旋转载体姿态、位置测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种旋转载体姿态、位置测量装置与方法，属于高速自旋弹药精确制导技术领域。装置包括电机、导电滑环、角度传感器、惯性测量单元，平台外框架和信息处理器；旋转载体与惯性测量单元滚转隔离伺服稳定平台固定，平台底部由电机通过旋转轴连接惯性测量单元，旋转轴的中部安装角度传感器；载体捷联惯导初始对准采用自对准，由信息处理器采集惯性测量单元的实时测量数据，计算载体俯仰角、偏航角、滚转角初始值，运用四元数法捷联惯导和角度传感器的策略数据实时解算。本发明专利技术能够提高IMU测量和姿态、导航位置解算的精度，为姿态、位置测量和制导飞控提供可靠信息。量和制导飞控提供可靠信息。量和制导飞控提供可靠信息。

【技术实现步骤摘要】
旋转载体姿态、位置测量装置与方法


[0001]本专利技术属于高速自旋弹药精确制导
，具体涉及一种旋转载体姿态、位置测量方法与装置。

技术介绍

[0002]为保证现代战争中远距离火力压制的准确性、有效性，传统自旋体制的常规武器制导化可通过惯性导航和末制导实现。自旋弹受发射环境、体积空间和成本约束，其惯性导航对陀螺、加速度计提出大量工程应用要求。
[0003]旋转弹惯性导航技术多采用捷联惯导方案，直接将惯性测量单元(IMU)固定于弹体上，可直接敏感弹体的运动角速度、加速度，利用IMU进行姿态解算和位置计算。采用捷联惯导方案结构简单、抗干扰能力强、自主性高，但测量精度由陀螺、加速度计量程、精度和解算算法决定。
[0004]旋转弹高速自旋产生的复杂运动会降低捷联方案的姿态和位置测量精度，采用高动态范围的惯性器件将大幅增加测量装置的成本。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供了一种旋转载体姿态、位置测量装置与方法，装置能够实现惯性测量单元和载体的转动分离，测量方法结合装置后可提高IMU测量和姿态、导航位置解算的精度，为姿态、位置测量和制导飞控提供可靠信息。
[0006]一种旋转载体姿态、位置测量装置，装置包括平台外框架、惯性测量单元、信息处理器、电机、旋转轴、轴承、导电滑环和角度传感器；
[0007]所述平台外框架与旋转载体径向固定连接，信息处理器固定在平台外框架上，信息处理器与惯性测量单元之间通过导电滑环连接，信息处理器与电机的定子端电连接，惯性测量单元与导电滑环的转子端电连接；电机的转子和旋转轴底部固定连接，中空结构的旋转轴内套帽式导电滑环；平台外框架与导电滑环固定连接，旋转轴通过轴承安装在平台外框架的内部；角度传感器的外圈固定在平台外框架的内部，角度传感器的内圈固定在旋转轴中部；旋转轴上端连接惯性测量单元。
[0008]进一步地，所述导电滑环的一端具有法兰面，导电滑环的法兰面通过滑环链接板固定在平台外框架的电机端盖上。
[0009]进一步地，所述信息处理器包括电源转换电路、高精度AD采集电路、驱动控制电路和运算处理单元；所述惯性测量单元包括MEMS速率陀螺、加速度计和AD信号处理电路。
[0010]进一步地，所述电机采用分装式直流无刷力矩电机。
[0011]一种旋转载体姿态、位置测量方法，实现的步骤如下：
[0012]步骤一：建立导航坐标系Ox
n
y
n
z
n
，载体坐标系Ox
b
y
b
z
b
，准载体坐标系Ox
B
y
B
z
B
；
[0013]步骤二：信息处理器采集惯性测量单元的MEMS速率陀螺和加速度计的测量数据，根据加表测量值计算惯性测量单元的初始俯仰角偏航角ψ和滚转角γ，在姿态角初值基
础上计算初始四元数的值；
[0014]步骤三：连续迭代MEMS速率陀螺测量值和前一时刻的四元数得到下一时刻的四元数，更新四元数后依据四元数和姿态角的关系计算惯组姿态角，载体姿态角；
[0015]步骤四：利用姿态矩阵和三方向加速度计算载体在导航坐标系中的位置信息。
[0016]进一步地，所述步骤一中的导航坐标系Ox
n
y
n
z
n
，坐标系的原点O点位于导航起始地点，x
n
轴指向目标点，指向目标方向为正，y
n
轴位于铅垂面内并与x
n
轴相垂直，向上为正，z
n
轴按右手定则确定；
[0017]载体坐标系Ox
b
y
b
z
b
，坐标系的原点O点位于载体的质心，x
b
轴与载体纵轴重合，y
b
轴位于载体纵对称面内与x
b
轴垂直，向上为正，z
b
轴按右手定则确定；
[0018]准载体坐标系Ox
B
y
B
z
B
，坐标系的原点O点位于载体的质心，x
B
轴与载体纵轴重合，y
B
轴位于铅垂面内与x
B
轴垂直，向上为正，z
B
轴按右手定则确定。
[0019]进一步地，所述步骤二中计算惯性测量单元的初始俯仰角偏航角ψ和滚转角γ，及四元数初值的过程包括：
[0020]信息处理器每5ms采集一次惯性测量单元的MEMS速率陀螺和加速度计的测量数据，根据加表测量值计算惯性测量单元初始俯仰角偏航角ψ和滚转角γ，计算流程如下：
