CN103075930B - 适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高速旋转弹体炮口初始姿态测量技术，具体是一种基于三轴MEMS加速度计和两个非正交布阵MEMS陀螺仪的高速旋转弹体炮口初始姿态测量方法，解决了高旋弹体轴向高过载、大角速度的高精度测量问题。一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法，包括如下步骤：建立火炮发射坐标系为参考坐标系，弹体在炮筒内的发射点设为参考坐标系的原点，炮筒置于参考坐标系的XⁿOYⁿ平面内；建立弹体坐标系，其中弹心设为弹体坐标系的原点，轴沿弹体轴向方向；则弹体从发射到炮口整个过程中，弹体的偏航角为零、俯仰角不变。本发明设计合理，利用两个高精度、小量程的陀螺仪解决了弹体弹轴角速率测量时量程与精度矛盾的测量难题。

Description

适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法

技术领域

本发明涉及高速旋转弹体炮口初始姿态测量技术，具体是一种基于三轴MEMS加速度计和两个非正交布阵MEMS陀螺仪的高速旋转弹体炮口初始姿态测量方法。

背景技术

常规弹药制导化、灵巧化改造是国内外精确打击武器的发展方向，弹体飞行过程中姿态角的实时精确测量是实现其精确控制飞行的关键前提。受常规弹药的高速旋转、高冲击、小体积等应用环境的限制，所选用的导航系统必须满足抗高过载、小体积、量程与精度合适、低成本等需求。特别是针对旋转速度达30转/秒的高速旋转弹体，弹轴角速率达10800°/s，但是目前还没有量程与精度能够同时满足直接测量弹轴角速率的高精度陀螺仪，轴向的高旋转使得现有的惯性测量方法无法实现弹轴向大角速度高精度的测量，从而影响了惯导炮口初始姿态的准确获取，而初始姿态的准确性将影响高旋弹体全弹道三维姿态、速度和位置的解算精度，直接关系到弹丸的打击精度和首发炮弹的命中率。此外，弹体发射瞬间产生的轴向高过载也容易影响陀螺仪测试性能或陀螺仪瞬间饱和，甚至损坏器件。

因此，解决高旋弹体轴向高过载、大角速度的高精度测量问题，是实现高速旋转弹体炮口初始姿态准确获取的关键，也是当前常规弹药制导化、灵巧化改造急需解决的测量难题。针对上述难题，有必要发明一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态测量方法，实现高速旋转弹体初始姿态参数的准确测量。

发明内容

本发明为了解决高旋弹体轴向高过载、大角速度的高精度测量问题，提供了一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法，包括如下步骤：

(I)建立火炮发射坐标系O-XⁿYⁿZⁿ为参考坐标系，弹体在炮筒内的发射点设为参考坐标系的原点，炮筒置于参考坐标系的XⁿOYⁿ平面内；建立弹体坐标系O-X^bY^bZ^b，其中弹心设为弹体坐标系的原点，OX^b轴沿弹体轴线方向；则弹体从发射到炮口整个过程中，弹体的偏航角为零、俯仰角θ不变。

(II)采用两个非正交布阵单轴MEMS陀螺仪Gy、Gv、三轴MEMS加速度计A和相应的电子线路组成弹体姿态测量系统(本领域技术人员均知道如何连接此相应的电子线路，属公知技术)，安装方式如下：三轴MEMS加速度计A安装在弹体上、且其敏感方向分别对应弹体坐标系的X^b、Y^b和Z^b各坐标轴；陀螺仪Gy安装在弹体坐标系的OY^b轴、且其敏感方向与OY^b轴一致，陀螺仪Gv安装在弹体坐标系的OV^b轴、且其敏感方向与OV^b轴一致，所述OV^b轴在X^bOY^b平面内、且其与OX^b轴的夹角为α角，所述α角大小由陀螺仪Gy、Gv的量程及设定的弹体轴向角速度的量程具体确定；

