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(diǎn)及應用局限，適用于不同的應用場(chǎng)合。某小型飛行體飛行過(guò)程中所受過(guò)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(shí)現方案。

　　2 姿態(tài)角測試系統設計

　　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用。加速度計法有著(zhù)低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但是理論計算及安裝復雜限制了該方法的應用，在國內多以理論研究為主。而陀螺儀法在過(guò)載不太大的場(chǎng)合應用方便，成為此飛行器姿態(tài)角測試的一個(gè)很好的選擇。飛行體的姿態(tài)運動(dòng)是飛行體繞自身質(zhì)心的轉動(dòng)運動(dòng)。在引入剛體假設和坐標系轉換的概念后，飛行體的姿態(tài)定義為飛行體坐標系相對于參考坐標系的旋轉變換。

　　2．1 陀螺儀姿態(tài)角測試原理

　　在對剛體的轉動(dòng)運動(dòng)進(jìn)行解析描述時(shí)．常應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(chǎng)合，因此．用卡爾丹角進(jìn)行描述。取初始時(shí)刻飛行體坐標系Oξηζ為固定坐標系，0xyz為與飛行體固結的動(dòng)坐標系?？柕そ沁x取的方法是，首先繞ξ軸轉過(guò)α角，到達0x1y1zl的位置；再繞y1軸轉動(dòng)β角，到達0x2y2z2的位置；再繞z2軸轉動(dòng)γ角，到達0xyz的位置。轉動(dòng)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，三次轉動(dòng)如式（1）所示：

　　在此，以cx表示cosx、sx表示sinx，正切以tgx表示。各次轉動(dòng)相應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(dòng)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 系統實(shí)現

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

　　主控器件能否正常工作，是整個(gè)系統能否可靠獲得被測參數的關(guān)鍵。CPLD輸入和輸出引腳的原始電平可預先設定，開(kāi)機即能達到預定電平，狀態(tài)明確。信號傳輸效率高，適合高速采樣場(chǎng)合?？删幊踢壿嫼陠卧蜻壿媺K之間的相互連線(xiàn)在同一封裝內，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、響應時(shí)間快、程序不易跑飛等特點(diǎn)。為此選用CPLD作為主控器件，設計盡量簡(jiǎn)單可靠的器件內部邏輯，以確保整個(gè)測試過(guò)程系統的正常工作。本系統存儲容量為512 Kxl2 bit，負延遲為128 Kxl2 bit，采樣頻率為8 kHz。測試系統原理框圖如圖2所示。

　　存儲測試系統包括：陀螺輸出，信號處理(通道切換、信號適配電路、A／D轉換器、數據存儲器)，系統控制(中心控制器、電源控制)和接口電路4個(gè)部分。對三維角速度信號采用的是連續采樣的方法，需要進(jìn)行通道切換。陀螺輸出的是電壓信號，可先進(jìn)行通道切換再進(jìn)行信號適配，這樣電路板的面積可以減小，進(jìn)一步減小測試儀的體積。通過(guò)通道切換依次把傳感器信號送至信號適配電路，經(jīng)調理后送至A／D轉換器，將模擬量轉換為數字量，存入存儲器。當觸發(fā)信號到來(lái)后，測試系統記錄完預設的容量，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，測試系統進(jìn)入省電模式。系統等待計算機發(fā)讀數指令由接口電路將數據讀出。設計了相應的接口電路，USB口和并口都可讀取測試裝置的數據。

　　2．3 系統抗沖擊處理

　　測試系統工作全程要承受沖擊過(guò)載，裝置必須要進(jìn)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(guò)載，專(zhuān)門(mén)選取了抗高過(guò)載的器件。其中最重要的主控器件采用XCR3064，抗高過(guò)載能力達到3×105g[6]。針對測試系統專(zhuān)門(mén)設計了抗沖擊機械殼體，并且用環(huán)氧樹(shù)脂對測試裝置進(jìn)行了真空灌封處理，將測試電路固結在電路保護殼中以抗高過(guò)載。經(jīng)過(guò)上述抗高過(guò)載措施處理后，測試裝置能夠很好滿(mǎn)足測試需要，保證了測試系統的正常工作，系統可重復使用。

　　3 測試結果及實(shí)測數據分析

　　存儲測試系統已經(jīng)成功應用于某小型飛行體的試驗，成功獲得了測試數據。下面是實(shí)測曲線(xiàn)及其分析，x軸為自轉軸，z軸為飛行方向。實(shí)測飛行過(guò)程角速度信號如圖3所示，圖3中，3個(gè)軸的角速度曲線(xiàn)在70 ms處均有一個(gè)小鼓包，為陀螺的加速度效應在曲線(xiàn)上的表現。

　　陀螺儀測得的ωx、ωy以及ωz已知，根據表達式7所示的運動(dòng)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 結語(yǔ)

　　面向某飛行體姿態(tài)角測試的實(shí)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，作實(shí)際測試，實(shí)驗結果表明，該方案可滿(mǎn)足系統使用需求