CN102445264B - 一种抖动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抖动测量装置，包括：具有三轴加速度计和角速率陀螺的测量模块，用于测量所述卫星在惯性抖动坐标系下的加速度和滚转角速率；数据处理模块，用于采集所述测量模块测量到的测量信号，对所采集到的数据进行处理和存储；以及辅助模块，用于将所述卫星携带的电源的电压调整为适当电压从而向所述测量模块和所述数据处理模块供电，并且将所述测量模块输出的测量信号进行噪声滤除后再输入至所述数据处理模块。该装置电路结构简单、成本低廉、经济实用、阻抗匹配性能良好，能够准确测量例如卫星的旋转体在各转速下的抖动程度。

Description

一种抖动测量装置

技术领域

本发明涉及抖动测量装置，尤其涉及基于双轴卫星电机联动的抖动测量装置，其能够准确测量因天线随着转动速度增大而产生的剧烈抖动对卫星运动造成的影响。

背景技术

卫星在运动过程中，天线会随着转动速度的增大而发生剧烈的抖动，严重影响了卫星的正常运动。为了测量卫星的电机在惯性系下的抖动程度，需要对卫星/天线的抖动程度加以测量和分析，以便评价对卫星运动的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明人进行了锐意研究，发现通过使用加速度计和角速率陀螺等MEMS器件测量卫星在惯性系下的加速度和滚转角速率，再将所测量到的数据进行采集、处理，能够准确获得卫星在惯性系下的抖动剧烈程度信息，从而完成本发明。

本发明的目的在于提供一种针对卫星的抖动测量装置，其包括：测量模块，用于测量所述卫星在惯性抖动坐标系下的加速度和滚转角速率；数据处理模块，用于采集所述测量模块测量到的测量信号，对所采集到的数据进行处理，并将相应的处理结果存储在存储器中；以及辅助模块，用于将所述卫星携带的电源的电压调整为适当电压从而向所述测量模块和所述数据处理模块供电，并且将所述测量模块输出的测量信号进行噪声滤除后再输入至所述数据处理模块。

对于上述抖动测量装置，优选地，所述测量模块包括：三轴加速度计，用于测量所述卫星在所述三轴加速度计的两个轴敏感滚转系下OX、OY坐标轴方向的加速度；以及角速率陀螺，用于测量所述卫星的滚转角速率。

对于上述抖动测量装置，优选地，所述辅助模块包括：有源低通滤波器，用于对所述三轴加速度计和所述角速率陀螺测量到的测量信号进行噪声滤除，并将滤除噪声后的测量信号输入至所述数据处理模块；以及变压稳压模块，其用于将所述卫星携带的电源的电压调整为适当电压，以向所述三轴加速度计、所述角速率陀螺、所述有源低通滤波器以及所述数据处理模块供电。

对于上述抖动测量装置，优选地，还包括连接在所述有源低通滤波器和所述数据处理模块之间的分压电路，所述分压电路用于将由所述有源低通滤波器滤除噪声后的测量信号的电压调整为所述数据处理模块的采集电压，从而向所述数据处理模块输入其能够采集的测量信号。

对于上述抖动测量装置，优选地，还包括连接在所述变压稳压模块和所述数据处理模块之间的上电复位模块，所述上电复位模块用于将所述变压稳压模块输出的电压输出至所述数据处理模块的电压输入端，从而向所述数据处理模块提供稳定、适当的工作电压。

对于上述抖动测量装置，优选地，还包括连接在所述上电复位模块和所述数据处理模块之间并用于隔离数字电压和模拟电压的隔离电路。

对于上述抖动测量装置，优选地，所述数据处理模块包括模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器用于对模拟形式的所述测量信号进行采样，并生成相应的数字形式的数据。进一步优选地，所述数据处理模块还对所述数据进行例如放大或缩小等的处理，并将处理后的数据存储于其内部FLASH中。

