旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法
【專利摘要】本發明提出一種旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法，涉及旋轉彈姿態測量【技術領域】，本發明包括傳感器單元，所述傳感器單元包含兩軸加速度傳感器；所述加速度傳感器用以測量垂直敏感軸兩個方向上的加速度并輸出到處理電路；所述處理電路接收兩軸加速度傳感器輸出的測量結果，運算獲得旋轉彈在彈道中的航向角角速率、俯仰角角速率。本方法通過采用加速度傳感器作為航向角和俯仰角角速率測量的核心測量器件，有效減小測量裝置體積，降低成本，能夠適應旋轉彈彈道各個階段的特殊環境，并且不受外界電、磁干擾。
【專利說明】旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量【技術領域】。
【背景技術】
[0002]隨著現代戰爭向著局部化，精準化方向發展，彈藥的智能和精準控制成為了一個重要的研究方向。旋轉彈通過自身旋轉以克服由推力偏心，質量偏心，氣動偏心等引起的彈道散布，具有較強的抗干擾能力，受到了科研人員的青睞。由于高速旋轉彈從出膛、飛行、侵徹等過程需要經歷高沖擊、高動態等極其惡劣極端的物理過程，使得實時準確監測并控制旋轉彈的姿態成為一大難題。
[0003]目前，測量旋轉彈姿態的方法大體可以分為:1、天體導航法:包含太陽方位角遙測法、星敏器法，該方法受限于時間、天氣等因素；2、外界輔助導航法:包含GPS測姿法、基于光電測量的外側法，該方法很大程度上依賴與外界輔助設備且更新頻率低；3、自主導航法:包含陀螺儀法、地磁傳感器法和加速度計法，該方法可以不依賴外界設備，可以完全自主的，實時準確的獲得彈體的姿態信息。其中地磁傳感器法，具有自主導航的優點，并且其誤差不隨時間積累等慣性傳感器所不可睥睨的優勢，但是其要求不受電、磁的干擾，很顯然在實戰中很難滿足；陀螺儀法，在自主導航中的大量的應用，但是光學陀螺，機械類陀螺儀難以滿足旋轉彈在出膛、侵徹等過程的高沖擊的需要，振梁式陀螺儀，MEMS陀螺儀具有抗沖擊的潛能，但是由于旋轉彈的高速自旋(1800rad/s)將產生嚴重的軸間干擾，因此在旋轉彈測姿方面顯得難以勝任；加速度計法，傳統采用的四加速度計法、六加速度計法、十二加速度計法等，這些方法同等條件下，體積大，成本高。
[0004]由于旋轉彈的運行時間較短，橫滾角速率遠遠大于航向角、俯仰角角速率，同時受測量技術手段的限制，本領域的技術人員在低精度領域下將航向角、俯仰角角速率變化忽略不計。而隨著精準制導需求的增加和傳感器技術的發展，使得對航向角、俯仰角角速率實時測量與控制成為一種需要和可能。
[0005]鑒于此，現有的測量方法還存在進一步改進的需要。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在于提供一種利用正交雙軸加速度傳感器進行旋轉彈航向角、俯仰角角速率的實時測量方法。該方法將雙軸加速度傳感器的敏感軸垂直于彈體的彈軸方向放置，可以免受彈軸方向的高沖擊的影響，同時保持對垂直于彈軸方向平面內加速度的測量，通過數據換算得到旋轉彈的航向角、俯仰角角速率，進而實現全程、實時、無輻射、高速率的航向角、俯仰角角速率的檢測與控制。
[0007]本發明采用的技術方案如下:
[0008]一種旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法，所述方法采用由兩軸加速度傳感器組成的傳感器單元，加速度傳感器敏感軸相互垂直布置在旋轉彈上，并與旋轉彈旋轉軸垂直；所述兩軸加速度傳感器測量垂直于旋轉彈旋轉軸的兩個方向上的加速度并輸出到處理電路；所述處理電路接收兩軸加速度傳感器輸出的測量結果，運算獲得旋轉彈在彈道中的航向角、俯仰角角速率；
[0009]運算采用如下公式:
