高精度角速率參數(shù)測量方法設(shè)計

武 丹， 韓 焱， 李 劍

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所 山西省重點實驗室，山西 太原 030051)

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高精度角速率參數(shù)測量方法設(shè)計

武 丹， 韓 焱， 李 劍

(中北大學(xué) 信息探測與處理技術(shù)研究所 山西省重點實驗室，山西 太原 030051)

針對目前武器彈藥研究領(lǐng)域?qū)Ω咝龔椊撬俾蕼y量范圍寬、測量精度高的需求，提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的角速率參數(shù)測量方法，并設(shè)計了相應(yīng)的傳感器。利用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為控制核心，構(gòu)建角速率頻率跟蹤測量模型，實現(xiàn)對彈體角速率參數(shù)的測量，并采用周期清零的方式消除測量過程中的累積誤差。仿真試驗結(jié)果表明：該測量方法能夠?qū)崿F(xiàn)大動態(tài)范圍1～100 rps的角速率測量，測量誤差小于0.3 %，滿足高旋彈大轉(zhuǎn)速、高精度的測量要求，在姿態(tài)測量和空間導(dǎo)航等領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價值。

角速率； 自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量； 現(xiàn)場可編程門陣列

0 引 言

高旋彈的精確制導(dǎo)化是國際武器彈藥領(lǐng)域的一個研究熱點。目前科研人員主要采用陀螺儀獲取彈體的角速率信息[1～3]，如基于磁懸浮控制力矩陀螺(MSCMG)的角速率傳感器[4]、電容式角速率傳感器和基于低頻磁動流體力學(xué)的角速度測量傳感器等[5,6]。這些傳感器雖然具有體積小、可抗高沖擊的優(yōu)勢，但仍存在轉(zhuǎn)速測量范圍小、零漂和累積誤差大的問題。雖然通過卡爾曼預(yù)測等算法能夠修正一部分誤差，但仍無法滿足實戰(zhàn)條件下對高旋彈角速率參數(shù)大動態(tài)、高精度的測量要求。

針對上述問題，本文提出了一種基于電磁感應(yīng)原理的角速率參數(shù)測量方法，通過“彎工型”感應(yīng)線圈獲取高旋彈在不同轉(zhuǎn)速條件下實時切割地磁場的運動信息，采用自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法將該地磁信號轉(zhuǎn)換為彈體旋轉(zhuǎn)時的角速率信息，以周期清零的方式消除測量過程中的累積誤差，從而實現(xiàn)了對高旋彈角速率參數(shù)的大轉(zhuǎn)速、高精度測量。該方法在姿態(tài)測量、空間導(dǎo)航等領(lǐng)域具有一定的工程應(yīng)用價值。

1 傳感器的測量原理

自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法是在利用電壓/頻率轉(zhuǎn)換器(VFC)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)構(gòu)成頻率測量單元的基礎(chǔ)上，通過邊沿檢測和脈沖計數(shù)相結(jié)合的方式實現(xiàn)對彈體角速率的測量，其測量原理如圖1所示。

圖1 傳感器測量原理波形示意圖Fig 1 Schematic diagram of measurement principle of sensor

參考零位脈沖表示彈體旋轉(zhuǎn)一周中的初始零位，即彈體周期性旋轉(zhuǎn)切割地磁感應(yīng)線產(chǎn)生正弦信號的初始零相位點處。通過調(diào)節(jié)DAC的輸出電壓值V控制VFC輸出對應(yīng)頻率的脈沖信號，保證彈體從參考零位脈沖刷新旋轉(zhuǎn)1/2周期內(nèi)，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)，使VFC自適應(yīng)輸出N個脈沖。DAC的調(diào)節(jié)電壓值就代表了彈體實際的旋轉(zhuǎn)角速率信息。本文提出的自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法是一種滯后測量算法，其測量得到的角速率參數(shù)信息要比彈體實際的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)滯后一個周期，如圖1所示。

