浮球平台载体姿态测量方法技术

本发明专利技术提供一种浮球平台载体姿态测量方法，该方法通过光电传感器测量载体相对球体的转动经过的球壳内表面上的弧长，根据测量信息解算出载体当前时刻转动的转轴方向，然后结合光电传感器的安装位置解算出载体当前时刻转动角度，最后根据四元数乘法计算初始时刻到当前时刻载体转动的四元数，从而解算出该载体当前的姿态。本发明专利技术提供的方法结构简单，只需在球体上安装光电传感器，无需在球壳上安装辅助设备，易于实现时间同步；光电传感器只敏感测量平面内的相对位移，所得结果能避免受到球体晃动的影响，准确性得到提高。

Attitude measurement method of floating platform carrier

The present invention provides a floating ball carrier attitude measurement method, the method of photoelectric sensor carrier relative rotation of the ball after ball shell on the inner surface of the arc length through the shaft direction according to the measurement information was calculated at the current moment of rotation, and then combined with the installation position of the photoelectric sensor was calculated at the current moment rotation angle finally, according to the number of four yuan to four yuan initial multiplication number of current vector rotation, so as to calculate the current carrier attitude solution. The method provided by the invention has simple structure, only need to install the sensor on the sphere, no need to install auxiliary equipment on the spherical shell, easy to realize time synchronization; photoelectric sensor is only sensitive to relative displacement of the measuring plane, the result can avoid being influenced by the sphere shaking, accuracy improved.

【技术实现步骤摘要】
浮球平台载体姿态测量方法
本专利技术涉及惯性导航
，特别的涉及一种针对浮球平台的载体姿态测量方法，尤其是能采用光电传感器实现载体的非接触全姿态测量。
技术介绍
在惯性导航领域，浮球式惯性平台(简称：浮球平台)属于平台式惯导系统，相比于捷联式导航系统，其能够为载体提供更加安静稳定的测量环境，适用于无源的长航时导航。浮球平台是一种新型惯性平台，多用于远程战略导弹和远程轰炸机的惯性导航中。其功能与传统的惯性导航设备相同，能为载体提供实时的位置、速度和姿态信息。传统的惯性平台为框架式惯性平台，其台体有三个框架支承，台体上安装三个相互正交的陀螺仪及三个相互正交的加速度计，其中陀螺仪用于敏感台体相对惯性空间的转动，通过控制系统，驱动框架转动，使台体在惯性空间保持稳定，在此基础上，三个正交的加速度计可直接测量载体加速度在惯性空间中的分量，通过框架上的编码器测量框架转动，根据框架角解算出载体的姿态。浮球平台采用液体静压支承系统代替框架平台的框架系统，浮球平台的台体是一个密封的球体，其置于一个与载体固连的球壳中，球体与球壳间充满液体，球体与球壳由液体隔开，球体内部装有液体循环装置，用于产生液体静压支承作用和液体射流反推控制力矩，液体的静压支承能够有效的削弱载体转动对台体姿态的影响，同时也能产生良好的减振性能。由于液体的隔离作用，浮球平台能够实现载体的全姿态测量，目前的浮球平台对于载体姿态的测量采用电容姿态带的方法，在球体表面安装三条相互正交的激励带，在球壳的两个半球咬合处安装一条接收带，在三条激励带上施加不同频率的正弦信号，激励带和接收带间的电容变化规律可影响接收带敏感到的交流电信号，通过设计合理的解算方案，从而得到载体的姿态。但是，这种方法对于交流电信号的检测具有较高的要求，而且在实际工作过程中，电容式姿态测量系统存在如下问题：激励信号与接收信号分别作用在球体和球壳上，时间同步较难，接收的交流电信号噪声大，信号不稳定；球体的晃动会改变激励带和接收带的间距，进而造成电容不规律的改变；接收带相对于激励带发生倾斜时，以及激励带处于接收带交叉位置时都需要引入判断机制，在这些情况下，所需解算方案复杂，运算耗时长。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种浮球平台载体姿态测量方法，该专利技术解决了现有技术中电容式姿态测量方法对于交流电信号的检测要求较高；激励信号与接收信号时间同步难，接收的交流电信号噪声大，信号不稳定；电容不规律的改变；接收带相对于激励带发生倾斜时，以及激励带处于接收带交叉位置时所需引入判断机制，解算方案复杂，运算耗时长等问题。本专利技术提供了一种浮球平台载体姿态测量方法，能够实现载体姿态的非接触全姿态测量。进一步地，通过光电传感器测量得到载体转动的线速度。进一步地，根据线速度和角速度的关系，利用最小二乘估计方法得到载体的转轴方向。进一步地，根据光电传感器的安装位置计算出各光电传感器测量弧长对应的载体转动角度，将其均值作为载体的转动角度，构造出载体当前时刻的转动四元数。进一步地，根据四元数乘法得到初始时刻到当前时刻载体的转动四元数，并基于此解算出载体当前的姿态。相对现有技术，本专利技术的技术效果：本专利技术提供的浮球平台载体姿态测量方法，通过将光电传感器安装于球体表面，敏感球壳相对球体的转动，从而辨识出载体的姿态，该方法通过对由光电传感器检测得到的结果进行处理分析，实现载体的非接触全姿态测量。通过采用光电传感器，该方法不需要复杂的交流电信号检测技术，只需读取光电传感器测量球壳相对球体转动的弧长。即可得到结果。本专利技术提供的浮球平台载体姿态测量方法，该方法尤其适用于使用光电传感器的浮球平台载体姿态测量，采用光电传感器后，①只需在球体上安装光电传感器，无需在球壳上安装辅助设备，无需将激励信号与接收信号分别作用在球体和球壳上，易于实现时间同步；②所安装光电传感器只敏感测量平面内的相对位移，从而避免光电传感器受球体晃动影响，导致检测结果不准确。本专利技术提供的浮球平台载体姿态测量方法，①所用光电传感器为数字传感器，输出噪声小，且测量数据稳定；②所需解算方案简捷，可直接计算出载体当前转动的四元数，利用四元数乘法计算载体从初始时刻到当前时刻的转动四元数，运算量小，计算误差积累小，实时性好；③安装多个光电传感器可得到冗余的测量数据，通过数据融合可提高姿态测量的精度。具体请参考根据本专利技术的浮球平台载体姿态测量方法提出的各种实施例的如下描述，将使得本专利技术的上述和其他方面显而易见。附图说明图1是本专利技术提供浮球平台载体姿态测量方法的流程示意图；图2是本专利技术优选实施例中光电传感器的安装示意图；图3是本专利技术优选实施例1中针对解算位和设定姿态位所得俯仰角曲线、偏航角曲线、滚动角曲线对比图以及针对解算位和设定姿态位所得俯仰角、偏航角和滚动角的姿态角偏差曲线图；图4是本专利技术优选实施例中载体转轴方向示意图；图5是本专利技术优选实施例2中针对解算位和设定姿态位所得俯仰角曲线、偏航角曲线、滚动角曲线对比图以及针对解算位和设定姿态位所得俯仰角、偏航角和滚动角的姿态角偏差曲线图。具体实施方式构成本申请的一部分的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。参见图1，本专利技术提供了一种浮球平台载体姿态测量方法，包括以下步骤：步骤S100：预设载体初始时刻的姿态获取光电传感器数据，通过光电传感器测量得到载体转动的线速度，采用最小二乘估计方法解算得到当前时刻的载体转轴方向；步骤S200：根据各光电传感器的安装位置计算出各光电传感器测量所得弧长对应的当前时刻的载体转动角度，将各光电传感器测得的载体转动角度的均值作为载体的转动角度，并构造载体当前时刻的转动四元数；步骤S300：解算初始时刻到当前时刻的载体转动四元数，并根据该载体转动四元数解算得到载体在当前时刻的姿态。解算载体姿态时，可采用常规方法由四元数转换为姿态角的方法进行。由(12)式得到初始时刻到当前时刻的载体转动四元数可解算出载体姿态的方向余弦阵，再设定载体转序则可计算出载体的姿态角。S100和S200构造出当前转动的四元数，S300则利用四元数乘法计算初始时刻到当前时刻的转动四元数，本专利技术提供方法有别于捷联惯性导航系统中用陀螺测量数据积分的方法，减小了积分产生的误差积累。本专利技术提供的方法针对浮球平台载体姿态的非接触测量问题，充分利用光电传感器敏感相对位移的特性。由于光电传感器为数字传感器，因此不涉及电容姿态带方法中复杂的交流电检测技术，简化了载体姿态解算方法。优选的，光电传感器数量为8个，均为数字传感器，安装在球体表面，利用多个光电传感器的数据，测算结果更准确。优选的，本专利技术提供的浮球平台载体姿态测量方法具体包括以下步骤：步骤1：姿态解算准备；给定载体初始姿态根据光电传感器的安装位置计算以下结构参数：Rc0i：球体坐标系中球心C到光电坐标系原点Pi的矢量，i＝1,2,...,m；MPEi2C：光电坐标系到球体坐标系的转换矩阵，i＝1,2,...,m；Δt：测量周期，又称采样周期；加速度观测矩阵，用于后续的最小二乘估计载体转动角速度。步骤2：采集光电传感器数据并保存；读取光电传感器测量数据其中，下标i＝1,2,...,m表示m个光电传感器，上标n表示当前时刻，保存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：预设载体初始时刻的姿态

