一種機載分布式慣性測姿系統及其傳遞對準方法
2023-10-09 06:03:54 2
專利名稱：一種機載分布式慣性測姿系統及其傳遞對準方法
技術領域：
本發明屬於慣性測姿技術領域，特別是一種機載分布式慣性測姿系統及其傳遞對準方法。
背景技術：
面對瞬息萬變的空中態勢，飛行員必須以最敏捷的方式發現目標，並選擇最有效的方式發起攻擊。為了增強飛行員對外界的視野觀察範圍，通過在飛機上安裝6個用於成像的光學傳感器，提供360°的全維態勢感知能力，最終能夠搜集360°範圍內的各種信息。然而用於成像的光學探測器的瞄準線必定隨載機振動而產生一定幅度的隨機抖動。這種振動會使得圖像產生明顯的晃動，對幾個探測器間的圖像拼接也會產生很大影響，因此在每個光學傳感器的位置加裝一個專門用於測姿的IMU (慣性測量單元，InertialMeasurement Unit)系統是很必要的。MU慣性測姿系統能夠精確的實時測量到安裝部位的慣性姿態，利用這些慣性數據就可以將幾個不同的傳感器的圖像進行無縫的拼接，並且為圖像的穩定性提供了基礎參考標準。如果在每個傳感器位置都安裝一個高精度IMU，精度能達到長時間飛行的要求，但要安裝6個高精度IMU,將使成本大幅度上升，且高精度IMU體積必然很龐大，根本滿足不了機載系統對有限空間的要求；如果只是在每個傳感器位置都安裝一個低成本、體積小的IMU，由於其精度不高，測量誤差隨時間積累，精度也難以達到要求。
發明內容
本發明的目的是提供一種穩定性好、測量精度高、成本低的機載分布式慣性測姿系統及其傳遞對準方法。實現本發明目的的技術解決方案為:一種機載分布式慣性測姿系統，包括I個主慣導系統、I個主控計算機以及6個與該主控計算機連接的子慣導系統，各個子慣導系統之間相互獨立，且每個子慣導系統的結構相同:所述每個子慣導系統分別包括慣性測量單元和測姿處理板，其中:慣性測量單元包括三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計、A/D轉換器和溫補系統；測姿處理板集成了DSP晶片、FPGA晶片、FLASH、SDRAM、CAN控制器、CAN收發器、UART控制晶片、RS_422接口、RS_232接口和EMIF總線；所述三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計通過A/D轉換器和溫補系統相連，溫補系統與測姿處理板的RS_422接口連接；RS_422接口通過UART控制晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片通過EMIF總線與DSP晶片連接，並且FLASH、SDRAM都與EMIF總線連接，FPGA晶片還通過CAN控制器與CAN收發器連接；CAN收發器與主控計算機連接；主控計算機與主慣導系統連接；UART控制晶片還與RS_232接口連接；主慣導系統生成載體導航信息後，先發送給主控計算機，主控計算機再通過CAN收發器發送給測姿處理板，CAN收發器將物理總線上收到的差分電平數據轉換為TTL電平數據發送給CAN控制器，FPGA晶片通過CAN控制器接收數據，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；三個MEMS陀螺儀敏感載體的三軸角速度信息，三個MEMS加速度計敏感載體的三軸加速度信息，所得的三軸角速度信息和三軸加速度信息傳輸到A/D轉換器，A/D轉換器將得到的模擬量信息轉換成數字量信息，並將該數字量信息通過溫補系統補償得到穩定的數字量信息；測姿處理板通過RS_422接口讀取穩定的數字量信息，並傳輸給UART控制晶片，UART控制晶片將串行數據轉換為並行數據並發送給FPGA晶片，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；FPGA晶片通過EMIF總線接收DSP晶片解算得到的慣性姿態數據，並將慣性姿態數據發送給UART控制晶片，UART控制晶片將並行數據轉換為串行數據並行數據後發送給RS_232接口進行電平轉換，並通過RS_232接口發給外接設備。