双轴倾角传感器的设计与实现

86传感器与微系统(TransducerandMicrosystemTechnologies)2009年第28卷第12期双轴倾角传感器的设计与实现蒋庆仙1,2,马小辉2,陈晓璧2,王华2(1.西安交通大学机械工程学院,陕西西安710049;2.西安测绘研究所,陕西西安710054)摘要:光纤陀螺(FOG)寻北仪是利用FOG在相对地球静止时感测到的地球自转角速率在光轴上的分量特性而设计的寻北系统。固定陀螺的基座不水平时,对寻北精度会产生较大的影响。为了检测基座平面的姿态角,并对陀螺的输出值进行补偿,研制了高精度的双轴倾角传感器。该倾角传感器采用双轴石英挠性加速度计作为检测元件,通过采样加速度计在相差180的2个方向上的输出值,精确地解算出基座平面的姿态角,并消除了加速度计偏值的影响。系统简单,容易实现,且达到了较高的测角精度。关键词:光纤陀螺寻北仪;加速度计;倾角传感器;A/D转换中图分类号:U666.12文献标识码:A文章编号:10009787(2009)12008603DesignandrealizationofdualaxisTiltanglesensor1,2222JIANGQingxian,MAXiaohui,CHENXiaobi,WANGHua(1.SchoolofMechanicalEngineering,Xi!anJiaotongUniversity,Xi!an710049,China;2.Xi!anResearchInstituteofSurveyingandMapping,Xi!an710054,China)Abstract:Fiberopticgyroscope(FOG)northseekerisadeterminingnorthsystemthatutilizesthehorizontalcomponentsoftheearthrotationratesensedbyFOGwhenFOGisatrestrelativetotheearth.Theanglesbewteenthebaseandthehorizontalplatehavegreateffectontheorientationaccuracy.Inordertodetecttheattitudeangles(rollangleandpitchangle)ofthecarrieratthesametimeandcompensatetheoutputsoftheFOG,ahighpreciseanglesensorisdeveloped,whichadoptsdoubleaxisquartzflexibleaccelerometerasdetectingsensor.Bymakinguseoftheoutputsoftheaccelerometerattwodirectionswithaphasedifferenceof180,thetiltanglesbetweenthebaseandthehorizontalplatecanbeaccuratelycalculatedandtheconstantoffsetsoftheaccelerometerareeliminated.Thetiltanglesensoriseasytompilementandhashighmeasuringaccuracy.Keywords:FOGnorthseeker;acceleromete;rtiltanglesenso;rA/Dconversion0引言表明:安装陀螺的基座平面与水平面存在较大倾角时,寻北寻北仪是战略、战术、战役武器机动发射的理想定向设精度会受到较大的影响。基座平面绕垂直于陀螺轴的倾角备,可为导弹、雷达、火炮和车辆等提供方位基准,自动化、会直接引起一个同样量级的方位角测量误差,从而在较大快速和高精度是其发展趋势。随着惯性导航技术的发展,程度上影响寻北精度;基座平面绕陀螺轴的倾角对方位角陀螺寻北仪在军事和民用定向中得到了日渐广泛的应用。测量的影响相对较小。为了提高寻北精度,必须测量基座光纤陀螺(FOG)是随着光纤传感技术的发展而发展起来平面的姿态角,并对陀螺输出值进行补偿[4,5]。的一种新型角速率传感器。它是一种全固态结构,具有体积1倾角测量原理小、灵敏度高、动态范围大、耐冲击振动、集成可靠等优点,在航本倾角传感器是为了检测固定FOG的基座的姿态角空、航天及军事等领域中有着广泛的应用前景。由于FOG内并补偿陀螺的输出值而设计的,因此在结构上与寻北系统部无活动部件,其环境适应性远高于机电陀螺,在满足精度要是一个整体,并不是一个独立的部件。FOG寻北仪采用二求的前提下,已被越来越多地应用于寻北仪中[1~3]。位置法测量原理,即通过采样陀螺在相差180的2个方向地球以恒定的自转角速率绕地轴旋转。利用FOG测上的输出值,解算出陀螺的敏感轴与真北方向的夹角,工作量地球自转角速率的水平分量可以获得被测点的北向信原理如图1所示。息,经过解算得到FOG敏感轴轴与真北方向的夹角。研究实现二位置法测量的关键部件是精密机械转台,FOG收稿日期:20090609第12期蒋庆仙,等:双轴倾角传感器的设计与实现87图1二位置寻北方案原理图Fig1Diagramofprincipleoftwopositionsnorthseeking和双轴加速度计固定在转台上,FOG的敏感轴平行于基座平面。双轴加速度计的一个敏感轴(x轴)与陀螺敏感轴严格平行,用以测量陀螺敏感轴相对水平面的倾角。另一个敏感轴(y轴)在水平面内与陀螺敏感轴垂直,用以测量基座平面绕陀螺敏感轴的倾角。若寻北仪架设于地球上某一点O处,其经度为,纬度为!。地理坐标系OXnYnZn,其方向分别为东、北、天;载体坐标系XbYbZb分别为载体首尾线水平面及水平面法线方向,其中,载体纵轴与OYb轴重合,陀螺轴与OXb与之重合。设载体的方位角、横滚角和俯仰角分别为∀,和(逆时针为正)。