CN107990794B - 一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，包括传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、数据通讯模块、电源管理模块；传感器模块用以采集天、地的红外辐射与当地地磁信号，并对采集到的红外辐射与地磁信号进行放大和滤波处理；数据采集模块用以对放大和滤波处理后的信号进行实时的采集和将模拟信号转换为数字信号；数据处理模块用以控制数据采集模块、数据存储模块和数据通讯模块的工作，完成各个工作模式之间的协调工作；数据通讯模块用以采集、存储的数据与上位机之间进行传输工作；电源管理模块用以将供电电压转换成各个模块所需的电压值，并为整个测试装置供电；本发明利用组合测姿的方式，提高了姿态测试精度。

Description

一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置

技术领域

本发明属于旋转体的导航控制技术领域，特别是一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置。

背景技术

随着智能武器时代的到来，精确打击能力已经成为决定战争胜负的关键因素之一，其中精确获取飞行弹丸的姿态参数变化是常规武器实现制导的关键技术之一，而常规的姿态获取方法在旋转弹体应用时干扰影响较大，解算精度不高，因此研究一种适用于常规弹药的多元化、小体积、低成本、高抗干扰能力的姿态测试技术成为了世界各国相关科研人员研究的重点和难点。

目前，旋转弹体姿态参数的获取大多采用陀螺、加速度计、GPS、太阳方位角、地磁等姿态测试方法，如中国专利CN201610025623.3中公开的应用于高速旋转弹体的姿态测量装置，利用两个双轴磁传感器组成旋转弹体姿态测试装置，两个双轴磁传感器检测三个轴向的地磁强度，传感器利用率不高，而且单个导航技术的抗干扰能力较弱，在地磁干扰影响情况下，姿态解算精度会急剧降低。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，以解决地磁姿态测试时存在干扰影响时姿态角测试精度不高的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，包括传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、数据通讯模块、电源管理模块；

所述传感器模块用以采集天、地的红外辐射与当地地磁信号，并对采集到的红外辐射与地磁信号进行放大和滤波处理；

所述数据采集模块用以对放大和滤波处理后的信号进行实时的采集和将模拟信号转换为数字信号；

所述数据处理模块用以控制数据采集模块、数据存储模块和数据通讯模块的工作，完成各个工作模式之间的协调工作；

所述数据通讯模块用以采集、存储的数据与上位机之间进行传输工作；

所述电源管理模块用以将供电电压转换成各个模块所需的电压值，并为整个测试装置供电。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

(1)本发明采用红外与地磁复合测姿，利用组合测姿的方式，红外与地磁传感器相互协作，弥补了地磁姿态测试在存在干扰影响时精度不高的问题，提高了姿态测试系统的抗干扰能力，提高了姿态测试精度；

(2)本发明装置系统集成度高，包括了传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、数据通讯模块、电源管理模块，各个模块分工明确，电路安装方便快捷。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明的基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置的结构框图。

图2是传感器模块设置在弹体内部的半剖面图。

图3是红外传感器的输出曲线。

图4是地磁传感器的输出曲线。

具体实施方式

为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。

结合图1，本发明的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，包括传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、数据通讯模块、电源管理模块；

所述传感器模块用以采集天、地的红外辐射与当地地磁信号，并对采集到的红外辐射与地磁信号进行放大和滤波处理；

所述传感器模块包括红外传感器6、地磁传感器、第一调理电路9和第二调理电路10，红外传感器6与第一调理电路9相连，第一调理电路9用于对红外传感器6输出信号进行放大和滤波处理；如图2所示，所述第一调理电路9和第二调理电路10均通过PCB板固定设置在旋转弹体内部；在旋转弹体的外壳上设有多个安装孔，红外传感器6设置在安装孔内，并通过导线与第一调理电路9相连；所述地磁传感器包括单轴地磁传感器8和双轴地磁传感器7，地磁传感器与第二调理电路10相连，第二调理电路10用于对单轴地磁传感器8和双轴地磁传感器7的输出信号进行放大和滤波处理，第二调理电路10的PCB板中心位置设置了一块垂直的小PCB板，用于安装单轴地磁传感器8，单轴地磁传感器8轴向与弹体坐标系X轴相同(弹头指向方向)，双轴地磁传感器7两个轴向分别与弹体坐标系Y轴(弹体径向方向)、Z轴相同，弹体坐标系构成O-XYZ竖直右手坐标系，O位于弹体中心。

