CN110514228B - 微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法 - Google Patents

微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法，它属于惯性导航技术领域。本发明解决了现有方法中航姿测量单元的动态综合性能测试结果的精度低以及对航姿测量单元周围磁场干扰的抑制效果有限的问题。本发明额外增设具有磁场屏蔽单元的动态磁场模拟单元，通过地磁解算单元进行控制，可以实现对不同位置地磁场的动态模拟，同时有效的抑制了周围磁场的干扰。该设备可同时对航姿测量单元中的所有测量元件进行测量标定，更好的反应出航姿测量单元的动态综合性能指标，提升了对航姿测量单元的动态综合性能的测试精度。本发明可以应用于微小型无人机航姿测量系统动态综合性能的测试。

Description

微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法
技术领域
本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法。
背景技术
微小型无人机飞行控制系统的重要信息来源以及核心功能模块是航姿测量系统，该系统的主要功能是测量微小型无人机的航向角、俯仰角、横滚角等飞行参数信息，以供微小型无人机飞控系统使用，从而确保其飞行稳定性以及飞行安全。
MEMS惯性测量元件具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等特点，由MEMS陀螺仪及加速度计等MEMS惯性测量元件加磁强计的航姿测量方案是微小型无人机航姿测量系统的核心，而MEMS加速度计、MEMS陀螺仪和磁强计的动态综合性能指标的测试是保障微小型无人机姿态测量精度的基础，更是保障微小型无人机飞行控制准确度及飞行安全的关键。因此对微小型无人机航姿测量系统动态综合测试方法及其设备的研究具有非常重要的意义。
但是目前国内外尚无一套完整的航姿测量系统动态综合性能检测方法及设备，一般情况下，只能实现针对航姿测量系统中某一单独测量元件的动态测量，得出相应的动态性能指标，且对周围磁场的干扰也无有效抑制措施，而这与微小型无人机航姿测量系统的实际应用环境，即微小型无人机的飞行过程相差较大，无法真实反映该系统在微小型无人机应用中的动态性能。基于视觉的动态误差视觉标定方法虽然可以利用多个高速摄影仪对待测航姿测量单元进行动态测量，可以有效测量其动态误差。但由于常见的视觉标定系统对于磁场的干扰也无有效抑制措施，因此很难准确地同时测量微惯性器件和磁强计的动态误差。另外，通过在大型磁屏蔽室内安装基于连杆传动机构的无磁转台，可以将电机安装在屏蔽室以外，避免对待测设备的干扰，实现动态综合测试。但是该方法目前尚不成熟，传动机构会破坏磁屏蔽室的完整性，屏蔽效果有限，同时测试精度及成本都有较大限制。
发明内容
本发明的目的是为解决现有方法中航姿测量单元的动态综合性能测试结果的精度低以及对航姿测量单元周围磁场干扰的抑制效果有限的问题，而提出了微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于本发明的一个方面，微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置，所述装置包括三轴转台、地磁模拟单元、磁场屏蔽单元、测试解算单元、地磁解算单元、第一航姿测量单元和第二航姿测量单元，其中：
所述地磁模拟单元和三轴转台分别安装于不同场地，第一航姿测量单元位于三轴转台平面上，第二航姿测量单元位于地磁模拟单元内部，第一航姿测量单元与第二航姿测量单元的结构完全相同；
所述地磁模拟单元的外部设有磁场屏蔽单元，磁场屏蔽单元用于屏蔽外界磁场对第二航姿测量单元的影响；
所述地磁解算单元分别与三轴转台和地磁模拟单元相连接，地磁解算单元用于获取三轴转台姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；
所述地磁模拟单元用于根据地磁场信息模拟当前的地磁向量，并根据模拟出的地磁向量给定第二航姿测量单元的磁场输入；
所述测试解算单元用于同步第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的输出信息，并与三轴转台的输出姿态信息进行对比。
基于本发明的另一个方面，所述方法具体为：
利用三轴转台给定第一航姿测量单元的动态姿态数据；
地磁解算单元同步获取三轴转台的姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；地磁模拟单元根据解算出的地磁场信息给定第二航姿测量单元的磁场输入；
利用测试解算单元获取第一航姿测量单元输出的加速度计和陀螺仪数据以及第二航姿测量单元输出的磁强计数据，测试解算单元根据获取的加速度计数据、陀螺仪数据以及磁强计数据来进行姿态解算，获得姿态解算结果；
再将姿态解算结果与三轴转台输出的姿态信息进行对比，获得第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置及方法，本发明额外增设具有磁场屏蔽单元的动态磁场模拟单元，通过地磁解算单元进行控制，可以实现对不同位置地磁场的动态模拟，同时有效的抑制了周围磁场的干扰。该设备可同时对航姿测量单元中的所有测量元件进行测量标定，更好的反应出航姿测量单元的动态综合性能指标，提升了对航姿测量单元的动态综合性能的测试精度。
