多量程弹道测量系统设计与标定方法.pdf

传感器与微系统（）年第卷第期：（）多量程弹道测量系统设计与标定方法张泽宇，李杰，胡陈君，孙宁，宋金昊（中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原）摘要：搭建了一种新型的多量程弹道测量系统并设计了相应的混合标定方法。首先，进行了系统方案设计，介绍了具体模块的设计思路；其次，研究了多量程惯性组合的标定方法，在分析了标定原理的基础上建立了相应的误差模型；最后，通过试验验证了系统设计的可行性与标定方法的有效性，该系统可以正确地测量多种量程的加速度和角速度信息，系统性能稳定，数据精度满足要求，具有一定的工程实用价值。关键词：微机电系统加速度计；陀螺仪；现场可编程门阵列；标定中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；（）；引言随着时代发展实现小型化的多量程弹道测量系统将愈发重要。常规弹道测量系统通常将三轴加速度计与陀螺仪作为惯性组合，通过测量值即可解算运动载体的姿态和位置信息。但由于增程炮弹安装了增程发动机，导致弹体运行过程中会在轴向产生短时间的增程加速度和高旋角速度。这就要求弹道测量系统既要有效测量高值和高转速，也能精确测量增程结束后迅速减小的加速度与角速度。为了满足以上要求，同时保证测量的精度，本文搭建了一种基于现场可编程门阵列（）的多种量程弹道测量系统，同时研究了相应的标定方法。多量程设计可以有效测量增程前后的加速度和角速度。而作为控制器，接口设计更加灵活，数据传输实时性也更好。该系统能够较为准确的测量弹体的三维信息，满足大部分常规武器的测试需求。系统方案设计总体设计多量程弹道测量系统以作为控制核心，控制转换芯片采集惯性组合所测物理量，将其转换为更加稳定的数字量，并将数据存入存储器中。该系统主要包含惯性组合，数据采集模块，控制模块，存储模块，系统状态显示模块等。系统总体结构如图所示。系统状态显示控制指令FPGA控制模块状态反馈信号数据存储模块指令/数据电源模块采集转换模块模拟信号信号调理模块惯性测量组合状态反馈信号指令/数据模拟信号图系统总体结构收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）第期张泽宇，等：多量程弹道测量系统设计与标定方法惯性组合微机电系统（）传感器由于体积小、质量轻、成本低及可靠性高等诸多优势，已经广泛应用于航空航天、武器系统以及各种民用领域。本文系统采用只传感器组成惯性组合。其中，弹体轴向放置个加速度计和个陀螺仪，径向和切向各放置个加速度计和个陀螺仪。轴向加速度计量程分别为和，用于测量增程阶段的高值和重力场内的低加速度，陀螺仪量程分别为 和，用来测量增程前后的两种转速。径向与切向加速度计量程都为，用来测量径向和切向本身的加速度以及由于弹体旋转带来的离心加速度，陀螺仪量程都为，用来测量偏航和俯仰两种角速度。为了减小占用空间，将其集成为一个立方体中，同时更好地保证惯性组合的正交性。采集转换电路采集转换电路主要包含电源模块、信号调理模块、采集转换模块、控制模块、存储模块与系统状态显示模块。各个模块都遵循小型化原则，整个电路大小仅有 ，实物如图所示。34.98?mm38.66?mm图采集转换电路 电源模块采用 可充电锂电池供电，以满足系统可充电多次使用的需求。采集电路是 电压驱动，需要进行电压转换将 转为 输出。由于采集芯片选择，该芯片在采集 电压时，其最低有效位（）为，而电源噪声一定要低于。因此，选择了芯片进行转换，该芯片输出噪声为 左右，满足采集电路供电需求。信号调理模块主要作用是对输入信号进行放大。采用运算放大器进行放大，该芯片有良好的直流特性，输入阻抗高，可以很好地降低信号的传输损耗。配置为电压跟随方式在不改变电压大小的同时，提高了信号的驱动能力，使得采集更为准确。