彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

王麗平，李　杰，2*，祝敬德，鄒珊蓉（.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03005；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原03005）

彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

王麗平1，李杰1，2*，祝敬德1，鄒珊蓉1
（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051）

針對(duì)MEMS捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)在高旋彈藥姿態(tài)測(cè)量過(guò)程中，無(wú)法克服高量程和高測(cè)量精度的矛盾，提出了采用半捷聯(lián)慣性測(cè)量單元和增量式光電編碼器測(cè)量旋轉(zhuǎn)彈滾轉(zhuǎn)角的方法，重點(diǎn)設(shè)計(jì)了相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量電路，并對(duì)增量式光電編碼器在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了研究，最后通過(guò)三軸飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，該相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量電路具有一定的可行性和有效性，能夠有效測(cè)量慣性測(cè)量組合與彈體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

旋轉(zhuǎn)彈；相對(duì)轉(zhuǎn)角測(cè)量電路；增量式光電編碼器；半捷聯(lián)慣性測(cè)量單元

常規(guī)彈藥制導(dǎo)化的前提是能夠?qū)崟r(shí)獲得彈體的飛行姿態(tài)參數(shù)?；贛EMS慣性器件的慣性測(cè)量單元具有成本低、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、短時(shí)間精度高、抗過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)彈藥制導(dǎo)化方面得到廣泛應(yīng)用［1-2］。但是由于MEMS器件工藝的限制，傳統(tǒng)的捷聯(lián)慣性測(cè)量系統(tǒng)在測(cè)量高旋轉(zhuǎn)彈藥的姿態(tài)參數(shù)時(shí)，存在量程與精度互相矛盾的問(wèn)題，從而導(dǎo)致姿態(tài)測(cè)量精度較低。

王晨［3］針對(duì)火箭彈滾轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)范圍大的問(wèn)題，提出通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性測(cè)量單元相對(duì)彈體等速反旋，隔離在滾轉(zhuǎn)方向上高旋角速度對(duì)慣性測(cè)量單元的影響。呂清利［4］提出了一種圖像制導(dǎo)的彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)，利用磁阻傳感器和伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定。王晨、呂清利等人提出的方法雖然解決了常規(guī)彈藥在滾轉(zhuǎn)方向上的高旋問(wèn)題，但此時(shí)慣性測(cè)量單元測(cè)得的滾轉(zhuǎn)角不是彈體的滾轉(zhuǎn)角。如果要想獲得彈體的滾轉(zhuǎn)角，需要在微慣性單元與彈體之間加上一個(gè)能夠測(cè)量相對(duì)轉(zhuǎn)角的裝置，測(cè)量微慣性測(cè)量單元與彈體之間的相對(duì)轉(zhuǎn)角。增量式光電編碼器具有分辨率高、響應(yīng)速度快、體積較小、質(zhì)量較輕、功耗較低等特點(diǎn)，因此本文選用增量式光電編碼器來(lái)測(cè)量相對(duì)轉(zhuǎn)角。

1　彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)工作原理

彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，光編和微慣性測(cè)量單元安裝在內(nèi)筒，內(nèi)筒與伺服控制系統(tǒng)的電機(jī)軸通過(guò)聯(lián)軸器捷聯(lián)，光電編碼器的軸通過(guò)機(jī)械加工固定在平臺(tái)外殼［5］。在已知彈體轉(zhuǎn)速和方向的前提下通過(guò)控制電路和伺服控制系統(tǒng)使得電機(jī)帶動(dòng)內(nèi)筒實(shí)現(xiàn)等速反旋，光電編碼器的定子和轉(zhuǎn)子就會(huì)相互轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出脈沖數(shù)，換算成對(duì)應(yīng)的角度，就是內(nèi)筒與彈體的相對(duì)轉(zhuǎn)角。在姿態(tài)解算時(shí)通過(guò)算法即可得到彈體的姿態(tài)參數(shù)。

圖1　彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2　相對(duì)轉(zhuǎn)角電路設(shè)計(jì)

