一種新型高旋彈體滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)*

許廷金,李 杰,杜思遠,鄭 濤,魏曉凱,張佳宇

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;)

微慣性導(dǎo)航技術(shù)由于其自身獨特優(yōu)勢,被國內(nèi)外普遍認為是不可或缺的重要導(dǎo)航制導(dǎo)組件,常規(guī)彈藥在飛行過程中通常會保持較高的滾轉(zhuǎn)角速率以及較大的軸向發(fā)射過載,當(dāng)微機電(MEMS)慣性測量系統(tǒng)應(yīng)用于此類彈藥時,彈體的高速旋轉(zhuǎn)對系統(tǒng)中傳感器的量程提出更高要求,但由于工藝限制,MEMS傳感器量程增大而其精度性能相應(yīng)降低,使得捷聯(lián)式慣性測量系統(tǒng)無法準確測量彈體滾轉(zhuǎn)角速率[3-4],目前彈體滾轉(zhuǎn)角測量一般采用捷聯(lián)式慣性測量平臺,這種測量方法由于使用的傳感器量程較大,造成后期解算滾轉(zhuǎn)角精度不高,給彈體實施制導(dǎo)和修正控制帶來困難,因此迫切需要一種提高高旋彈體滾轉(zhuǎn)角測量精度的方法[5]。

針對上述問題,中北大學(xué)設(shè)計了一種新型的半捷聯(lián)慣性測量平臺[6]。該平臺通過特殊的質(zhì)量偏心裝置使內(nèi)部微慣性測量組合(MIMU)與彈體在俯仰和偏航軸保持捷聯(lián),在滾轉(zhuǎn)軸保持相對穩(wěn)定,實現(xiàn)了小量程、高精度的彈道測試[7]。然而由于滾轉(zhuǎn)軸的相互隔離,MIMU不能直接獲得彈體的滾轉(zhuǎn)角信息。本文提出了一種通過在半捷聯(lián)平臺與彈體殼之間設(shè)置高精度轉(zhuǎn)角測量裝置(光電編碼器)來測量二者之間的相對轉(zhuǎn)角,然后結(jié)合半捷聯(lián)慣性測量平臺的測量信息,進而得出彈體的實際滾轉(zhuǎn)角信息。這種方法解決了由于傳感器量程增大測量精度減小的問題,即利用小量程MEMS傳感器實現(xiàn)半捷聯(lián)內(nèi)筒信息測量,利用光電編碼器測量內(nèi)外筒相對轉(zhuǎn)角,間接得出彈體滾轉(zhuǎn)角信息。本文通過轉(zhuǎn)換測量參數(shù),經(jīng)過后期數(shù)據(jù)融合,得出彈體滾轉(zhuǎn)角信息,從而提高彈體滾轉(zhuǎn)角測量精度。

1 彈體滾轉(zhuǎn)角測量系統(tǒng)設(shè)計

半捷聯(lián)慣性測量平臺設(shè)計如圖1所示,光電編碼器與MIMU置于不與載體固連的內(nèi)筒平臺,內(nèi)筒平臺通過設(shè)計一定比例的配重使其形成適度的質(zhì)量偏心。內(nèi)筒平臺利用偏心質(zhì)量塊形成的回復(fù)力矩克服由彈體滾轉(zhuǎn)帶動軸承產(chǎn)生的摩擦力矩,使得MIMU在滾轉(zhuǎn)軸方向保持相對穩(wěn)定[8]。光電編碼器的定子固連在平臺內(nèi)筒,另一端轉(zhuǎn)子設(shè)計機械卡槽與外筒連接,通過測量轉(zhuǎn)子與定子的相對轉(zhuǎn)動,獲得內(nèi)筒平臺與外筒之間的相對轉(zhuǎn)角。

圖1 半捷聯(lián)慣性測量平臺

平臺內(nèi)部MIMU輸出代表內(nèi)筒平臺運動信息的電壓值,光電編碼器輸出表示內(nèi)、外筒相對轉(zhuǎn)動的脈沖信號,由采集存儲模塊對兩個信息進行高速計數(shù)、采集與存儲。另外,在過載承受端設(shè)計其軸向承載裝置,平臺內(nèi)部設(shè)計抗過載灌封工藝,提高系統(tǒng)的抗過載性能。

