CN102410842B - 基于铅垂陀螺和ccd线阵的姿态可视化测量方法 - Google Patents

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CN102410842B CN 201110211121 CN201110211121A CN102410842B CN 102410842 B CN102410842 B CN 102410842B CN 201110211121 CN201110211121 CN 201110211121 CN 201110211121 A CN201110211121 A CN 201110211121A CN 102410842 B CN102410842 B CN 102410842B
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Abstract

针对现有欧拉角间接测量方法存在的积累和漂移误差等问题,本发明提出了一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法,该方法通过在垂直陀螺轴线上产生的光束和CCD阵列,分别得到运动体的俯仰和滚转角,通过对CCD阵列的高速采集还可以计算俯仰和滚转角速度,并可以直接在显示以实现姿态测量的可视化;本发明通过铅垂陀螺和CCD线阵可以实现姿态和角速度测量,并且可以直接在屏幕上显示测量装置的内部情况,实现了测量的可视化;这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰等有着重要的应用前景。

Description

基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法
技术领域
本发明涉及基于CCD线阵的欧拉角(姿态)测量方法,属于测控技术和飞行力学等范畴。
背景技术
现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器,它是现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器,它的发展对一个国家的工业,国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义;陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时,角动量很大,旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质,所制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快,或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。不然,只要一个很小的力矩,就会严重影响到它的稳定性;设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是内部所提供的动力,使其保持高速转动,使陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向,将此方向与飞行器的轴心比对后,就可以精确得到飞机的正确方向,所以目前航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器,并且在导航、控制系统中扮演极为重要的角色;姿态角的测量准确与否,直接影响运动体的运动方向、运动轨迹、姿态精确控制的精度,特别是有人驾驶飞机的盲降、无人机的着陆等控制中,直接影响飞行安全;因此,欧拉角的测量与姿态精确控制已经成为当前运动体研究的关键技术;
然而,运动体的俯仰、滚转状态绝大多数都是通过角速率陀螺等测量,然后通过解算间接得到欧拉角,从公开发表的文献中对姿态计算主要有以下几种算法:欧拉角法、方向余弦法、等效转动矢量法、四元数法等:欧拉角表示方法求解姿态角是通过求解欧拉方程得到的,计算简单,但计算误差较大;方向余弦法需要求解9个微分方程,计算量较大,实时性较差、无法满足工程实践要求;等效转动矢量法一般都是基于速率陀螺输出为角增量的算法,然而在实际工程中,一些陀螺的输出是角速率信号、如光纤陀螺、动力调谐陀螺等,当陀螺输出为角速度信号时,旋转矢量法的算法误差明显增大;四元数法要解一个4阶微分方程组,但四元数对有限转动引起的不可交换误差的补偿不够,所以只适用于低动态运载体的姿态解算,而对高动态运载体,姿态解算中的算法漂移会十分严重;这些方法都存在积累和漂移误差,难以控制精度并实现可视化。
发明内容
针对现有欧拉角间接测量方法存在的积累和漂移误差等问题,本发明提出了一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法,该方法通过在垂直陀螺轴线上产生的光束和CCD阵列,分别得到运动体的俯仰和滚转角,通过对CCD阵列的高速采集还可以计算俯仰和滚转角速度,并可以直接显示以实现姿态测量的可视化。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是,一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法,其特征包括以下步骤:
1)采用高速旋转、指向地心的垂直陀螺,在垂直陀螺轴线上产生光束,将一组CCD线阵分别固定布置在机体轴系的x,y轴上,使得俯仰、滚转角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影位于CCD线阵的中心,当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影在CCD线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系,结构示意图在图1中给出;
参照示意图图1,传感器安装时x轴作为飞机体轴系的x轴,y轴作为飞机体轴系的y轴;安装在oxz平面内的CCD线阵平行于ox轴,安装在oyz平面内的CCD线阵平行于oy轴;
2)俯仰和滚转角解算式为:
Figure GSB00001038253100021
Figure GSB00001038253100022
3)俯仰和滚转角速度的解算式为:
对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度;对滚转角测量序列进行数字微分得到滚转角速度。
本发明通过铅垂陀螺和CCD线阵可以实现姿态和角速度测量,并且可以直接在屏幕上显示测量装置的内部情况,实现了测量的可视化;这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰等有着重要的应用前景。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
具体实施方式
参照图1,选择两个     CCD线阵。
1)在垂直陀螺轴线上产生光束,将一组CCD线阵分别固定布置在机体轴系的x,y轴上,使得俯仰、滚转、角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影位于CCD线阵的中心,当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影在CCD线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系,结构示意图在图1中给出;
参照示意图图1,传感器安装时x轴作为飞机体轴系的x轴,y轴作为飞机体轴系的y轴;
安装在oxz平面内的CCD线阵平行于ox轴,安装在oyz平面内的CCD线阵平行于oy轴;
2)俯仰和滚转角解算式为:
Figure GSB00001038253100031
3)俯仰和滚转角速度的解算式为:
对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度;对滚转角测量序列进行数字微分得到滚转角速度。

Claims (1)

1.一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法,其特征包括以下步骤:
1)采用高速旋转、指向地心的垂直陀螺,在垂直陀螺轴线上产生光束,将一组CCD线阵分别固定布置在机体轴系的x,y轴上,使得俯仰、滚转角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影位于CCD线阵的中心,当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影在CCD线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系;传感器安装时x轴作为飞机体轴系的x轴,y轴作为飞机体轴系的y轴;安装在oxz平面内的CCD线阵平行于ox轴,安装在oyz平面内的CCD线阵平行于oy轴;
2)俯仰和滚转角解算式为:
Figure FSB00001038253000011
Figure FSB00001038253000012
3)俯仰和滚转角速度的解算式为:
对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度;对滚转角测量序列进行数字微分得到滚转角速度。
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