2.1光電編碼器的工作原理

光電編碼器是一個(gè)通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置將輸出軸上的幾何位移量轉(zhuǎn)換為脈沖數(shù)或者數(shù)字量的傳感器，其原理圖如圖2所示。其核心部件為光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置，光柵盤(pán)是把一定直徑的圓盤(pán)等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔，光柵盤(pán)與光編的軸固聯(lián)。當(dāng)光編的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵盤(pán)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置會(huì)輸出若干脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)輸出脈沖計(jì)數(shù)就能計(jì)算轉(zhuǎn)速，在已知時(shí)間的前提下就能算出對(duì)應(yīng)的角度。根據(jù)檢測(cè)原理，光編可以分為光學(xué)式、磁式、感應(yīng)式和電容式，按照信號(hào)輸出形式，光編分為增量式、絕對(duì)式和混合式3種。

圖2　光電編碼器原理圖

2.2光編信號(hào)方向判斷

本文選用10位增量式光電編碼器測(cè)量相對(duì)轉(zhuǎn)角，其分辨率約為0.35°。該增量式光電編碼器具有體積小、價(jià)格低、精度高、響應(yīng)速度快、性能穩(wěn)定，高分辨率的特點(diǎn)。增量式電編碼器有A、B、Z 3路輸出信號(hào)，當(dāng)光電編碼器定子和轉(zhuǎn)子有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電編碼器會(huì)輸出A、B兩路相互正交的數(shù)字脈沖信號(hào)。當(dāng)光編旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)，輸出一個(gè)Z脈沖信號(hào)。

圖3　光編方向判斷示意圖

如圖3所示，當(dāng)編碼器正轉(zhuǎn)時(shí)，A路信號(hào)的相位超前B路信號(hào)90°。編碼器反轉(zhuǎn)時(shí)，A路信號(hào)的相位落后B路信號(hào)90°。光電編碼器每旋轉(zhuǎn)一圈，Z路信號(hào)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，用來(lái)表示編碼器的零位，將脈沖誤差控制在每轉(zhuǎn)以內(nèi)，能有效的避免誤差累積。A、B兩路信號(hào)用于判斷被測(cè)物體的旋轉(zhuǎn)方向和計(jì)算被測(cè)物體的轉(zhuǎn)速。

2.3光編抖動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理

在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，炮彈在飛行過(guò)程中由于風(fēng)等環(huán)境因素使得彈體出現(xiàn)抖動(dòng)現(xiàn)象［6］，從而引起光編的軸出現(xiàn)抖動(dòng)，導(dǎo)致光編輸出的脈沖不穩(wěn)定，光編抖動(dòng)信號(hào)如圖4所示。如果在對(duì)光編輸出的脈沖計(jì)數(shù)時(shí)，對(duì)干擾脈沖不進(jìn)行判斷會(huì)導(dǎo)致計(jì)數(shù)不準(zhǔn)確，最終導(dǎo)致彈體的飛行姿態(tài)參數(shù)測(cè)量不準(zhǔn)確。

圖4　光編抖動(dòng)干擾信號(hào)圖

對(duì)圖4光編輸出的干擾信號(hào)分析可知，光電編碼器有抖動(dòng)干擾時(shí)，A、B兩相脈沖輸出信號(hào)不是一個(gè)完全正交的脈沖列，在脈沖的上升沿和下降沿都有可能出現(xiàn)抖動(dòng)脈沖。原因是光電編碼器的轉(zhuǎn)子有機(jī)械抖動(dòng)時(shí)，碼盤(pán)在很小的范圍內(nèi)做高頻率的正向運(yùn)動(dòng)和反向運(yùn)動(dòng)。如圖5所示，碼盤(pán)在位置Ⅰ和位置Ⅱ交替反復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖5　碼盤(pán)抖動(dòng)運(yùn)動(dòng)示意圖

2.4光電編碼器抖動(dòng)抑制方法

從增量式光電編碼器A、B兩相輸出的脈沖信號(hào)可以看出，A相脈沖在上升沿和下降沿時(shí)對(duì)應(yīng)的B相脈沖電平是不一致的。因此可以利用D觸發(fā)器將相鄰兩跳變沿時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的另一相脈沖的邏輯電平寄存起來(lái)，然后進(jìn)行比較。若一致，必為干擾信號(hào)，此時(shí)不應(yīng)計(jì)數(shù)，若不一致，則為正常脈沖信號(hào)，在已知方向的前提下計(jì)數(shù)加1或減1［7，8］。

3　光電編碼器接口電路設(shè)計(jì)