本发明提供的抖动测量装置具有电路和信号线路构成简单、成本低廉、经济实用、阻抗匹配性能良好等优点，能够准确测量例如卫星等的旋转体在各个转速下的抖动程度，可以广泛应用于旋转体惯性系下抖动幅度的测量系统。

附图说明

图1示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的构成示意图。

图2示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的变压稳压模块的电路图。

图3示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的有源低通滤波器的电路图。

图4示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的上电复位模块的电路图。

图5示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的隔离电路的电路图。

图6示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的MSP430F449的封装形式的结构示意图。

图7示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的MSP430F449的封装形式的引脚图。

图8示出根据本发明抖动测量装置优选实施方式的抖动振幅测量过程的流程图。

图9和10分别示出根据本发明抖动测量装置测量出的抖动曲线示例。

具体实施方式

以下结合附图，通过优选实施方式对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点随着这些说明将变得更为清楚、明确。

本发明提供一种基于双轴卫星电机联动的抖动测量装置，其包括测量模块、数据处理模块以及辅助模块。其中，测量模块用于测量卫星在惯性抖动坐标系下的加速度和滚转角速率；数据处理模块用于采集测量模块测量到的测量信号，对所采集到的数据进行处理，并将相应的处理结果存储在存储器中；以及辅助模块用于将卫星携带的电源的电压调整为适当电压从而向测量模块和数据处理模块供电，并且将测量模块输出的测量信号进行噪声滤除后再输入至数据处理模块。

其中，测量模块包括三轴加速度计和角速率陀螺(也称为MEMS器件)，三轴加速度计用于测量卫星在其两个轴敏感滚转系下OX、OY坐标轴方向的加速度，角速率陀螺用于测量卫星的滚转速率。

辅助模块包括变压稳压模块和有源低通滤波器。其中，所述变压稳压模块分别与测量模块中的三轴加速度计和角速率陀螺、辅助模块中的有源低通滤波器以及数据处理模块中的上电复位模块连接，从而分别向三轴加速度计、角速率陀螺、有源低通滤波器以及上电复位模块供电。所述有源低通滤波器与三轴加速度计和角速率陀螺连接，通过将三轴加速度计和角速率陀螺测量到的测量信号输入至有源低通滤波器来消除该测量信号中的噪声。

优选地，在有源低通滤波器和数据处理模块之间连接有分压电路，用于将由有源低通滤波器滤除噪声后的测量信号的电压调整为数据处理模块的采集电压，从而向数据处理模块的信号输入端提供其能够采集的测量信号。

优选地，在变压稳压模块和数据处理模块之间连接有上电复位模块，用于将所述变压稳压模块输出的电压输出至所述数据处理模块的电压输入端，从而向所述数据处理模块提供稳定、适当的工作电压。进一步优选地，在上电复位模块和数据处理模块之间连接有用于隔离数字电压和模拟电压的隔离电路，以使得数据处理模块的工作电压更稳健。

优选地，数据处理模块至少包括模拟-数字转换器和CPU处理器。其中，上电复位模块通过隔离电路与CPU处理器相连从而向其供电，有源低通滤波器输出的模拟形式的测量信号经模拟-数字转换器转换成数字形式的数据之后输入至CPU处理器，并且CPU处理器对该数据进行诸如放大、缩小和/或格式转换等处理后存储于其内部存储器中。

在根据本发明的抖动测量装置的优选实施方式中，其还包括用于驱动卫星或测量模块在俯仰和航向这两个方向上的运动的双轴驱动机构。在进一步优选的实施方式中，双轴驱动机构包括分别用于驱动沿俯仰和航向方向上的运动的两个基本一致的驱动组件，所述驱动组件优选地包括步进电机、谐波减速器和光电码盘。

在根据本发明的抖动测量装置中，优选地，在测量模块中，作为测量传感器的三轴加速度计和角速率陀螺是并行设置的。其中，以三轴加速度计中的两个轴敏感滚转系下OX、OY坐标轴方向为基准，三轴加速度计测量在这两个坐标轴方向的加速度。角速率陀螺测量敏感卫星的滚转速率。

