CN112577483A - 一种伞降末端敏感器件姿态测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，包括地磁数据采集模块、陀螺仪数据采集模块、加速度数据采集模块、数据处理模块、数据记录模块、电源模块和通信模块。末端敏感器件在伞降过程中，地磁数据采集模块采集器件三轴地磁场数据；陀螺仪数据采集模块采集器件三轴角速率数据；加速度数据采集模块采集器件三轴加速度数据；数据记录模块接收数据处理模块的信息，并进行高速存储；电源模块负责为测量装置供电；通信模块用于该装置的数据传输以及接收指令；通过对采集到数据的反演解算推导出末端敏感器件在伞降过程中的飞行姿态信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种设备的姿态测量装置，特别是涉及一种伞降末端敏感器件 的姿态测量装置。
技术背景
降落伞是一种应用广泛的柔性软质气动力减速装置，末敏装置的降落伞被 抛出后，弹体轴线与铅垂方向成一定角度，通过摩擦盘的导旋作用，带动装置 实现同步旋转降落运动。系统稳定后，末敏器件以螺旋线形式由外向内搜索目 标，这一过程即为稳态扫描运动阶段，其结构主要由弹体、涡环伞、伞盘、摩 擦盘、伞绳、连接杆等组成。降落伞的末端敏感器件的不同结构部分采用不用 的设计方案，会对末敏器件的下落过程产生不同的影响，为了探寻最优的设计 方案，需要对不同设计方案进行试验，测量末敏器件下落过程尤其是稳态扫描 过程的落速、转速、姿态角等信息，分析得到末敏器件的姿态信息。
申请号为：201610724566.8，专利名称为：一种弹载磁组合姿态测量装置 的应用的专利提供了一种器件姿态测量装置，该装置是基于双轴地磁传感器采 集数据，解算得到器件姿态信息的姿态测量装置，为了能更全面的测量这种末 敏器件的下落姿态信息，需要同时利用多传感器进行测量，并且由于末敏装置 在不同轴向的运动状态存在较大差异，一般测量装置采用单一量程传感器会产 生较大误差，为了满足测量精度，因此需要在不同轴向使用不同量程的传感器。 本发明正是基于这些需要提供了一种伞降末端敏感器件的测量装置。
发明内容
本发明通过使用一种新的姿态测量装置设计方法，能够降低传统姿态测量 装置陀螺仪传感器和磁阻传感器的误差，能有效克服伞降末端敏感器件下落过 程中出传统单一传感器测量产生的误差，同时自身可以实现对采集数据进行高 速处理存储。具有结构简单、启动速度快、稳定性强、测量精度高、处理速度 快、数据可存储并读取等优点。特别适合伞降末端敏感器件的飞行姿态测量和 分析等场景。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种伞降末端敏感器件姿态测量装置包括地磁数据采集模块、陀螺仪数据 采集模块、加速度数据采集模块、数据处理模块、数据记录模块、电源模块和 通信模块，装置整体由一块主板和四块附板组成。采集到的数据经过放大转换 高速存储，由上位机读取后可以反演器件飞行过程的姿态信息。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明提供的一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，将多种传感器结合 在一起，可以同时采集处理多传感器数据，可以提高测量效率，通过对多传感 器数据的融合处理可以更加准确的反演器件俺的飞行姿态。
2)本发明使用一种新的姿态测量装置结构，通过将多磁阻传感器和多陀螺 仪传感器垂直分布在测量装置主板四周，对采集到的数据进行处理分析，对主 板传感器的采集数据进行补偿，可以有效降低测量误差，提高测量精度。
3)本发明提供的一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，使用FPGA(1-6) 负责逻辑控制，外配16位高精度同步AD转换器，完成高速、实时、高质量的 数据采集。使用Cortex-M7内核的32位ARM(1-7)负责数据处理模，能够实现 复杂的传感器补偿、转速滤波估计。数据处理模块与FPGA之间通过FMC总线相 连，完成高效数据获取。同时数据处理模块负责进行人机交互，负责调度相关 计算结果、自检结果、指令应答等信息。
4)本发明使用先进的SLC工艺Flash颗粒(1-8)，利用自研的先进HdntRec 内核，完成差速双模式数据记录。
附图说明
图1为一种伞降末端敏感器件姿态测量装置主板结构图。