[0010]ωζ = —(α,.+ο/.χ)/2 y[0011 ] ωχ = (αζ + oy-z)j2y
[0012]其中，ωζ是航向角角速率，(^俯仰角角速率士士分別是通過加速度傳感器獲得的橫向、豎向加速度值，X，Z兩軸加速度傳感器距離敏感軸的距離，Oy是橫滾角角速率，j表示旋轉彈的線速度。本領域技術人員應該理解，以上的角速率都是指的實時的角速率。
[0013]本發明通過橫軸軸向加速度傳感器、豎軸軸軸加速度傳感器作為核心傳感器，用于測量橫軸，豎軸方向上的加速度值并輸出到處理電路，降低了系統的復雜程度，有效減小航向角、俯仰角角速率測量裝置體積，降低成本，能夠適應旋轉彈彈道各個階段的特殊環境，并且不受外界電、磁干擾。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]為了使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述:
[0015]圖1本發明的測量系統框圖；
[0016]圖2本發明的加速度傳感器位置設置示意圖。
具體實施方 式:
[0017]參見附圖1:本發明提出的旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法采用的測量系統包括傳感器單元3、處理電路單元5和上位機顯示單元6。
[0018]所述傳感器單元由兩軸加速度傳感器即橫軸加速度傳感器31、豎軸加速度傳感器32組成，所述兩軸加速度傳感器敏感軸要相互垂直布置，并垂直于旋轉彈的縱軸12。所述橫軸和豎軸加速度傳感器31和32在安裝過程中，需要測量兩個加速度傳感器距離縱軸12的距離41和42。
[0019]所述處理電路單元5，所述處理電路5接收兩路加速度傳感器的測量結果，運算獲得旋轉彈圍繞豎軸13和橫軸11方向的角速率。其由模數轉換電路AD652SQ、32位浮點運算精度數字信號處理器TMS320C6713B及其相關電源模塊和通信模塊構成，實現加速度傳感器數據采集、航向角、俯仰角角速率的解算并輸送給上位機6。
[0020]所述上位機顯示系統6即為普通的數字顯示系統。
[0021]所述處理電路單元5采用的航向角、俯仰角角速率解算公式如下:
[0022]ωζ = ~(ax + ar*x)/2y
[0023](O, = (α..+ο^.ζ)/2 y
[0024]其中，ωζ是航向角角速率，ωχ俯仰角角速率，ax、az分別是通過加速度傳感器獲得的橫向、豎向加速度值，X、z是兩軸加速度傳感器距離縱軸的距離，是橫滾角角速率，7表示旋轉彈的線速度。[0025]以上兩個公式是基于以下理論研究和解算方法而獲得:
[0026]傳統彈丸在空氣阻力作用下，當所受合外力不通過質心時，合外力將導致彈丸翻轉。在來復線的作用下是彈丸產生高速自旋，產生進動使彈丸具有軸向穩定性，在一定程度上消除空氣阻力等外力的影響，進而增加系統瞄準和直射距離。旋轉彈丸在彈道階段橫滾角角速率是衰減的，本領域的技術人員可以采用下式得到角速率和時間關系:
[0027]
【權利要求】
1.旋轉彈航向角、俯仰角角速率測量方法，其特征在于:所述方法采用由兩軸加速度傳感器組成的傳感器單元，所述加速度傳感器的敏感軸相互垂直布置在旋轉彈上，并與旋轉彈旋轉軸即縱軸垂直；所述兩軸加速度傳感器測量垂直于旋轉彈旋轉軸的兩個方向上的加速度并輸出到處理電路；所述處理電路接收兩軸加速度傳感器輸出的測量結果，運算獲得旋轉彈在彈道中的航向角角速率和俯仰角角速率； 運算采用如下公式:
【文檔編號】G01P7/00GK103869097SQ201410131373
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年4月2日 優先權日:2014年4月2日
【發明者】路永樂, 潘英俊, 任春華, 黎蕾蕾, 劉宇, 盧艷, 馮鵬, 李兵, 陳燦 申請人:重慶大學