一種快速響應(yīng)的高精度滾轉(zhuǎn)角解算模塊

郭興玲，袁 靖

(北京中石正旗技術(shù)有限公司，北京 100176)

目前滾轉(zhuǎn)角解算模塊在炮彈、火箭彈制導(dǎo)中有大量的需求與應(yīng)用，如捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)滾轉(zhuǎn)角解算模塊、二維磁阻滾轉(zhuǎn)角解算模塊、磁力計(jì)和加速度計(jì)組合的滾轉(zhuǎn)角解算模塊等，這些模塊有的成本高，有的抗過(guò)載能力差，有的累積誤差大.基于三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、成本低、遲滯小的特點(diǎn)，結(jié)合基于三軸磁傳感器輸出的滾轉(zhuǎn)角算法和高速芯片實(shí)現(xiàn)一種快速響應(yīng)的低成本的滾轉(zhuǎn)角解算模塊[1-5].

1 基于三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器的滾轉(zhuǎn)角解算模塊

基于三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器的滾轉(zhuǎn)角解算模塊工作原理如圖1所示，主要包含三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器、信號(hào)采集滾轉(zhuǎn)角解算模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊.

圖1 滾轉(zhuǎn)角解算模塊工作原理圖

1.1三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器

1.1.1 傳感器電路

非晶絲在高頻脈沖激勵(lì)下，當(dāng)外界有微弱磁信號(hào)時(shí)，非晶絲的阻抗會(huì)發(fā)生巨大變化，系統(tǒng)感應(yīng)外界微弱磁信號(hào)，輸出對(duì)應(yīng)于外界微弱磁場(chǎng)的電信號(hào).其電路組成為：激勵(lì)電路、信號(hào)采集電路、敏感探頭、放大電路、檢波電路、濾波電路及反饋電路.其中：激勵(lì)電路給非晶絲提供高頻脈沖信號(hào)；信號(hào)采集電路通過(guò)感應(yīng)線圈感應(yīng)信號(hào)；放大電路將感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大；檢波電路從高頻調(diào)幅波中檢測(cè)出所需的調(diào)制信號(hào)；濾波電路低通濾波，去除感應(yīng)信號(hào)中較強(qiáng)高次諧波和噪聲；反饋電路擴(kuò)大測(cè)量范圍，把信號(hào)特性死區(qū)部分強(qiáng)制偏移到線性區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，將信號(hào)飽和區(qū)強(qiáng)制到線性區(qū)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量.

基于非晶絲的工作機(jī)理是：要有一個(gè)高頻信號(hào)對(duì)材料進(jìn)行激勵(lì)，采用尖窄脈沖激勵(lì)，其具有較強(qiáng)的諧波信號(hào)，非晶絲對(duì)高次諧波頻率響應(yīng)更靈敏，這樣可以提高傳感器的靈敏度.在脈沖激勵(lì)作用下，載波峰值會(huì)隨外加磁場(chǎng)的變化而變化，通過(guò)采集線圈采集到非晶絲變化的電壓即可求得變化磁場(chǎng)的大小.

電路選用二極管檢波方式，通過(guò)AD8421將傳感器信號(hào)放大.AD8421具有較低的輸入電壓噪聲和功耗，因此選用AD8421作為信號(hào)放大器.

1.1.2 非晶絲探頭

非晶絲探頭是微磁傳感器達(dá)到設(shè)計(jì)性能的關(guān)鍵因素之一.非晶絲探頭基本組成形式為：非晶絲、感應(yīng)線圈、偏置線圈，決定性能的有以下幾個(gè)方面：① 探頭的驅(qū)動(dòng)方式；② 非晶絲的直徑與長(zhǎng)度；③ 感應(yīng)和便置線圈的直徑和繞制匝數(shù).需要保證繞制線圈的均勻性；繞制線圈與非晶絲的同軸度.

為保證設(shè)計(jì)性能：①采用Co基非晶，其軸向各向異性的材料靈敏度高,在材料的易磁化方向施加驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)可以產(chǎn)生較顯著的磁阻抗變化，采用橫向驅(qū)動(dòng)-非對(duì)角方式：即在非晶絲上通電流,在繞制線圈上取感應(yīng)電壓.② 考慮到線圈繞制時(shí)對(duì)非晶絲的應(yīng)力影響，采用非金屬支撐管作為線圈繞制的支撐體，非晶絲穿過(guò)非金屬支撐管.③ 根據(jù)微磁傳感器的性能、成本和體積大小確定非晶絲的長(zhǎng)度：長(zhǎng)度越短，功耗越低，靈敏度越高.根據(jù)微磁傳感器的靈敏度、工作量程確定感應(yīng)線圈的匝數(shù)；根據(jù)微磁傳感器的工作線性區(qū)間確定偏置線圈的匝數(shù).

采用1 mm長(zhǎng)度，直徑25 μm的非晶絲，繞制線圈采用直徑25 μm的銅漆包線，非晶絲外繞制兩層漆包線線圈，一層為感應(yīng)線圈(300匝)，一層為偏置線圈(100匝).

1.1.3 傳感器實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

傳感器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)物如圖2所示，量程±2 Gs，分辨率2 nT,靈敏度1 608 mV/Gs，線性度1%FS,遲滯性0.5%FS,重復(fù)性1%FS,工作電流8 mA,圖3 給出了在±0.38 Gs工作區(qū)間傳感器測(cè)試工作曲線.

