旋轉彈三軸角速率測量方法
2023-12-09 17:04:36 2
專利名稱：旋轉彈三軸角速率測量方法
技術領域：
本發明涉及旋轉彈姿態測量技術，具體是一種旋轉彈三軸角速率測量方法。
背景技術：
在戰爭中，為了提高常規炮彈對目標的打擊精度和毀傷能力，需要對炮彈進行精確制導改造。彈體的姿態測量技術是炮彈精確制導的關鍵技術之一。旋轉彈的軸向轉速較高，一般轉速達到甚至超過百轉/秒，而其俯仰和偏航方向的角速度要小得多，因此，實時測量旋轉彈的軸向轉速對其射程修正與實施目標的精確打擊具有重要的意義。目前，針對旋轉彈姿態的測量技術主要包括以下幾種一、利用地磁傳感器及MEMS器件進行組合來實時測量旋轉彈姿態，但地磁傳感器受外界環境影響較大，因而測量精度較差。二、利用六加速度計、九加速度計或十二加速度計組合的無陀螺慣性導航姿態來獲取旋轉彈轉速信息， 但該方案要求MEMS加速度計的安裝精度高，且精度低，誤差隨時間嚴重發散。三、利用陀螺來測量旋轉彈的角速度，其缺點是成本高，且當旋轉彈的軸向轉速較大(>20r/s)時，常規的陀螺很難滿足量程的要求。四、利用陀螺和加速度計組合來測量旋轉彈的角速度，其缺點是抗衝擊能力低，不能抗高過載。綜上所述，現有旋轉彈姿態測量技術普遍存在測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題。基於此，有必要發明一種全新的旋轉彈姿態測量技術，以解決現有旋轉彈姿態測量技術存在的上述問題。
發明內容
本發明為了解決現有旋轉彈姿態測量技術測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題，提供了一種旋轉彈三軸角速率測量方法。本發明是採用如下技術方案實現的旋轉彈三軸角速率測量方法，該方法是採用如下步驟實現的1)在旋轉彈的邊緣安裝主MEMS加速度計，保證主MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸平行；在旋轉彈的中心安裝輔助MEMS加速度計，保證輔助MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸垂直；2)在旋轉彈高速旋轉過程中，由主MEMS加速度計對其自身受到的哥氏加速度頻率信號進行測量並輸出，由輔助MEMS加速度計對其自身受到的重力加速度信號進行測量並輸出；3)通過信號處理電路對主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度頻率信號和輔助MEMS加速度計輸出的重力加速度信號進行相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析；4)通過信號解算電路對經過相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析的哥氏加速度頻率信號和重力加速度信號進行計算，得出旋轉彈的三軸角速率。所述步驟1)中，在安裝主MEMS加速度計前，根據估算公式對主MEMS加速度計安裝位置產生的哥氏加速度大小進行估算，並根據估算得到的哥氏加速度大小選擇合適量程的MEMS加速度計，所述估算公式為
= 2Rf^CJ12 + a22
式中為主MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸之間的距離，η為旋轉彈的俯
3仰角速率二力旋轉彈的偏航角速車+為主MEMS加速度計的安裝位置產生的哥氏加速度大小。所述步驟2)中，主MEMS加速度計和輔助MEMS加速度計均圍繞旋轉彈的旋轉軸轉動。旋轉彈在高速旋轉過程中，若有其它方向的角速率輸入，就會產生與主MEMS加速度計的敏感軸方向平行的哥氏加速度，即主MEMS加速度計自身受到的哥氏加速度。基于振動系統理論，對主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度頻率信號進行分析得出，主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度頻率和輔助MEMS加速度計輸出的重力加速度頻率均與旋轉彈的轉動頻率相等，主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度幅值與旋轉彈的三軸角速率有關，主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度的相位與旋轉彈的橫滾和俯仰角速率有關。所述振動系統理論為現有公知理論。所述步驟3)、4)中，所述信號處理電路、信號解算電路均為現有公知結構。