CN114994352B - 一种高速旋转制导炮弹转速测量方法 - Google Patents

一种高速旋转制导炮弹转速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，所述方法包括：获取制导炮弹的地磁测量数据；对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据；对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏；基于地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏对野点剔除后的地磁测量数据进行误差修正，得到误差修正后的地磁测量数据；基于误差修正后的地磁测量数据获取弹体的滚动角；基于弹体的滚动角获取弹体的滚动角速率；对弹体的滚动角速率进行滑动平均处理，得到弹体的转速。本发明能够解决采用现有转速测量方法进行制导炮弹的转速测量时，测量精度较低的技术问题。

Description

一种高速旋转制导炮弹转速测量方法
技术领域
本发明涉及高速旋转的制导炮弹技术领域，尤其涉及一种高速旋转制导炮弹转速测量方法。
背景技术
高过载微惯导系统不仅具有体积小、重量轻、自主性强、隐蔽性好等特点，而且具有抗高过载恶劣力学环境的突出特点，在制导炮弹、电磁导轨炮弹、超远程制导炮弹等使用领域有着广阔的应用前景。
制导炮弹在飞行过程中会同时存在高速旋转运动，即一边前进一边绕其弹体纵轴旋转，可以通过高速旋转所产生的陀螺效应获得一定的稳定性。制导炮弹出口转速通常在几十转每秒，即使通过减旋，微惯导系统在通电瞬间，弹体转速通常也在十转每秒以上。弹体起控后，转速会下降到3r/s～5r/s，直至飞行任务结束。
制导炮弹的转速测量对弹体飞行控制以及外弹道运动特性都有至关重要的影响，现阶段通常通过微惯导系统的陀螺仪实现弹体转速的测量，由于弹体转速较高，陀螺标度因数误差会导致转速测量精度下降，并且弹体飞行过程中，力学环境复杂，高频冲击和强振动也会导致陀螺测量精度下降。
发明内容
本发明提供了一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，能够解决采用现有转速测量方法进行制导炮弹的转速测量时，测量精度较低的技术问题。
根据本发明的一方面，提供了一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，所述方法包括：
获取制导炮弹的地磁测量数据；
对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据；
对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏；
基于地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏对野点剔除后的地磁测量数据进行误差修正，得到误差修正后的地磁测量数据；
基于误差修正后的地磁测量数据获取弹体的滚动角；
基于弹体的滚动角获取弹体的滚动角速率；
对弹体的滚动角速率进行滑动平均处理，得到弹体的转速。
优选的，对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据包括：
判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变；
在当前帧地磁测量数据未出现跳变的情况下，将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；
在当前帧地磁测量数据出现跳变的情况下，判断上一帧和上上帧的地磁测量数据是否全部出现跳变；若上一帧和上上帧的地磁测量数据未全部出现跳变，则将上一帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；若上一帧和上上帧的地磁测量数据全部出现跳变，则将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据，并以当前帧地磁测量数据作为基准数据进行后续跳变判断。
优选的，判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变包括：
在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值大于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据出现跳变；
在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值小于或等于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据未出现跳变。
优选的，对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏包括：
对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，获取地磁测量数据的最大值和最小值；
基于地磁测量数据的最大值和最小值得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏。
优选的，通过下式得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏：
Figure SMS_1
式中，xsf、ysf分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的刻度系数，xbias、ybias分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的零偏，Bx_max为标定期间内X轴地磁测量数据的最大值，Bx_min为标定期间内X轴地磁测量数据的最小值，By_max为标定期间内 Y轴地磁测量数据的最大值，By_min为标定期间内Y轴地磁测量数据的最小值。
优选的，通过下式得到误差修正后的地磁测量数据：
Figure SMS_2
式中，Btg_x为误差修正后的X轴地磁测量数据，Btg_y为误差修正后的Y轴地磁测量数据，Bx(k)为当前时刻载体坐标系X轴地磁测量数据，By(k)为当前时刻载体坐标系Y轴地磁测量数据。
优选的，通过下式获取弹体的滚动角：
Figure SMS_3
式中，γ为弹体的滚动角。
优选的，通过下式获取弹体的滚动角速率：
Mag_ωx＝Δγ′/Tn；
其中，
Figure SMS_4
式中，Mag_ωx为弹体滚动角速率，Δγ′为阈值保护后的相邻两帧滚动角差值，Δγ为相邻两帧滚动角差值，Tn为相邻两帧滚动角的间隔时间，γ(k)为当前时刻弹体的滚动角，γ(k-1)为上一时刻弹体的滚动角。
优选的，获取制导炮弹的地磁测量数据包括：利用微惯导系统的地磁传感器获取制导炮弹的地磁测量数据。
根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。
