的投影分量的合成矢量，即为地磁矢量以所述径向截面内地磁矢量为分界线，将所述滚转角分为两部分：第一部分为从初始旋转位置到所述矢量的角度γ0；由反三角函数的运算能够得到所述γ0，运算公式如下：第二部分为从投影所述矢量到采样时刻的所述预估滚转角所述矢量的角度γ0和所述预估滚转角的代数和即为所述后部弹体2在采样时刻的滚转角γs，即当前采样时刻tk对应的后部弹体2的滚转角记为所述方法二满足下述要求：①首先，根据所述旋转弹丸的发射系统所提供的弹体偏航角所述陀螺仪和加速度计构成的微惯性组件3的布置采用如下的方案：所述陀螺仪为单轴陀螺仪，包括1个大量程陀螺仪和2个小量程陀螺仪，其中所述大量程陀螺仪的旋转轴沿着所述后部弹体2的旋转轴x轴的轴线方向平行布置，2个所述小量程陀螺仪的旋转轴相互正交，且同时布置在与所述旋转轴x轴垂直的同一个径向截面内；所述加速度计为单轴加速度计，共3个，其中1个所述加速度计的测量轴沿着所述旋转轴x轴的轴线方向平行布置，另外2个单轴加速度计的测量轴相互正交，且同时布置在与所述旋转轴x轴垂直的同一个径向截面内；②其次，所述大量程陀螺仪的输出值为2个所述小量程陀螺仪的输出值分别为和3个所述加速度计的输出值分别为和其中和为所述陀螺仪和加速度计在所述旋转轴上的输出值；利用所述x轴和y轴方向的加速度计来计算后部弹体2的初始俯仰角和滚转角其公式为：其中，g为重力加速度；③再次，计算初始捷联惯导矩阵为了表达方便，这里将简记为：根据捷联惯导矩阵的四元数形式即其中，的下标b表征载体坐标系，上标n表征导航坐标系，其中，q0、q1、q2和q3为初始四元数；描述了载体与导航坐标系的变换关系，根据所述和的对应关系，得到以下关系式：进一步推导后，上式满足④由③中算式推导，计算所述初始四元数q0、q1、q2和q3，即其中，所述初始四元数的符号按下式确定：其中，q0的符号能任选；⑤所述初始四元数由下列微分方程完成更新；其中，和表示所述初始四元数的导数；⑥由所述捷联惯导矩阵得出后部弹体(2)的滚转角度γs和俯仰角角度当前采样时刻tk对应的后部弹体2的滚转角记为所述步骤二中利用所述霍尔传感器7和磁钢片8，测量并计算所述后部弹体2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：利用磁阻传感器(1)或微惯性组件(3)，同时联合针对被测物体进行姿态测量的测量单元进行基础数据采集，并在此基础上计算被测目标对象的姿态。

【技术特征摘要】
1.一种高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：利用磁阻传感器(1)或微惯性组件(3)，同时联合针对被测物体进行姿态测量的测量单元进行基础数据采集，并在此基础上计算被测目标对象的姿态。2.根据权利要求1所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，为了对目标被测对象进行姿态测量，首先使用下述两种方法之一，对实际被测对象进行测量，得出实际被测对象的基础测量数据；所述目标被测对象为被测物体的前部，所述实际被测对象为被测物体的后部；所述目标被测对象与实际被测对象连接，二者之间存在相对旋转；其中，方法一：利用磁阻传感器(1)在线精确估计所述实际被测对象低动态变化的俯仰角；得到所述俯仰角的预估值后，计算所述实际被测对象高动态变化的滚转角；方法二：利用陀螺仪和加速度计组成的微惯性组件(3)计算所述实际被测对象的俯仰角和滚转角；步骤二，利用所述测量单元来测量并计算所述实际被测对象和目标被测对象的相对转角，所述测量单元包括安装在所述实际被测对象上的霍尔传感器(7)和安装在所述目标被测对象上的磁钢片(8)；步骤三，将所述俯仰角、滚转角和相对转角作为基础数据，计算目标被测对象的姿态。