CN110030992B - 一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，为：在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，从而计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率。本发明具有原理简单、易实现、测量精度高等优点。

Description

一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法
技术领域
本发明主要涉及到高速旋转物体的旋转运动测量领域，特指一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法。
背景技术
为了简化控制，很多空中飞行物采用沿着某个轴高速旋转的方式，来实现飞行的自稳定。但由于高速旋转，如何实现对这些高速旋转的飞行物的运动测量，则成为一个棘手的问题。
传统上，可以采用陀螺来敏感载体角运动，比如通过3个正交安装的陀螺仪，可以测量飞行物的完整的角运动。但在高速旋转方向，由于转动的角速度较大，因此要求陀螺具有极大的测量范围。陀螺的标度因数误差也对测量精度的影响很大，从而使得测量的角速度误差较大，积分后转动的角度误差逐步积累，因此很难实现对高速旋转的准确测量。
另外一种常用的方法，是基于磁罗盘的思想，利用三轴磁强计以及其他传感器来计算，其核心思想是利用其他传感器首先测量并计算载体的俯仰角和方位角，然后利用地磁场模型，计算滚转角，在获得三个欧拉角后，通过计算获得高速旋转轴的旋转角速率。这种方法的缺点在于：1)需要其他传感器提供3个角度中另外2个角度的测量值；2)需要精确已知当地地球磁场模型。
综上所述，对于相对于地球做高速旋转的载体，目前暂时还没有一种简单高效精确的方法，来对高速旋转轴的旋转角速率进行有效测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、测量精度高的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，为：在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，从而计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率。
作为本发明的进一步改进：所述磁传感器组为一对敏感轴正交的磁传感器，通过磁传感器同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量。
作为本发明的进一步改进：所述磁传感器组为两对以上正交的磁传感器，每对传感器的敏感轴都在平面内，且互成一定的角度，则计算的旋转角度变化量、旋转角速率，是每对正交的磁传感器计算的结果的平均值。
作为本发明的进一步改进：所述计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率的流程为：
步骤S1：同步采集一对磁传感器中采集2个磁传感器的输出
Figure BDA0002018431640000021
步骤S2：计算tk时刻的夹角
Figure BDA0002018431640000022
/>
步骤S3：计算采样周期内旋转的角度
Figure BDA0002018431640000023
步骤S4：计算角速率
Figure BDA0002018431640000024
作为本发明的进一步改进：所述步骤S2中，在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure BDA0002018431640000025
Figure BDA0002018431640000026
其中，假设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定，则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YZ平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化。
作为本发明的进一步改进：所述步骤S3中，采样周期内旋转的角度
Figure BDA0002018431640000027
为：
Figure BDA0002018431640000028
作为本发明的进一步改进：所述步骤S4中，当前时刻旋转的角速率
Figure BDA0002018431640000029
为：
Figure BDA00020184316400000210
本发明进一步提出另外方案，即：一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内获得旋转角度的变化量、旋转角速率。
作为本发明的进一步改进：所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指直接由外部其他传感器给出的该旋转轴的朝向值或者朝向的变化，并据此判断朝向变化是否可以忽略。
作为本发明的进一步改进：所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指在与旋转轴平行的方向，安装第三个磁传感器，敏感地球磁场在旋转轴方向的投影分量，并判断该磁传感器输出信号的变化是否小于某个阈值，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
Figure BDA0002018431640000031
这里mc表示该磁传感器的输出，
Figure BDA0002018431640000032
表示对/>
Figure BDA0002018431640000033
在时间段[tM,tN]求均值；σc为阈值，其大小与该磁传感器误差相关。
作为本发明的进一步改进：所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指通过计算这对磁传感器测量到的信号幅度的变化是否小于某个阈值来判断，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定；则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YmZm平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化；传感器测量误差为ny和nz，则在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure BDA0002018431640000034
Figure BDA0002018431640000035
Figure BDA0002018431640000036
和/>
Figure BDA0002018431640000037
为两个此传感器tk时刻的输出，不考虑外界其它干扰软磁或者硬磁的影响，或者假设这些干扰磁场已经经过磁校正与补偿，则磁传感器误差ny和nz很小，可以等效为噪声；
则tk时刻磁传感器测量到的地球磁场分量的幅度
Figure BDA0002018431640000038
为：
Figure BDA0002018431640000039
如果一段时间内高速旋转轴的朝向不变，则
Figure BDA00020184316400000310
的大小不变，因此计算tM时刻到tN时刻时间段内高速旋转轴的朝向是否变化，就是判断下式是否成立：
Figure BDA00020184316400000311
这里
Figure BDA00020184316400000312
表示对/>
Figure BDA00020184316400000313
在时间段[tM,tN]求均值；σ为阈值，其大小与磁传感器误差相关。
作为本发明的进一步改进：所述的当旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内旋转的角度以及平均旋转角速率，具体流程为：
