CN100365383C - 微型磁红外姿态测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型磁红外姿态测量系统，包括三轴正交红外地平仪、三轴正交磁强计、微处理器及电源管理器；三轴正交红外地平仪测量载体的对地俯仰角和滚转角信号，三轴正交磁强计用来测量地磁感应强度在X、Y和Z轴上的分量；结合红外地平仪得到的俯仰角和滚转角解算出载体的航向角；本发明可以测得载体的全姿态信息，是一种绝对的姿态测量系统；具有固态结构、体积小、算法简单，重量轻和成本低的优点；无论白天、夜间都能正常工作；其使用的传感器可采用一体化MEMS芯片集成封装技术，可更加小型化。

Description

微型磁红外姿态测量系统

技术领域

发明涉及姿态测量领域中的测量装置，特别涉及一种用于微型飞行器、无人机或轮船等载体的微型磁红外姿态测量系统，可测得运动载体的全姿态(包括俯仰、滚转、偏航角)信息，具有全固态结构、体积小、重量轻、低功耗、启动快、成本低等特点。

背景技术

姿态测量方法及装置有很多，大体上分为惯性姿态测量装置和绝对姿态测量装置两种。惯性姿态测量装置主要是对惯性器件输出信号进行积分得到载体的姿态。常用的惯性器件有陀螺和加速度计。常规陀螺由于重量太大，只能用在大的飞机上，微型飞行器和无人机上采用的速率陀螺测量得到的是载体运动的角速度，必须对其进行积分运算才能得到姿态角。但是微机电速率陀螺存在严重零点漂移问题，因此经过积分计算得到的姿态角将不再准确，这种测量装置受陀螺漂移影响严重，不能准确地得到飞行器的姿态。加速度计受惯性的影响，当载体的以一定姿态平稳运动时，利用该测量装置得到的姿态角精度较高。但是当载体以加速度运动时或者在运动过程中受到扰动时，例如飞行器在飞行过程中受气流影响而具有某种加速度时，则三轴加速度计测量的加速度中既包括重力加速度还包括有载体的运动加速度，此时利用该方法计算得到的姿态角就具有相当大的误差。

红外地平仪是基于普朗克黑体辐射定律工作的。它利用天空和地面辐射波长的不同来感知飞行器的姿态变化，是一种绝对姿态测量装置，它不存在积分环节，响应时间快，不受加速度的影响。在申请号为ZL01110135.0的中国专利“基于微机电技术的微型导航系统”  中提供了一种由三轴磁强计和三轴加速度计组成的传感器测量载体姿态的装置；三轴磁强计测量地磁感应强度在载体坐标系上三个正交轴的分量，根据地磁感应强度在地理坐标系中的表示，利用表述地理坐标系和载体坐标系之间相互转换关系的方向余弦矩阵建立方程组，结合三轴加速度计求得的俯仰角信息可以算出航向角；由于载体有运动加速度时，三轴加速度计不能准确反映载体的俯仰角信息。

发明内容

本发明目的在于提供一种结构简单，易于微型化的适用于无人机、微型飞行器或轮船等活动载体的磁红外姿态测量系统。

本发明提供的用于微型飞行器、无人机或轮船载体的微型磁红外姿态测量系统，包括三轴正交红外地平仪20、三轴正交磁强计10、微处理器30及电源管理器；

所述电源管理器为该微型磁红外姿态测量系统提供稳压电源；

所述三轴正交红外地平仪20包括：分别平行配制于载体直角坐标系X、Y和Z轴的由一对红外传感器组成的用以测量载体的对地俯仰角和滚转角信号的单轴红外地平仪组；将所测对地俯仰角和滚转角信号进行运算放大的运算放大器21、滤去传感器输出信号中的高频噪声的滤波器22，以及将滤波后的输出信号转化为数字信号的A/D转换器23；

所述三轴正交磁强计10包括分别平行配制于载体直角坐标系X、Y和z轴的用以测量地磁感应强度在X、Y和Z轴上分量的第一磁强计11、第二磁强计12和第三磁强计13；将所测信号进行运算放大的运算放大器14、滤去输出信号中的高频噪声的滤波器15，以及将滤波后的输出信号转化为数字信号的A/D转换器16；