图2为一种伞降末端敏感器件姿态测量装置整体结构图及主要器件标注。
图3为一种伞降末端敏感器件姿态测量装置附板结构图。
具体实施方式
本发明包括地磁数据采集模块、陀螺仪数据采集模块、加速度数据采集模 块、数据处理模块、数据记录模块、电源模块和通信模块，装置整体由一块主 板和四块附板组成。
地磁数据采集模块采用Honeywell公司的地磁测量芯片(1-1和2-1)，具 有抗高过载、高灵敏度、大量程特点。三轴磁强计采用正交摆放，固连于伞降 末敏感器件。
加速度数据采集模块采用成熟的MEMS加速度计(1-3)，通过合理的布置方 案，消除系统误差。
考虑到弹体运动过程中滚转轴角速率高、横法向轴向上的角速率偏低，设 计陀螺仪分为两种类型陀螺仪，x轴向陀螺为大量程陀螺，y轴、z轴陀螺为低 量程陀螺。此种构型，能够实现弹体三轴方向上的不同量程角速率测量。采用 具有振动抑制特性的±20,000°/s偏航角速度陀螺仪(1-2)固定于测量装置主 板上，采用±300°/s偏航角速度陀螺仪(2-2)固定在附板上并分布在主板四 周。三轴陀螺仪采用正交摆放，固连于敏感器件。
数据采集模块由FPGA负责逻辑控制，外配16位高精度同步AD转换器(1-4)， 完成高速、实时、高质量的数据采集。其中，FPGA(1-6)采用Actel公司的ProAsic 系列芯片，能够实现小尺度空间下的高效数据采集。在采集数据的同时，FPGA 还完成传感器量纲变换、FIR数字滤波等功能。
数据处理模块选用Cortex-M7内核的32位ARM(1-7)实现，其内部具有 32位浮点计算单元，主频高达250MHz，能够实现复杂的传感器补偿、转速滤波 估计。数据处理模块与FPGA之间通过FMC总线相连，完成高效数据获取。同时 数据处理模块负责进行人机交互，负责调度相关计算结果、自检结果、指令应 答等信息。
数据记录模块选用先进的SLC工艺Flash颗粒(1-8)，利用自研的先进 HdntRec内核，完成差速双模式数据记录。
通信模块主要由四个串口收发控制器(1-9)组成，实现指令发送应答，数 据收发等功能。
电源模块通常供电为4V至16V，直流供电，输出可供其余系统模块使用的 3.3V、5V、6.5V等电压。
测量装置通电开始工作后，末端敏感器件从高空投放，随后降落伞打开， 经过一段加速过程后，末端敏感器件在降落伞的作用下进入稳态扫描阶段直到 器件落地。地磁数据采集模块、陀螺仪数据采集模块、加速度数据采集模块将 采集的到的数据经过高速放大器放大后传输至模数转换器，转换后由FPGA负责 数据高速采集，通过FMC总线传输至ARM处理器对数据进行补偿和滤波，最终 保存至Flash中。
Claims (4)
1.一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，其特征在于：装置包括地磁数据采集模块、陀螺仪数据采集模块、加速度数据采集模块、数据处理模块、数据记录模块、电源模块和通信模块，装置整体由一块主板和四块附板组成，通过各个传感器模块在电路板上的位置布局设计和后期数据处理，实现对采集数据测误差进行补偿，从而提高测量精度。
2.根据权利要求1所述的一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，组成装置的主板上载有一个ARM微处理器(1-7)、一个FPGA微处理器(1-8)、一个MEMS加速度计(1-3)、一个具有振动抑制特性的±20,000°/s偏航角速度陀螺仪(1-2)、一个二轴磁阻传感器(1-1)、四个8通道模数转换器(1-4)、一个FLASH存储芯片(1-8)、四个串口收发控制器(1-9)以及相关的信号处理电路和供电电路。
3.根据权利要求1所述的一种伞降末端敏感器件姿态测量装置，其特征在于：组成装置的四块附板垂直分布在主板的四周，每块附板上载有一个二轴磁阻传感器(2-1)和一个±300°/s偏航角速度陀螺仪(2-2)，其中多磁阻传感器可以帮助放大信号并且可以消除误差，陀螺仪可以帮助消除装置正转和反转带来的误差。
4.根据权利要求1或2所述的伞降末端敏感器件姿态测量装置，所述地磁数据采集模块、陀螺仪数据采集模块、加速度数据采集模块信号经过高速放大器，放大后传输至AD转换器(1-4)，转换后进入数据处理模块，对采集数据进行运算处理，最终将数据传输至数据存储模块保存，保存的数据可以通过通信模块读取至上位机，经过分析反演后得到该装置的运动姿态信息。
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