[发明专利]一种基于地磁信息的高旋弹丸姿态估计方法

说明书

本发明提出了一种基于地磁信息的高旋弹丸姿态估计方法。通过一个三轴地磁传感器收集数据，然后将得到的模拟信号通过A/D转换芯片转为数字信号，数字信号进入FPGA芯片，通过其中搭载的无损卡尔曼滤波器消去干扰，将分析得到的数据存储在黑匣子中，最后以消除干扰的信号为基础通过三正交比法估计弹丸的各项姿态角。实际实验的结果表明，本发明提出的方法可以高精度地估算出弹丸的各项姿态角，对实验所处环境的抗干扰性更强，可以应用于广泛的工作条件。

技术领域

本发明属于旋转物体的姿态测定技术领域，具体涉及一种基于地磁信息的高旋弹丸姿态估计方法。

背景技术

准确迅速地测量校准旋转物体的姿态，对提高弹丸的速度和精度有着非常重要的意义。在实际实验中，待测量物体通常体型较小，以高速飞行于高过载的极端环境中，所以在其他实验中常用的陀螺仪等高精度传感器并不适用，无法精确测得物体的姿态。此时，成本较低、占用空间较小、抗过载能力强的MEMS传感器可以用来完成测量任务。

目前在此基础上，有很多方法可以应用于旋转物体的姿态测量，例如磁力仪，MEMS陀螺仪，全球导航卫星系统定位，高速摄像机，太阳传感器，红外传感器等。磁力仪通过测量磁场强度和方向来测定物体的姿态，可以在特殊方法中作为特定部分使用，但是不能广泛适用于大多数环境。MEMS陀螺仪在通常情况下可以使用，但是当旋转物体转速较快时，无法准确测出物体的姿态。同样，MEMS加速度计通过对重力矢量的感受来测量物理姿态，这在通常环境下很适用，但是当待测物体高速旋转时重力矢量并不能被有效感受，所以也不能单独用于高速旋转物体的姿态测量。全球导航卫星系统能在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标和速度以及时间信息，但是需要时间来接收卫星信息很难做到实时测量，且信息传递不够稳定可能会部分丢失。高速摄像机，太阳传感器，红外传感器在合适的环境中会是很好的选择，但是在实际实验中他们很容易受到包括天气、周围环境等在内的各种干扰，测量的准确性很低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于地磁信息的高旋弹丸姿态估计方法，将磁力传感器和无损卡尔曼滤波器组合在一起，提高了对弹丸姿态估计的精确度和抗干扰性。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于地磁信息的高旋弹丸姿态估计方法了，包括以下步骤：

步骤1：计算弹丸理论姿态角；

通过将磁场投影到旋转弹丸动力学模型所在的测量坐标系来获得数据，所述动力学模型如下式：

I为弹丸惯性张量，在弹丸测量坐标系的x、y、z三轴上分量分别为0.16、1.8、1.8kgm²，M为弹丸力矩，( )_b表示在弹体坐标系的投影，为一个3×3的反对称矩阵；

力矩方程表示为：

a＝10^-4Ns²/m²为转矩系数，b＝10^-4Ns²/m为横向阻尼系数，c＝5×10^-6Ns²/m为滚动阻尼系数，d＝10^-6Ns²/m为玛格努斯力矩系数，Δ为总攻角，V为速度向量；

运动方程表示为：

Q为旋转四元数；

根据公式(1)-(3)计算弹丸理论姿态角偏航角ψ、俯仰角θ以及滚转角φ，分别表示为：