基于數(shù)字式紅外傳感器的姿態(tài)測量盲區(qū)補償法

王 佳， 李 健

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機電控制重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引 言

姿態(tài)測量系統(tǒng)是小型無人機飛控系統(tǒng)的重要組成部分，它為小型無人機實現(xiàn)自主導航提供了可能。傳統(tǒng)飛行器通常使用MEMS慣性器件實現(xiàn)姿態(tài)測量，但MEMS器件自身結(jié)構(gòu)存在精度較低、漂移嚴重的缺點，特別是當小型無人機在飛行過程中出現(xiàn)附加加速度時，姿態(tài)解算變得相當復雜。

根據(jù)天空與大地熱容量的差異，采用一對紅外傳感器通過感知這種熱容量差異獲取載體傾角是一種絕對姿態(tài)測量方法[1,2]，該方法不存在累計誤差，電路設(shè)計簡單，且體積小，質(zhì)量輕，適用于小型飛行器[3]。但由于紅外溫度傳感器自身結(jié)構(gòu)限制，采用單軸紅外傳感器測量姿態(tài)角時存在測量盲區(qū)，針對這一問題，本文設(shè)計實現(xiàn)了兩軸紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，補償單軸系統(tǒng)存在的盲區(qū)。

1 基于紅外輻射的姿態(tài)測量原理

天空與大地熱容量存在差異，天空溫度遠低于大地的溫度，紅外傳感器能夠探測天空與大地的紅外輻射量，并感知這一差異[4,5]。本文設(shè)計采用基于“塞貝克效應(yīng)”的數(shù)字式熱電堆紅外傳感器，該傳感器通過其圓錐形視窗探測天空和地面等環(huán)境輻射為5.5～14μm波長的紅外線能量，輸出一個相應(yīng)的溫度值。

在同軸的相反方向安裝2只完全相同的紅外傳感器，飛行器處于水平狀態(tài)時，2只紅外傳感器的圓錐形視場內(nèi)朝向天空和朝向大地的區(qū)域相等，此時兩傳感器輸出溫度差為0；而當飛行器發(fā)生傾斜時，偏向大地的紅外傳感器輸出溫度大于偏向天空的傳感器輸出溫度，二者產(chǎn)生一個不為0的溫差，溫差隨著傾斜角的變化而變化，它反映了載體的傾斜程度，則可根據(jù)2只傳感器輸出溫差的大小來獲得此時載體的姿態(tài)角[6,7]，原理如圖1所示。

2 單軸紅外姿態(tài)測量盲區(qū)

根據(jù)上述原理，采用MLX90615數(shù)字式輸出紅外傳感器設(shè)計實現(xiàn)單軸紅外姿態(tài)測量模塊，如圖2所示。該傳感器視場角為100°，內(nèi)部集成DSP，可通過SMBus方式輸出溫度值。

圖1 單軸紅外測姿系統(tǒng)基本工作原理

圖2 單軸姿態(tài)測量模塊

在開闊高地對單軸紅外姿態(tài)測量模塊進行測試，采用標準角度規(guī)設(shè)定角度，試驗在-90°～90°之間進行，每隔5°采集600組數(shù)據(jù)，取平均值，得到輸出溫差與設(shè)定角度之間的關(guān)系，如圖3。根據(jù)圖3得到擬合曲線，可推導出單軸傾角測量公式

θ=1/K·(arcsin(To/Tmax)).

(1)

其中，θ為單軸軸線對地傾角，To為單軸輸出溫差，Tmax為單軸輸出最大溫差，K為不同環(huán)境下的校準系數(shù)。

圖3 輸出溫差與傾角關(guān)系

根據(jù)式(1)可得到單軸實測傾角與設(shè)定角度之間的誤差對比，如圖4所示。

圖4 單軸姿態(tài)測量系統(tǒng)誤差

由圖4知，誤差較大的區(qū)域主要集中在±55°～±90°之間。原因是紅外傳感器自身結(jié)構(gòu)存在限制，導致其視場角有限，所選紅外傳感器視場角為100°，在單軸旋轉(zhuǎn)角度達到50°后，2只傳感器一只完全朝向天空，一只完全朝向大地，如圖5所示。在50°～90°范圍內(nèi)，輸出溫度差值變化十分微小，導致該區(qū)域傾角測量誤差變大，同樣的盲區(qū)還存在于-50°～-90°區(qū)域。測量盲區(qū)導致小型無人機自主飛行在該區(qū)域處于失控狀態(tài)，為解決這一問題，采取增加一組傳感器的方法來實現(xiàn)盲區(qū)補償。

