[发明专利]高精度高速度低成本三轴姿态测量装置

说明书

一、技术领域：本发明属于高速旋转飞行器姿态测量领域，具体涉及一种用ARM/FPGA硬件驱动地磁传感器的三轴姿态测量装置。

二、背景技术：为获得高速旋转飞行器的姿态信息，设计小体积的三轴测量系统很重要，在传统的测量系统中，常利用线加速度计测量物体的加速度，利用陀螺测量物体的角度。但由于传统的加速度计存在安装复杂、安装精度要求高、解算复杂等问题，这里舍弃了加速度计作为惯性器件。陀螺虽然能连续输出角度信息，但存在漂移，长期应用会产生较大的累积偏差，这里也舍弃了。而地磁传感器具有不随飞行时间而累积误差，高精度，高响应度，微小体积，可靠性高等诸多优点，使其成为目前研究比较多的导航器件，它能够准确确定飞行器的姿态角信息，可以提高系统的整体导航精度及导航性能。因此本发明将三轴地磁传感器的输出作为姿态基准，采用软件查表及线性拟合算法进行校正，比较精确的输出飞行器姿态的角度信息。

本发明提出了一种适用于高速旋转飞行器的、小体积的三轴姿态测量装置，其目的在于应用地磁传感器的探测原理，配合新型查表拟合计算方法，剔除了加速度传感器及陀螺仪，解决了导弹等飞行器在重返大气层时，在接近自由落体的状态下，加速度传感器失效及陀螺仪累积误差较大的关键技术问题，可以快速准确的测定飞行器的姿态。本发明满足小尺寸姿态测量的需要，用该方法设计出来的三维姿态测量系统具有可靠性高、成本低、操作方便等特点。

三、发明内容：本发明提供了一种基于ARM/FPGA和地磁传感器的三轴测量装置，解决了传统利用加速度计存在安装复杂、安装精度要求高、解算复杂等问题，解决了传统利用陀螺仪测量存在精度受陀螺角速率漂移的影响问题，解决了利用地磁传感器不能连续三轴定姿的问题，并在此基础上结合了软件查表及线性拟合的新算法，对于研究惯性组合导航系统，提高测量高速旋转飞行器的姿态信息具有重要意义和实际应用价值。

本发明可以通过以下硬件技术方案实现：高精度高速度低成本三轴姿态测量装置，包括三个单轴地磁传感器模块、ARM/FPGA驱动控制模块、多路电源供给模块、串口通讯模块、EEPROM参数保存模块。

 高精度高速度低成本三轴姿态测量装置设计在高强度PCB电路板上，三个单轴地磁传感器互为垂直安装，经过柔性灌封后，外形可以为任意形状，可以耐受20000g的高过载冲击，输出仅有4条线缆。

高精度高速度低成本三轴姿态测量装置的姿态参数解算方法：预先将三轴姿态信息数据按1度分割保存为一个大型数据库，实际运行时查表找到三组数据最接近的2个数据记录，再用线性拟合算法计算出最接近的参数值，在飞行器低速滚动时可以实现高精度：各轴的分辨率可以达到0.1度。

在飞行器高速滚动时可以实现高速度传输姿态数据帧：高速采样速率可以达到250帧/每秒，超高速采样可以达到2500帧/每秒。

由于摘除了加速度计及陀螺降低了成本简化了控制：在导弹、火箭等飞行器上的具体应用单元价格约5000元。

应用面广泛：该装置可以应用于：各种导弹、火箭、航弹、无人机等精确制导武器上，用于辅助测量飞行姿态，经过柔性灌封后可以抗高过载。

四、附图说明：图1是本发明的结构示意图。

图2是飞行器姿态测定示意图。

图3是姿态解算框图。

五、具体实施方式：下面结合附图进一步详述。

高精度高速度低成本三轴姿态测量装置设计在高强度PCB电路板上，三轴地磁传感器安装在PCB板的正交平面上，它们的敏感轴互相垂直，组成测量体的三维坐标系，如图1所示，GX、GY、GZ分别是地磁传感器的三个敏感轴，坐标原点O不必位于高速旋转飞行器的几何中心，三个敏感轴的方向与高速旋转飞行器的弹体坐标系只需保持对应关系，不必保持一致，极大的方便本测量装置的安装固定。可测量飞行器的转速在100R/S以上，利用该系统可以精确地测量高速旋转飞行器在各个时刻的三轴姿态信息。

首先采样三轴地磁传感器输出的角向量信号，根据实际情况建立测量装置与飞行器坐标系的角向量数学模型，查表数据库找到2组最接近的数据，用线性拟合算法精确推算出飞行器当前的姿态信息。本发明在降低硬件成本的情况下，提高了系统精度和可靠性，并且还可以提供飞行器姿态变化的统计数据记录，从而估计出参考矢量和观测矢量中的一些不确定因素。

然后通过ARM/FPGA处理传感器的输出信号并且输出测量结果，并对测试系统进行仿真、分析，最后得到所需要的飞行器姿态角数据帧。