附图说明
图1为本发明的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置的示意图；
图2为本发明方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置，所述装置包括三轴转台、地磁模拟单元、磁场屏蔽单元、测试解算单元、地磁解算单元、第一航姿测量单元和第二航姿测量单元，其中：
所述地磁模拟单元和三轴转台分别安装于不同场地，第一航姿测量单元位于三轴转台平面上，第二航姿测量单元位于地磁模拟单元内部，第一航姿测量单元与第二航姿测量单元的结构完全相同；
所述地磁模拟单元的外部设有磁场屏蔽单元，磁场屏蔽单元用于屏蔽外界磁场对第二航姿测量单元的影响；
所述地磁解算单元分别与三轴转台和地磁模拟单元相连接，地磁解算单元用于获取三轴转台姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；
所述地磁模拟单元用于根据地磁场信息模拟当前的地磁向量，并根据模拟出的地磁向量给定第二航姿测量单元的磁场输入；
所述测试解算单元用于同步第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的输出信息，并与三轴转台的输出姿态信息进行对比。
本发明中的第一航姿测量单元和第二航姿测量单元为微小型无人机航姿测量系统，微小型是指尺寸只有手掌大小(约15cm)的飞行器。
本实施方式可以对微小型无人机航姿测量系统的所有器件进行动态测试，避免了周围环境磁场对航姿测量系统测试的干扰，得到微小型无人机航姿测量系统的动态综合精度等性能指标，真实的反映出被测航姿测量系统的动态性能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述第一航姿测量单元和第二航姿测量单元均通过串行接口方式与测试解算单元进行连接。
串行接口方式的结构简单，节省传输线，且方便进行程序调试。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述第一航姿测量单元与三轴转台共同组成子系统1，第二航姿测量单元与地磁模拟单元共同组成子系统2，子系统1与子系统2通过光纤反射内存网络进行连接。
在两个子系统之间通过强实时性的高性能光纤反射内存网络进行连接，将两个子系统的输出端分别与两个反射内存卡相连接，将子系统1的高精度三轴转台的姿态信息的输出写入反射内存卡后，反射内存卡自动地通过光纤传输到在同一网络上的另一反射内存卡的内存里，大概只需几百纳秒的时间延迟，地磁解算单元便可通过读取反射内存卡的内存获得三轴转台的实时姿态信息，然后通过姿态信息解算出当前的地磁场分量，控制子系统2的地磁模拟单元来模拟当前的地磁场分量，实现子系统测试状态的同步，确保输出给测试解算单元的三轴转台上的MIMU数据与地磁模拟单元中的磁场强度数据的实时性。
具体实施方式四：结合图2说明本实施方式。基于具体实施方式一所述的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置的测试方法，所述方法具体为：
利用三轴转台给定第一航姿测量单元的动态姿态数据；
地磁解算单元同步获取三轴转台的姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；地磁模拟单元根据解算出的地磁场信息给定第二航姿测量单元的磁场输入；
利用测试解算单元获取第一航姿测量单元输出的加速度计和陀螺仪(MIMU数据包括加速度计和陀螺仪数据)数据以及第二航姿测量单元输出的磁强计地磁场数据，来模拟微小型无人机航姿测量系统在实际磁场环境中飞行；测试解算单元根据获取的加速度计数据、陀螺仪(MIMU)数据以及磁强计数据来进行姿态解算，获得姿态解算结果；
再将姿态解算结果与三轴转台输出的姿态信息进行对比，获得第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述地磁模拟单元根据解算出的地磁场信息给定第二航姿测量单元的磁场输入，其具体过程为：
空间中三维向量旋转变换通常采取旋转矩阵方式，选取东北天坐标系作为导航坐标系，则将解算出的地磁场信息(即当前地理位置下的地磁场强度)由导航坐标系旋转到第一航姿测量单元本体坐标系，需要按照航向角β、俯仰角α及滚动角γ的旋转顺序进行旋转，从导航坐标系到第一航姿测量单元本体坐标系的旋转矩阵
Figure BDA0002188486460000041
为：
Figure BDA0002188486460000042
假设解算出的地磁场信息在导航坐标系及第一航姿测量单元本体坐标系中的投影分别为Bn及Bv：
Bn＝[bnx bny bnz]T
Bv＝[bvx′ bvy′ bvz′]T