常規(guī)彈藥的轉(zhuǎn)速最高能達(dá)到20 rot/s，光編輸出的A、B兩相脈沖信號(hào)的最高頻率能達(dá)到20 kHz。所以光編的A、B、Z三相輸出的脈沖一般和FPGA的全局時(shí)鐘管腳連接，GCLK為FPGA提供時(shí)鐘信號(hào)，與FPGA的276管腳連接，A、B、Z三相與FPGA 的275、54和55管腳連接，如圖6所示。

圖6　光編接口電路圖

在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，光編輸入的信號(hào)首先需要接入到IBUFG的輸入端，IBUFG作為時(shí)鐘輸入管腳相連接的首級(jí)全局緩沖，從全局時(shí)鐘管腳輸入的信號(hào)都必須經(jīng)過(guò)IBUF元，否則在布局布線時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。IBUFG支持LVDS、TTL、LDT等多種格式的I/O標(biāo)準(zhǔn)。從IBUFG輸出端輸出的光編信號(hào)需要接入到BUFG的輸入端，因?yàn)閺腂UFG的輸出端的信號(hào)到達(dá)FPGA內(nèi)部IOB、CLB的延遲和抖動(dòng)最小。

圖7　飛行仿真試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證相對(duì)轉(zhuǎn)角電路設(shè)計(jì)的正確性和有效性，將彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)安裝在飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)上，安裝示意圖如圖8所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)在俯仰和偏航方向上保持不變，滾轉(zhuǎn)方向上高速旋轉(zhuǎn)模擬炮彈高速旋轉(zhuǎn)，記錄相關(guān)參量，對(duì)仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖8　慣性測(cè)量單元滾轉(zhuǎn)角

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的讀取分析，得出慣性測(cè)量單元的滾轉(zhuǎn)角和光編測(cè)量的相對(duì)轉(zhuǎn)角如圖9、圖10所示。

圖9　光電編碼器測(cè)得的相對(duì)轉(zhuǎn)角

圖10　系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)角

對(duì)內(nèi)筒的滾轉(zhuǎn)角和光編測(cè)得的相對(duì)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得出系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)角，如圖10所示。與飛行仿真轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)得的滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖11所示。由于系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)存在軸向角度安裝誤差，所以在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)峰峰值3°左右的角度誤差，但穩(wěn)定以后誤差約為0.35°，滿足光編測(cè)量的誤差范圍。

圖11　滾轉(zhuǎn)角誤差

5　結(jié)論

本文利用增量式光電編碼器來(lái)測(cè)量彈體與內(nèi)筒的相對(duì)轉(zhuǎn)角，并通過(guò)與內(nèi)筒慣組測(cè)得的滾轉(zhuǎn)角解算出彈體的滾轉(zhuǎn)角，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證利用增量式光電編碼器測(cè)量彈載滾轉(zhuǎn)穩(wěn)定平臺(tái)的相對(duì)轉(zhuǎn)角是可行的，并且具有較高的測(cè)量精度，具有一定的工程價(jià)值。

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王麗平（1989-），女，山西省交城縣人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，主要從事微系統(tǒng)集成、慣性測(cè)量方向的研究，wlp624@126.com；

李杰（1976-），男，山西省嵐縣人，教授，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)在中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，主要從事微系統(tǒng)集成理論與技術(shù)、慣性感知與控制技術(shù)、組合導(dǎo)航理論等，lijie@nuc.edu.cn。

The Relative Angle Measurement Circuit Design of Stable Roll Platform for Missile*

WANG Liping1，LI Jie1，2*，ZHU Jingde1，ZOU Shanrong1
（1.North Uniυersity of China Scienceand Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth Uniυersity of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the problem that the conventional MEMS strap-down inertialmeasurement has difficulty in overcoming the contradiction between high range and high measurement accuracy，a new measurementmethod of roll anglewas proposed by using semi-inertialmeasurement unitand incremental optic-electrical encoder.The design of the rollanglemeasurement circuitwas introduced，some researches were made on the problems of incremental photoelectric encoder in the actualapplication process，and itwas finally verified by the three-axis flightsimulator tests.Tests show that the relative anglemeasurement circuit that is feasible and effective canmeasure effectively the relative angle between IMU and projectile and ithasa certain value in engineering.

rotary bomb；relative anglemeasurement；incrementalopticalencoder；semi-strapdowninertialmeasurementunit

V241

A

1005-9490（2016）04-0903-04

項(xiàng)目來(lái)源：武器裝備探索研究項(xiàng)目（7131017）

2015-07-31修改日期：2015-08-30

EEACC:7320C；120010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.029