多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置製造方法
2023-12-02 09:43:41 3
多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，是由是由吊掛繩索上端系在單旋翼無人直升機艙底，吊掛繩索下端等角度系在十字形支架上，十字形支架支撐Z分量接收線圈，三個姿態傳感器等間距地固定於Z分量接收線圈上，三個姿態傳感器均經信號傳輸線與姿態數據收錄系統相連構成。每個姿態傳感器均由一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成。實現了對航空線圈空中姿態偏轉角的測量。不但具有體積小，響應快、成本低的特點外，而且經過數據融合處理後，能夠有效地減少了環境中航空線圈擺動姿態的影響，使矯正後的反演磁場數據能夠在強烈擺動環境中達到系統的精度要求。
【專利說明】多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置
【技術領域】:
[0001]本發明涉及一種航空地球物理勘探檢測裝置，尤其是單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置。
【背景技術】:
[0002]單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探系統採用單旋翼無人直升機作為飛行載體，利用人工磁場或者天然地磁場作為場源，通過Z分量接收線圈接收地下介質因渦流效應產生的二次場，從而對地下電阻率做出解釋。Z分量接收線圈是單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探系統的核心部分之一，懸掛於單旋翼無人直升機下方。在飛行過程中，由於單旋翼無人直升機的急停、轉向和傾斜等動作，造成Z分量接收線圈的姿態擺動，使得測量的磁場數據存在誤差。因此，如何有效的實時監測Z分量接收線圈擺動姿態，成為了 ZTEM航空電磁勘探系統中的一個重要研究方向。
[0003]CN102991506A公開了一種基於MEMS的汽車駕駛姿態檢測系統，系統包括信號採集模塊、信號處理模塊、智能控制模塊、姿態提示模塊及電源模塊。信號採集模塊完成對車輛駕駛操姿態的實時檢測及初始信號傳輸；信號處理模塊完成對初始信號的AD轉換、數字濾波等處理，並將數據傳輸至智能控制模塊，智能控制模塊根據檢測的數據控制姿態提示模塊顯示相應姿態信息；電源模塊為系統進行供電。
[0004]CN103171561A公開了一種汽車姿態檢測方法，包括:提供三軸加速度傳感器、微處理單元和中控電腦，將所述三軸加速度傳感器設置在汽車內，並與所述微處理單元的輸入端電性連接，將所述微處理單元的輸出端與所述中控電腦電性連接；所述三軸加速度傳感器採集汽車的姿態參數，並將姿態參數傳送給所述微處理單元，所述微處理單元判斷姿態參數，並將判斷結果傳送給所述中控電腦，所述中控電腦根據判斷結果實時調整汽車的運行姿態。相較於現有技術，本發明的所述汽車姿態檢測方法可以實時獲取汽車的運行姿態，並將運行姿態提供給中控電腦，以進行對應的調整，從而提高駕駛的安全性。
[0005]上述發明的姿態檢測裝置可以實時獲取汽車的運動姿態，但都存在一些不足。由於採用單一或兩種傳感器，存在其本身固有特性，隨著時間、溫度的外界變化，會導致其誤差會隨時間累計，測量值會發生漂移，只能在短時間內保證精度，不滿足ZTEM航空電磁勘探系統的動態穩定性和魯棒性的要求。
[0006]對於單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置的一般結構而言，Z分量接收線圈受飛行速度、飛機顛簸和風向等因素影響，會發生擺動，導致線圈與大地之間的耦合發生變化，給測量的電磁數據帶來誤差，因此在飛行過程中對Z分量接收線圈姿態的實時檢測十分重要。
【發明內容】
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[0007]本發明的目的在於針對現有技術的不足，提供一種適用於檢測單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探的多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置。[0008]本發明的目的是通過以下方式實現的:
[0009]多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，是由吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12等間距地固定於Z分量接收線圈3上，第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12經信號傳輸線6與固定於十字形支架中心的姿態數據收錄系統7相連構成。
[0010]姿態數據收錄系統7是由第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12經單片機14分別連接GPS13和存儲器15，單片機14設有同步時鐘脈衝，當單片機14與GPS13失去信號聯繫時，姿態數據收錄系統7立即切換到同步時鐘脈衝，存儲器15採用可攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機14連接構成。