采集转换模块对前端输入信号进行采集并转换为数字量。惯性组合由只传感器组成，采用路采集的芯片可以最大地节省布线空间。该芯片有位的采样精度，并具有低功耗、转换速度快、高速并行传输等优点，完全满足该系统采集要求。为了提高转换速度，采用并行接口模式。系统上电后给予复位信号进行复位，复位结束后发出指令控制芯片进行一次转换，然后通过判断信号确定转换是否完成。转换完成之后发送指令通过并行接口读取转换数据，完成整个转换过程。控制模块选用，是目前控制功能较为强大的主流控制器。本文系统选择系列芯片，该芯片体积小、功耗低、接口灵活、硬件资源丰富。通过该芯片配合硬件编程语言发送一系列指令控制前端数据采集转换，并将数据进行编帧处理，每一帧都在数据位之前加入帧头“”来区分不同帧，在数据位之后加入帧计数和校验和来判断数据是否连续是否有误，最后通过核设置先入先出（，）缓冲器将数据顺序写入存储模块。编帧格式如表所示。表编帧格式帧头只传感器数据帧计数校验和 存储模块将编帧数据按顺序存储下来。数据存储模块选用三星公司的型作为存储芯片。该芯片拥有 大存储容量，页编程时间快，仅为，完全满足本系统存储需求。但是该芯片的缺点是由于生产工艺的限制而产生坏块，导致坏块处数据存储失败。所以使用前需要进行坏块检测并将坏块地址记录下来，写入控制程序中，从而实现坏块跳转，保证数据有效性。前端采集数据编帧后进入数据缓冲器，再由控制程序将数据依次写入存储模块中。具体工作流程如图所示。停止工作写命令写地址写数据地址+1是否写满是否坏块是否有数读数据读地址读命令系统复位YNYNNY图存储工作流程 系统状态显示模块通过接收 转换芯片以及存储芯片的反馈信号来表征系统当前工作状态并通过灯显示。采集前等为缓慢闪烁模式，采集开始后为快速闪烁模式，系统故障时为常亮模式。标定方法研究惯性组合作为弹道测量系统的核心组件，其性能的优劣直接决定了弹道测量的精度。因此，需要建立相应的误差模型对其进行标定与补偿。标定原理与误差模型通常，惯性组合主要包括系统误差和随机误差，而系统误差约占总误差的 以上。标定可以通过补偿系统误差来有效地提高系统精度。系统误差主要来源于零偏、标度因数、安装误差等，标定是在传感器输入的理论物理值与传感器输出的实际电传 感 器 与 微 系 统第卷压值之间建立带有一系列参数的误差补偿模型，通过误差模型将传感器实际输出补偿校准为准确的物理量，用于后期的弹道解算。根据以上分析，建立了包含零偏、标度因数、安装误差的加速度计误差补偿模型，如式（）所示（）式（）可以改写为矩阵形式，如式（）所示（）式中将弹体轴向、径向、切向用，表示，分别为加速度计的标度因数，为加速度计在个轴之间的安装误差系数，分别为加速度计的输入加速度，分别为加速度计的零偏电压，分别为加速度计的输出电压。同理，陀螺仪误差补偿模型如式（）所示（）式中，分别为陀螺仪的标度因数，为陀螺仪在个轴之间的安装误差系数，分别为陀螺仪的输入角速度，分别为陀螺仪的零偏电压，分别为陀螺仪的输出电压。标定方案设计对于惯性组合的标定方案，国内外的研究人员都进行了许多研究，通常有六位置、十二位置、十六位置等多位置多速率翻转法。但这些都是基于三轴转台在标定低量程传感器时才会有较高的精度，对于高量程传感器而言仅使用三轴转台无法保证其标定精度。该惯性组合由于集成了多种不同量程传感器，所以设计一种混合标定方案，用三轴转台标定惯性组合安装误差系数以及低量程传感器的标度因数与零偏，用精密离心机和高速飞行转台标定高量程加速度计和陀螺仪的标度因数与零偏。具体方案如下：）将弹道测量系统安装于三轴转台台面中心，设置位置模式，分别使，轴处于，三个位置，每个位置持续；）将设置改为速率模式，分别绕，轴转动，转动速率梯次为，每个速率点保持；）读取测试数据；）将弹道测量系统安装在精密离心机上，设置离心机为加速度模式，对于 加速度计，设置离心激励梯次为，；对于 加速度计，设置离心激励梯次为，每个激励位置保持；）读取测试数据；）将弹道测量系统安装于高速飞行转台内，使高量程陀螺仪对准旋转方向，将飞行转台设置为速率模式，转动速率梯次为，每个速率点保持；）读取测试数据；）将读取的数据进行初步分离处理后，用最小二乘法求出惯性组合的各项误差参数。