與現有旋轉彈三軸角速率測量技術相比，本發明所述的旋轉彈三軸角速率測量方法具有如下優點一、MEMS加速度計受外界環境影響較小，且MEMS精度較高，因而採用MEMS 加速度計來測量角速率其測量精度高。二、由於哥氏加速度信號比較微弱，而旋轉彈的轉速越大，哥氏加速度就越大，MEMS加速度計輸出的信號的幅值也就越大，所以與採用陀螺相比，採用MEMS加速度計具有量程大的優點。三、MEMS加速度計與陀螺和加速度計組合相比， 其抗過載能力更高，同時MEMS加速度計的成本也比陀螺更低。綜上所述，本發明所述的旋轉彈三軸角速率測量方法通過將MEMS加速度計安裝在旋轉彈上測量旋轉彈產生的哥氏加速度，實現了對旋轉彈的三軸角速率的精確實時測量，並徹底解決了現有旋轉彈姿態測量技術測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題。本發明通過將MEMS加速度計安裝在旋轉彈上測量旋轉彈產生的哥氏加速度，有效解決了現有旋轉彈姿態測量技術測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題，適用於旋轉彈的三軸角速率的測量。
具體實施例方式旋轉彈三軸角速率測量方法，該方法是採用如下步驟實現的
1)在旋轉彈的邊緣安裝主MEMS加速度計，保證主MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸平行；在旋轉彈的中心安裝輔助MEMS加速度計，保證輔助MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸垂直；
2)在旋轉彈高速旋轉過程中，由主MEMS加速度計對其自身受到的哥氏加速度頻率信號進行測量並輸出，由輔助MEMS加速度計對其自身受到的重力加速度信號進行測量並輸出；
3)通過信號處理電路對主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度頻率信號和輔助MEMS加速度計輸出的重力加速度信號進行相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析；
4)通過信號解算電路對經過相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析的哥氏加速度頻率信號和重力加速度信號進行計算，得出旋轉彈的三軸角速率。
權利要求
1. 一種旋轉彈三軸角速率測量方法，其特徵在於該方法是採用如下步驟實現的1)在旋轉彈的邊緣安裝主MEMS加速度計，保證主MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸平行；在旋轉彈的中心安裝輔助MEMS加速度計，保證輔助MEMS加速度計的敏感軸與旋轉彈的旋轉軸垂直；2)在旋轉彈高速旋轉過程中，由主MEMS加速度計對其自身受到的哥氏加速度頻率信號進行測量並輸出，由輔助MEMS加速度計對其自身受到的重力加速度信號進行測量並輸出；3)通過信號處理電路對主MEMS加速度計輸出的哥氏加速度頻率信號和輔助MEMS加速度計輸出的重力加速度信號進行相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析；4)通過信號解算電路對經過相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析的哥氏加速度頻率信號和重力加速度信號進行計算，得出旋轉彈的三軸角速率。
全文摘要
本發明涉及旋轉彈姿態測量技術，具體是一種旋轉彈三軸角速率測量方法。本發明解決了現有旋轉彈姿態測量技術測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題。旋轉彈三軸角速率測量方法，該方法是採用如下步驟實現的1)在旋轉彈的邊緣安裝主MEMS加速度計；在旋轉彈的中心安裝輔助MEMS加速度計；2)對哥氏加速度頻率信號進行測量並輸出，對重力加速度信號進行測量並輸出；3)對哥氏加速度頻率信號和重力加速度信號進行相位對比、鑑頻分析、鑑幅分析；4)得出旋轉彈的三軸角速率。本發明有效解決了現有旋轉彈姿態測量技術測量精度差、軸向轉速測量難、抗過載能力低、以及成本高的問題。
文檔編號G01P7/00GK102353808SQ201110310429
公開日2012年2月15日 申請日期2011年10月14日 優先權日2011年10月14日
發明者劉俊, 劉喆, 崔星, 張曉明, 李 傑, 李永慧, 陳國彬 申請人:中北大學