[0011]每個姿態傳感器均由一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成。
[0012]第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12採集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態參數，並將姿態參數分時傳送給單片機14，單片機14採用擴展型卡爾曼濾波算法對第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12輸出的姿態參數進行濾波，計算出航空線圈姿態偏轉角，GPS13通過傳輸線將時間同步信號傳輸給單片機14，單片機14將時間同步信號與航空線圈姿態偏轉角數據一併傳輸到存儲器15。
[0013]有益效果:採用三個姿態傳感器等間距地固定於航空線圈，每個姿態傳感器均由一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成。通過將三種類型的傳感器進行組合，在保證獲得較好的動態穩定性的同時，補償了 MEMS三軸陀螺儀帶來的誤差漂移，壓制了 MEMS三軸加速度計動態輸出存在的高頻幹擾，解決MEMS三軸磁阻傳感器動態性能差的問題，提升單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置的魯棒性。同時，採用擴展型卡爾曼濾波算法對各MEMS傳感器輸出的姿態信息進行數據融合，計算出高精度的航空線圈姿態偏轉角，對磁場數據進行補償校準，提高單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置的探測精度。航空線圈慣性導航裝置可拆卸結構，降低重量，方便運輸。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0014]圖1多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置示意圖
[0015]圖2慣性導航裝置內部連接示意圖
[0016]I單旋翼無人直升機，2吊掛繩索，3Z分量接收線圈，4十字形支架，7姿態數據收錄系統，第一 10姿態傳感器，第二 11姿態傳感器，12第三姿態傳感器
【具體實施方式】:
[0017]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明:
[0018]多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，是由吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12等間距地固定於Z分量接收線圈3上，姿態傳感器10、姿態傳感器11和姿態傳感器12經信號傳輸線6與固定於十字形支架中心的姿態數據收錄系統7相連構成。[0019]姿態數據收錄系統7是由第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12經單片機14分別連接GPS13和存儲器15，單片機14設有同步時鐘脈衝，當單片機14與GPS13失去信號聯繫時，姿態數據收錄系統7立即切換到同步時鐘脈衝，存儲器15採用可攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機14連接構成。
[0020]每個姿態傳感器均由一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成。
[0021]第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12採集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態參數，並將姿態參數分時傳送給單片機14，單片機14採用擴展型卡爾曼濾波算法對第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12輸出的姿態參數進行濾波，計算出航空線圈姿態偏轉角，GPS13通過傳輸線將時間同步信號傳輸給單片機14，單片機14將時間同步信號與航空線圈姿態偏轉角數據一併傳輸到存儲器15。
[0022]Z分量接收線圈3由漆包線繞制，經銅帶纏繞並接地進行幹擾屏蔽後，採用玻璃鋼管進行封裝，封裝後利用十字型支架4緊固，通過吊掛繩索2吊掛在單旋翼無人直升機I下部。Z分量接收線圈3形狀可以是圓形或者正多邊形。所述第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12均一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成，採用鋁殼封閉式封裝，經可拆卸減震墊等間距地固定於Z分量接收線圈3，以接地的方式進行幹擾屏蔽。姿態數據收錄系統7經固定底座固定於十字型支架4中心,並與第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12輸出端通過數據電纜相連接。姿態數據收錄系統7包括GPS13、單片機14和存儲器15。