地理坐标系XnYnZn到载体坐标系XbYbZb的转换矩阵为[4]cos0-sin100cos∀Cnb=0100cossin-sin∀sin0cos0-sincos0coscos∀-sinsinsin∀cossin∀+sinsin=-cossin∀coscos∀sincos∀+cossinsin∀sinsin∀-cossin在地理坐标系XnYnZn中地球重力加速度为[00-g]T,则在载体坐标系XbYZb中各轴的重力分量为b[AxAyAz]T=Cnb∀[00-g]T.(2)仅考虑加速度计偏值时,双轴加速度计的输出分别为Ax=gcossin+gx0,Ay=-gsin+gy0.(3)式中g为重力加速度,gx0和gy0为加速度计的零偏。采集加速度计在相差180两位置的输出值A1x,A1y,A2x和A2y,解算出和为[7]=arcsinA1y-A2y,=arcsinA1x-A2x.2g2-(A1y-A2y)24g(4)在上面的处理中消除了加速度计的零偏,极大地降低了对加速度计精度的要求。2倾角传感器的设计与实现2.1硬件电路设计sin∀0cos∀001cos∀-sincossin.(1)cos∀coscos图2采集系统流程图Fig2Flowchartofdataacquisitionsystem在捷联寻北系统中,数据采集单元的性能(分辨率、精度等)是决定系统性能的重要因素之一,因而,对于A/D转换器的性能和相应的抗干扰措施有较高要求,为此,选用高精度的A/D转换器AD7705来完成A/D转换[10]。选取AD7705的输出数据更新速率为20Hz;系统增益为2;主时钟:fCLK=2.4576MHz。为了保证对两路加速度计信号实现同步采集,且从满足性能要求、降低成本以及减小PCB板尺寸等方面考虑,对2个通道的模拟信号采用同时采样、分时转换的方法。DSP通过对模拟开关的控制选择模拟信号通路,并对AD7705的采样信号置高电平,依次对两路模拟信号进行转双轴石英挠性加速度计的两路输出为电流信号,为了换。当转换结束后,读取转换结果。便于后续电路处理,需要进行I/V转换把电流信号转换成2.2数据采集系统软件设计电压信号。系统采用DSP对加速度计进行数据采集,对其采取查加速度计的标度因数Ig=1#0.2mA/gn,匹配电阻为询的方式启动数据采集作业,如图3所示。系统上电复位50#。设计的测角范围为#15,则加速度计输出的电压后,首先对AD7705进行初始化,然后,设置循环定时采样幅值为V=1∀50∀10-3∀sin15=12.94∀10-3V。周期。当软件定时器时间到时,对flag置1,开始采集加速为了检测加速度计信号的微小变化,提高A/D转换精度计的数据。对AD7705发送采样转换信号,待两路模拟度,需要对信号进行放大。转换后的电压信号接入精密滤信号依次转换完成后存储数据。完成一次数据采集工作波放大电路,实现低通滤波[8,9]。滤波后的电压信号还必后,同时,将两路加速度计数据进行处理、存储,并等待下一须经过限幅和调理环节转换成与AD采集芯片输入兼容的个数据采集周期。由于AD7705转换速率可达100kSPS电压信号才能接入AD的信号输入端。采集系统的流程如(总转换时间10ps),而本系统A/D转换所需的采样频率图2所示。不高,两路A/D采用分时转换的方式完全可以满足系统实88传感器与微系统第28卷时性的要求[8],因此,系统设计优先考虑的是保证数据精3实验测试度,采样时间10s,可获得200个数据,并对测试数据进行实验是在室外阵风条件下进行的,将寻北仪和实验装滤波处理。置安放在人群和车辆密集的马路边。在有外界异常干扰情况下,进行了8组寻北实验。AD7705输出数据的更新速率为20Hz,采样时间10s。采用中位数估计求得双轴加速度计在相差180两位置的输出值,代入公式(4)解算出和。加速度计的测试结果如表1所示。表1加速度计的测量结果Tab1Testresultofaccelerometers序号112∋08(59∋34(212∋06(59∋32(312∋07(59∋34(412∋10(59∋33(图3数据采集流程图512∋08(59∋32(Fig3Flowchartofdataacquisition612∋09(59∋33(2.3加速度计测试数据的处理712∋12(59∋35(812∋08(59∋33(传统的最小二乘估计理论是科学实验中求取最佳值和估值12∋8.50(59∋33.25(误差估计的有力数学工具。当观测样本服从正态分布时,中误差(()1.86(1.04(参数的最小二乘估计具有无偏、一致和有效性。但是,当观从加速度计的测试结果可以看出:测角精度小于2(。测样本有悖于正态分布假设、样本遭受异常污染时,最小二由此可见,所设计的倾角传感器具有很高的测量精度,满足乘估计就具有负面效应,即估值不具有抗干扰性,单个测值了系统寻北的精度要求,并能够满足一般场合的应用要求。的偏差即可能导致解案完全崩溃。抗差估计是在粗差不可但是,为了获得绝对倾角值,还需对倾角传感器进行标定。避免的情况下,选择适当的估计方法使未知参数估值尽可能避免粗差的影响,得出正常模式下的最佳估值,从而保证了估值的可靠性[9]。但是,即使是抗差估计其抗差性能也不相同。中位数估计是抗差能力最强的估计方法,具有50%崩溃污染率,即有50%的数据受到污染时,也能得到可靠的解,但缺点是估值效率低。设对某一物理量等精度独立观测了n次,观测值为x1,x2,x3,∃xn,则由最小二乘法求得的估值x为x=1%x.(5)nni=1i观测值的中误差为1nm=(xix)2.(6)n1i%=1采用中位数估计求解观测值的最佳估值时,解式如下:抗差估计解[10]x^=median{xi}.(7)观测值的残差∃i=xi-^x.(8)观测值的中误差mx=median{|∃i|}/0.6745.(9)估值的中误差4结束语固定陀螺的基座平面与水平面存在较大倾角时,对寻北精度的影响较大。必须测量基座平面的姿态角,并对陀螺输出值进行补偿