应用本发明的技术方案，在弹体高速旋转过程中，获取制导炮弹呈正弦周期变化的地磁测量数据，利用垂直于弹体旋转轴周期信号的相位差，通过野点剔除、误差标定以及滚动角、滚动角速率的计算，以实现弹体转速的高精度测量。本发明可直接采用微惯导系统内的地磁传感器获取的地磁测量数据来实现弹体转速的高精度测量，其成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息，对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义，可广泛应用于高速旋转的制导炮弹领域。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的附图。
图1示出了根据本发明的一种实施例提供的高速旋转制导炮弹转速测量方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示，本发明提供了一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，所述方法包括：
S10、获取制导炮弹的地磁测量数据；
S20、对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据；
S30、对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏；
S40、基于地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏对野点剔除后的地磁测量数据进行误差修正，得到误差修正后的地磁测量数据；
S50、基于误差修正后的地磁测量数据获取弹体的滚动角；
S60、基于弹体的滚动角获取弹体的滚动角速率；
S70、对弹体的滚动角速率进行滑动平均处理，得到弹体的转速。
本发明在弹体高速旋转过程中，获取制导炮弹呈正弦周期变化的地磁测量数据，利用垂直于弹体旋转轴周期信号的相位差，通过野点剔除、误差标定以及滚动角、滚动角速率的计算，以实现弹体转速的高精度测量。本发明可直接采用微惯导系统内的地磁传感器获取的地磁测量数据来实现弹体转速的高精度测量，其成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息，对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义，可广泛应用于高速旋转的制导炮弹领域。
根据本发明的一种实施例，在本发明的S10中，为了不依赖外界辅助信息，可利用微惯导系统的地磁传感器获取制导炮弹的地磁测量数据。
根据本发明的一种实施例，为了提高弹体转速的测量精度，微惯导系统在初始化完成后，开始进行地磁测量数据野点剔除判断，直至导航结束。
具体地，在本发明的S20中，对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据包括：
S21、判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变；
S22、在当前帧地磁测量数据未出现跳变的情况下，将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；
S23、在当前帧地磁测量数据出现跳变的情况下，判断上一帧和上上帧的地磁测量数据是否全部出现跳变；若上一帧和上上帧的地磁测量数据未全部出现跳变，则将上一帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；若上一帧和上上帧的地磁测量数据全部出现跳变，则将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据，并以当前帧地磁测量数据作为基准数据进行后续跳变判断。
此外，在本发明的S21中，判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变包括：
S211、在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值大于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据出现跳变；
S212、在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值小于或等于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据未出现跳变。
举例来讲，预设值可设置为100，在本发明的S23中，若上一帧和上上帧的地磁测量数据未全部出现跳变，则通过下式进行野点剔除：
若|Bx(k)-Bx(k-1)|＞100，则Bx(k)＝Bx(k-1)；
若|By(k)-By(k-1)|＞100，则By(k)＝By(k-1)。
式中，Bx(k)为当前时刻载体坐标系X轴地磁测量数据，By(k)为当前时刻载体坐标系Y轴地磁测量数据，Bx(k-1)为上一时刻载体坐标系X轴地磁测量数据， By(k-1)为上一时刻载体坐标系Y轴地磁测量数据。
若连续3帧判断出跳变，则以第3帧地磁测量数据作为基准，重新开始跳变判断。
根据本发明的一种实施例，为了进一步提高弹体转速的测量精度，野点剔除判断的同时，同步进行对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定。其中，在线标定时间通常为10s，在线标定的结束时刻，分别计算地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏。
具体地，在本发明的S30中，对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏包括：
S31、对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，获取地磁测量数据的最大值和最小值；
S32、基于地磁测量数据的最大值和最小值得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏。
其中，在本发明的S31中，通过下式获取地磁测量数据的最大值和最小值：
若Bx(k)≥Bx_max，则Bx_max＝Bx(k)；
若Bx(k)≤Bx_min，则Bx_min＝Bx(k)；
若By(k)≥By_max，则By_max＝By(k)；
若By(k)≤By_min，则By_min＝By(k)；
在本发明的S32中，通过下式得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏：
Figure SMS_5
式中，xsf、ysf分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的刻度系数，xbias、ybias分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的零偏，Bx_max为标定期间内X轴地磁测量数据的最大值，Bx_min为标定期间内X轴地磁测量数据的最小值，By_max为标定期间内 Y轴地磁测量数据的最大值，By_min为标定期间内Y轴地磁测量数据的最小值。