所述第一调理电路9和第二调理电路10直接对传感器输出信号进行处理，能够有效的滤除随机噪声的干扰，提高了数据的测试精度。

所述红外传感器6输出信号与地磁传感器输出信号的同时获取，保证在同一时刻有两个姿态测试方法能够用于姿态角解算，提高了姿态测试装置的抗干扰能力。

所述红外传感器6安装在固定的外壳位置，最大限度的减小传感器的安装误差。

所述红外传感器6包括第一红外传感器、第二红外传感器和第三红外传感器；所述第一红外传感器设置在弹头方向，第二红外传感器和第三红外传感器设置在弹体径向上，第二红外传感器和第三红外传感器敏感方向夹角为90°，有利于提高横滚角的测试精度。

进一步的，所述红外传感器6采用德国Heiman公司的HMS J11F5.5红外热电堆传感器；所述单轴地磁传感器和双轴地磁传感器分别采用Honeywell公司的HMC1021和HMC1022传感器，满足抗冲击振动、低成本、小体积、低功耗、高精度、能满足动态测试的要求。

所述数据采集模块用以对放大和滤波处理后的信号进行实时的采集和将模拟信号转换为数字信号。

进一步的，所述数据采集模块采用16位的AD转换器，优选的，采用美国德州仪器(TI)公司生产的8通道16位逐次逼近型模数转换器ADS8332。

所述数据存储模块用以对数据采集模块转换后的信号进行实时存储。

进一步的，所述数据存储模块采用三星公司的Nand Flash存储器K9F1G08U0B，可具有较快的存储速度。

所述数据处理模块用以控制数据采集模块、数据存储模块和数据通讯模块的工作，完成各个工作模式之间的协调工作。

所述数据处理模块包括复位电路、时钟产生电路、JTAG程序下载电路和微处理器；所述复位电路除微处理器自带的复位功能外，还设置有手动复位电路，用于保证微处理器的指令出于初始状态；时钟电路HSE端选用8MHz的无源晶振作为处理器工作的主时钟，LSE端选用32.768kHz晶振作为RTC时钟源，用于保证电路的各部分按照统一的时序工作；

进一步的，所述数据处理模块采用STM32f103微处理器，可以通过K9F1G08U0B的I/O0～I/O7来发送命令、地址和数据，控制数据采集、数据存储和数据通讯的工作模式，完成各个工作模式之间的协调工作；STM32f103微处理器集成了串行/JTAG调试接口，优选的，采用了JTAG-DP接口作为调试接口。

所述数据通讯模块用以利用USB接口实现采集、存储的数据与上位机之间进行传输工作。

所述电源管理模块用以将供电电压转换成各个模块所需的电压值，并为整个测试装置供电。

进一步的，所述电源管理模块采用9V的电源或者电池，通过AMS117-5.0、AMS117-3.3和AMS117-2.5作为稳压芯片来分别得到对应的电压值5V、3.3V和2.5V；5V电压用于传感器模块、数据通讯模块供电，3.3V电压用于数据存储模块、数据处理模块供电，2.5V电压用于数据采集模块供电。

进一步的，为了防止电源正负极接反或者峰值浪涌电压对稳压芯片的破环，在供电电源接口处采用TVS瞬态二极管作为保护电路。

本发明的基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置的测试过程为：

将各个电路模块调试无误后，进行姿态测试系统样机的组装，尽量使得传感器模块的中轴与机械结构的中轴重合，避免高速旋转过程中产生过大的离心力，影响传感器模块的正常工作，安装完成后对装置进行整体调试，调试成功后利用绝缘灌封胶对装置内部空余位置进行灌封处理，防止弹体旋转时电路振动，导致传感器坐标系与弹体坐标系不重合，造成传感器输出误差。

