姿態(tài)角測試方法

1 引言

　　飛行體姿態(tài)角的測試方法有很多種，如磁敏傳感器、高速攝影儀、加速度計法以及陀螺儀等。各種方法都有其優(yōu)點及應(yīng)用局限，適用于不同的應(yīng)用場合。某小型飛行體飛行過程中所受過載較小，姿態(tài)角變化不大，可容納測試儀的空間有限，針對該小型飛行器姿態(tài)角測試，提出了一種基于陀螺儀的姿態(tài)角存儲測試方法，介紹了具體實現(xiàn)方案。

　　2 姿態(tài)角測試系統(tǒng)設(shè)計

　　磁敏傳感器法通常只是作為一種輔助測試手段，高速攝影法易受天氣影響也限制了它的應(yīng)用。加速度計法有著低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點，但是理論計算及安裝復(fù)雜限制了該方法的應(yīng)用，在國內(nèi)多以理論研究為主。而陀螺儀法在過載不太大的場合應(yīng)用方便，成為此飛行器姿態(tài)角測試的一個很好的選擇。飛行體的姿態(tài)運動是飛行體繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動運動。在引入剛體假設(shè)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的概念后，飛行體的姿態(tài)定義為飛行體坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換。

　　2．1 陀螺儀姿態(tài)角測試原理

　　在對剛體的轉(zhuǎn)動運動進行解析描述時．常應(yīng)用歐拉角或卡爾丹角?？柕そ沁m用于姿態(tài)角變化較小的場合，因此．用卡爾丹角進行描述。取初始時刻飛行體坐標(biāo)系Oξηζ為固定坐標(biāo)系，0xyz為與飛行體固結(jié)的動坐標(biāo)系?？柕そ沁x取的方法是，首先繞ξ軸轉(zhuǎn)過α角，到達0x1y1zl的位置；再繞y1軸轉(zhuǎn)動β角，到達0x2y2z2的位置；再繞z2軸轉(zhuǎn)動γ角，到達0xyz的位置。轉(zhuǎn)動關(guān)系如圖l所示。

　 α、β以及γ分別為沿0ξ軸、0y1軸與0z軸的角速度分量，三次轉(zhuǎn)動如式（1）所示：

　　在此，以cx表示cosx、sx表示sinx，正切以tgx表示。各次轉(zhuǎn)動相應(yīng)的方向余弦矩陣分別為

　　飛行體的角速度ω，可以表示為：

　　式(7)為卡爾丹角表示的運動學(xué)微分方程，其中ωx、ωy及ωz分別為陀螺x軸、y軸及z軸的輸出。積分此式，可得卡爾丹角。

　　2．2 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　研究存儲測試技術(shù)之后，設(shè)計了存儲測試系統(tǒng)。體積微小和測量時不需要引線即不需要對外界的電磁輻射是他的最突出特點。在動態(tài)參數(shù)的存儲測試領(lǐng)域，測試儀要隨被測體一起運動，要求測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低及抗高過載等特點，下面將結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計闡述這些要求的相應(yīng)解決措施。

　　主控器件能否正常工作，是整個系統(tǒng)能否可靠獲得被測參數(shù)的關(guān)鍵。CPLD輸入和輸出引腳的原始電平可預(yù)先設(shè)定，開機即能達到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。信號傳輸效率高，適合高速采樣場合?？删幊踢壿嫼陠卧蜻壿媺K之間的相互連線在同一封裝內(nèi)，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。綜上所述，CPLD具有邏輯性強、響應(yīng)時間快、程序不易跑飛等特點。為此選用CPLD作為主控器件，設(shè)計盡量簡單可靠的器件內(nèi)部邏輯，以確保整個測試過程系統(tǒng)的正常工作。本系統(tǒng)存儲容量為512 Kxl2 bit，負延遲為128 Kxl2 bit，采樣頻率為8 kHz。測試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

　　存儲測試系統(tǒng)包括：陀螺輸出，信號處理(通道切換、信號適配電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器)，系統(tǒng)控制(中心控制器、電源控制)和接口電路4個部分。對三維角速度信號采用的是連續(xù)采樣的方法，需要進行通道切換。陀螺輸出的是電壓信號，可先進行通道切換再進行信號適配，這樣電路板的面積可以減小，進一步減小測試儀的體積。通過通道切換依次把傳感器信號送至信號適配電路，經(jīng)調(diào)理后送至A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入存儲器。當(dāng)觸發(fā)信號到來后，測試系統(tǒng)記錄完預(yù)設(shè)的容量，中心控制器給出模擬電源關(guān)斷信號，電源控制器停止記錄，測試系統(tǒng)進入省電模式。系統(tǒng)等待計算機發(fā)讀數(shù)指令由接口電路將數(shù)據(jù)讀出。設(shè)計了相應(yīng)的接口電路，USB口和并口都可讀取測試裝置的數(shù)據(jù)。

　　2．3 系統(tǒng)抗沖擊處理

　　測試系統(tǒng)工作全程要承受沖擊過載，裝置必須要進行抗沖擊處理，保護測試裝置，使其能在高沖擊環(huán)境下正常工作。為了抗高沖擊過載，專門選取了抗高過載的器件。其中最重要的主控器件采用XCR3064，抗高過載能力達到3×105g[6]。針對測試系統(tǒng)專門設(shè)計了抗沖擊機械殼體，并且用環(huán)氧樹脂對測試裝置進行了真空灌封處理，將測試電路固結(jié)在電路保護殼中以抗高過載。經(jīng)過上述抗高過載措施處理后，測試裝置能夠很好滿足測試需要，保證了測試系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)可重復(fù)使用。

　　3 測試結(jié)果及實測數(shù)據(jù)分析

　　存儲測試系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某小型飛行體的試驗，成功獲得了測試數(shù)據(jù)。下面是實測曲線及其分析，x軸為自轉(zhuǎn)軸，z軸為飛行方向。實測飛行過程角速度信號如圖3所示，圖3中，3個軸的角速度曲線在70 ms處均有一個小鼓包，為陀螺的加速度效應(yīng)在曲線上的表現(xiàn)。

　　陀螺儀測得的ωx、ωy以及ωz已知，根據(jù)表達式7所示的運動學(xué)微分方程，在MATLAB下解算出角度，如圖4所示。經(jīng)對比，與高速攝影記錄的姿態(tài)非常吻合。

　　4 結(jié)語

　　面向某飛行體姿態(tài)角測試的實際需要，研究姿態(tài)角測試技術(shù)，提出一種姿態(tài)角測試方案，分析理論基礎(chǔ)，作實際測試，實驗結(jié)果表明，該方案可滿足系統(tǒng)使用需求