(III)弹体在发射前，由三轴加速度计A的输出值完成弹体的初始俯仰角θ₀和初始横滚角γ₀计算，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_0=\arcsin \left(\frac{\mathrm{Ax}}{\sqrt{{\left(\mathrm{Ax}\right)}^2+{\left(\mathrm{Ay}\right)}^2+{\left(\mathrm{Az}\right)}^2}}\right)\\ {\mathrm{\γ}}_0=\arctan \left(\frac{-\mathrm{Ay}}{\mathrm{Az}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：Ax、Ay和Az为三轴MEMS加速度计A的各轴输出值。

对于本领域技术人员来说，初始俯仰角θ₀和初始横滚角γ₀及其计算公式(1)均是现有公知技术。

(IV)利用非正交安装的两个陀螺仪Gy、Gv输出值完成弹体从发射到出炮口前的轴向角速度计算：设弹体轴向角速度为ω_x，弹体径向角速度ω_y由陀螺仪Gy测出，v^b轴在X^bOY^b平面内与OX^b轴的夹角为α角已知，弹体v^b轴向的角速度ω_v由陀螺仪Gv测出，由矢量三角函数关系(即角速度ω_x、ω_y分别在v^b轴上的投影角速度与角速度ω_v之间的关系)可以推导出角速度ω_x、ω_y、ω_v之间的关系式(2)如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_v={\mathrm{\ω}}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)+{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ {\mathrm{\ω}}_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_v-{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\cos \left(\mathrm{\α}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

即解算出弹体出炮口前的轴向角速度ω_x。

(V)解算弹体在炮口时的横滚角γ：横滚角γ的计算公式如下：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_0+{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式(3)中：积分上限t为测量出的弹体从发射到炮口所经历的时间；对于本领域技术人员来说，时间t的测量值容易获得。

(VI)弹体到达炮口时的初始姿态解算完成，即偏航角为零(在实际中弹体出炮口时，总有一定的偏航角存在，只是比较微小，在计算时可以近似为零)、俯仰角θ＝θ₀，横滚角γ由式(3)算出。

最终，弹体坐标系的数据会利用具体的公式换算可以到参考坐标系中，用于对弹体的精确导航，本领域技术人员均知道二者之间如何进行换算，属公知技术。

上述测量过程中，如图1所示，三轴MEMS加速度计敏感方向分别对应弹体坐标系的X^b、Y^b和Z^b各坐标轴，为便于理解，用单轴加速度计Ax1、Ay1和Az1来表示；陀螺仪Gy安装在Y^b轴，敏感方向与Y^b轴一致，陀螺仪Gv安装在v^b轴，敏感方向与v^b轴一致，v^b轴在X^bOY^b平面内与OX^b轴的夹角为α角。如图2所示，当弹体到达炮口时，弹体在炮筒内的飞行轨迹在参考坐标系内XⁿOZⁿ平面内的投影为O-O₁，则O-O₁与OXⁿ轴的夹角为弹体的偏航角；炮筒与XⁿOZⁿ平面的夹角θ为弹体的俯仰角(即弹体的飞行轨迹与参考坐标系内XⁿOZⁿ平面的夹角)；弹体旋转过的角度γ为弹体的横滚角；那么将弹体在炮筒内的发射点设为参考坐标系的原点，炮筒置于参考坐标系的XⁿOYⁿ平面内，则弹体从发射到炮口整个过程中，弹体的偏航角为零、俯仰角θ不变。

