CN114608516A - 一种小型化雷达动态测姿设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种小型化雷达动态测姿设备，包括：箱体1，以及设置在箱体1内的光纤陀螺组合2、加速度计3、IF板4、主控板5和电源模块6，其中：光纤陀螺组合2用于实时测量三轴角速率数据；加速度计3用于测量载体运动过程中的加速度数据，并将加速度计信号转换成电流信号，将电流信号输出至IF板4将加速度计输出的电流信号转换成脉冲信号，并输出至主控板5；主控板5用于接收和采集光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据，并进行动态姿态测量；电源模块6用于将输入的直流电源转换成产品内部各部组件所需的电源；主控板5具体用于将光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正，得到姿态信息。
Description
技术领域
本发明涉及姿态测量技术领域，尤其涉及一种小型化雷达动态测姿设备。
背景技术
雷达是武器系统的“眼睛”，是作战系统中的重要信息源，担负着发现、跟踪、识别、引导、指示灯重要任务。雷达的探测精度直接影响着武器系统的作战效能和生存能力，提高雷达阵面的实时测姿精度是保证雷达探测精度的重要手段。
目前市面上的测姿设备主要以水平仪为主，该设备能够在静态条件下提供较高的姿态精度，而实际工况中雷达阵面受风吹、雷达旋转、路面下沉等诸多因素影响、阵面长时间处于晃动状态，静态水平仪不满足实战化需求。因此，具备良好动态响应和测量精度的动态测姿设备成为了现代雷达系统的重要需求之一。
发明内容
本发明旨在提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的小型化雷达动态测姿设备。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
本发明提供了一种小型化雷达动态测姿设备，包括：箱体1，以及设置在箱体1内的光纤陀螺组合2、加速度计3、IF板4、主控板5和电源模块6，其中：光纤陀螺组合2，用于实时测量三轴角速率数据；加速度计3，用于测量载体运动过程中的加速度数据，并将加速度计信号转换成电流信号，将电流信号输出至IF板4；IF板4，用于将加速度计输出的电流信号转换成脉冲信号，并输出至主控板5；主控板5，用于接收和采集光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据，并进行动态姿态测量；电源模块6，用于将输入的直流电源转换成产品内部各部组件所需的电源；其中，主控板5通过如下方式进行动态姿态测量：主控板5，具体用于将光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正，得到姿态信息。
其中，互补滤波器包括：高通滤波器和低通滤波器；其中：光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据通过高通滤波器滤除积分漂移误差，得到处理后的三轴角速率[ωx ωyωz]；加速度计3测量的加速度数据通过低通滤波器滤除高频噪声，得到处理后的加速度数据[ax ay az]。
其中，主控板5通过如下方式将光纤陀螺组合2测量的三周角速率数据和加速度计3测量加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正：主控板5根据光纤陀螺组合2获取的当前姿态数据，姿态数据包括：偏航角Ψ，俯仰角θ，横滚角Φ，将当前姿态数据通过如下公式转换为当前时刻四元数：
主控板5计算当前时刻三轴对应的重力向量[vx vy vz]，其中，三轴对应的重力向量通过如下公式计算得到：
主控板5将三轴对应的重力向量[vx vy vz]与处理后的加速度数据[ax ay az]进行比较，获取计算误差矩阵[ex ey ez]，计算误差矩阵[ex ey ez]通过如下公式得到：[ex ey ez]T＝[vxvy vz]T×[ax ay az]T；主控板5利用误差矩阵[ex ey ez]修正处理后的三轴角速率[ωx ωyωz]，实时更新四元数，通过如下公式计算实时姿态数据：
其中，设备还包括：输出接口7；输出接口5与主控板5电连接，并将实时姿态数据输出。
其中，输出接口7为RS422接口。
由此可见，通过本发明提供的小型化雷达动态测姿设备，对产品进行小型化设计，为雷达阵面提供高精度的姿态信息。同时具备体积小、重量轻、动态性能好、测姿精度高等优势，产品结构设计精巧，采用AHRS快速姿态跟踪技术进行姿态解算，可为地面、海面等多领域装备持续提供高精度的姿态信息。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的产品示意图；
图2为本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的电气结构示意图；
图4为本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的工作流程图；
图5为本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的互补滤波工作原理。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
以下结合图1至图3，对本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备进行说明，参见图1和图3，本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备，包括：箱体1，以及设置在箱体1内的光纤陀螺组合2、加速度计3、IF板4、主控板5和电源模块6，其中：