本發明機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，包括以下步驟:第一步:系統上電後完成系統初始化工作，其中包括主、子慣導系統安裝誤差角對應的補償角的初始化，然後進入下一步；第二步:主慣導系統測得載體的速度信息、姿態信息、角速度信息、比力信息和位置信息，並利用第一步所得的補償角修正該姿態信息；第三步:進行粗對準，把第二步主慣導系統的速度信息、位置信息、補償角修正後的姿態信息賦給子慣導系統的對應參數，作為子慣導系統的解算初值；第四步:子慣導系統以第三步粗對準後的導航信息為初值，進行慣導捷聯解算，得到子慣導系統的位置信息、速度信息和姿態信息；第五步:主慣導系統數據經過時間同步和杆臂補償等處理後，採用「速度+姿態」的匹配方式建立卡爾曼濾波模型，以第二步中主慣導系統與第四步子慣導系統之間的速度差值和姿態差值作為量測變量，進行卡爾曼濾波迭代，估計出子慣導系統速度誤差、平臺失準角、安裝誤差角、陀螺常值漂移和加速度計常值偏置；第六步:將第五步估計出的子慣導系統速度誤差、平臺失準角，對第四步子慣導系統計算出的速度信息、姿態信息進行校正，最終獲得子慣導系統經校正後的速度信息和姿態息。本發明與現有技術相比，其顯著優點是:1、本發明中所用到的6個子慣導均是低成本的MEMS (微電子機械系統)慣性測量單元，它不僅體積小而且具有成本低、集成度高等優點，它克服了以往所採用的子慣導成本高、體積大的缺點，更容易滿足機載系統低成本、小型化的要求。2、本發明以一個高精度主慣導與多個低精度子慣導進行分布式安裝，因此主子慣導之間必然會以大安裝誤差角的方式分布在飛機上的6個不同部位。對於主子慣導安裝的特殊情況，引入一種大安裝誤差角情況下的分布式傳遞對準算法，克服了以往主子慣導之間只能以小安裝誤差角方式安裝的缺點。3、本發明將六個子慣導系統測的慣性數據傳給主控計算機，經過時間同步和信息融合算法處理後，即可實現全空域圖像的無縫拼接。
四
圖1本發明機載分布式慣性測姿系統的主子慣導系統結構2是本發明機載分布式慣性測姿系統硬體模塊框圖。
圖3是本發明機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法的流程圖。圖4是本發明的「姿態+速度」匹配傳遞對準算法原理框圖。圖5是本發明機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準跑車實驗的硬體組成結構圖。圖6是本發明實施例1的傳遞對準跑車實驗安裝誤差角估計曲線圖。圖7是本發明實施例2的傳遞對準跑車實驗安裝誤差角估計曲線圖。圖8是本發明實施例3的傳遞對準跑車實驗安裝誤差角估計曲線圖。圖9是本發明實施例4的傳遞對準跑車實驗安裝誤差角估計曲線圖。
五
具體實施例方式以下結合附圖，詳細說明本發明的實施方式。結合圖1，本發明機載分布式慣性測姿系統，包括I個主慣導系統、I個主控計算機以及6個與該主控計算機連接的子慣導系統，各個子慣導系統之間相互獨立，分別安裝在飛機上不同的位置，且每個子慣導系統與主慣導系統的連接結構相同。其中，主慣導系統由高精度的主慣導和GPS進行組合導航，實時提供高精度的導航信息，並發給主控計算機；主控計算機一方面負責實時接收主慣導系統數據，然後發送給各子慣導系統，另一方面還負責接收各子慣導系統的慣性數據，經過時間同步和信息融合算法處理後，即可實現全空域圖像的無縫拼接；子慣導系統是由低精度MEMS慣性測量單元和測姿處理板組成。各子慣導系統都是相同的設計，主要負責主、子慣導系統間動基座傳遞對準算法的實現，以提高子慣導系統的導航精度，而且能夠實時輸出平臺高精度的航向、姿態、位置和速度信息。結合圖2，本發明的機載分布式慣性測姿系統硬體模塊框圖，從圖中可以看出子慣導系統的具體硬體結構、以及子慣導系統與主控計算機、主慣導系統之間的連接關係:每個子慣導系統分別包括慣性測量單元和測姿處理板，其中:慣性測量單元包括三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計、A/D轉換器和溫補系統；測姿處理板集成了 DSP晶片、FPGA晶片、FLASH、SDRAM、CAN 控制器、CAN 收發器、UART 控制晶片、RS_422 接口、RS_232 接口和 EMIF 