設(shè)半周期記錄VFC的輸出脈沖個數(shù)為N，DAC的初始輸出電壓值為V1，VFC輸出頻率為f1。彈體當(dāng)前轉(zhuǎn)速為Rad時，半周期計數(shù)脈沖值為M，DAC的輸出電壓值調(diào)節(jié)為V2，VFC對應(yīng)的輸出頻率變?yōu)閒2，則有

(1)

由于彈體的角速率(即轉(zhuǎn)速頻率)與閉環(huán)調(diào)節(jié)VFC之間呈線性正比的關(guān)系，根據(jù)VFC的輸出特性方程(2)，可得DAC的輸出調(diào)節(jié)電壓值V2為式(3),即

f1=a·V1+b

(2)

(3)

結(jié)合式(1)、式(2)和式(3)可以獲得彈體對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速率Rad，計算公式如式(4)所示

(4)

從式(4)中可知Rad=f(V1,M,N)，可以看出，角速率的測量精度與彈體上一周期的DAC調(diào)節(jié)電壓值V1和半周期的計數(shù)值M有關(guān)，而DAC輸出精度取決于DAC本身的量化位數(shù)，不存在累積漂移誤差；計數(shù)值M是周期性歸零重新計數(shù)，消除了長時間累加計數(shù)的誤差，因此本系統(tǒng)不存在累積誤差。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 信號調(diào)理模塊

采用實驗室自主研制的單軸“彎工型”電磁感應(yīng)線圈獲取彈體不同轉(zhuǎn)速條件下切割地磁場的信息，其線性度為0.5 %F.S.，且在4～100Hz旋轉(zhuǎn)頻率的范圍內(nèi)，感應(yīng)線圈切割地磁場輸出的電壓在8.30～110.00mV的范圍內(nèi)，滿足高旋彈大轉(zhuǎn)速范圍的測量要求。信號的大動態(tài)范圍，造成其無法直接與頻率測量單元連接，因此，通過信號調(diào)理模塊進行后續(xù)匹配設(shè)計，設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 信號調(diào)理模塊設(shè)計框圖Fig 2 Design block diagram of signal adjusting module

采用VCA810和OPA620組合構(gòu)成AGC電路，通過電壓反饋比較，自適應(yīng)改變受控增益大小。同時，利用精密集成運放ADA4091搭建線性放大電路，經(jīng)低通濾波處理后，采用電壓跟隨作為緩沖進行阻抗匹配，保證后續(xù)測量模塊的低輸入阻抗。電路設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 信號調(diào)理模塊電路設(shè)計原理圖Fig 3 Principle diagram of circuit design of signal adjusting module

2.2 自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量模塊

采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)作為控制核心實現(xiàn)自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量算法，如圖4所示。將感應(yīng)線圈采集到的地磁信號經(jīng)調(diào)理整形輸入至FPGA；通過邊沿檢測單元檢測整形后信號的上升沿和下降沿，利用上升沿對VFC輸出的脈沖進行清零，同時確定脈沖計數(shù)的起點并重新開始計數(shù)，當(dāng)下降沿到來時，計數(shù)結(jié)束，并將計數(shù)值鎖存，設(shè)鎖存值為M；通過公式(3)構(gòu)建角速率頻率跟蹤測量模型，得到DAC調(diào)節(jié)電壓，并在下一個上升沿到來時更新閉環(huán)DAC，進一步控制VFC改變輸出所對應(yīng)的脈沖頻率，以“閉環(huán)”調(diào)節(jié)模式對獲得的信號進行實時修正校準。

圖4 自適應(yīng)閉環(huán)頻率跟蹤測量模塊設(shè)計框圖Fig 4 Design block diagram of self-adaptive closed-loop frequency tracking measurement module