光纤陀螺组合2，用于实时测量三轴角速率数据；
加速度计3，用于测量载体运动过程中的加速度数据，并将加速度计信号转换成电流信号，将电流信号输出至IF板4；
IF板4，用于将加速度计输出的电流信号转换成脉冲信号，并输出至主控板5；
主控板5，用于接收和采集光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据，并进行动态姿态测量；
电源模块6，用于将输入的直流电源转换成产品内部各部组件所需的电源；
其中，主控板5通过如下方式进行动态姿态测量：
主控板5，具体用于将光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据和加速度计3测量的加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正，得到姿态信息。
具体地，本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备以光纤惯性测量组合为核心器件构建捷联惯导系统，为了提高动态测姿系统的姿态快速响应能力，满足用户上电快速获取高精度姿态的需求，采用AHRS(Attitude and Heading Reference System)快速姿态跟踪技术进行姿态解算，算法优势在于上电10s左右快速输出惯导姿态，计算量小，输出姿态精度高。
本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备主要包括光纤陀螺组合2、石英挠性加速度计3、IF板4、主控板6、电源模块6和箱体1等结构。
其中：
光纤陀螺组合2内含三轴光纤陀螺，可实时测量三轴角速率；
石英挠性加速度计3主要测量载体运动过程中的加速度，并将加速度计信号转换成电流信号；
IF板4负责将加速度计3输出的电流信号转换成脉冲信号；
主控板5负责接收和采集光纤陀螺组合2和加速度计3的数据，并与上位机实现指令交互，同时，该主控板5也是算法实现的载体，运行动态姿态测量算法；
电源模块6主要负责将输入的直流电源转换成产品各部组件所需的电源；
箱体7结构是各部组件的安装载体，同时提供整机的密封和固定安装。
动态测姿设备的工作流程如下：
本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备的工作流程参见图4，设备上电自检正常后，可接收位置装订指令(如果未接受到该指令，自动使用上一次存储的装订值)，随后进入初始对准过程，完成设备的测姿，完成后即可实时测量载体的姿态，并通过输出接口向外输出。
作为本发明实施例的一个可选实施方式，本发明的AHRS姿态解算选用数据计算量小、无奇点的四元数算法用于载体运动过程中姿态的实时解算。
AHRS(Attitude and Heading Reference System)姿态解算原理为：对于一个确定的向量用不同的坐标系表示时，由于两个坐标系的旋转矩阵存在误差，当一个向量经过旋转矩阵旋转后，在另一个坐标系中存在偏差，通过这个偏差来修正旋转矩阵即可修正姿态。
光纤陀螺组合2经过积分得到姿态角，短时间内精度高，但因为陀螺仪自身存在漂移误差，随着时间的积累会逐渐增加，因此长时间的精度差，然而有良好的高频特性。与之相反，加速度计3短期精度较差，但其测量误差不会随时间的积累而增加，具有良好的低频特性。利用两者在频率上的互补关系，采用互补滤波算法对姿态数据进行融合能提高姿态的测量精度和动态响应。
作为本发明实施例的一个可选实施方式，互补滤波器包括：高通滤波器和低通滤波器；其中：光纤陀螺组合2测量的三轴角速率数据通过高通滤波器滤除积分漂移误差，得到处理后的三轴角速率[ωx ωy ωz]；加速度计3测量的加速度数据通过低通滤波器滤除高频噪声，得到处理后的加速度数据[ax ay az]。
具体地，互补滤波工作原理如图5所示：
构造G1为低通滤波器传递函数，G2为高通滤波器传递函数，得到：
其中s表示待测物体的信号值。
采用C表示载体运动过程中真实的姿态矩阵，Cw表示采用光纤陀螺组合测量数据得到的姿态矩阵，μL表示低频误差累计，C0表示加速度计观测到的姿态矩阵，μH表示高频误差累计，得到：
Cw＝C+μL,C0＝C+μH (6)
令
表示互补滤波器估计的姿态矩阵，得到：
因此采用互补滤波能够有效将光纤陀螺组合的低频和加速度计的高频滤去，使姿态矩阵的估计值更加接近真实的姿态矩阵。
作为本发明实施例的一个可选实施方式，主控板5通过如下方式将光纤陀螺组合2测量的三周角速率数据和加速度计3测量加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正：
主控板5根据光纤陀螺组合2获取的当前姿态数据，姿态数据包括：偏航角Ψ，俯仰角θ，横滚角Φ，将当前姿态数据通过如下公式转换为当前时刻四元数：
其中，q0、q1、q2、q3为实数；
主控板5计算当前时刻三轴对应的重力向量[vx vy vz]，其中，三轴对应的重力向量通过如下公式计算得到：
主控板5将三轴对应的重力向量[vx vy vz]与处理后的加速度数据[ax ay az]进行比较，获取计算误差矩阵[ex ey ez]，计算误差矩阵[ex ey ez[通过如下公式得到：
[ex ey ez]T＝[vx vy vz]T×[ax ay az]T；
主控板5利用误差矩阵[ex ey ez]修正处理后的三轴角速率[ωx ωy ωz]，实时更新四元数，通过如下公式计算实时姿态数据：
具体地，四元数算法得到姿态角的过程如下：
四元数基本表示形式为：
式中：q0,q1,q2,q3为实数,
为互相正交单位向量，为虚单位