根据本发明的一种实施例，在本发明的S40中，通过下式得到误差修正后的地磁测量数据：
Figure SMS_6
式中，Btg_x为误差修正后的X轴地磁测量数据，Btg_y为误差修正后的Y轴地磁测量数据，Bx(k)为当前时刻载体坐标系X轴地磁测量数据，By(k)为当前时刻载体坐标系Y轴地磁测量数据。
根据本发明的一种实施例，在本发明的S50中，通过下式获取弹体的滚动角：
Figure SMS_7
式中，γ为弹体的滚动角。
根据本发明的一种实施例，在本发明的S60中，通过下式获取弹体的滚动角速率：
Mag_ωx＝Δγ′/Tn；
其中，
Figure SMS_8
Δγ＝γ(k)-γ(k-1)；
式中，Mag_ωx为弹体滚动角速率，Δγ′为阈值保护后的相邻两帧滚动角差值，Δγ为相邻两帧滚动角差值，Tn为相邻两帧滚动角的间隔时间，γ(k)为当前时刻弹体的滚动角，γ(k-1)为上一时刻弹体的滚动角。
根据本发明的一种实施例，在本发明的S70中，滑动平均计算的周期选取越长，计算得到的数据波动越小，但也会导致计算结果的延迟增大。因此，滑动平均计算的周期通常为1s。
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。
综上所述，本发明提供了一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，该方法在弹体高速旋转过程中，获取制导炮弹呈正弦周期变化的地磁测量数据，利用垂直于弹体旋转轴周期信号的相位差，通过野点剔除、误差标定以及滚动角、滚动角速率的计算，以实现弹体转速的高精度测量。本发明可直接采用微惯导系统内的地磁传感器获取的地磁测量数据来实现弹体转速的高精度测量，其成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息，对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义，可广泛应用于高速旋转的制导炮弹领域。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高速旋转制导炮弹转速测量方法，其特征在于，所述方法包括：
获取制导炮弹的地磁测量数据；
对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据；
对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏；
基于地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏对野点剔除后的地磁测量数据进行误差修正，得到误差修正后的地磁测量数据；
基于误差修正后的地磁测量数据获取弹体的滚动角；
基于弹体的滚动角获取弹体的滚动角速率；
对弹体的滚动角速率进行滑动平均处理，得到弹体的转速；
对地磁测量数据进行野点剔除，得到野点剔除后的地磁测量数据包括：
判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变；
在当前帧地磁测量数据未出现跳变的情况下，将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；
在当前帧地磁测量数据出现跳变的情况下，判断上一帧和上上帧的地磁测量数据是否全部出现跳变；若上一帧和上上帧的地磁测量数据未全部出现跳变，则将上一帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据；若上一帧和上上帧的地磁测量数据全部出现跳变，则将当前帧地磁测量数据作为野点剔除后的当前帧地磁测量数据，并以当前帧地磁测量数据作为基准数据进行后续跳变判断。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，判断当前帧地磁测量数据是否出现跳变包括：
在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值大于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据出现跳变；
在当前帧地磁测量数据与上一帧地磁数据差值的绝对值小于或等于预设值的情况下，判断当前帧地磁测量数据未出现跳变。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，以得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏包括：
对野点剔除后的地磁测量数据的测量误差进行在线标定，获取地磁测量数据的最大值和最小值；
基于地磁测量数据的最大值和最小值得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式得到地磁测量数据的刻度系数和地磁测量数据的零偏：
Figure FDA0004201503730000021
式中，xsf、ysf分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的刻度系数，xbias、ybias分别表示X轴、Y轴地磁测量数据的零偏，Bx_max为标定期间内X轴地磁测量数据的最大值，Bx_min为标定期间内X轴地磁测量数据的最小值，By_max为标定期间内Y轴地磁测量数据的最大值，By_min为标定期间内Y轴地磁测量数据的最小值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式得到误差修正后的地磁测量数据：
Figure FDA0004201503730000031
式中，Btg_x为误差修正后的X轴地磁测量数据，Btg_y为误差修正后的Y轴地磁测量数据，Bx(k)为当前时刻载体坐标系X轴地磁测量数据，By(k)为当前时刻载体坐标系Y轴地磁测量数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式获取弹体的滚动角：
Figure FDA0004201503730000032
式中，γ为弹体的滚动角。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过下式获取弹体的滚动角速率：
Mag_ωx＝Δγ′/Tn；
其中，
Figure FDA0004201503730000033
式中，Mag_ωx为弹体滚动角速率，Δγ′为阈值保护后的相邻两帧滚动角差值，Δγ为相邻两帧滚动角差值，Tn为相邻两帧滚动角的间隔时间，γ(k)为当前时刻弹体的滚动角，γ(k-1)为上一时刻弹体的滚动角。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取制导炮弹的地磁测量数据包括：
利用微惯导系统的地磁传感器获取制导炮弹的地磁测量数据。
9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至8任一所述方法。
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