在根据本发明的抖动测量装置中，作为三轴加速度计，优选采用ADI公司的ADXL330，其灵敏度为300mv/g、零位为1.5V、抗冲击能力为10000g。

在根据本发明的抖动测量装置中，作为角速率陀螺，优选采用ADI公司的ADXRS300，其经BGA-32封装技术处理后的测量范围可达±3200°/s。

在根据本发明的抖动测量装置中，在测量模块中，通过三轴加速度计和角速率陀螺共测得三路信号，分别为在三轴加速度计中的两个轴敏感滚转系下OX、OY坐标轴方向加速度和卫星的滚转速率数据信号，其通过辅助模块中的有源低通滤波器滤除高频噪声，以便后续对其进行分析。

在根据本发明的抖动测量装置中，在辅助模块中，变压稳压模块用于调整电源电压和供电，有源低通滤波器用于消除通过三轴加速度计和角速率陀螺测得的信号的高频噪声。

在根据本发明的抖动测量装置中，卫星所携带的电源通常是12V，而三轴加速度计、角速率陀螺、有源低通滤波器和CPU处理器芯片一般以5V作为工作电压，因此通过变压稳压模块将卫星所携带的12V电源调整为5V电压，以便工作。

在根据本发明的抖动测量装置的优选实施方式中，在变压稳压模块采用LM7805器件，LM7805将+12V电源变压为例如+5V的适当电压。其中，采用LM7805器件构成变压稳压模块的具体电路图可如图2所示。

在根据本发明的抖动测量装置的优选实施方式中，有源低通滤波器的电路图可如图3中所示，其中，有源低通滤波器的信号输入端Ui连接至测量模块中的三轴加速度计和角速率陀螺，而其信号输出端Uo经由分压电路连接至数据处理模块的模数转换前端。此外，为了简化图示，图中未示出有源低通滤波器的工作电压接入方式，但本领域技术人员应能明白，任何已知的滤波器工作电压接入方式都可应用于本发明。并且，上述有源低通滤波器在截止频率约为50Hz、电路的直流量增益约为|T(0)|＝2的情况下滤波效果优异。

在根据本发明的抖动测量装置中，上电复位模块和隔离电路用于调整数据处理模块的工作电压，以向数据处理模块提供适当可用的工作电压，而有源低通滤波器和分压电路用于调整数据处理模块的输入信号电压，以向数据处理模块的信号输入端如AD1、AD2等提供其能够采集的测量信号。其中，本领域技术人员应能理解，分压电路通常可由两个电阻串联而成，其中一端接地，另一端为信号输入，两个电阻中间为信号输出。

在根据本发明的抖动测量装置的优选实施方式中，在上电复位模块中使用TPS7333Q器件，其将+5V电压变压为+3.3V。具体而言，图4示出了上电复位模块的电路图，即TPS7333Q及其附属电路，其中，“+5V”与图2中“+5V”相连，“+3.3V”为输出端并与图2中的“+3.3V”连接，“RST”连接MSP430F449的“RST”。

在根据本发明的抖动测量装置中，隔离电路用于隔离数字电压和模拟电压，从而向CPU处理器供电。在优选的实施方式中，隔离电路如图5所示，其中“+3.3V”与图4中“+3.3V”连接，“DVcc3”和“AVcc3”分别接作为CPU处理器的数字电源端和模拟电源端，从而向CPU处理器供电。

在根据本发明的抖动测量装置中，CPU处理器采集经有源低通滤波器的输出端输出的信号，并对所采集到的数据进行处理，然后储存于其内部的存储器如FLASH中。

在根据本发明的抖动测量装置的优选实施方式中，作为CPU处理器，采用TI(Texas Instruments，德州仪器)公司的低功耗MSP430F449器件。MSP430F449具有5种低功耗模式；自带的8路、12位精度A/D转换器，转换速率高达200kb/s，并带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性；片内FLA SH存储器多达60KB，RAM多达2KB；带有3个或7个捕获/比较器的16位定时器。可见，MSP430F449具有“低功耗，处理能力强大，片内外设丰富”的特点，基本满足本系统的功能要求。