tk时刻夹角
Figure BDA00020184316400000314
为
Figure BDA00020184316400000315
tk时刻到tk+1时刻旋转的角度
Figure BDA0002018431640000041
为
Figure BDA0002018431640000042
则从tM到tN这段时间转动的角度
Figure BDA0002018431640000043
为：
Figure BDA0002018431640000044
从tM到tN这段时间旋转的角速率
Figure BDA0002018431640000045
为：
Figure BDA0002018431640000046
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过在与高速旋转轴垂直的平面内，安装多个磁传感器，并测量地球磁场，根据高速旋转时磁传感器测量值的变化规律来计算旋转角速率。与现有技术相比，本发明仅仅使用多个磁传感器，而且不需要精确的地球磁场模型，误差不积累。
附图说明
图1是本发明中地球磁场与高速旋转轴的关系示意图。
图2是本发明中与旋转轴垂直的平面内磁传感器敏感轴与磁向量的关系示意图。
具体实施方式
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1：本发明的一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，为：在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器同组步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，从而计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率。
在本实施例中，本发明是安装了一对敏感轴正交的磁传感器，通过磁传感器同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，从而计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率。
在具体应用实例中，通过磁传感器同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率，详细过程为：
参见图1和图2，假设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定。则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YZ平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化。不考虑传感器测量误差，则在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure BDA0002018431640000051
则tk夹角
Figure BDA0002018431640000052
为：
Figure BDA0002018431640000053
则采样周期内旋转的角度
Figure BDA0002018431640000054
为：
Figure BDA0002018431640000055
当前时刻旋转的角速率
Figure BDA0002018431640000056
为：
Figure BDA0002018431640000057
结合上述过程，在具体应用实例中，本发明的测量方法的详细计算流程如下：
步骤S1：同步采集2个磁传感器的输出
Figure BDA0002018431640000058
步骤S2：根据上述式(2)计算tk夹角
Figure BDA0002018431640000059
步骤S3：根据上述式(3)采样周期内旋转的角度
Figure BDA00020184316400000510
步骤S4：根据上述式(4)和式(5)计算角速率
Figure BDA00020184316400000511
步骤S5：转至步骤S1。
在具体应用实例中，在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，根据实际需要也可以安装两对以上正交的磁传感器，每对传感器的敏感轴都在该平面内，且互成一定的角度，则计算的旋转角度变化量、旋转角速率，可以是每对正交的磁传感器计算的结果的平均。
在具体应用实例中，由于计算的旋转角度变化量、旋转角速率以及M的大小均无关，只与Ms的朝向有关，因此该方法不仅仅可用于高速旋转的测量，也可用于任意空中飞行物现对于地球的转动运动的测量。
在具体应用实例中，由于计算的旋转角度变化量、旋转角速率与Ms以及M的大小均无关，只与Ms的朝向有关，因此只要Ms朝向的变化可以忽略，就可以采用该方法测量空中飞行物现对于地球的角运动。
实施例2：一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内获得旋转角度的变化量、旋转角速率。
在本实施中，所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指直接由外部其他传感器给出的该旋转轴的朝向值或者朝向的变化，并据此判断朝向变化是否可以忽略。
在本实施中，所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指在与旋转轴平行的方向，安装第三个磁传感器，敏感地球磁场在旋转轴方向的投影分量，并判断该磁传感器输出信号的变化是否小于某个阈值，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
Figure BDA0002018431640000061
这里mc表示该磁传感器的输出，
Figure BDA0002018431640000062
表示对/>
Figure BDA0002018431640000063
在时间段[tM,tN]求均值；σc为阈值，其大小与该磁传感器误差相关。
在本实施中，所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指通过计算这对磁传感器测量到的信号幅度的变化是否小于某个阈值来判断，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定；则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YmZm平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化；传感器测量误差为ny和nz，则在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure BDA0002018431640000064
Figure BDA0002018431640000065
Figure BDA0002018431640000066
和/>
Figure BDA0002018431640000067
为两个此传感器tk时刻的输出，不考虑外界其它干扰软磁或者硬磁的影响，或者假设这些干扰磁场已经经过磁校正与补偿，则磁传感器误差ny和nz很小，可以等效为噪声；
则tk时刻磁传感器测量到的地球磁场分量的幅度
Figure BDA0002018431640000068
为：
Figure BDA0002018431640000069
/>
如果一段时间内高速旋转轴的朝向不变，则
Figure BDA00020184316400000610
的大小不变，因此计算tM时刻到tN时刻时间段内高速旋转轴的朝向是否变化，就是判断下式是否成立：
Figure BDA00020184316400000611
这里
Figure BDA00020184316400000612
