CN103557875A - 一种姿态测量系统的fpga硬件实现方法 - Google Patents

Abstract

针对现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的问题，本发明提出了一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，该方法通过合理地配置姿态可视化测量系统的机械结构，使得加速度引起的铅垂陀螺进动现象得以消除，考虑到实际中可能存在的加工误差，进一步给出了铅垂陀螺的进动运动对姿态测量的影响及基于FPGA平台的补偿办法，本发明有效解决了现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的技术问题，这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰有着重要的应用前景。

Description

一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法

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

姿态测量可以确定载体的相对运动姿态，是一切控制手段的基础，对飞行器正常工作具有重要意义，更是影响飞行安全的关键因素。在飞行器的姿态解算系统尤其是捷联惯导系统中，姿态解算的方法原理上需要对角速率进行积分运算，因而角速率陀螺小小的偏差会在姿态解算的结果中不断积累以至于在短时间内造成姿态角的严重错误。

为了修正姿态角的误差，传统的方法有以下几类。一种是使用倾角仪或者是三轴磁力计与陀螺仪进行组合使用，搭配数据融合算法使得姿态角偏差可以得到周期性的修正。倾角仪受震动和加速度影响时难以得到准确姿态角，而磁力计磁场异常干扰时不能正常工作。一种是使用单天线GPS测量速度的办法估算出飞行器的伪姿态角，这种方法虽然可以免受震动和磁场的影响，但是却受到导航卫星信号的限制，伪姿态角和真正的姿态角差别亦很大。还有一种使用载体运动模型模型的不完整约束可以在少数情况下限制惯性测量器件漂移误差，但是存在精度低实用性差的弱点。还有基于视觉图像的估计姿态的方法，这种方法是以观察一个现实世界中的不变物理参考为基础，分别是以地平线为参考的方法；在城市中无法看到水平线时，以检测垂直或者水平于地平线的消失点的方法和基于立体视觉的方法。这种方法虽然克服了其它传感器的一些缺陷，但是当环境光线差、视野被遮挡等条件下，基于视觉图像的估计姿态的方法是无效的。图像的高速处理也难以在小型嵌入式系统上实现，使得姿态更新速率低，也是实际应用的一个难题。除此之外，专利CN201110211121.7公开了一种基于线阵CCD和铅垂陀螺的姿态可视化测量方法，这种方法克服了以上传统方法中积累误差难题，也可以在小型化系统中高速测量姿态，但是它没有公开铅垂陀螺产生进动现象时所导致的系统测量结果错误的解决办法以及基于FPGA的硬件实现方法。

发明内容

针对现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的问题，本发明提出了一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，该方法通过合理地配置姿态可视化测量系统的机械结构，使得加速度引起的铅垂陀螺进动现象得以消除，考虑到实际中可能存在的加工误差，进一步给出了铅垂陀螺的进动运动对姿态测量的影响及基于FPGA平台的补偿办法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，其特征包括以下步骤：

1）定义机体坐标系的原点o、x轴、y轴和z轴如图1所示，整个系统结构如图1所示包含两个线阵CCD传感器、支架、内框、底座以及内核，其中内核如图2所示由内壳、端盖、电机、转子和两枚一字型激光灯组成，电机带动转子在内核内转动，两枚一字型激光灯相互垂直固定在内核底部，内核通过轴承和内环轴与内框连接，内框通过轴承和外环轴与支架连接，内环轴与外环轴相交于支点O与机体坐标系原点o重合，支架固定在底座上，于是内核可以绕内环轴和外环轴做两自由度转动，底座安装在载体上时，外环轴与机体坐标系的x轴重合，内环轴与机体坐标系y轴重合，内核轴线与机体坐标系z轴重合，两个线阵CCD传感器分别摆放在内环轴与外环轴垂直平面内，同时使得一字型激光灯可以照射到线阵CCD传感器上面，当载体俯仰角和滚转角为零时，一字型激光灯的光线正好垂直照射在线阵CCD的中心；