圖2 三軸非晶絲磁傳感器電路實(shí)物圖

圖3 傳感器工作曲線圖

2 數(shù)據(jù)采集和滾轉(zhuǎn)角解算MCU電路模塊

數(shù)據(jù)采集和滾轉(zhuǎn)角解算MCU電路模塊如圖4所示，該電路模塊主要解決數(shù)據(jù)的高速采樣和處理，采用STM32F765VI芯片實(shí)現(xiàn)三軸磁傳感器數(shù)據(jù)的200 MHz高速采樣,并完成滾轉(zhuǎn)角的解算.

圖4 數(shù)據(jù)采集和滾轉(zhuǎn)角解算MCU電路模塊

3 基于非晶絲磁傳感器的彈體實(shí)時(shí)姿態(tài)角計(jì)算方案

3.1 非晶絲磁傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的修正與補(bǔ)償

傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的修正主要從3個(gè)方面進(jìn)行：①正交修正；②零點(diǎn)修正；③靈敏度修正.這里闡述實(shí)驗(yàn)測(cè)試中的一種數(shù)據(jù)修正方法.3個(gè)敏感軸的靈敏度不一致時(shí)，會(huì)產(chǎn)生靈敏度誤差，輸出的曲線是一個(gè)橢圓，需要進(jìn)行靈敏度校正.

在無(wú)環(huán)境干擾情況下對(duì)磁傳感器自身誤差進(jìn)行校正：

設(shè)3個(gè)軸的靈敏度誤差為(KX，KY，KZ)，偏置誤差為(X0，Y0，Z0)，設(shè)傳感器輸出值與所在磁場(chǎng)的關(guān)系為

(1)

式中：Xout，Yout，Zout分別為傳感器3個(gè)軸的輸出值，Bx,By,Bz為地磁在3個(gè)軸上的磁場(chǎng)值.

對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，讓傳感器的3個(gè)軸XYZ分別測(cè)量同一磁場(chǎng)(地磁場(chǎng))：

用三維轉(zhuǎn)臺(tái)將Z軸調(diào)節(jié)與地磁矢量B垂直(此時(shí)Z軸輸出量最小)；繞Z軸旋轉(zhuǎn)一周，記錄X軸和Y軸的數(shù)據(jù)，則X軸或Y軸在轉(zhuǎn)動(dòng)一周中，與B同向時(shí)取最大值；與B反向時(shí)取最小值.

Xmax=KX×Bx+X0,Xmin=-KX×Bx+X0.

(2)

推出

KX=(Xmax-Xmin)/(2×Bx),X0=(Xmax+Xmin)/2..

(3)

記錄X軸的歸一化系數(shù)，作為歸一化處理參數(shù)，令

Ax=(Xmax-Xmin)/2,X0=(Xmax+Xmin)/2.

(4)

同理

Ay=(Ymax-Ymin)/2,Az=(Zmax-Zmin)/2,Y0=(Ymax+Ymin)/2,Z0=(Zmax+Zmin)/2.

(5)

當(dāng)滾轉(zhuǎn)角解算測(cè)量時(shí)，X，Y，Z軸輸出第I時(shí)刻的值為Xi,Yi,Zi，作歸一化處理計(jì)算

(6)

3.2 彈體實(shí)時(shí)姿態(tài)角計(jì)算

在已知發(fā)射坐標(biāo)系下的地磁場(chǎng)矢量Hf=[XfYfZf]T和彈體坐標(biāo)下的地磁場(chǎng)矢量Hb=[XbYbZb]T的情況下，滾轉(zhuǎn)角的計(jì)算[6-10]如下.

如果已知俯仰角θ，那么滾轉(zhuǎn)角γ和偏航角φ為

(7)

如果已知偏航角φ，那么俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ為

(8)

式中：Hf,Hb分別為發(fā)射坐標(biāo)系下和彈體坐標(biāo)下的地磁場(chǎng)矢量；Xf,Yf,Zf表示發(fā)射坐標(biāo)系下的3個(gè)坐標(biāo)系的地磁場(chǎng)值；Xb,Yb,Zb表示彈體坐標(biāo)系下的3個(gè)坐標(biāo)系的地磁場(chǎng)值；θ，γ，φ分別為俯仰角，滾轉(zhuǎn)角和偏航角.

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量與結(jié)果

設(shè)計(jì)的基于三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器的滾轉(zhuǎn)角解算模塊如圖5所示.

圖5 滾轉(zhuǎn)角解算模塊

圖6 給出了基于三軸旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊實(shí)時(shí)采集的三軸傳感器數(shù)據(jù)和解算的滾轉(zhuǎn)角曲線.圖6 中從上往下依次為①X軸磁傳感器輸出數(shù)據(jù);②Z軸磁傳感器輸出數(shù)據(jù);③Y軸磁傳感器輸出數(shù)據(jù); ④滾轉(zhuǎn)角解算數(shù)據(jù).

圖6 滾轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)曲線圖

5 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種由基于三軸巨磁阻抗效應(yīng)非晶絲磁傳感器、控制電路模塊、結(jié)合滾轉(zhuǎn)角解算算法形成的電路模塊系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：模塊的滾轉(zhuǎn)角解算速率為500 Hz，精度在0.9°左右.這種滾轉(zhuǎn)角解算模塊成本低，響應(yīng)速度快，靈敏度高，可應(yīng)用在姿態(tài)解算的炮彈、火箭彈制導(dǎo)等領(lǐng)域中.