MSP430F449的封装形式为100引脚的PLASTIC100-PINQFP，其结构示意图和引脚图分别如图6和图7所示。该处理器主要完成三个A/D通道的信号采集，并对采集数据进行相关处理后，将处理结果存储在片内FLASH中。

在根据本发明的抖动测量装置中，数据处理模块包括数据采集用的模/数转换器，例如可采用12位的模数转换器(ADC)，其包含前端模拟多路复用器、采样保持电路、转换内核、稳压器及其它模拟支持电路。当对ADC的硬件资源配置完成后，使用者只需要通过软件指令启动A/D采样，即可获取ADC转换后的结果。

系统软件工作为当系统上电后软件处于等待状态，等待采集的触发信号，等到接到触发信号后就开始采集数据，根据所需要数据的精度可以灵活设置数据采样率，并且将采集的数据经过处理并且经过合理判断，再将经过判断后的数据存储在内部FLASH中。

在根据本发明的抖动测量装置中，关于数据测量和CPU处理器的数据处理，主要过程如下：

在驱动电机不工作的情况下，进行MEMS器件上电检测零位，以1.5秒内采集电压信号的平均值作为该器件的零位电压U₀。

驱动电机在特定转速下转动，由处理器的3路A/D转换通道采集测量模块的器件输出端的电信号。设器件的标度因数为μ，通过以下公式将电压转化为相应的加速度或转速：

$D=\frac{U-U_0}{\mathrm{\μ}}---\left(0.1\right)$

其中，U为实测电压，U₀为零位电压，μ为标度因数，D为实测加速度或转速。

在FLASH中开辟三个数组a_b1[N]、a_b2[N]、ω[N]，用以存储处理后的两个方向加速度信息和一个方向转速信息。访问FLASH，并将滚转系下的加速度信息通过以下公式投影到惯性系下：

$\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\γ}& \sin \mathrm{\γ}\\ -\sin \mathrm{\γ}& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_{b1}\\ a_{b2}\end{array}\right]---\left(0.2\right)$

其中，γ为滚转角，以逆时针为正方向，通过转速与该时刻的定时时间来求取；a_b1为处理后的一个方向加速度信息；a_b2为处理后的另一个方向加速度信息；a₁为经过坐标转换后一个方向加速度信息；a₂为经过坐标转换后的另一个方向加速度信息。

得到数组a₁[N]、a₂[N]后，通过以下公式求取各数组的平均值和方差：

$\stackrel{\‾}{a}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i}{N}$ (0.3)

$s=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(a_i-\stackrel{\‾}{a})}^2}{N-1}$

其中，a_i为所有采集到的采样值，N为采样点数，

为计算出来的均值，s为计算出来的方差。均值可表征抖动的剧烈程度，而方差表征抖动的稳定性。

将以上结果存储于FLASH中，并提高转速直至电机的最大转速，测得电机在不同转速下的抖动加速度均值和方差。

上述过程可参见图8。

实施例1

作为测量模块中的MEMS器件，分别使用ADI公司的ADXL330(三轴加速度计)和ADI公司的ADXRS300(角速率陀螺)，而变压稳压模块、有源低通滤波器、上电复位模块、隔离电路分别如图2-5中所示，CPU处理器使用TI公司的低功耗MSP430F449器件。

将上述三个模块分布在两块Φ50的圆形电路印制板上，第一块板上主要布置辅助模块，第二块板上主要布置测量模块和数据处理模块。两块电路板之间由机械接口和电子接口相连接，其中机械接口是三个均匀分布在Φ45的圆上的Φ3的机械孔，电子接口将数据处理模块和测量模块连接至所需要的电源线。整套测试系统与例如双轴卫星的被测件用三个Φ5的机械孔相连接。得到根据本发明的抖动测量装置。