[0021][0022][0023]ψ0＝0
·············
(3)
[0024]其中：
[0025]惯性测量单元输出的加速度全量(W
x1
，W
y1
，W
z1
)，加速度单位为m/s2，按下式转换为ΔT时间内的增量形式：
[0026][0027]g0＝9.80665m/s2，为ΔT(5ms)时间内的视速度，即为三个方向的加表输出值(单位为m/s2)；
[0028]载体初始时刻处于静止状态，载体坐标系与准载体坐标系重合，依据(2)式计算出滚转姿态角，滚转隔旋稳定平台控制电机反向旋转γ0，实现惯性测量单元滚转姿态角回零，为避免静止时加表测量值的突变带来的初始姿态解算误差，选取50ms平滑处理作为初始导航初始姿态角，载体初始姿态角ψ＝0，γ＝0；
[0029]在初始对准获得的姿态角初值基础上可计算初始四元数的值：
[0030][0031]进一步地，所述步骤三中四元数迭代及姿态计算的过程如下：
[0032]采集惯性测量单元三个轴的MEMS速率陀螺测量值和前一时刻的四元数得到下一时刻的四元数，更新四元数后依据四元数和姿态角的关系求解每个时刻的姿态角，四元数在载体运动后按下式更新：
[0033][0034]其中：δθ
02
＝δθ
x12
+δθ
y12
+δθ
z12
，带下标
“‑
1”者为前一采样时刻的数值；
[0035]惯性测量单元输出的是角速度(ω
x1
，ω
y1
，ω
z1
)，角速度单位为
°
/s，按下式转换为ΔT时间内的增量形式：
[0036]角度增量：
[0037][0038]载体坐标系相对导航坐标系的相对转动矩阵D：
[0039][0040]在上述四元数计算基础上计算姿态角，表示如下：
[0041][0042]运动过程中载体初始姿态角ψ＝ψ0，γ＝γ0+γ
r
，其中，γ
r
为磁电编码器测量转轴相对于稳定平台本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种旋转载体姿态、位置测量装置，其特征在于，装置包括平台外框架、惯性测量单元、信息处理器、电机、旋转轴、轴承、导电滑环和角度传感器；所述平台外框架与旋转载体径向固定连接，信息处理器固定在平台外框架上，信息处理器与惯性测量单元之间通过导电滑环连接，信息处理器与电机的定子端电连接，惯性测量单元与导电滑环的转子端电连接；电机的转子和旋转轴底部固定连接，中空结构的旋转轴内套帽式导电滑环；平台外框架与导电滑环固定连接，旋转轴的两端通过轴承安装在平台外框架的内部；角度传感器的外圈固定在平台外框架的内部，角度传感器的内圈固定在旋转轴中部；旋转轴上端连接惯性测量单元。2.如权利要求1所述的旋转载体姿态、位置测量装置，其特征在于，所述导电滑环的一端具有法兰面，导电滑环的法兰面通过滑环链接板固定在平台外框架的电机端盖上。3.如权利要求2所述的旋转载体姿态、位置测量装置，其特征在于，所述信息处理器包括电源转换电路、高精度AD采集电路、驱动控制电路和运算处理单元；所述惯性测量单元包括MEMS速率陀螺、加速度计和AD信号处理电路。4.如权利要求3所述的旋转载体姿态、位置测量装置，其特征在于，所述电机采用分装式直流无刷力矩电机。5.一种旋转载体姿态、位置测量方法，实现的步骤如下：步骤一：建立导航坐标系Ox
n
y
n
z
n
，载体坐标系Ox
b
y
b
z
b
，准载体坐标系Ox
B
y
B
z
B
；步骤二：信息处理器采集惯性测量单元的MEMS速率陀螺和加速度计的测量数据，根据加表测量值计算惯性测量单元的初始俯仰角偏航角ψ和滚转角γ，在姿态角初值基础上计算初始四元数的值；步骤三：连续迭代MEMS速率陀螺测量值和前一时刻的四元数得到下一时刻的四元数，更新四元数后依据四元数和姿态角的关系计算惯组姿态角，载体姿态角；步骤四：利用姿态矩阵和三方向加速度计算载体在导航坐标系中的位置信息。6.如权利要求5所述的旋转载体姿态、位置测量方法，其特征在于，所述步骤一中的导航坐标系Ox
n
y
n
z
n
，坐标系的原点O点位于导航起始地点，x
n
轴指向目标点，指向目标方向为正，y
n
轴位于铅垂面内并与x
n
轴相垂直，向上为正，z
n
轴按右手定则确定；载体坐标系Ox
b
y
b
z
b
，坐标系的原点O点位于载体的质心，x
b
轴与载体纵轴重合，y
b
轴位于载体纵对称面内与x
b
轴垂直，向上为正，z
b
轴按右手定则确定；准载体坐标系Ox
B
y
B
z
B
，坐标系的原点O点位于载体的质心，x
B
轴与载体纵轴重...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹欢，孙扬洋，张建蒙，迟翔，
申请(专利权)人：北京航天嘉诚精密科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：