2 MIMU慣性測量單元

MIMU作為慣性測量系統(tǒng)的核心器件,是由3個MEMS陀螺儀和3個MEMS加速度計組成,其具有小體積、低功耗、抗高過載等優(yōu)點,在小口徑、高過載及高旋轉(zhuǎn)的常規(guī)彈藥上得到有效應(yīng)用[9]。傳感器分別安裝在3個相互正交的軸系上,其安裝示意圖與實物圖如圖2所示,采集存儲原理圖如圖3所示。

圖2 MIMU慣性測量單元

圖3 MIMU采集存儲原理框圖

本設(shè)計中,將MIMU的X軸作為滾轉(zhuǎn)軸固定在半捷聯(lián)內(nèi)筒平臺中心軸上,敏感載體的姿態(tài)位置信息,根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境,彈體在飛行過程中偏航軸與俯仰軸姿態(tài)變化小,對傳感器量程要求低;而滾轉(zhuǎn)軸姿態(tài)處于高速變化狀態(tài),經(jīng)半捷聯(lián)平臺減旋穩(wěn)定后,平臺內(nèi)筒處于低速小幅往復(fù)擺動,考慮實彈環(huán)境下初始擾動的影響,選定傳感器量程為300(°)/s的陀螺儀來測試內(nèi)筒滾轉(zhuǎn)角。

MIMU在實際安裝中,不可避免的會產(chǎn)生安裝誤差角,使3個方向的傳感器敏感軸不正交,為了提高系統(tǒng)的測量精度,對測量系統(tǒng)進行系統(tǒng)級標定實驗,消除不正交誤差。

3 光電編碼器抗抖動干擾設(shè)計

增量式光電編碼器以其小體積、低成本、高精度以及良好的動態(tài)性能,在高分辨率、大量程角速率/位移測量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用[10]。設(shè)計中選用ELTRA系列編碼器來測量半捷聯(lián)內(nèi)筒平臺與彈體之間的相對轉(zhuǎn)角信息,結(jié)合半捷聯(lián)平臺內(nèi)部測量值共同得到彈體的滾轉(zhuǎn)角,選用的光電編碼器型號為:EL63D400Z8/24L10X3PR,其實物圖如圖4所示。半捷聯(lián)平臺經(jīng)過軸向隔離穩(wěn)定,其內(nèi)部選用小量程、高精度MEMS陀螺儀測量平臺的轉(zhuǎn)動信息,可以解算得到精確的滾轉(zhuǎn)角,但由于光電編碼器對抖動干擾非常敏感,如果在計數(shù)過程中缺少有效的抗干擾能力,測量結(jié)果將會出現(xiàn)較大誤差,從而降低彈體滾轉(zhuǎn)角的計算精度。因此,需要對光電編碼器采集的信號進行抗干擾處理,得到精確的滾轉(zhuǎn)角信息。

圖4 光編實物圖

3.1 增量式光電編碼器抖動信號產(chǎn)生機理

增量式光電編碼器在測量時有A、B、Z3路輸出信號,編碼器每轉(zhuǎn)一周,Z信號輸出一個脈沖,表示編碼器一周的零位;A、B兩路信號輸出固定數(shù)目的脈沖信號,且兩路信號相互正交,用以判斷光電編碼器的旋轉(zhuǎn)方向和計算被測物體的轉(zhuǎn)動角度。當(dāng)A相超前B相90°時,表示編碼器正轉(zhuǎn);當(dāng)B相超前A相90°時,表示編碼器反轉(zhuǎn)[11],如圖5所示。

圖5 光電編碼器輸出信號

在實際應(yīng)用過程中,半捷聯(lián)平臺在合力矩作用下保持小幅往復(fù)擺動,由于彈體飛行過程中的角運動以及軸承間隙與安裝誤差的存在,使得半捷聯(lián)平臺在運動過程中出現(xiàn)機械振動。光電編碼器通過旋轉(zhuǎn)軸與外筒相連,軸系引起的機械抖動造成編碼器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動不穩(wěn),對其脈沖輸出產(chǎn)生極大干擾,從而引起計數(shù)誤差。