针对旋转速度达30转/秒的高速旋转弹体，弹轴的角速度达到了10800°/s，由于目前在量程和精度方面没有符合要求的陀螺仪可以直接安装在弹体坐标系的OX^b轴而直接测出弹轴的角速度ω_x，所以，利用分别捷联安装在弹体坐标系内Y^b和v^b轴的两个非正交的高精度、小量程陀螺仪Gy、Gv输出信息通过公式(2)完成对弹体轴向角速度ω_x计算，用于解决高旋弹体轴向高过载、大角速度的高精度测量难题，并对计算所得弹体轴向角速度ω_x通过公式(3)积分计算出弹体的横滚角γ，以此完成对高速旋转弹体炮口三个初始姿态角的测量解算(即偏航角为零、俯仰角θ＝θ₀不变，横滚角γ由式(3)算出)。其中，合理的α角大小确定方法如下：根据具体实际情况，例如，如果选择陀螺仪Gy、Gv的量程为500°/s(即ω_y、ω_v的取值是500)，设定检测弹体轴向角速度的量程为20000°/s(即ω_x的取值是20000)，将以上数值代入到公式(2)中即可确定出合理的α角，当然，选择陀螺仪Gy、Gv的量程可以是不一样的。所以，在利用本发明方法测量高速旋转弹体的炮口初始姿态时，需先根据实际情况合理地确定好α角的大小，也就确定了小量程、高精度的陀螺仪Gv的安装位置。

本发明设计合理，利用两个非正交捷联安装的高精度、小量程的陀螺仪解决了高速旋转弹体弹轴角速率测量时量程与精度矛盾的测量难题，并且测量结果准确可靠，同时解决了高旋弹体轴向高过载、大角速度的高精度测量问题。

附图说明

图1是陀螺仪和加速度计的安装示意图。

图2是参考坐标系和弹体坐标系的示意图。

图3是解算弹体轴向角速度ω_x的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法，包括如下步骤：

(I)如图2所示，建立火炮发射坐标系O-XⁿYⁿZⁿ为参考坐标系，弹体在炮筒内的发射点设为参考坐标系的原点，炮筒置于参考坐标系的XⁿOYⁿ平面内；建立弹体坐标系O-X^bY^bZ^b，其中弹心设为弹体坐标系的原点，OX^b轴沿弹体轴线方向；则弹体从发射到炮口整个过程中，弹体的偏航角为零、俯仰角θ不变。

(II)采用两个非正交布阵单轴MEMS陀螺仪Gy、Gv、三轴MEMS加速度计A和相应的电子线路组成弹体姿态测量系统，安装方式如下：三轴MEMS加速度计A(捷联)安装在弹体上、且其敏感方向分别对应弹体坐标系的X^b、Y^b和Z^b各坐标轴；陀螺仪Gy(捷联)安装在弹体坐标系的OY^b轴、且其敏感方向与OY^b轴一致，陀螺仪Gv(捷联)安装在弹体坐标系的OV^b轴、且其敏感方向与OV^b轴一致，所述OV^b轴在X^bOY^b平面内、且其与OX^b轴的夹角为α角，所述α角大小由陀螺仪Gy、Gv的量程及设定的弹体轴向角速度的量程具体确定。

(III)弹体在发射前，由三轴加速度计A的输出值完成弹体的初始俯仰角θ₀和初始横滚转角γ₀计算，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_0=\arcsin \left(\frac{\mathrm{Ax}}{\sqrt{{\left(\mathrm{Ax}\right)}^2+{\left(\mathrm{Ay}\right)}^2+{\left(\mathrm{Az}\right)}^2}}\right)\\ {\mathrm{\γ}}_0=\arctan \left(\frac{-\mathrm{Ay}}{\mathrm{Az}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：Ax、Ay和Az为三轴MEMS加速度计A的各轴输出值。

(IV)利用非正交安装的两个陀螺仪Gy、Gv输出值完成弹体从发射到出炮口前的轴向角速度计算：如图3所示，设弹体轴向角速度为ω_x，径向角速度ω_y已知(由陀螺仪Gy测出)，v^b轴在X^bOY^b平面内与OX^b轴的夹角为α角已知(根据陀螺仪Gy、Gv的量程具体确定)，v^b轴向的角速度ω_v已知(由陀螺仪Gv测出)，由矢量三角函数关系可以推导出角速度ω_x、ω_y、ω_v之间的关系式(2)如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_v={\mathrm{\ω}}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)+{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ {\mathrm{\ω}}_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_v-{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\cos \left(\mathrm{\α}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