【技术特征摘要】
1.一种浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S100：预设载体初始时刻的姿态获取光电传感器数据，通过光电传感器测量得到载体转动的线速度，采用最小二乘估计方法解算得到当前时刻的载体转轴方向；步骤S200：根据各光电传感器的安装位置计算出各光电传感器测量所得弧长对应的当前时刻的载体转动角度，将各光电传感器测得的载体转动角度的均值作为载体的转动角度，并构造载体当前时刻的转动四元数；步骤S300：解算初始时刻到当前时刻的载体转动四元数，并根据该载体转动四元数解算得到载体在当前时刻的姿态。2.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S100中采用最小二乘估计方法解算得到当前时刻的载体转轴方向包括以下步骤：根据测量周期Δt得到n-1到n时刻载体转动的线速度在光电坐标系中的表达式：根据光电坐标系到球体坐标系的转换矩阵MPEi2C将载体转动线速度转换到球体坐标系中：载体线速度和角速度满足关系：其中，Rc0i为球体坐标系中球心C到光电坐标系原点Pi的矢量，得到：假设光电传感器测量得到的线速度为观测值，令其中，m为光电传感器的数量，考虑测量噪声构建载体转动观测方程：采用最小二乘估计方法得到载体n-1到n时刻的角速度：将角速度单位化后得到n-1到n时刻载体转动的转轴方向：3.根据权利要求1所述的浮球平台载体姿态测量方法，其特征在于，所述步骤S200中解算当前时刻的载体转动角度包括以下步骤：计算n-1到n时刻光电传感器测量球体转动得到的弧长：

【专利技术属性】
技术研发人员：白锡斌，蔡洪，张士峰，杨华波，刘成龙，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43