所述的微处理器30带有载体姿态计算程序，分别与所述三轴正交红外地平仪30和三轴正交磁强计10的A/D转换器16和23相连，对获取的A/D转换器转换后的数字信号进行载体姿态的计算，分别得出载体的俯仰角、滚转角和航向角。

所述的单轴红外地平仪组包括：平行配置于Z轴上的由红外传感器201和211组成的第一轴地平仪组、平行配置于Y轴的由红外传感器202和212组成的第二轴地平仪组，和平行配置于配置在X轴的由红外传感器203和213组成的第三轴地平仪组。

所述微处理器30带有计算载体的姿态信息的姿态解算模块，对三轴正交红外地平仪20的测量信息转换为载体坐标系下的俯仰、滚转角信息；并把三轴正交磁强计10的经A/D转换器转换得数字信号，结合计算得到的俯仰、滚转角信息，解算出载体的航向角信息；姿态解算方法如下：

所述微处理器30对第一轴地平仪组、第二轴地平仪组和第三轴地平仪组的对地倾斜角度和输出差动电压的关系为：θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)  ……(1)；其中θ为倾斜角度，Vout为单轴红外地平仪组输出差动电压，Vmax为单轴红外地平仪组输出最大值，k为红外传感器采用的比例系数；

由坐标系转换矩阵：

其中 $\left[\begin{array}{c}{x}_g\\ y_g\\ z_g\end{array}\right]$ 为地面坐标， $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]$ 为载体坐标。、θ、φ分别为偏航角、俯仰角

和滚转角；可得：

sinx＝-sinθ    ----1

siny＝cosθsinφ----2    ………(3)

sinz＝cosθcosφ----3

x，y，z为三轴红外地平仪的各自的对地倾角，θ、φ分别为俯仰角和滚转角。

通过输出电压采用公式(3)中的其中两个轴对应的公式可以推算出θ、φ；根据第三轴的正负可以确定θ、φ所处的象限，从而可以实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量；根据三轴红外地平仪信号中的哪两个轴进行俯仰角和滚转角进行解算，以及剩下的第三轴进行象限判断；其判断流程如下：

首先计算出分别平行配制于载体直角坐标系X、Y和Z轴的红外地平仪组倾斜45度时应该输出的差动电压Vx45，Vy45，Vz45；

判断X轴红外地平仪组的输出电压Vx的绝对值和Vx45的大小，如果|Vx|＞Vx45，接下来判断Vx是否大于0；

如果Vx＞0，通过公式(1)得到Y轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角y，z；根据公式(3)中的2，3式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，φ∈[-90，90]范围内……(a)；

如果Vx≤0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范围内；

如果X轴红外地平仪组的输出电压Vx绝对值|Vx|≤Vx45，接下来判断Y轴红外地平仪组的输出电压Vy的绝对值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下来判断Vz是否大于0；

如果Vz＞0，通过公式(1)得到X轴和Y轴红外地平仪组的对地倾角x，y；根据公式(3)中的1，2式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范围内……(b)；

如果Vz≤0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范围内；

如果|Vy|≤Vy45，接下来判断Vy是否大于0；

如果Vy＞0，通过公式(1)得到X轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角x，z；根据公式(3)中的1，3式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范围内……(c)；

如果Vy≤0，解算方法如(c)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90)∪(90，180]范围内；

通过上面的流程解算，从而可以实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量；

本发明的磁红外姿态测量系统，包括由六个分离的红外温度传感器构成的三个单轴红外地平仪，三个三轴磁强计，微处理器和电源管理电路。

所述六个红外温度传感器每两个组成一对，分别沿直角坐标系的轴对称布置，每对传感连线可以不通过直角坐标系的原点，但连线必须平行于相应轴线。六个红外温度传感器用来测量飞行器的俯仰角和滚转角。

受红外温度传感器的视场角影响，单轴红外地平仪组对地倾角在0～±55°范围内测量有效，三轴的单轴红外地平仪组由于必然同时有两个轴的对地倾角小于45°，根据输出电压的大小可以确定其中两个轴的单轴红外地平仪组，剩下的第三轴的单轴红外地平仪组可以判断姿态角的象限，从而实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量。