该抖动测量装置的作业原理和过程如下：测试系统在被测件开始转动前已经上电，等待被测件开始按照设计好的转速进行转动；当被测件开始转动的同时，测试系统即开始工作，此时测量模块中的加速度计和陀螺能够同时敏感被测件的运动特性；当惯性器件开始工作时，数据数理模块就将采集到的数据实时处理并且存储到内部FLASH中，等待设定的系统停止后，将FLASH中的数据通过下载线导出并相应进行后处理后就可以得到系统抖动曲线，具体见图9和图10，分别表征了抖动幅度为5mm和不抖动时的情况。

以上通过示例性实施方式对本发明进行了详细说明，不过这些实施方式并不应理解为对本发明的限制，本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明的技术方案及其实施方式进行多种改进、替换或修饰，这些均应落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种针对卫星的抖动测量装置，其特征在于，包括：

测量模块，用于测量所述卫星在惯性抖动坐标系下的加速度和滚转角速率；

数据处理模块，用于采集所述测量模块测量到的测量信号，对所采集到的数据进行处理，并将相应的处理结果存储在存储器中；以及

辅助模块，用于将所述卫星携带的电源的电压调整为适当电压从而向所述测量模块和所述数据处理模块供电，并且将所述测量模块输出的测量信号进行噪声滤除后再输入至所述数据处理模块，

其中，所述测量模块包括：

三轴加速度计，用于测量所述卫星在所述三轴加速度计的两个轴敏感滚转系下OX、OY坐标轴方向的加速度；以及

角速率陀螺，用于测量所述卫星的滚转角速率；

所述辅助模块包括：

有源低通滤波器，用于对所述三轴加速度计和所述角速率陀螺测量到的测量信号进行噪声滤除，并将滤除噪声后的测量信号输入至所述数据处理模块；以及

变压稳压模块，其用于将所述卫星携带的电源的电压调整为适当电压，以向所述三轴加速度计、所述角速率陀螺、所述有源低通滤波器以及所述数据处理模块供电；

所述抖动测量装置还包括连接在所述变压稳压模块和所述数据处理模块之间的上电复位模块，所述上电复位模块用于将所述变压稳压模块输出的电压输出至所述数据处理模块的电压输入端，从而向所述数据处理模块提供工作电压。

2.根据权利要求1所述的抖动测量装置，其特征在于，还包括连接在所述有源低通滤波器和所述数据处理模块之间的分压电路，所述分压电路用于将由所述有源低通滤波器滤除噪声后的测量信号的电压调整为所述数据处理模块的采集电压，从而向所述数据处理模块输入其能够采集的测量信号。

3.根据权利要求1所述的抖动测量装置，其特征在于，还包括连接在所述上电复位模块和所述数据处理模块之间并用于隔离数字电压和模拟电压的隔离电路。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的抖动测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括模拟-数字转换器，所述模拟-数字转换器用于对模拟形式的所述测量信号进行采样，并生成相应的数字形式的数据。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的抖动测量装置，其特征在于，还包括双轴驱动机构，其用于驱动卫星在俯仰和航向的运动。

6.根据权利要求5所述的抖动测量装置，其特征在于，所述双轴驱动机构包括分别驱动沿俯仰方向的运动和沿航向方向的运动的两个驱动组件，并且各所述驱动组件包括步进电机、谐波减速器和光电码盘。

7.根据权利要求4所述的抖动测量装置，其特征在于，还包括双轴驱动机构，其用于驱动卫星或测量模块在俯仰和航向的运动。

8.根据权利要求7所述的抖动测量装置，其特征在于，所述双轴驱动机构包括分别驱动沿俯仰方向的运动和沿航向方向的运动的两个驱动组件，并且各所述驱动组件包括步进电机、谐波减速器和光电码盘。

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