總線；所述三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計通過A/D轉換器和溫補系統相連，溫補系統與測姿處理板的RS_422接口連接；RS_422接口通過UART控制晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片通過EMIF總線與DSP晶片連接，並且FLASH、SDRAM都與EMIF總線連接，FPGA晶片還通過CAN控制器與CAN收發器連接；CAN收發器與主控計算機連接；主控計算機與主慣導系統連接；UART控制晶片還與RS_232接口連接；主慣導系統生成載體導航信息後，先發送給主控計算機，主控計算機再通過CAN收發器發送給測姿處理板，CAN收發器將物理總線上收到的差分電平數據轉換為TTL電平數據發送給CAN控制器，FPGA晶片通過CAN控制器接收數據，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；三個MEMS陀螺儀敏感載體的三軸角速度信息，三個MEMS加速度計敏感載體的三軸加速度信息，所得的三軸角速度信息和三軸加速度信息傳輸到A/D轉換器，A/D轉換器將得到的模擬量信息轉換成數字量信息，並將該數字量信息通過溫補系統補償得到穩定的數字量信息；測姿處理板通過RS_422接口讀取穩定的數字量信息，並傳輸給UART控制晶片，UART控制晶片將串行數據轉換為並行數據並發送給FPGA晶片，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；FPGA晶片通過EMIF總線接收DSP晶片解算得到的慣性姿態數據，並將慣性姿態數據發送給UART控制晶片，UART控制晶片將並行數據轉換為串行數據並行數據後發送給RS_232接口進行電平轉換，並通過RS_232接口發給外設。結合圖3、圖4，本發明機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，包括以下步驟:第一步:系統上電後完成系統初始化工作。所述的初始化工作包括硬體初始化和軟體初始化，其中，硬體初始化包括:定時器，CAN總線等硬體的初始化；軟體初始化包括:卡爾曼濾波器初始化，即系統初始狀態X、系統狀態協方差陣P、量測噪聲方差陣R、系統過程噪聲方差陣Q等的初始化，主、子慣導系統安裝誤差角對應的補償角ξχ、ly、Iz的初始化。第二步:主慣導系統測得載體在導航坐標系下的導航信息，所述導航信息包括:速度信息、姿態信息、角速度信息、比力信息和位置信息。其中速度信息包括:主慣導系統的東向速度Ve、主慣導系統的北向速度Vn、主慣導系統的天向速度Vu，姿態信息包括:俯仰角Θ、橫滾角Y、航線角Ψ，角速度信息包括:主慣導系統的東向角速度ωΕ、主慣導系統的北向角速度ωΝ、主慣導系統的天向角速度ωυ，比力信息包括:主慣導系統的東向比力fE、主慣導系統的北向比力fN、主慣導系統的天向比力4，位置信息包括主慣導系統的經度λ、主慣導系統的緯度L、主慣導系統的高度h。所述姿態信息為主慣導系統在大安裝誤差角下測得的姿態角，則其對應的姿態陣:
權利要求
1.一種機載分布式慣性測姿系統，其特徵在於，包括I個主慣導系統、I個主控計算機以及6個與該主控計算機連接的子慣導系統，各個子慣導系統之間相互獨立，且每個子慣導系統的結構相同: 所述每個子慣導系統分別包括慣性測量單元和測姿處理板，其中:慣性測量單元包括三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計、A/D轉換器和溫補系統；測姿處理板集成了 DSP晶片、FPGA 晶片、FLASH、SDRAM、CAN 控制器、CAN 收發器、UART 控制晶片、RS_422 接口、RS_232接口和EMIF總線；所述三個MEMS陀螺儀、三個MEMS加速度計通過A/D轉換器和溫補系統相連，溫補系統與測姿處理板的RS_422接口連接；RS_422接口通過UART控制晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片通過EMIF總線與DSP晶片連接，並且FLASH、SDRAM都與EMIF總線連接，FPGA晶片還通過CAN控制器與CAN收發器連接；CAN收發器與主控計算機連接；主控計算機與主慣導系統連接；UART控制晶片還與RS_232接口連接； 