[发明专利]基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于CCD线阵的欧拉角(姿态)测量方法，属于测控技术和飞行力学等范畴。

背景技术

现代陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体的方位的仪器，它是现代航空，航海，航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业，国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义；陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时，角动量很大，旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质，所制造出来的定向仪器。不过它必需转得够快，或者惯量够大(也可以说是角动量要够大)。不然，只要一个很小的力矩，就会严重影响到它的稳定性；设置在飞机、飞弹中的陀螺仪是内部所提供的动力，使其保持高速转动，使陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向，将此方向与飞行器的轴心比对后，就可以精确得到飞机的正确方向，所以目前航空、航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主要仪器，并且在导航、控制系统中扮演极为重要的角色；姿态角的测量准确与否，直接影响运动体的运动方向、运动轨迹、姿态精确控制的精度，特别是有人驾驶飞机的盲降、无人机的着陆等控制中，直接影响飞行安全；因此，欧拉角的测量与姿态精确控制已经成为当前运动体研究的关键技术；

然而，运动体的俯仰、滚转状态绝大多数都是通过角速率陀螺等测量，然后通过解算间接得到欧拉角，从公开发表的文献中对姿态计算主要有以下几种算法：欧拉角法、方向余弦法、等效转动矢量法、四元数法等：欧拉法求解姿态角是通过求解欧拉方程得到的，计算简单，但计算误差较大；方向余弦法需要求解9个微分方程，计算量较大，实时性较差、无法满足工程实践要求；等效转动矢量法一般都是基于速率陀螺输出为角增量的算法，然而在实际工程中，一些陀螺的输出是角速率信号、如光纤陀螺、动力调谐陀螺等，当陀螺输出为角速度信号时，旋转矢量法的算法误差明显增大；四元数法要解一个4阶微分方程组，但四元数对有限转动引起的不可交换误差的补偿不够，所以只适用于低动态运载体的姿态解算，而对高动态运载体，姿态解算中的算法漂移会十分严重；这些方法都存在积累和漂移误差，难以控制精度并实现可视化。

发明内容

针对现有欧拉角间接测量方法存在的积累和漂移误差等问题，本发明提出了一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法，该方法通过在垂直陀螺轴线上产生的光束和CCD阵列，分别得到运动体的俯仰和滚转角，通过对CCD阵列的高速采集还可以计算俯仰和滚转角速度，并可以直接在显示以实现姿态测量的可视化。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量方法，其特征包括以下步骤：

1)采用高速旋转、指向地心的垂直陀螺，在垂直陀螺轴线上产生光束，将一组CCD线阵分别固定布置在机体轴系的x，y轴上，使得俯仰、滚转、角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影位于CCD线阵的中心，当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影在CCD线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系，结构示意图在图1中给出；

参照示意图图1，传感器安装时x轴作为飞机体轴系的x轴，y轴作为飞机体轴系的y轴；安装在oxz平面内的CCD线阵平行于ox轴，安装在oyz平面内的CCD线阵平行于oy轴；

2)俯仰和滚转角解算式为：

3)俯仰和滚转角速度的解算式为：

对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度；对滚转角测量序列进行数字微分得到滚转角速度。

本发明通过铅垂陀螺和CCD线阵可以实现姿态和角速度测量，并且可以直接在屏幕上显示测量装置的内部情况，实现了测量的可视化；这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰等有着重要的应用前景。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

参照图1，选择两个CCD线阵。

1)在垂直陀螺轴线上产生光束，将一组CCD线阵分别固定布置在机体轴系的x，y轴上，使得俯仰、滚转、角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影位于CCD线阵的中心，当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向CCD线阵的投影在CCD线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系，结构示意图在图1中给出；

参照示意图图1，传感器安装时x轴作为飞机体轴系的x轴，y轴作为飞机体轴系的y轴；安装在oxz平面内的CCD线阵平行于ox轴，安装在oyz平面内的CCD线阵平行于oy轴；

2)俯仰和滚转角解算式为：