頻率測量單元選用振蕩頻率可達500 kHz的AD654作為頻率跟蹤VFC，采用10 bit的TLC5615作為閉環(huán)DAC，以圖5所示的測量模式對彈體的旋轉(zhuǎn)角速率進行實時的跟蹤測量。

圖5 頻率測量單元電路設(shè)計原理圖Fig 5 Principle diagram of circuit design of frequency measurement unit

3 試驗驗證

采用磁屏蔽筒和亥姆霍茲線圈式模擬交變磁場發(fā)生器進行仿真試驗，如圖6所示。

圖6 模擬交變磁場實驗測試平臺Fig 6 Experimental test platform of simulative alternating magnetic field

如圖7所示，為傳感器在100 Hz磁場交變頻率下的輸出信號波形圖。

圖7 100 Hz的輸出信號波形圖Fig 7 Waveform diagram of output signal at 100 Hz

從圖7中可知，當(dāng)交變磁場的預(yù)設(shè)頻率為100 Hz時，參考零位脈沖的頻率穩(wěn)定在100 Hz，說明傳感器在測量過程中能夠準確地檢測到每周期的初始零點并實現(xiàn)自動清零。同時閉環(huán)調(diào)節(jié)DAC的輸出直流電壓穩(wěn)定，紋波小，說明傳感器性能穩(wěn)定，測量的角速率準確。磁場交變頻率改變，得到測量結(jié)果如表1所示。

表1 角速率參數(shù)測量結(jié)果

從表1中可以看出:磁場預(yù)設(shè)交變頻率改變，傳感器的測量角速率與閉環(huán)調(diào)節(jié)電壓呈線性正比關(guān)系，測量誤差隨著頻率的增加而減小，并在頻率達到100 Hz時測量誤差僅僅為0.230 %，表明傳感器高頻特性良好，拓寬了其可測量的高轉(zhuǎn)速范圍，測量精度較高。同時可以看到，傳感器在實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速角速率測量的同時，能夠兼容低轉(zhuǎn)速條件下的角速率測量，最大測量誤差小于0.3 %。

4 結(jié) 論

針對高旋彈角運動參數(shù)的測量需求，提出了一種彈體旋轉(zhuǎn)角速率參數(shù)測量方法，并設(shè)計了相應(yīng)的傳感器。仿真試驗結(jié)果表明：傳感器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，能夠針對大動態(tài)范圍的線圈輸出信號進行自適應(yīng)調(diào)理，對大轉(zhuǎn)速頻率范圍具有良好的適用性和有效性，可以實現(xiàn)對高旋彈角速率參數(shù)的實時、高精度測量，具有一定的工程應(yīng)用價值。

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Design of high precision measurement method for angular velocity parameter

WU Dan, HAN Yan, LI Jian

(Institute of Signal Capturing & Processing Technology,Key Laboratory of Shanxi Province,North University of China,Taiyuan 030051,China)

Aiming at measurement requirements of wide measurement range and high measuring accuracy for angular velocity of high-speed rotating projectile in the research field of arms and ammunitions at present,a method for measuring angular velocity parameter based on the electromagnetic induction principle is proposed,and corresponding sensor is designed as well. Utilize FPGA as control core to build the frequency tracking measurement model for angular velocity to realize the measurement of angular velocity parameter of projectile,and eliminate accumulative error during the measurement by using the way of periodically pulse clear. Experimental results show that the proposed measurement method can realize measurement of angular velocity within an extremely large dynamic range of 1～100 rps,and measurement error is less than 0.3 %,thus,satisfy measurement requirements of large rotational speed and high precision for high-speed rotating projectile,and has definite value for engineering application in the fields of attitude determination and spatial navigation,etc.

angular velocity; self-adaptive closed-loop frequency tracking measurement; FPGA

10.13873/J.1000—9787(2016)12—0079—03

2016—09—26

TP 212.6

A

1000—9787(2016)12—0079—03

武 丹(1991-)，女，山西晉中人，碩士研究生，主要研究方向為智能信息處理。