CN112577484A - 一种小型气象探测设备应用的遥测装置 - Google Patents

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Abstract

一种小型民用气象探测设备的遥测装置，能够实现弹体姿态、环境力信息的实时监控与记录，满足200km范围内的数据监控。该装置包含：GPS单元，惯性测量单元，电源管理模块，数据记录仪，发射机，功分器、天线，开关模块，数据通信串口以及人机交互软件；惯性电路部分由三组电路构成，采用柔性相叠设计，下方放置电源管理模块，除提供电压外可以控制GPS单元启动，底部发射机和电源模块采用功分器分隔，两侧天线利用功分器与发射机形成回路，开关模块可以控制整个装置工作与否，脱落插座可外部供电并触发电池供电，最底部通过连接器可以实现和外部数据通信；GPS单元采用树脂外壳进行保护，本发明公开了遥测装置具体结构与尺寸。

Description

一种小型气象探测设备应用的遥测装置
技术领域
本发明属于惯性导航测量技术领域，特别是涉及一种小型高空气象探测所应用到的惯性测量装置。
背景技术
随着导航中遥测技术的快速发展以及全球气候的变化，基于惯性测量的导航相关技术越来越受到人们以及相应企业的关注，尤其对于惯性测量装置的小型化、高动态、高精度等要求越来越严格，如某些高过载炮弹，为保证瞬时态数据测量和储存，均需提高惯性测量装置精度、范围以及可靠性等。由于受到诸多环境的制约，遥测装置综合化小型化是必然趋势。而此惯性遥测装置包含电池，启动装置，GPS，惯性测量单元在内。由于惯性器件体积问题，导致遥测装置的体积小型化成为一种必然技术。惯性导航装置主由陀螺仪、加速度计组成，组合导航包含了惯性导航、卫星导航、地磁等在内，是一个综合体。目前主要用于个人定位技术，无人机，导弹，水下机器人等各个方面。遥测技术目前已得到广泛应用。本发明基于组合导航技术，提出了一种小型民用气象探测设备的遥测装置，能够实现弹体姿态、环境力信息的实时监控与记录，满足200km范围内的数据监控。装置结构小型化，可以适合多种高动态环境下的导航。
与同领域的相关申请专利进行对比，本发明的创造性及优点较为明显。比如，申请号为：CN200910071447.7，专利名称是《一种微小型惯性测量装置》的专利，其采用的加速度传感器单元、信号调理电路部分、A/D转换模块以及DSP芯片构成的控制及数据处理部分组成；加速度传感器单元包括九个加速度传感器、安装在一个壳体内；加速度传感器单元的输出信号经过信号调理电路，输入到A/D转换模块；A/D转换模块的输出的信号进入DSP芯片构成的控制及数据处理部分。与本文相比，他没有公开遥测装置具体尺寸，并且无GPS和发射机等远距离接收装置。再比如，申请号为：CN201420357973.6，专利名称是《紧凑型三轴惯性测量装置》的专利，虽然公布了具体结构，但是仅仅只有三轴加速度计和陀螺仪。
发明内容
本发明的主要目的在于：面向小型气象探测设备，利用遥测装置存储惯性导航、GPS信息，进行姿态解算。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型民用气象探测设备的遥测装置，能够实现弹体姿态、环境力信息的实时监控与记录，满足200km范围内的数据监控。该装置包含：GPS单元，惯性测量单元，电源管理人机交互软件；惯性电路部分由三组电路构成，采用柔性设计，相叠摆放，下方放置电源管理模块，除提供电压外可以控制GPS单元启动，底部发射机和电源模块采用功分器分隔，两侧天线利用功分器与发射机形成回路，开关模块可以控制整个装置工作与否，最底部通过连接器可以实现和外部数据通信。
惯性测量单元：
包括加速度计，三轴陀螺仪，磁强计，温度传感器，A/D转换芯片，FPGA，ARM在内，采用三块直径为29mm的刚柔结合电路相叠摆放，传感器正交排列。这个惯性测量仓径36mm。
电源管理模块：
电源管理模块分别可以提供模拟电压6.5V为传感器供电，数字电压3.3V为ARM以及FPGA供电，提供两组5V电压分别为GPS单元和发射机供；模块提供PW-GT控制引脚可以控制GPS单元以及发射机的启动。
开关控制模块：
开关控制模块可以有效控制装置启动与供电，当开关模块触发线接入4-16V电压5s后，电池进行供电；如需要关闭装置，触发线接入4-16V电压2S，电池停止供电。
连接器仓：连接器仓由九针雷默连接器构成，分别定义为电池正极、电池负极、设备正极、设备负极、RS-422以及触发信号线。
电池仓：内部装有两节3.7V电池，以及开关控制模块，九针雷默连接器通过电源仓进入连接器仓。
现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明利用惯性测量单元工作时，很大程度避免了各高频信号相互之间的干扰。
(2)装置可整体或部分触发与关断，避免误操作；
(3)本发明合理利用空间，将装置结构尽可能小型化，为使用带来便利。
附图说明
图1为装置整体结构图；
图2为惯性测量单元结构示意图；
图3为电池仓结构示意图；
图4为连接器仓结构示意图；
具体实施方式
本发明提供的型民用气象探测设备的遥测装置结构图如图1所示：
一种小型民用气象探测设备的遥测装置，能够实现弹体姿态、环境力信息的实时监控与记录，满足200km范围内的数据监控。该装置包含：GPS单元，惯性测量单元，电源管理模块，数据记录仪，发射机，功分器、天线，开关模块，数据通信串口以及人机交互软件；惯性电路部分由三组电路构成，采用柔性设计，下方放置电源管理模块，除提供电压外可以控制GPS单元启动，底部发射机和电源模块采用功分器分隔，两侧天线利用功分器与发射机形成回路，开关模块可以控制装置工作与否，最底部通过连接器可以实现和外部数据通信。
具体步骤如下：
步骤1：利用自身雷默连接器和开关模块进行装置前供电检测，检查电池电压是否正常，以及通过脱落开关或者雷默插座进行手动装置触发。给予4-16V持续5S的电平来使电池进行供电，系统开始工作，当系统需要紧急关闭时，给予4-16V持续2S的电平，系统关闭。
步骤2：底部拥有9针雷默连接器，可以进行电池电压检测，设备供电，装置触发，以及RS-422串口，系统运作后，GPS单元以及发射机开始工作，为避免发射机测试时长时间工作带来的风险，可通过人机交互软件和串口进行发射机以及GPS单元的关闭。
步骤3：利用发射机和天线来进行200km内数据接收，或者利用底部422串口进行数据读取。
步骤4：根据加速度的值确定初始姿态角(初始欧拉角)进行对准。首先定义：
(1)绕x轴转φ角横滚角(2)绕y轴转θ角俯仰角(3)绕z轴转ψ角航向角。利用如下公式进行初始对准
Figure BSA0000191551030000051
(4)设初始航向角为0，即ψ＝0
其中，f为加速度计输出。
5、根据权利要求1所述的小型民用气象探测设备的遥测装置，其特征在于：(1)由初始姿态角(欧拉角)确定初始姿态矩阵。求从载体系b到导航坐标系n的方向余弦矩阵
Figure BSA0000191551030000052
Figure BSA0000191551030000053
(2)利用初始方向余弦矩阵求初始四元数：
Figure BSA0000191551030000054
Figure BSA0000191551030000055
Figure BSA0000191551030000056
Figure BSA0000191551030000057
(3)四元数更新，求解四元数微分方程，利用毕卡求解法的定时采样增量法求解四元数。
Figure BSA0000191551030000061
(4)由更新的四元数求欧拉角
Figure BSA0000191551030000062
θ＝[2(ac-bd)]
Figure BSA0000191551030000063