当姿态角发生变化时，相当于载体坐标系分别绕地理坐标系X,Y,Z进行旋转，得到偏航角Ψ，俯仰角θ，横滚角Φ，转换矩阵为：
用四元数表示的方向余弦如式(3)所示。
通过公式(2)和公式(3)可以解算出姿态角：
具体地，基于以上算法原理，建立姿态测量过程如下：
第一步：初始化四元数；
第二步：通过光纤陀螺组合的原始输出数据，获取光纤陀螺组合的测量值[ωx ωyωz]，并经过高通滤波器进行滤波；
第三步：通过加速度计的原始输出数据，获取加速度计的测量值[ax ay az]，并经过低通滤波器进行滤波；
第四步：由光纤陀螺组合数据获取当前时刻四元数，并获取此刻对应的重力向量为：
其中[vx vy vz]为三轴对应的重力向量。
第五步：将三轴对应的重力向量与加速度计的测量值[ax ay az]比较，获取计算误差为[ex ey ez]为：
[ex ey ez]T＝[vx vy vz]T×[ax ay az]T (9)
其中[ex ey ez]为误差矩阵。
第六步：利用上式得到的误差矩阵修正光纤陀螺组合数据，实时更新四元数，再由公式(4)获取高精度的实时姿态数据。
作为本发明实施例的一个可选实施方式，小型化雷达动态测姿设备还包括：输出接口7；输出接口5与主控板5电连接，并将实时姿态数据输出。作为本发明实施例的的一个可选实施方式，输出接口7为RS422接口。
由此可见，利用本发明实施例提供的小型化雷达动态测姿设备，具备体积小、重量轻的优势，可快速为雷达阵面提供高精度姿态信息，提高了系统的实战化水平；产品的动态姿态测量精度优于30″(1σ)，实现了动态环境的高精度测姿。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
Claims (5)
1.一种小型化雷达动态测姿设备，其特征在于，包括：箱体(1)，以及设置在箱体(1)内的光纤陀螺组合(2)、加速度计(3)、IF板(4)、主控板(5)和电源模块(6)，其中：
所述光纤陀螺组合(2)，用于实时测量三轴角速率数据；
所述加速度计(3)，用于测量载体运动过程中的加速度数据，并将加速度计信号转换成电流信号，将所述电流信号输出至所述IF板(4)；
所述IF板(4)，用于将所述加速度计输出的所述电流信号转换成脉冲信号，并输出至所述主控板(5)；
所述主控板(5)，用于接收和采集光纤陀螺组合(2)测量的三轴角速率数据和所述加速度计(3)测量的所述加速度数据，并进行动态姿态测量；
所述电源模块(6)，用于将输入的直流电源转换成产品内部各部组件所需的电源；
其中，所述主控板(5)通过如下方式进行动态姿态测量：
所述主控板(5)，具体用于将所述光纤陀螺组合(2)测量的三轴角速率数据和所述加速度计(3)测量的所述加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正，得到姿态信息。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述互补滤波器包括：高通滤波器和低通滤波器；其中：
所述光纤陀螺组合(2)测量的三轴角速率数据通过所述高通滤波器滤除积分漂移误差，得到处理后的三轴角速率[ωx ωy ωz]；
所述加速度计(3)测量的所述加速度数据通过所述低通滤波器滤除高频噪声，得到处理后的加速度数据[ax ay az]。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述主控板(5)通过如下方式将所述光纤陀螺组合(2)测量的三周角速率数据和所述加速度计(3)测量加速度数据通过互补滤波器进行姿态修正：
所述主控板(5)根据所述光纤陀螺组合(2)获取的当前姿态数据，所述姿态数据包括：偏航角Ψ，俯仰角θ，横滚角Φ，将所述当前姿态数据通过如下公式转换为当前时刻四元数：
其中，q0、q1、q2、q3为实数；
所述主控板(5)计算当前时刻三轴对应的重力向量[vx vy vz]，其中，所述三轴对应的重力向量通过如下公式计算得到：
所述主控板(5)将所述三轴对应的重力向量[vx vy vz]与所述处理后的加速度数据[axay az]进行比较，获取计算误差矩阵[ex ey ez]，所述计算误差矩阵[ex ey ez]通过如下公式得到：
[ex ey ez]T＝[vx vy vz]T×[ax ay az]T；
所述主控板(5)利用所述误差矩阵[ex ey ez]修正所述处理后的三轴角速率[ωx ωyωz]，实时更新四元数，通过如下公式计算实时姿态数据：
4.根据权利要求1至3任一项所述的设备，其特征在于，还包括：输出接口(7)；
所述输出接口(5)与所述主控板(5)电连接，并将所述实时姿态数据输出。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述输出接口(7)为RS422接口。
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| 张仲俊 等: "基于STM32单片机的四轴飞行器飞行系统设计", 集宁师范学院学报, no. 6, pages 27 - 32 * |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115421132A (zh) * | 2022-11-04 | 2022-12-02 | 北京锐达仪表有限公司 | 一种具有安装角度误差自修正功能的3d扫描雷达 |
| CN115421132B (zh) * | 2022-11-04 | 2023-02-21 | 北京锐达仪表有限公司 | 一种具有安装角度误差自修正功能的3d扫描雷达 |
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