将红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置安装在三轴转台上，开展姿态测试半实物实验。逆时针转动三轴转台使姿态测试装置转动，数据采集模块采集到传感器模块输出的红外和地磁数据，并将模拟信号转换为数字信号，存储在数据存储模块中，转台转动结束后，利用数据传输模块将数据存储模块中的数据读取到上位机中进行显示，经过小波去噪后的红外与地磁输出数据曲线如图3、图4所示，其中Tx为第一红外传感器的输出，Ty为第二红外传感器的输出，Tz为第三红外传感器的输出，Mx为单轴地磁传感器8的输出，My为双轴地磁传感器7其中一轴的输出，Mz为双轴地磁传感器7另一轴的输出，为姿态解算提供了准确可靠的姿态解算参数，最终利用姿态解算算法解算得到的俯仰角误差在±0.5°以内，横滚角误差在±1.5°以内，航向角误差在±1°以内。

Claims (7)

1.一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，包括传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、数据处理模块、数据通讯模块、电源管理模块；

所述传感器模块用以采集天、地的红外辐射与当地地磁信号，并对采集到的红外辐射与地磁信号进行放大和滤波处理；所述传感器模块包括红外传感器(6)、地磁传感器、第一调理电路(9)和第二调理电路(10)，所述红外传感器(6)与第一调理电路(9)相连，第一调理电路(9)用于对红外传感器(6)输出信号进行放大和滤波处理；所述第一调理电路(9)和第二调理电路(10)均通过PCB板固定设置在旋转弹体内部；红外传感器(6)设置在旋转弹体的外壳上的安装孔内；所述地磁传感器包括单轴地磁传感器(8)和双轴地磁传感器(7)，地磁传感器与第二调理电路(10)相连，第二调理电路(10)用于对单轴地磁传感器(8)和双轴地磁传感器(7)的输出信号进行放大和滤波处理；所述红外传感器(6)包括第一红外传感器、第二红外传感器和第三红外传感器；所述第一红外传感器设置在弹头方向，第二红外传感器和第三红外传感器设置在弹体径向上，第二红外传感器和第三红外传感器敏感方向夹角为90°；所述红外传感器(6)采用HMS J11 F5.5红外热电堆传感器；所述单轴地磁传感器和双轴地磁传感器分别采用HMC1021和HMC1022传感器；所述测试装置利用绝缘灌封胶对内部空余位置进行灌封处理；

所述数据采集模块用以对放大和滤波处理后的信号进行实时的采集和将模拟信号转换为数字信号；

所述数据处理模块用以控制数据采集模块、数据存储模块和数据通讯模块的工作，完成各个工作模式之间的协调工作；

所述数据通讯模块用以采集、存储的数据与上位机之间进行传输工作；

所述电源管理模块用以将供电电压转换成各个模块所需的电压值，并为整个测试装置供电。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，所述数据采集模块采用16位的AD转换器。

3.根据权利要求2所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，所述AD转换器采用模数转换器ADS8332。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，所述数据处理模块包括复位电路、时钟产生电路、JTAG程序下载电路和微处理器；所述复位电路除微处理器自带的复位功能外，还设置有手动复位电路，用于保证微处理器的指令出于初始状态；时钟电路HSE端选用8MHz的无源晶振作为处理器工作的主时钟，LSE端选用32.768kHz晶振作为RTC时钟源，用于保证电路的各部分按照统一的时序工作。

5.根据权利要求4所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，所述数据处理模块采用STM32f103微处理器。

6.根据权利要求5所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，所述电源管理模块采用9V的电源或者电池，通过AMS117-5.0、AMS117-3.3和AMS117-2.5作为稳压芯片来分别得到对应的电压值。

7.根据权利要求6所述的一种基于红外与地磁复合的旋转弹体姿态测试装置，其特征在于，在供电电源接口处采用TVS瞬态二极管作为保护电路。