3.根据权利要求2所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：在所述步骤三之后还有步骤四，其要求是：重复步骤一到步骤三，实现所述目标被测对象的姿态更新。4.根据权利要求2所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：所述组合式姿态测量方法中，所述被测物体是旋转弹丸，所述目标被测对象是设置在旋转弹丸前部的舵片(5)，所述磁钢片(8)安装在所述舵片(5)的某一片的相应位置上；所述实际被测对象是所述旋转弹丸的后部，即后部弹体(2)；所述舵片(5)布置在所述旋转弹丸的前部的外壳外侧面上；所述舵片(5)与后部弹体(2)之间存在所述相对转角。5.根据权利要求4所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：所述方法一中，在线精确估计所述后部弹体(2)低动态变化的俯仰角要求如下：①首先，根据所述旋转弹丸的发射系统所提供的所述后部弹体(2)的偏航角所述磁阻传感器(1)的布置采用如下的方案：所述磁阻传感器(1)为三轴的磁阻传感器，是一个整体封装的电子器件，其内部分为三个逻辑单元：x轴单元、y轴单元和z轴单元；所述x轴单元沿着所述后部弹体(2)的旋转轴x轴的轴线方向平行布置，所述y轴单元和z轴单元布置在与所述x轴单元处于同一个笛卡尔三维直角坐标系中的另两个坐标轴，即y轴和z轴上，且所述y轴单元和z轴单元分别与该笛卡尔三维直角坐标系中的y轴和z轴的轴线方向平行布置；所述y轴单元和z轴单元同时布置在相对于所述x轴单元垂直的同一个径向截面内；②其次，使用模糊神经元网络；所述模糊神经元网络的输入量为：所述磁阻传感器(1)的输出值Bb、反映所述后部弹体(2)滚转角变化的预估滚转角速率和反映所述后部弹体(2)俯仰角变化的磁阻变化率所述模糊神经元网络的输出量为：所述后部弹体(2)的俯仰角预估值和俯仰角的调整量Δθ；③再次，根据所述磁阻传感器(1)的输出值Bb分别对应的所述x轴单元、y轴单元和z轴单元的输出值，即测量值和通过以下公式计算预估滚转角④所述预估滚转角速率的计算公式为：其中tk-1和tk表示两个相邻的采样时刻；和分别为tk-1和tk时刻预估滚转角度值；⑤通过所述相邻采样时刻对应的所述测量值进行所述磁阻变化率的计算：其中和分别为所述tk-1和tk时刻对应的测量值；⑥根据反映所述预估滚转角速率和反映所述磁阻变化率来调节所述俯仰角的调整量Δθ，建立模糊控制规则，其中每条规则对应一对样本；通过所述模糊规则选取的滚转角速率磁阻变化率与期望俯仰角的调整量Δθd作为模糊神经元网络的训练样本，依次送入所述模糊神经元网络进行离线训练，使所述模糊神经元网络记忆所述模糊控制规则，使其具有联想记忆功能；⑦利用地面转台模拟姿态实验数据，采用所述磁阻传感器(1)的输出数据和与所述地面转台中框模拟的俯仰角设定值θd作为所述模糊神经元网络的训练样本，通过在线计算即得到所述俯仰角预估值⑧根据所述模糊神经元网络的输出量，即所述俯仰角预估值和俯仰角的调整量Δθ，计算所述后部弹体(2)的最佳俯仰角预估值⑨根据所述最佳俯仰角预估值和偏航角计算所述后部弹体(2)的径向截面内地磁矢量及其磁场强度的分量因为在一个采样周期内，滚转角的变化速率比俯仰角的变化速率快得多，所以计算滚转角时，能够假定当前时刻的俯仰角度近似不变；当地地磁矢