其中：上角标T代表矩阵的转置，bnx为投影Bn在导航坐标系的x轴方向分量，bny为投影Bn在导航坐标系的y轴方向分量，bnz为投影Bn在导航坐标系的z轴方向分量；bvx′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的x′轴方向分量，bvy′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的y′轴方向分量，bvz′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的z′轴方向分量；
则有
Figure BDA0002188486460000051
地磁模拟单元根据Bv来模拟当前的地磁向量，给定第二航姿测量单元的磁场输入。
地磁场强度在导航坐标系中的投影Bn可以根据测试地点的地理环境进行设置。对于本测试系统，在地磁模拟子系统2中，由于磁场测量航姿测量系统与测试设备间没有相对旋转，因此本发明在已经标定了安装误差矩阵的情况下，可以直接使用Bv地磁模拟装置进行控制来模拟需要的地磁场环境。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述将姿态解算结果与三轴转台输出的姿态信息进行对比，获得第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果，其具体过程为：
设第一航姿测量单元在转台角位置x0处测量得到的第i个姿态角修正序列为
Figure BDA0002188486460000052
则第一航姿测量单元在转台角位置x0处测量得到的第i个姿态角误差序列
Figure BDA0002188486460000053
为：
Figure BDA0002188486460000054
转台角位置x0处的各个姿态角误差序列的平均值
Figure BDA0002188486460000055
为：
Figure BDA0002188486460000056
其中：i＝1,2,…,N，N代表转台角位置x0处的姿态角误差序列总个数；
转台角位置x0处的各姿态角误差序列的标准误差
Figure BDA0002188486460000057
为：
Figure BDA0002188486460000058
根据
Figure BDA0002188486460000061
和
Figure BDA0002188486460000062
计算第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea和静态标准误差eσ，将ea和eσ作为第一航姿测量单元的动态综合性能测试结果；
由于第一航姿测量单元与第二航姿测量单元的结构完全相同，因此，第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果与第一航姿测量单元的动态综合性能测试结果相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述根据
Figure BDA0002188486460000063
和
Figure BDA0002188486460000064
计算第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea和静态标准误差eσ，其具体为：
第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea为：
Figure BDA0002188486460000065
其中：
Figure BDA0002188486460000066
代表各转台角位置对应的姿态角误差序列的平均值中的最大值；
第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态标准误差eσ为：
Figure BDA0002188486460000067
其中：
Figure BDA0002188486460000068
代表各转台角位置对应的姿态角误差序列的标准误差中的最大值。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (4)

1.微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置，其特征在于，所述装置包括三轴转台、地磁模拟单元、磁场屏蔽单元、测试解算单元、地磁解算单元、第一航姿测量单元和第二航姿测量单元，其中：
所述地磁模拟单元和三轴转台分别安装于不同场地，第一航姿测量单元位于三轴转台平面上，第二航姿测量单元位于地磁模拟单元内部，第一航姿测量单元与第二航姿测量单元的结构完全相同；
所述地磁模拟单元的外部设有磁场屏蔽单元，磁场屏蔽单元用于屏蔽外界磁场对第二航姿测量单元的影响；
所述地磁解算单元分别与三轴转台和地磁模拟单元相连接，地磁解算单元用于获取三轴转台姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；
所述地磁模拟单元用于根据地磁场信息模拟当前的地磁向量，并根据模拟出的地磁向量给定第二航姿测量单元的磁场输入；
所述测试解算单元用于同步第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的输出信息，并与三轴转台的输出姿态信息进行对比。
2.根据权利要求1所述的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置，其特征在于，所述第一航姿测量单元和第二航姿测量单元均通过串行接口方式与测试解算单元进行连接。