[0023]如圖1所示，吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，姿態傳感器10、姿態傳感器11和姿態傳感器12等間距地固定於Z分量接收線圈3，第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12經信號傳輸線6與固定於十字形支架中心的姿態數據收錄系統7相連。
[0024]如圖2所示，姿態數據收錄系統7包括GPS13、單片機14和存儲器15。第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12採集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態參數，並將姿態參數分時傳送給單片機14。單片機14採用擴展型卡爾曼濾波算法對第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12輸出的姿態參數進行處理，計算出高精度的航空線圈姿態偏轉角。GPS13通過傳輸線將時間同步信號傳輸給單片機14。單片機14將時間同步信號與高精度的航空線圈姿態偏轉角數據一併傳輸到存儲器15。
[0025]在單旋翼無人直升機起飛場地組裝單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置，採用尼龍繩作為吊掛繩索2將Z分量接收線圈3與單旋翼無人直升機I進行連接，並將姿態數據收錄系統7固定於十字型支架4中心，姿態傳感器10、姿態傳感器11和姿態傳感器12緊固等間距地緊固在Z分量接收線圈3上。單旋翼無人直升機起飛前需將慣性導航裝置上電啟動，對水平方式的Z分量接收線圈進行進行姿態標定，標定完成後方可起飛。飛行過程中，第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12採集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態參數，並將姿態參數分時傳送給姿態數據收錄系統7中的單片機14。單片機14採用擴展型卡爾曼濾波算法對第一姿態傳感器10、第二姿態傳感器11和第三姿態傳感器12輸出的姿態參數進行濾波，計算出高精度的Z分量接收線圈姿態偏轉角。GPS13通過傳輸線將時間同步信號實時地傳輸給單片機14。單片機14將時間同步信號與高精度的Z分量接收線圈姿態偏轉角數據一併傳輸到存儲器15。單片機14具有高精度內部同步時鐘脈衝，當單片機14與GPS13失去信號聯繫時，姿態數據收錄系統7採用高精度內部同步時鐘脈衝。飛行結束後，將飛行中採集到的Z分量接收線圈姿態數據與起飛前標定數據相比對，計算出Z分量接收線圈在飛行過程中的實時俯仰角和擺動角，根據航空電磁響應表達式，對磁場數據進行補償校準，提高單旋翼無人直升機ZTEM航空電磁勘探裝置的探測精度。
【權利要求】
1.一種多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，其特徵在於，是由吊掛繩索(2)上端系在單旋翼無人直升機(I)艙底，吊掛繩索(2)下端等角度系在十字形支架(4)上，十字形支架(4)支撐Z分量接收線圈(3)，第一姿態傳感器(10)、第二姿態傳感器(11)和第三姿態傳感器(12)等間距地固定於Z分量接收線圈(3)上，姿態傳感器(10)、姿態傳感器(11)和姿態傳感器(12)經信號傳輸線(6)與固定於十字形支架中心的姿態數據收錄系統(7)相連構成。
2.按照權利要求1所述的多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，其特徵在於，姿態數據收錄系統(7)是由姿態傳感器(10)、姿態傳感器(11)和姿態傳感器(12)經單片機(14)分別連接GPS(13)和存儲器(15)，單片機(14)設有同步時鐘脈衝，當單片機(14)與GPS(13)失去信號聯繫時，姿態數據收錄系統(7)立即切換到同步時鐘脈衝，存儲器(15)採用可攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機(14)連接構成。
3.按照權利要求1所述的一種基於MEMS多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置，其特徵在於，每個姿態傳感器均由一個MEMS三軸陀螺儀、一個MEMS三軸加速度計和一個MEMS三軸磁阻傳感器組成。
4.一種多傳感器數據融合的航空線圈慣性導航裝置的數據採集方法，其特徵在於，第一姿態傳感器(10)、第二姿態傳感器(11)和第三姿態傳感器(12)採集Z分量接收線圈(3)的空中擺動姿態參數，並將姿態參數分時傳送給單片機(14)，單片機(14)採用擴展型卡爾曼濾波算法對第一姿態傳感器(10)、第二姿態傳感器(11)和第三姿態傳感器(12)輸出的姿態參數進行濾波，計算出航空線圈姿態偏轉角，GPS(13)通過傳輸線將時間同步信號傳輸給單片機(14)，單片機(14)將時間同步信號與航空線圈姿態偏轉角數據一併傳輸到存儲器(15)。
【文檔編號】G01C21/04GK104019812SQ201410273811
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月18日 優先權日:2014年6月18日
【發明者】陳晨, 王言章, 林君, 時洪宇, 劉飛 申請人:吉林大學