量Bn为已知量，经过坐标变换到弹体坐标系s下，变换过程如下：其中，为当地地磁矢量Bn在n系下的三轴分量，为当地地磁矢量Bn在弹体坐标系s下的投影分量，弹体坐标系s下径向截面内的投影分量的合成矢量，即为地磁矢量以所述径向截面内地磁矢量为分界线，将所述滚转角分为两部分：第一部分为从初始旋转位置到所述矢量的角度γ0；由反三角函数的运算能够得到所述γ0，运算公式如下：第二部分为从投影所述矢量到采样时刻的所述预估滚转角所述矢量的角度γ0和所述预估滚转角的代数和即为所述后部弹体(2)在采样时刻的滚转角γs，即当前采样时刻tk对应的后部弹体(2)的滚转角记为所述方法二满足下述要求：①首先，根据所述旋转弹丸的发射系统所提供的弹体偏航角所述陀螺仪和加速度计构成的微惯性组件(3)的布置采用如下的方案：所述陀螺仪为单轴陀螺仪，包括1个大量程陀螺仪和2个小量程陀螺仪，其中所述大量程陀螺仪的旋转轴沿着所述后部弹体(2)的旋转轴x轴的轴线方向平行布置，2个所述小量程陀螺仪的旋转轴相互正交，且同时布置在与所述旋转轴x轴垂直的同一个径向截面内；所述加速度计为单轴加速度计，共3个，其中1个所述加速度计的测量轴沿着所述旋转轴x轴的轴线方向平行布置，另外2个单轴加速度计的测量轴相互正交，且同时布置在与所述旋转轴x轴垂直的同一个径向截面内；②其次，所述大量程陀螺仪的输出值为2个所述小量程陀螺仪的输出值分别为和3个所述加速度计的输出值分别为和其中和为所述陀螺仪和加速度计在所述旋转轴上的输出值；利用所述x轴和y轴方向的加速度计来计算后部弹体(2)的初始俯仰角和滚转角其公式为：其中，g为重力加速度；③再次，计算初始捷联惯导矩阵为了表达方便，这里将简记为：根据捷联惯导矩阵的四元数形式即其中，的下标b表征载体坐标系，上标n表征导航坐标系，其中，q0、q1、q2和q3为初始四元数；描述了载体与导航坐标系的变换关系，根据所述和的对应关系，得到以下关系式：进一步推导后，上式满足④由③中算式推导，计算所述初始四元数q0、q1、q2和q3，即其中，所述初始四元数的符号按下式确定：其中，q0的符号能任选；⑤所述初始四元数由下列微分方程完成更新；其中，和表示所述初始四元数的导数；⑥由所述捷联惯导矩阵得出后部弹体(2)的滚转角度γs和俯仰角角度当前采样时刻tk对应的后部弹体(2)的滚转角记为6.根据权利要求5所述高动态环境下的组合式姿态测量方法，其特征在于：所述步骤二中利用所述霍尔传感器(7)和磁钢片(8)，测量并计算所述后部弹体(2)与舵片(5)的相对转角Δγrel，其具体内容要求和相关步骤依次是：①所述舵片(5)的偏航角和俯仰角分别等同于所述后部弹体(2)的偏航角和俯仰角预估值的最佳值；②在所述舵片(5)与后部弹体(2)的结合处布置霍尔传感器(7)，其中：所述后部弹体的弹体轴360°圆周内均匀布置3个所述霍尔传感器(7)，每两个所述霍尔传感器(7)之间的角度间隔为120°；所述磁钢片(8)安装在所述舵片(5)中某一片的相应位置上，当所述舵片(5)与后部弹体(2)的弹体轴发生相对旋转时，3个所述霍尔传感器(7)会依次掠过所述磁钢片(8)，使磁场产生变化，所述霍尔传感器(7)会输出相应的脉冲信号；③所述3个霍尔传感器(7)，即霍尔传感器A(71)、霍尔传感器B(72)和霍尔传感器C(73)依次发...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，关英，胡学东，郝永平，
申请(专利权)人：沈阳理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21