试验验证分析为了验证标定方案的有效性，按照 节设计的混合标定方案逐项进行试验，试验过程如图所示。图试验验证 试验后对数据进行处理，根据 节中建立的误差模型，用最小二乘法计算出所设的各项误差参数。得出加速度计误差参数如表所示，陀螺仪误差参数如表所示。表加速度计误差参数零偏 标度因数（）交叉耦合系数（），表陀螺仪误差参数零偏 标度因数（）交叉耦合系数（），将所求的各项误差参数以及传感器的输出电压代入式（）、式（）所示的误差补偿模型，得出标定补偿后各传感器的输入物理值，加速度计和陀螺仪标定补偿结果如图第期张泽宇，等：多量程弹道测量系统设计与标定方法所示。14121086420-1.201.2X 轴大量程陀螺采样点/105角速度/104()s-1)X 轴小量程陀螺补偿前补偿后1210864-6000600角速度/()s-1)采样点/106Y 轴陀螺86429753-6000600采样点/106角速度/()s-1)Z 轴陀螺8649751110采样点/106-6000600角速度/()s-1)(b)?陀螺仪标定补偿结果X 轴小量程加计-1014.03.02.01.03.52.51.5采样点/106X 轴大量程加计-1100100加速度/gn加速度/gn051015064281210-30030加速度/gnY 轴加计采样点/106采样点/106Z 轴加计064281210采样点/106-30030加速度/gn(a)?加速度计标定补偿结果补偿前补偿后补偿前补偿后补偿前补偿后补偿前补偿后补偿前补偿后补偿前补偿后补偿前补偿后图标定补偿结果 为了验证系统设计的可行性，进行了系统长时间采集测试，测试其弹道信息的存储功能，部分存储结果如图所示。0?1?2?3?4?5?6?7?8?9?a?b?c?d?e?f?10?11?12?1300000000000000000000B8B8B8B8B8B8B8B8B8B83E3E3E3E3E3E3E3E3E3EF3F4F3F4F4F7F6F7F7F73F3F3F3F3F3F3F3F3F3F3E795931A8397A7075B041414241424142424141F7FE00FC00FE0305FAFF3F3F3F3F3F3F3F3F3F3F21201E1F1F2021222224404040404040404040400A0A09080707060808092A2A2A2A2A2A2A2A2A2A777A7A797879797879792B2B2B2B2B2B2B2B2B2B151215131414151515142A2A2A2A2A2A2A2A2A2AD0D1D1D1D1D0D2D1D1D10000000000000000000000010203040506070809;图部分数据存储结果 由图可以看出，该系统在标定补偿后可以准确地测出多种量程的过载与转速。由图可以看出，系统能够稳定的采集工作过程中的数据，并按照设定的编帧格式进行存储。结论针对增程炮弹不断提高的弹道测量要求，设计了一种小型化的多量程弹道测量系统，介绍了硬件设计方案以及标定补偿方法，并通过试验验证了系统设计的可行性与标定方法的有效性。系统存储功能稳定，可靠性高，弹道数据测量准确有效，很好地满足了多量程弹道测量需求。同时，该系统有较强的通用性，可以更换不同种类的传感器，适用于振动、温控、压力等诸多测控领域，具有一定的工程应用价值。参考文献：魏宗康，唐文浩，高荣荣，等弹道导弹惯性测量系统精度指标自适应分配方法导航与控制，（）：李荣冰，王智奇，廖自威激光雷达 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