2）在FPGA中编写姿态测量系统的数据处理模块，如附图3所示包含时序驱动模块、图像采集与存储控制模块、图像缓冲区、图像缓冲控制及信息提取模块和数据发送控制模块，其中时序驱动模块产生线阵CCD正常工作所需要的脉冲信号，使其稳定地输出所需线阵CCD图像信号，图像采集与存储控制模块依据上一个模块的脉冲信号时序接收线阵CCD输出的图像信号，并将信号封装成固定格式的数据按照像素顺序依次存入图像缓冲区中，当完整的一幅线阵CCD图像存储完毕即发出信号给图像缓冲控制及信息提取模块，该模块得到上述信号即开始提取俯仰角和滚转角信息，数据发送控制模块将俯仰角和滚转角信息发出；

3）配置内核的质心O_c位置，使其与支点O重合，载体的加速运动造成的转子进动现象得以消除，内核的轴线相对惯性空间保持原有的方向，此时姿态测量系统的测量结果不会受到转子进动现象的影响，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

4）由于实际中存在加工误差，按照以下方法进一步补偿进动造成的误差，考虑到内核是由密度均匀的材料加工而成的轴对称零件，内核的质心O_c与支点O只会在内核轴线方向产生偏移，当质心O_c在支点O的下方时，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

当质心O_c在支点O的上方时，配置FPGA的图像缓冲及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

其中，γ表示滚转角真实值，γ_s滚转角的测量值，θ表示俯仰角真实值，θ_s表示俯仰角测量值，m是内核质量（单位是kg），l_oc是质点O_c与支点O的距离（单位是m），H是陀螺转子动量矩（单位是kg·m²/s），以上参数可以从陀螺仪设计参数中得到，a_x,a_y,a_z分别是载体在基座坐标系（机体坐标系）上的三轴线加速度分量（单位是m/s²），由固联在载体上的三轴加速度计测量得到。

本发明的有益效果是：提出了一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，该方法通过合理地配置姿态可视化测量系统的机械结构，使得加速度引起的铅垂进动现象得以消除，同时考虑到实际中可能存在的加工误差，进一步给出了铅垂陀螺的进动运动对姿态测量的影响及基于FPGA平台的补偿办法，本发明有效解决了现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的技术问题，这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰有着重要的应用前景。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图，图中：1.线阵CCD；2.内环轴；3.内核质心；4.轴线；5.支架；6.外环轴；7.内核；8.支点O和原点o；9.线阵CCD。

图2是本发明内核结构示意图，图中：1.端盖；2.电机；3.转子；4.一字型激光灯；5.内壳。

图3是本发明FPGA硬件实现框图。

具体实施方式

1）定义机体坐标系(o-xyz)如图1所示，整个系统如图1所示包含两个线阵CCD传感器、支架、内框、底座以及内核，其中内核又由内壳、端盖、电机、转子和两枚一字型激光灯组成，电机带动转子在内核内转动，两枚一字型激光灯相互垂直固定在内核底部，内核通过轴承和内环轴与内框连接，内框通过轴承和外环轴与支架连接，内环轴与外环轴相交于支点O与机体坐标系原点o重合，支架固定在底座上，于是内核可以绕内环轴和外环轴做两自由度转动，底座安装在载体上时，外环轴与机体坐标系的x轴重合，内环轴与机体坐标系y轴重合，内核轴线与机体坐标系z轴重合，两个线阵CCD传感器分别摆放在内环轴与外环轴垂直平面内，同时使得一字型激光灯可以照射到线阵CCD传感器上面，当载体俯仰角和滚转角为零时，一字型激光灯的光线正好垂直照射在线阵CCD的中心；

2）在FPGA中编写姿态测量系统的数据处理模块，如附图3所示包含时序驱动模块、图像采集与存储控制模块、图像缓冲区、图像缓冲控制及信息提取模块和数据发送控制模块，其中时序驱动模块产生线阵CCD正常工作所需要的脉冲信号，使其稳定地输出所需线阵CCD图像信号，图像采集与存储控制模块依据上一个模块的脉冲信号时序接收线阵CCD输出的图像信号，并将信号封装成固定格式的数据按照像素顺序依次存入图像缓冲区中，当完整的一幅线阵CCD图像存储完毕即发出信号给图像缓冲控制及信息提取模块，该模块得到上述信号即开始提取俯仰角和滚转角信息，数据发送控制模块将俯仰角和滚转角信息发出；