此時,在平臺運轉(zhuǎn)過程中,光電編碼器輸出脈沖抖動主要表現(xiàn)為在透光窗邊沿附近發(fā)生小幅抖動引起的干擾脈沖以及編碼器轉(zhuǎn)軸在某一點前后振動引起的誤計數(shù)。光電編碼器抖動脈沖輸出波形如圖6所示,圖6(a)表示編碼器脈沖信號在上升沿或下降沿發(fā)生不穩(wěn)定性抖動的波形;圖6(b)表示編碼器在某一點附近產(chǎn)生前后振動的輸出波形。

圖6 光電編碼器抖動脈沖輸出

3.2 消除抖動計數(shù)誤差方法

本設(shè)計選用的光電編碼器的分辨率為2 048,對應(yīng)角度分辨率為0.176°。在彈體飛行過程中,半捷聯(lián)平臺處于低速擺動狀態(tài),因此光電編碼器轉(zhuǎn)軸主要由外部彈體帶動,當(dāng)彈體轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速20 rot/s時,編碼器脈沖的最大輸出頻率為41 kHz。

在對光電編碼器進行計數(shù)采樣時,針對圖5所示,a類脈沖信號在上升沿或下降沿跳變所發(fā)生的不穩(wěn)定抖動與毛刺,設(shè)計中采用定時方式進行消抖處理。依據(jù)采樣定理,要實現(xiàn)數(shù)字信號的完整采集,信號的采樣頻率需大于輸出頻率的2倍以上[12],設(shè)計中采用5 MHz頻率進行高頻采樣,利用計數(shù)器對輸出高低電平的持續(xù)時間進行計數(shù),當(dāng)計數(shù)時間大于設(shè)定值時,認為該信號為正常信號,輸出用于后續(xù)處理;否則為干擾信號,將其濾除。

b類脈沖干擾信號與正常信號的電平格式一致,由轉(zhuǎn)軸在某點前后振動產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)軸發(fā)生前后振動時,干擾信號脈沖較窄,在跳變沿時刻對應(yīng)的另一相脈沖信號的電平值不發(fā)生變化。針對該信號特點,設(shè)計中采用D觸發(fā)器寄存相鄰跳變沿時刻對應(yīng)的另一相脈沖信號的電平值,并將兩個時刻的電平值進行比較。若電平一致則為干擾信號;若不一致,則為正常信號,將脈沖進行計數(shù)。

Z信號作為編碼器的零位信號,用于重置編碼器的位置角,設(shè)計中將Z信號經(jīng)定時方式處理后作為A、B兩路信號的計數(shù)置零信號,將計數(shù)誤差保證在每轉(zhuǎn)以內(nèi),消除累積誤差,提高計數(shù)精度。

圖7 光編采集存儲原理框圖

如圖7所示,編碼器輸出脈沖信號經(jīng)過定時采樣與D觸發(fā)器綜合消抖后,對穩(wěn)定脈沖信號進行鑒相計數(shù),根據(jù)A、B兩相脈沖相位相差90°,通過判定A相脈沖上升沿時刻B相脈沖的電平值即可確定編碼器旋向,完成計數(shù)器的加減。

4 試驗驗證

為驗證系統(tǒng)在高旋環(huán)境下本滾轉(zhuǎn)角測量方法的有效性,在高速飛行仿真轉(zhuǎn)臺上進行驗證試驗。此外本次試驗還在系統(tǒng)外筒底部放置一個大量程陀螺,用其直接測量彈體的滾轉(zhuǎn)角速率,通過大量程陀螺解算出的滾轉(zhuǎn)角與半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)解算值進行對比,進一步證明本設(shè)計的合理性。