Claims (5)

1.一种小型民用气象探测设备的遥测装置，能够实现弹体姿态、环境力信息的实时监控与记录，满足200km范围内的数据监控。该装置包含：GPS单元，惯性测量单元，电源管理模块，数据记录仪，发射机，功分器、天线，开关模块，数据通信串口以及人机交互软件；惯性电路部分由三组电路构成，采用柔性设计，下方放置电源管理模块，除提供电压外可以控制GPS单元启动，底部发射机和电源模块采用功分器分隔，两侧天线利用功分器与发射机形成回路，开关模块可以控制装置工作与否，最底部通过连接器可以实现和外部数据通信。
2.根据权利要求1所述的小型民用气象探测设备的遥测装置，其特征在于：惯性测量单元由三块PCB板柔性相连，相叠摆放，电路板间隔5毫米，传感器位于最上方正交排列组成；测量传感器件包括加速度计、陀螺仪、地磁传感器，整个惯性测量单元结构高度为61毫米，直径为36mm。
3.根据权利要求1或2所述的小型民用气象探测设备的遥测装置，其特征在于：利用功分器将惯性测量单元和发射机分隔开来，将发射机和天线通过功分器相连。
4.根据权利要求1所述的小型民用气象探测设备的遥测装置，其特征在于：根据加速度的值确定初始姿态角(初始欧拉角)进行对准。首先定义：
(1)绕x轴转φ角横滚角(2)绕y轴转θ角俯仰角(3)绕z轴转ψ角航向角。利用如下公式进行初始对准
Figure FSA0000191551020000011
(2)设初始航向角为0，即ψ＝0
其中，f为加速度计输出。
5.根据权利要求1所述的小型民用气象探测设备的遥测装置，其特征在于：(1)由初始姿态角(欧拉角)确定初始姿态矩阵。求从载体系b到导航坐标系n的方向余弦矩阵
Figure FSA0000191551020000021
Figure FSA0000191551020000022
(2)利用初始方向余弦矩阵求初始四元数：
Figure FSA0000191551020000023
Figure FSA0000191551020000024
Figure FSA0000191551020000025
Figure FSA0000191551020000026
(3)四元数更新，求解四元数微分方程，利用毕卡求解法的定时采样增量法求解四元数。
Figure FSA0000191551020000027
(4)由更新的四元数求欧拉角
Figure FSA0000191551020000028
θ＝[2(ac-bd)]
Figure FSA0000191551020000029
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