3）配置内核的质心O_c位置，使其与支点O重合，载体的加速运动造成的转子进动现象得以消除，内核的轴线相对惯性空间保持原有的方向，此时姿态测量系统的测量结果不会受到转子进动现象的影响，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

4）由于实际中存在加工误差，按照以下方法进一步补偿进动造成的误差，考虑到内核是由密度均匀的材料加工而成的轴对称零件，内核的质心O_c与支点O只会在内核轴线方向产生偏移，当质心O_c在支点O的下方时，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

当质心O_c在支点O的上方时，配置FPGA的图像缓冲及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

其中，γ表示滚转角真实值，γ_s滚转角的测量值，θ表示俯仰角真实值，θ_s表示俯仰角测量值，m是内核质量（单位是kg），l_oc是质点O_c与支点O的距离（单位是m），H是陀螺转子动量矩（单位是kg·m²/s），以上参数可以从陀螺仪设计参数中得到，a_x,a_y,a_z分别是载体在基座坐标系（机体坐标系）上的三轴线加速度分量（单位是m/s²），由固联在载体上的三轴加速度计测量得到。

Claims (1)

1.一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，其特征包括以下步骤：

1）定义机体坐标系的原点o、x轴、y轴和z轴，整个系统包含两个线阵CCD传感器、支架、内框、底座以及内核，其中内核又由内壳、端盖、电机、转子和两枚一字型激光灯组成，电机带动转子在内核内转动，两枚一字型激光灯相互垂直固定在内核底部，内核通过轴承和内环轴与内框连接，内框通过轴承和外环轴与支架连接，内环轴与外环轴相交于支点O与机体坐标系原点o重合，支架固定在底座上，于是内核可以绕内环轴和外环轴做两自由度转动，底座安装在载体上时，外环轴与机体坐标系的x轴重合，内环轴与机体坐标系y轴重合，内核轴线与机体坐标系z轴重合，两个线阵CCD传感器分别摆放在内环轴与外环轴垂直平面内，同时使得一字型激光灯可以照射到线阵CCD传感器上面，当载体俯仰角和滚转角为零时，一字型激光灯的光线正好垂直照射在线阵CCD的中心；

2）在FPGA中编写姿态测量系统的数据处理模块包含时序驱动模块、图像采集与存储控制模块、图像缓冲区、图像缓冲控制及信息提取模块和数据发送控制模块，其中时序驱动模块产生线阵CCD正常工作所需要的脉冲信号，使其稳定地输出所需线阵CCD图像信号，图像采集与存储控制模块依据上一个模块的脉冲信号时序接收线阵CCD输出的图像信号，并将信号封装成固定格式的数据按照像素顺序依次存入图像缓冲区中，当完整的一幅线阵CCD图像存储完毕即发出信号给图像缓冲控制及信息提取模块，该模块得到上述信号即开始提取俯仰角和滚转角信息，数据发送控制模块将俯仰角和滚转角信息发出；

3）配置内核的质心O_c位置，使其与支点O重合，载体的加速运动造成的转子进动现象得以消除，内核的轴线相对惯性空间保持原有的方向，此时姿态测量系统的测量结果不会受到转子进动现象的影响，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

4）由于实际中存在加工误差，按照以下方法进一步补偿进动造成的误差，考虑到内核是由密度均匀的材料加工而成的轴对称零件，内核的质心O_c与支点O只会在内核轴线方向产生偏移，当质心O_c在支点O的下方时，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

当质心O_c在支点O的上方时，配置FPGA的图像缓冲及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：

$\mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_s+\cos \mathrm{\β}\·\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\mathrm{\β})\·\mathrm{dt}$

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_s+\∫-\frac{m\·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\mathrm{\α})\·\mathrm{dt}$

其中，γ表示滚转角真实值，γ_s滚转角的测量值，θ表示俯仰角真实值，θ_s表示俯仰角测量值，m是内核质量（单位是kg），l_oc是质点O_c与支点O的距离（单位是m），H是陀螺转子动量矩（单位是kg·m²/s），以上参数可以从陀螺仪设计参数中得到，a_x,a_y,a_z分别是载体在基座坐标系（机体坐标系）上的三轴线加速度分量（单位是m/s²），由固联在载体上的三轴加速度计测量得到。

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