所述三轴正交磁强计沿前述直角坐标系三轴布置，三轴磁强计结合红外地平仪测得的俯仰和滚转角信息，解算出载体的航向角。

所述微处理器30带有计算姿态信息的姿态解算模块，对三轴正交红外地平仪20的测量信息转换为机体坐标系下的俯仰、滚转角信息。并把三轴正交磁强计10的信号经A/D转换器转换为数字信号后，结合算得的俯仰、滚转角信息，解算出载体的航向角信息。它可以根据需要接收模拟的红外地平仪信号，经过A/D转换为数字信号，进行姿态解算。也可以利用SPI口接收数字的红外地平仪信号进行姿态解算。

所述电源管理电路包括电源接口和降压稳压器电路。用来为磁红外姿态测量仪提供所需的稳压电源。

利用红外地平仪解算方法如下：

单轴红外地平仪(由沿直角坐标系下同一轴线的一对红外温度传感器组成)的对地倾斜角度和输出差动电压的关系为：θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)......(1)；其中θ为倾斜角度，Vout为单轴红外地平仪输出差动电压，Vmax为红外地平仪输出最大值，k为红外传感器采用的比例系数。

由坐标系转换矩阵：

其中 $\left[\begin{array}{c}{x}_g\\ y_g\\ z_g\end{array}\right]$ 为地面坐标， $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]$ 为机体坐标；、θ、φ分别为偏航角、俯仰角和滚转角。可得：

sinx＝-sinθ    ----1

siny＝cosθsinφ----2    ………(3)

sinz＝cosθcosφ----3

x，y，z为三轴红外地平仪的各自的对地倾角，θ、φ分别为俯仰角和滚转角；

通过判断输出电压采用公式(3)中的其中两个轴对应的公式可以推算出θ、φ；根据第三轴的正负可以判断θ、φ所处的象限，从而可以实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量；判断利用三轴红外地平仪信号中的哪两个轴进行俯仰角和滚转角进行解算，以及剩下的第三轴进行象限判断的流程见附图4。

本发明中利用三轴正交红外地平仪20测得的俯仰角和滚转角不受加速度的影响，结合三轴正交磁强计10最后求得载体的姿态角。可以满足微型飞行器姿态测量的要求。本发明除可以应用于微型飞行器，还可以应用于中、大型飞行器进行飞行姿态测量以及轮船等活动载体的姿态测量。

本发明采用集成度高、速度快、功耗低、自带A/D转换的微型处理器。既可以接受模拟的红外输人信号，也可以接受数字的红外输人信号。分离单元的红外温度传感器单元有抗干扰性强、安装灵活方便的特点。本发明具有体积小、重量轻、功耗低，使用方便、灵活、无论白天、夜间都能正常工作等特点。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2(a)是地理坐标系示意图；图2(b)为载体坐标系示意图；

图3是图2的载体姿态测量装置中传感器的分布示意图；

图4是图2的载体姿态测量系统中的红外信号处理的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

在一个实例性的实施方式中，坐标系的建立如图1所示。图2(a)是以载体所在位置为原点建立三个正交轴组成的地理坐标系北-东-地(即N-E-D)，其中N轴是由载体指向正北方，E轴是由载体指向正东方，D轴是由载体指向地心。图2(b)是固连于载体100的三轴正交载体坐标系X-Y-Z，其中X轴处于载体对称平面内，由载体质心指向载体运动前向，Y轴垂直于载体对称平面并指向右方；Z轴在载体对称平面内且垂直于X轴指向下方，图2(b)中是以飞机作为载体100的一个实例。

本发明的姿态测量系统如图1所示，它布置在如图2中的载体100上。该姿态测量系统中的传感器包括：三轴正交的磁强计10、三轴正交的红外地平仪20；传感器在载体100上的分布如图3所示，三轴正交的磁强计10包括第一磁强计11、第二磁强计12和第三磁强计13，这三个磁强计11、12和13分别与载体坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量地磁感应强度在载体坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。三轴正交的红外地平仪20包括由201，211红外传感器组成的第一轴红外地平仪组、由202，212红外传感器组成的第二轴红外地平仪组和由203，213红外传感器组成的第三轴红外地平仪组。这三轴的六个红外传感器分别与载体坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量红外地平仪在地理坐标系下的倾斜角度。

三轴红外地平仪20和三轴磁强计10的输出为模拟的电压信号，分别经过仪表运放电路14、21对信号进行放大。然后经过滤波电路15、21滤去传感器输出信号中的高频噪声。滤波后的信号进入微处理器30里自带的A/D转换器转化为数字信号。微处理器带有载体姿态计算的程序，通过获取A/D转换后的数据进行载体姿态的计算。