即解算出弹体出炮口前的轴向角速度ω_x。

(V)解算弹体在炮口时的横滚角γ：横滚角γ的计算公式(3)如下：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_0+{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式(3)中：积分上限t为测量出的弹体从发射到炮口所经历的时间；

(VI)弹体到达炮口时的初始姿态解算完成，即偏航角为零、俯仰角θ＝θ₀，横滚角γ由式(3)算出。

具体实施时，所述陀螺仪Gy、Gv的安装点到弹体坐标系原点的距离相等，进一步保证了解算弹体到达炮口时的轴向角速度ω_x的准确性。

Claims (2)

1.一种适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

(Ⅰ)建立火炮发射坐标系O-XⁿYⁿZⁿ为参考坐标系，弹体在炮筒内的发射点设为参考坐标系的原点，炮筒置于参考坐标系的XⁿOYⁿ平面内；建立弹体坐标系O-X^bY^bZ^b，其中弹心设为弹体坐标系的原点，OX^b轴沿弹体轴线方向；则弹体从发射到炮口整个过程中，弹体的偏航角为零、俯仰角θ不变；

(Ⅱ)采用两个非正交布阵单轴MEMS陀螺仪Gy、Gv、三轴MEMS加速度计A和相应的电子线路组成弹体姿态测量系统，安装方式如下：三轴MEMS加速度计A安装在弹体上、且其敏感方向分别对应弹体坐标系的X^b、Y^b和Z^b各坐标轴；陀螺仪Gy安装在弹体坐标系的OY^b轴、且其敏感方向与OY^b轴一致，陀螺仪Gv安装在弹体坐标系的OV^b轴、且其敏感方向与OV^b轴一致，所述OV^b轴在X^bOY^b平面内、且其与OX^b轴的夹角为α角，所述α角大小由陀螺仪Gy、Gv的量程及设定的弹体轴向角速度的量程具体确定；

(Ⅲ)弹体在发射前，由三轴加速度计A的输出值完成弹体的初始俯仰角θ₀和初始横滚角γ₀计算，计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_0=\arcsin \left(\frac{\mathrm{Ax}}{\sqrt{{\left(\mathrm{Ax}\right)}^2+{\left(\mathrm{Ay}\right)}^2+{\left(\mathrm{Az}\right)}^2}}\right)\\ {\mathrm{\γ}}_0=\arctan \left(\frac{-\mathrm{Ay}}{\mathrm{Az}}\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中：Ax、Ay和Az为三轴MEMS加速度计A的各轴输出值；

(Ⅳ)利用非正交捷联安装的两个陀螺仪Gy、Gv输出值完成弹体从发射到出炮口前的轴向角速度计算：设弹体轴向角速度为ω_x，弹体径向角速度ω_y由陀螺仪Gy测出，OV^b轴在X^bOY^b平面内与OX^b轴的夹角为α角已知，弹体OV^b轴向的角速度ω_v由陀螺仪Gv测出，由矢量三角函数关系可以推导出角速度ω_x、ω_y、ω_v之间的关系式(2)如下所示：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_v={\mathrm{\ω}}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)+{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)\\ {\mathrm{\ω}}_x=\frac{{\mathrm{\ω}}_v-{\mathrm{\ω}}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{\cos \left(\mathrm{\α}\right)}\end{array}\right.---\left(2\right)$

即解算出弹体出炮前的轴向角速度ω_x；

(Ⅴ)解算弹体在炮口时的横滚角γ：横滚角γ的计算公式(3)如下：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_0+{\∫}_0^t{\mathrm{\ω}}_x\mathrm{dt}---\left(3\right)$

式(3)中：积分上限t为测量出的弹体从发射到炮口所经历的时间；

(Ⅵ)弹体到达炮口时的初始姿态解算完成，即偏航角为零、俯仰角θ＝θ₀，横滚角γ由式(3)算出。

2.根据权利要求1所述的适用于高速旋转弹体炮口初始姿态的测量方法，其特征在于：所述陀螺仪Gy、Gv的安装点到弹体坐标系原点的距离相等。