圖5 盲區(qū)產(chǎn)生原理

3 雙軸姿態(tài)測量與算法設(shè)計

單軸姿態(tài)測量模塊的盲區(qū)存在于靠近單軸垂線的2個80°范圍內(nèi)，那么,新增紅外傳感器軸線與原傳感器軸線夾角必須在80°～100°之間才可消除盲區(qū)。選擇在與單軸軸線垂直的方向加裝1對紅外傳感器，如圖6所示。

圖6 雙軸傳感器模塊

加裝一組紅外傳感器后，原X軸測量盲區(qū)的傾角測量由新增的Y軸完成。如圖7，即X軸測量區(qū)域為[-50°,50°]，Y軸測量區(qū)域為[40°,90°]∪[-40°,-90°]。兩軸在[±40°,±50°]區(qū)域發(fā)生重疊，取其中間值45°作為兩軸轉(zhuǎn)換傾角，即X軸可測區(qū)域[-45°,45°]，Y軸可測區(qū)域(45°,90°]∪(-45°,-90°]。

圖7 雙軸模塊視場示意圖

由于X軸與Y軸相互垂直，則在Y軸的可測區(qū)域通過式(1)算法測量得到的對地傾角與X軸此時的實際傾角互補，即θ=90°-θY。聯(lián)系式(1)，可得到Y(jié)軸對地傾角的計算公式

θ=1/K·(arcos(To/Tmax))，

(2)

則雙軸紅外姿態(tài)測量模塊算法可表示如圖8所示，其中，T45為傾角45°時的輸出溫差。

圖8 雙軸測姿系統(tǒng)算法流程

4 實驗與結(jié)果分析

分別在晴天、夜晚、陰天、多云天氣對雙軸紅外姿態(tài)測量模塊進行傾角測量實驗。實驗采用標準角度規(guī)設(shè)定角度，測試范圍為-90°～90°，每5°采集600組數(shù)據(jù)，取平均值，得到傾斜角度與兩軸輸出溫差之間的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 雙軸測姿系統(tǒng)輸出與傾角關(guān)系

對比4種條件下的設(shè)定角度值與雙軸姿態(tài)測量模塊根據(jù)雙軸算法解得的傾斜角，得到兩者誤差，取誤差平均值，如圖10所示。由圖10可知，雙軸紅外測姿模塊在-90°～90°范圍內(nèi)測量得到的傾角誤差小于2°，與圖4中±50°～±90°的誤差相比有明顯減小，實現(xiàn)了-90°～90°的姿態(tài)角測量，消除了盲區(qū)產(chǎn)生的影響。

圖10 雙軸測姿系統(tǒng)測量誤差

5 結(jié) 論

首次采用數(shù)字式輸出紅外熱電堆傳感器設(shè)計實現(xiàn)了雙軸紅外姿態(tài)測量模塊，有效消除了單軸紅外姿態(tài)測量模塊的測量盲區(qū)，實現(xiàn)了姿態(tài)角-90°～90°的測量，經(jīng)過靜態(tài)測試得到角度偏差小于2°的測量結(jié)果。

參考文獻:

[1]蔡 瑜,葉雄英,朱 榮,等.用于微小飛行器姿態(tài)測量的紅外地平儀研制[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(7):33-35.

[2]Taylor B,Bil C,Watkins S,et al.Horizon sensing attitude stabilization:A VMC autopilot[C]∥18th International Unmanned Air Vehicle Systems Conference,Bristol,UK,2003.

[3]FMA Inc.Co-pilot infrared flight stabilization system user gui-de[EB/OL].[2002—10—11].http:∥www.fmadirect.com.

[4]Chao Hayang,Cao Yongcan,Chen Yangquan.Autopilots for small unmanned aerial vehicles:A survey[J].International Journal of Control,Automation and Systems,2010,8(1):36-44.

[5]Di Long,Chao Haiyang,Chen Yangquan.A two-stage calibration method for low-cost UAV attitude estimation using infrared sen-sor[C]∥2010 IEEE/ASME International Conference on Mechatronic and Embedded Systems and Applications,Qingdao,Shandong,China,2010:137-142.

[6]Brisset P,Drouin A,Gorraz M,et al.The paparazzi solution[C]∥Proc of MAV2006,Sandestin,Florida,2006.

[7]Herrmann P,Bil C.Simulation and flight test of a temperature sensing stabilization system[J].Aeronautical Journal,2005,109(1094):167-175.