单轴红外红外地平仪(由沿直角坐标系下同一轴线的一对红外温度传感器组成)的对地倾斜角度和输出差动电压的关系为：θ＝arcsin………(1)；其中θ为倾斜角度，Vout为单轴红外地平仪输出差动电压，Vmax为红外地平仪输出最大值，k为红外传感器采用的比例系数；

由坐标系转换矩阵：

其中 $\left[\begin{array}{c}{x}_g\\ y_g\\ z_g\end{array}\right]$ 为地面坐标， $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]$ 为载体坐标。、θ、φ分别为偏航角、俯仰角和滚转角；可得：

sinx＝-sinθ    ----1

siny＝cosθsinφ----2    ………(3)

sinz＝cosθcosφ----3

x，y，z为三轴红外地平仪的各自的对地倾角，θ、φ分别为俯仰角和滚转角；

通过判断输出电压采用公式(3)中的其中两个轴对应的公式可以推算出θ、φ；根据第三轴的正负可以判断θ、φ所处的象限，从而可以实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量。判断利用三轴红外地平仪信号中的哪两个轴进行俯仰角和滚转角进行解算，以及剩下的第三轴进行象限。其判断流程如下：

首先计算出分别平行配制于载体直角坐标系X、Y和Z轴的红外地平仪组倾斜45度时应该输出的差动电压Vx45，Vy45，Vz45；

判断X轴红外地平仪组的输出电压Vx的绝对值和Vx45的大小，如果|Vx|＞Vx45，接下来判断Vx是否大于0；

如果Vx＞0，通过公式(1)得到Y轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角y，z；根据公式(3)中的2，3式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45＞，φ∈[-90，90]范围内……(a)；

如果Vx≤0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ应限制在θ ∈(45，90]∪[-90，-45)，φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范围内。

如果X轴红外地平仪组的输出电压Vx绝对值|Vx|≤Vx45，接下来判断Y轴红外地平仪组的输出电压Vy的绝对值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下来判断Vz是否大于0；

如果Vz＞0，通过公式(1)得到X轴和Y轴红外地平仪组的对地倾角x，y；根据公式(3)中的1，2式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范围内……(b)；

如果Vz≤0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90)∪(90，180]范围内。

如果|Vy|≤Vy45，接下来判断Vy是否大于0；

如果Vy＞0，通过公式(1)得到X轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角x，z；根据公式(3)中的1，3式可以得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范围内………(c)；

如果Vy≤0，解算方法如(c)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90]∪(90，180]范围内。通过上面的流程解算，从而可以实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量；

本发明是一种绝对的姿态测量系统，不存在陀螺的积分飘移问题，响应时间快，从而得到的载体姿态动态精度和稳定性优于现有的姿态测量系统。本发明可以实现载体的全姿态测量，即俯仰角测量范围为-90°～+90°，滚转角测量范围为-180°～+180°，航向角测量范围为0°～360°。进一步的，本发明中的传感器采用一体化MEMS芯片集成封装技术，使仪器更加小型化。

Claims (3)

1.一种用于微型飞行器、无人机或轮船载体的微型磁红外姿态测量系统，包括三轴正交红外地平仪(20)、三轴正交磁强计(10)、微处理器(30)及电源管理器；

所述电源管理器为该微型磁红外姿态测量系统提供稳压电源；

所述三轴正交红外地平仪(20)包括：分别平行配置于载体直角坐标系X、Y和Z轴的由一对红外传感器组成的用以测量载体的对地俯仰角和滚转角信号的单轴红外地平仪组；将所测对地俯仰角和滚转角信号进行运算放大的第一运算放大器(21)、滤去传感器输出信号中的高频噪声的第一滤波器(22)，以及将滤波后的输出信号转化为数字信号的第一A/D转换器(23)；

所述的单轴红外地平仪组包括：配置在Z轴上的由一对红外传感器(201、211)组成的第一轴地平仪组、配置在Y轴上的由一对红外传感器(202、212)组成的第二轴地平仪组，和配置在X轴上的由一对红外传感器(203、213)组成的第三轴地平仪组；