3.根据权利要求2所述的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置，其特征在于，所述第一航姿测量单元与三轴转台共同组成子系统1，第二航姿测量单元与地磁模拟单元共同组成子系统2，子系统1与子系统2通过光纤反射内存网络进行连接。
4.基于权利要求1所述的微小型无人机航姿测量系统动态综合性能测试装置的测试方法，其特征在于，所述方法具体为：
利用三轴转台给定第一航姿测量单元的动态姿态数据；
地磁解算单元同步获取三轴转台的姿态信息，并根据获取的三轴转台姿态信息解算出地磁场信息；地磁模拟单元根据解算出的地磁场信息给定第二航姿测量单元的磁场输入；
所述地磁模拟单元根据解算出的地磁场信息给定第二航姿测量单元的磁场输入，其具体过程为：
选取东北天坐标系作为导航坐标系，则将解算出的地磁场信息由导航坐标系旋转到第一航姿测量单元本体坐标系，需要按照航向角β、俯仰角α及滚动角γ的旋转顺序进行旋转，从导航坐标系到第一航姿测量单元本体坐标系的旋转矩阵
Figure FDA0003733086840000011
为：
Figure FDA0003733086840000021
其中，α为俯仰角，β为航向角；
假设解算出的地磁场信息在导航坐标系及第一航姿测量单元本体坐标系中的投影分别为Bn及Bv：
Bn＝[bnx bny bnz]T
Bv＝[bvx′ bvy′ bvz′]T
其中：上角标T代表矩阵的转置，bnx为投影Bn在导航坐标系的x轴方向分量，bny为投影Bn在导航坐标系的y轴方向分量，bnz为投影Bn在导航坐标系的z轴方向分量；bvx′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的x′轴方向分量，bvy′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的y′轴方向分量，bvz′为投影Bv在第一航姿测量单元本体坐标系的z′轴方向分量；
则有
Figure FDA0003733086840000022
地磁模拟单元根据Bv来模拟当前的地磁向量，给定第二航姿测量单元的磁场输入；
利用测试解算单元获取第一航姿测量单元输出的加速度计和陀螺仪数据以及第二航姿测量单元输出的磁强计数据，测试解算单元根据获取的加速度计数据、陀螺仪数据以及磁强计数据来进行姿态解算，获得姿态解算结果；
再将姿态解算结果与三轴转台输出的姿态信息进行对比，获得第一航姿测量单元和第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果；其具体过程为：
设第一航姿测量单元在转台角位置x0处测量得到的第i个姿态角修正序列为
Figure FDA0003733086840000023
则第一航姿测量单元在转台角位置x0处测量得到的第i个姿态角误差序列
Figure FDA0003733086840000024
为：
Figure FDA0003733086840000025
转台角位置x0处的各个姿态角误差序列的平均值
Figure FDA0003733086840000026
为：
Figure FDA0003733086840000031
其中：i＝1,2,…,N，N代表转台角位置x0处的姿态角误差序列总个数；
转台角位置x0处的各姿态角误差序列的标准误差
Figure FDA0003733086840000032
为：
Figure FDA0003733086840000033
根据
Figure FDA0003733086840000034
和
Figure FDA0003733086840000035
计算第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea和静态标准误差eσ，将ea和eσ作为第一航姿测量单元的动态综合性能测试结果；
由于第一航姿测量单元与第二航姿测量单元的结构完全相同，因此，第二航姿测量单元的动态综合性能测试结果与第一航姿测量单元的动态综合性能测试结果相同；
所述根据
Figure FDA0003733086840000036
和
Figure FDA0003733086840000037
计算第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea和静态标准误差eσ，其具体为：
第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态平均误差ea为：
Figure FDA0003733086840000038
其中：
Figure FDA0003733086840000039
代表各转台角位置对应的姿态角误差序列的平均值中的最大值；
第一航姿测量单元在各转台角位置处的姿态角误差序列的静态标准误差eσ为：
Figure FDA00037330868400000310
其中：
Figure FDA00037330868400000311
代表各转台角位置对应的姿态角误差序列的标准误差中的最大值。
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