表示对/>
Figure BDA00020184316400000613
在时间段[tM,tN]求均值；σ为阈值，其大小与磁传感器误差相关。
在本实施中，所述的当旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内旋转的角度以及旋转角速率，具体流程为：
tk时刻夹角
Figure BDA0002018431640000071
为
Figure BDA0002018431640000072
tk时刻到tk+1时刻旋转的角度
Figure BDA0002018431640000073
为
Figure BDA0002018431640000074
则从tM到tN这段时间转动的角度
Figure BDA0002018431640000075
为：
Figure BDA0002018431640000076
从tM到tN这段时间旋转的角速率
Figure BDA0002018431640000077
为：
Figure BDA0002018431640000078
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，从而计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率；所述磁传感器组为一对敏感轴正交的磁传感器，通过磁传感器同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量；所述计算获得旋转角度的变化量、旋转角速率的流程为：
步骤S1：同步采集一对磁传感器中采集2个磁传感器的输出
Figure FDA0003994976750000011
步骤S2：计算tk时刻的夹角
Figure FDA0003994976750000012
在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure FDA0003994976750000013
Figure FDA0003994976750000014
其中，假设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定，则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YZ平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化；
步骤S3：计算采样周期内旋转的角度
Figure FDA0003994976750000015
步骤S4：计算角速率
Figure FDA0003994976750000016
2.根据权利要求1所述的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，所述磁传感器组为两对以上正交的磁传感器，每对传感器的敏感轴都在平面内，且互成一定的角度，则计算的旋转角度变化量、旋转角速率，是每对正交的磁传感器计算的结果的平均值。
3.根据权利要求1所述的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，采样周期内旋转的角度
Figure FDA0003994976750000017
为：
Figure FDA0003994976750000018
4.根据权利要求3所述的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，当前时刻旋转的角速率
Figure FDA0003994976750000019
为：
Figure FDA00039949767500000110
5.一种基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，在被测物体上，与物体高速旋转轴垂直的平面内，利用磁传感器组同步测量物体高速旋转时敏感到的地球磁场分量，当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内获得旋转角度的变化量、旋转角速率；
所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指通过计算这对磁传感器测量到的信号幅度的变化是否小于某个阈值来判断，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
设当地地球磁场矢量为M，地球磁场矢量投影到与高速旋转轴垂直的平面内的分量为Ms，定义载体高速旋转方向为X轴，Ms的方向为Ym轴，Zm轴按照右手坐标系定义确定；则两个正交的磁传感器的敏感轴位于YmZm平面内，假设敏感轴位于Ys和Zs，Ym轴与Ys轴的夹角为θ，则随着物体高速旋转，θ不断变化；传感器测量误差为ny和nz，则在tk时刻，两个正交的磁传感器输出为：
Figure FDA0003994976750000021
Figure FDA0003994976750000022
Figure FDA0003994976750000023
和
Figure FDA0003994976750000024
为两个此传感器tk时刻的输出，不考虑外界其它干扰软磁或者硬磁的影响，或者假设这些干扰磁场已经经过磁校正与补偿，则磁传感器误差ny和nz很小，可以等效为噪声；
则tk时刻磁传感器测量到的地球磁场分量的幅度
Figure FDA0003994976750000025
为：
Figure FDA0003994976750000026
如果一段时间内高速旋转轴的朝向不变，则
Figure FDA0003994976750000027
的大小不变，因此计算tM时刻到tN时刻时间段内高速旋转轴的朝向是否变化，就是判断下式是否成立：
Figure FDA0003994976750000028
这里
Figure FDA0003994976750000029
表示对
Figure FDA00039949767500000210
在时间段[tM,tN]求均值；σ为阈值，其大小与磁传感器误差相关；
所述的当旋转轴的朝向变化可以忽略时，通过磁传感器计算该段时间内旋转的角度以及平均旋转角速率，具体流程为：
tk时刻夹角
Figure FDA00039949767500000211
为
Figure FDA00039949767500000212
tk时刻到tk+1时刻旋转的角度
Figure FDA00039949767500000213
为
Figure FDA00039949767500000214
从tM到tN这段时间转动的角度
Figure FDA0003994976750000031
为：
Figure FDA0003994976750000032
从tM到tN这段时间旋转的角速率
Figure FDA0003994976750000033
为：
Figure FDA0003994976750000034
6.根据权利要求5所述的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指直接由外部其他传感器给出的该旋转轴的朝向值或者朝向的变化，并据此判断朝向变化是否可以忽略。
7.根据权利要求5所述的基于磁强计的空中飞行物高速旋转角运动测量方法，其特征在于，所述当一段时间内高速旋转轴的朝向变化可以忽略时，是指在与旋转轴平行的方向，安装第三个磁传感器，敏感地球磁场在旋转轴方向的投影分量，并判断该磁传感器输出信号的变化是否小于某个阈值，当小于该阈值，则认为朝向变化可以忽略，具体为：
Figure FDA0003994976750000035
这里mc表示该磁传感器的输出，
Figure FDA0003994976750000036
表示对
Figure FDA0003994976750000037
在时间段[tM,tN]求均值；σc为阈值，其大小与该磁传感器误差相关。
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