本次試驗利用高速飛行仿真轉(zhuǎn)臺模擬彈體高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)境,設(shè)置轉(zhuǎn)臺在偏航軸保持不變,俯仰軸從45°～-45°變化,滾轉(zhuǎn)軸角速率為15 rot/s,采集記錄相關(guān)數(shù)據(jù)參量。通過對比轉(zhuǎn)臺反饋回的滾轉(zhuǎn)角度信息、大量程陀螺解算滾轉(zhuǎn)角以及半捷聯(lián)慣性測量平臺解算滾轉(zhuǎn)角,驗證本設(shè)計的有效性,驗證試驗現(xiàn)場如圖8所示。由于高速飛行轉(zhuǎn)臺反饋的滾轉(zhuǎn)角信息為角增量形式,為了能夠直觀對比以上3種滾轉(zhuǎn)角信息,統(tǒng)一將滾轉(zhuǎn)信息化成角增量形式。如圖9為由放置在外筒底部的大量程陀螺測出的外筒滾轉(zhuǎn)角速率和轉(zhuǎn)化后的滾轉(zhuǎn)角增量圖。

圖8 飛行仿真試驗現(xiàn)場圖

圖9 大量程陀螺解算滾轉(zhuǎn)角信息

半捷聯(lián)慣性測量平臺內(nèi)筒MIMU測得滾轉(zhuǎn)信息如圖10所示,可以發(fā)現(xiàn)MIMU的滾轉(zhuǎn)角速率維持在較低的值,偏心質(zhì)量塊起到了減旋作用,與設(shè)計相符。如圖11為光編測得的內(nèi)外筒相對轉(zhuǎn)角及其局部放大圖。根據(jù)光電編碼器旋轉(zhuǎn)方向,將半捷聯(lián)平臺內(nèi)筒滾轉(zhuǎn)角信息與光電編碼器測得的相對轉(zhuǎn)角信息進行信息融合即可得到外筒的滾轉(zhuǎn)角,半捷聯(lián)系統(tǒng)解算得到的外筒滾轉(zhuǎn)角及其角增量如圖12所示。

圖10 MIMU測得滾轉(zhuǎn)軸信息

圖11 光編測得相對轉(zhuǎn)角信息

圖12 半捷聯(lián)系統(tǒng)解算滾轉(zhuǎn)信息

大量程陀螺解算滾轉(zhuǎn)角增量、半捷聯(lián)慣性測量平臺解算滾轉(zhuǎn)角增量與轉(zhuǎn)臺反饋滾轉(zhuǎn)角增量對比圖及其局部放大圖如圖13所示,將大量程陀螺解算滾轉(zhuǎn)角增量和半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)解算滾轉(zhuǎn)角增量分別與轉(zhuǎn)臺反饋滾轉(zhuǎn)角增量做差,得到滾轉(zhuǎn)角誤差對比圖如圖14所示。

圖13 滾轉(zhuǎn)角增量對比圖

圖14 滾轉(zhuǎn)角誤差對比圖

表1列出了不同試驗時刻的滾轉(zhuǎn)角誤差值,從表中可以看出經(jīng)半捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)解算出的滾轉(zhuǎn)角測量精度比直接用大量程陀螺解算出的滾轉(zhuǎn)角精度提高了5倍,證明了本設(shè)計系統(tǒng)的合理性,為高旋彈體滾轉(zhuǎn)角測量提供了一個可行的方法。

表1 滾轉(zhuǎn)角誤差對比 (°)

5 結(jié)論

針對利用常規(guī)方法測量高旋彈滾轉(zhuǎn)角精度不高的問題,提出并設(shè)計了一種間接測量彈體滾轉(zhuǎn)角的方法。該方法通過在彈體內(nèi)筒放置一個MIMU慣性測量單元和光編,利用光電編碼器測量彈體內(nèi)筒與彈體之間的相對轉(zhuǎn)角,通過后期數(shù)據(jù)融合,得出彈體滾轉(zhuǎn)角信息。同時還設(shè)計了光編抗干擾抖動方法。高速飛行仿真轉(zhuǎn)臺驗證了該測量系統(tǒng)設(shè)計的合理性。該測量系統(tǒng)克服了大量程陀螺測量滾轉(zhuǎn)角精度不高的問題,能夠滿足彈體在高速旋轉(zhuǎn)下的滾轉(zhuǎn)角測量,具有很高的工程實用價值。

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