所述三轴正交磁强计(10)包括分别平行配置于载体直角坐标系X、Y和Z轴的用以测量地磁感应强度在X、Y和Z轴上分量的第一磁强计(11)、第二磁强计(12)和第三磁强计(13)；将所测信号进行运算放大的第二运算放大器(14)、滤去输出信号中的高频噪声的第二滤波器(15)，以及将滤波后的输出信号转化为数字信号的第二A/D转换器(16)；

所述的微处理器(30)带有载体姿态计算程序，分别与第一和第二A/D转换器(16，23)相连，对获取的A/D转换器转换后的数字信号进行载体姿态的计算，分别得出载体的俯仰角、滚转角和航向角。

2.按权利要求1所述的微型磁红外姿态测量系统，其特征在于：所述微处理器(30)带有计算载体的姿态信息的姿态解算模块，将三轴正交红外地平仪(20)的测量信息转换为载体坐标系下的俯仰角、滚转角信息；并把三轴正交磁强计(10)的经A/D转换器转换得到的数字信号，结合计算得到的俯仰角、滚转角信息，解算出载体的航向角信息；姿态解算方法如下：

第一轴地平仪组、第二轴地平仪组和第三轴地平仪组的对地倾角和输出差动电压的关系为：θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)；·····(1)其中θ为对地倾角，Vout为单轴红外地平仪组输出差动电压，Vmax为单轴红外地平仪组输出最大值，k为红外传感器采用的比例系数；

由坐标系转换矩阵：

其中 $\left[\begin{array}{c}{x}_g\\ y_g\\ z_g\end{array}\right]$ 为地面坐标， $\left[\begin{array}{c}{x}_b\\ y_b\\ z_b\end{array}\right]$ 为载体坐标。、θ、φ分别为航向角、俯仰角和滚转角；可得：

sinx＝-sinθ----1

siny＝cosθsinφ----2    ·········(3)

sinz＝cosθcosφ----3

其中x，y，z为三轴红外地平仪的各自的对地倾角，θ、φ分别为俯仰角和滚转角；

通过输出电压，并采用公式(3)中的其中两个轴对应的公式推算出θ、φ；根据第三轴的正负确定θ、φ所处的象限，从而实现俯仰：-90°～+90°，滚转：-180°～+180°范围内的测量；根据三轴红外地平仪信号中的哪两个轴进行俯仰角和滚转角解算，以及剩下的第三轴进行象限判断的判断流程如下：

首先计算出分别平行配制于载体直角坐标系X、Y和Z轴的红外地平仪组倾斜45度时应该输出的差动电压Vx45，Vy45，Vz45；

判断X轴红外地平仪组的输出电压Vx的绝对值和Vx45的大小，如果|Vx|＞Vx45，接下来判断Vx是否大于0；

如果Vx＞0，通过公式(1)得到Y轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角y，z；根据公式(3)中的2，3式得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈(45°，90°]∪[-90°，-45°)，φ∈[-90°，90°]范围内；······(a)

如果Vx≤0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈(45°，90°]∪[-90°，-45°)，φ∈[-180°，-90°)∪(-90°，180°]范围内；

如果X轴红外地平仪组的输出电压Vx绝对值|Vx|≤Vx45，接下来判断Y轴红外地平仪组的输出电压Vy的绝对值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下来判断Vz是否大于0；

如果Vz＞0，通过公式(1)得到X轴和Y轴红外地平仪组的对地倾角x，y；根据公式(3)中的1，2式得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45°，45°]，φ∈[90°，90°]范围内；···(b)

如果Vz≤0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45°，45°]，φ∈[-180°，-90°)∪(-90°，180°]范围内；

如果|Vy|≤Vy45，接下来判断Vy是否大于0；

如果Vy＞0，通过公式(1)得到X轴和Z轴红外地平仪组的对地倾角x，z；根据公式(3)中的1，3式得到载体的俯仰角和滚转角θ、φ，在上述判断条件满足下，解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45°，45°]，φ∈[-90°，90°]范围内；···(c)

如果Vy≤0，解算方法如(c)，只是解算出的θ、φ应限制在θ∈[-45°，45°]，φ∈[-180°，-90°)∪(90°，180°]范围内；

通过上面的流程解算，能够实现俯仰角：-90°～+90°，滚转角：-180°～+180°范围内的测量。

3.按权利要求1所述的微型磁红外姿态测量系统，其特征在于，所述的单轴红外地平仪组的对地倾角在0-55°范围内，其中两个轴的单轴红外地平仪组的对地倾角/小于45°。

Images