主慣導系統生成載體導航信息後，先發送給主控計算機，主控計算機再通過CAN收發器發送給測姿處理板，CAN收發器將物理總線上收到的差分電平數據轉換為TTL電平數據發送給CAN控制器，FPGA晶片通過CAN控制器接收數據，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；三個MEMS陀螺儀敏感載體的三軸角速度信息，三個MEMS加速度計敏感載體的三軸加速度信息，所得的三軸角速度信息和三軸加速度信息傳輸到A/D轉換器，A/D轉換器將得到的模擬量信息轉換成數字量信息，並將該數字量信息通過溫補系統補償得到穩定的數字量信息；測姿處理板通過RS_422接口讀取穩定的數字量信息，並傳輸給UART控制晶片，UART控制晶片將串行數據轉換為並行數據並發送給FPGA晶片，FPGA晶片通過EMIF總線將接收到的數據上傳至DSP晶片；FPGA晶片通過EMIF總線接收DSP晶片解算得到的慣性姿態數據，並將慣性姿態數據發送給UART控制晶片，UART控制晶片將並行數據轉換為串行數據並行數據後發送給RS_232接口進行電平轉換，並通過RS_232接口發給外接設備。
2.一種基於權利要求1所述的機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，包括以下步驟: 第一步:系統上電後完成系統初始化工作，其中包括主、子慣導系統安裝誤差角對應的補償角的初始化，然後進入下一步； 第二步:主慣導系統測得載體的速度信息、姿態信息、角速度信息、比力信息和位置信息，並利用第一步所得的補償角修正該姿態信息； 第三步:進行粗對準，把第二步主慣導系統的速度信息、位置信息、補償角修正後的姿態信息賦給子慣導系統的對應參數，作為子慣導系統的解算初值； 第四步:子慣導系統以第三步粗對準後的導航信息為初值，進行慣導捷聯解算，得到子慣導系統的位置信息、速度信息和姿態信息； 第五步:主慣導系統數據經過時間同步和杆臂補償等處理後，採用「速度+姿態」的匹配方式建立卡爾曼濾波模型，以第二步中主慣導系統與第四步子慣導系統之間的速度差值和姿態差值作為量測變量，進行卡爾曼濾波迭代，估計出子慣導系統速度誤差、平臺失準角、安裝誤差角、陀螺常值漂移和加速度計常值偏置； 第六步:將第五步估計出的子慣導系統速度誤差、平臺失準角，對第四步子慣導系統計算出的速度信息、姿態信息進行校正，最終獲得子慣導系統經校正後的速度信息和姿態信息。
3.根據權利要求2所述的機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，第一步所述的系統初始化工作包括硬體初始化和軟體初始化，軟體初始化包括:卡爾曼濾波器的系統初始狀態X、系統狀態協方差陣P、量測噪聲方差陣R、系統過程噪聲方差陣Q的初始化，主、子慣導系統安裝誤差角對應的補償角ξχ、ξ」 12初始化。
4.根據權利要求2所述的機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，第二步所述的速度信息包括:主慣導系統的東向速度Ve，主慣導系統的北向速度Vn，主慣導系統的天向速度Vu;姿態信息包括:俯仰角Θ、橫滾角Υ、航線角Ψ;角速度信息包括:主慣導系統的東向角速度ωΕ、主慣導系統的北向角速度ωΝ、主慣導系統的天向角速度(Ou ;比力信息包括:主慣導系統的東向比力fE、主慣導系統的北向比力fN、主慣導系統的天向比力fu ;位置信息包括主慣導系統的經度λ、主慣導系統的緯度L、主慣導系統的高度h。
5.根據權利要求2所述的機載分布式慣性測姿系統的傳遞對準方法，其特徵在於，第五步中所述的卡爾曼濾波的濾波周 期為Is。
全文摘要
本發明為一種機載分布式慣性測姿系統及其傳遞對準方法。該系統包括1個主慣導系統、1個主控計算機以及6個與該主控計算機連接的子慣導系統每個子慣導系統分別包括慣性測量單元和測姿處理板，慣性測量單元與測姿處理板的RS_422接口連接；RS_422接口通過UART控制晶片與FPGA晶片連接，FPGA晶片通過EMIF總線與DSP晶片連接，並且還通過CAN控制器、CAN收發器與主慣導系統連接；主控計算機與主慣導系統連接。該系統主、子慣導系統之間的傳遞對準方法為以主、子慣導系統的速度信息誤差和姿態信息誤差作為量測變量，進行卡爾曼濾波迭代後對子慣導系統計算出的速度信息、姿態信息進行校正，最終得到穩定、精確的航姿信息。
文檔編號G01C21/16GK103196448SQ201310093870
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月22日 優先權日2013年3月22日
發明者陳帥, 李璽安, 王於坤, 張黎, 王磊傑, 鄧貴軍, 薄煜明, 杜國平, 鄒衛軍, 吳盤龍, 常耀偉, 鍾潤伍, 金磊, 單童, 雷浩然, 程晨, 馬豔彬, 秦磊 申請人:南京理工大學