多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，是由是由吊挂绳索上端系在单旋翼无人直升机舱底，吊挂绳索下端等角度系在十字形支架上，十字形支架支撑Z分量接收线圈，三个姿态传感器等间距地固定于Z分量接收线圈上，三个姿态传感器均经信号传输线与姿态数据收录系统相连构成。每个姿态传感器均由一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成。实现了对航空线圈空中姿态偏转角的测量。不但具有体积小，响应快、成本低的特点外，而且经过数据融合处理后，能够有效地减少了环境中航空线圈摆动姿态的影响，使矫正后的反演磁场数据能够在强烈摆动环境中达到系统的精度要求。
【专利说明】多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置
【技术领域】:
[0001]本发明涉及一种航空地球物理勘探检测装置，尤其是单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置。
【背景技术】:
[0002]单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探系统采用单旋翼无人直升机作为飞行载体，利用人工磁场或者天然地磁场作为场源，通过Z分量接收线圈接收地下介质因涡流效应产生的二次场，从而对地下电阻率做出解释。Z分量接收线圈是单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探系统的核心部分之一，悬挂于单旋翼无人直升机下方。在飞行过程中，由于单旋翼无人直升机的急停、转向和倾斜等动作，造成Z分量接收线圈的姿态摆动，使得测量的磁场数据存在误差。因此，如何有效的实时监测Z分量接收线圈摆动姿态，成为了 ZTEM航空电磁勘探系统中的一个重要研究方向。
[0003]CN102991506A公开了一种基于MEMS的汽车驾驶姿态检测系统，系统包括信号采集模块、信号处理模块、智能控制模块、姿态提示模块及电源模块。信号采集模块完成对车辆驾驶操姿态的实时检测及初始信号传输；信号处理模块完成对初始信号的AD转换、数字滤波等处理，并将数据传输至智能控制模块，智能控制模块根据检测的数据控制姿态提示模块显示相应姿态信息；电源模块为系统进行供电。
[0004]CN103171561A公开了一种汽车姿态检测方法，包括:提供三轴加速度传感器、微处理单元和中控电脑，将所述三轴加速度传感器设置在汽车内，并与所述微处理单元的输入端电性连接，将所述微处理单元的输出端与所述中控电脑电性连接；所述三轴加速度传感器采集汽车的姿态参数，并将姿态参数传送给所述微处理单元，所述微处理单元判断姿态参数，并将判断结果传送给所述中控电脑，所述中控电脑根据判断结果实时调整汽车的运行姿态。相较于现有技术，本发明的所述汽车姿态检测方法可以实时获取汽车的运行姿态，并将运行姿态提供给中控电脑，以进行对应的调整，从而提高驾驶的安全性。
[0005]上述发明的姿态检测装置可以实时获取汽车的运动姿态，但都存在一些不足。由于采用单一或两种传感器，存在其本身固有特性，随着时间、温度的外界变化，会导致其误差会随时间累计，测量值会发生漂移，只能在短时间内保证精度，不满足ZTEM航空电磁勘探系统的动态稳定性和鲁棒性的要求。
[0006]对于单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置的一般结构而言，Z分量接收线圈受飞行速度、飞机颠簸和风向等因素影响，会发生摆动，导致线圈与大地之间的耦合发生变化，给测量的电磁数据带来误差，因此在飞行过程中对Z分量接收线圈姿态的实时检测十分重要。
【发明内容】
:
[0007]本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种适用于检测单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探的多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置。[0008]本发明的目的是通过以下方式实现的:
[0009]多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，是由吊挂绳索2上端系在单旋翼无人直升机I舱底，吊挂绳索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撑Z分量接收线圈3，第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12等间距地固定于Z分量接收线圈3上，第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12经信号传输线6与固定于十字形支架中心的姿态数据收录系统7相连构成。
[0010]姿态数据收录系统7是由第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12经单片机14分别连接GPS13和存储器15，单片机14设有同步时钟脉冲，当单片机14与GPS13失去信号联系时，姿态数据收录系统7立即切换到同步时钟脉冲，存储器15采用便携式SD存储卡，通过SPI接口与单片机14连接构成。
[0011]每个姿态传感器均由一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成。
[0012]第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12采集Z分量接收线圈3的空中摆动姿态参数，并将姿态参数分时传送给单片机14，单片机14采用扩展型卡尔曼滤波算法对第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12输出的姿态参数进行滤波，计算出航空线圈姿态偏转角，GPS13通过传输线将时间同步信号传输给单片机14，单片机14将时间同步信号与航空线圈姿态偏转角数据一并传输到存储器15。
[0013]有益效果:采用三个姿态传感器等间距地固定于航空线圈，每个姿态传感器均由一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成。通过将三种类型的传感器进行组合，在保证获得较好的动态稳定性的同时，补偿了 MEMS三轴陀螺仪带来的误差漂移，压制了 MEMS三轴加速度计动态输出存在的高频干扰，解决MEMS三轴磁阻传感器动态性能差的问题，提升单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置的鲁棒性。同时，采用扩展型卡尔曼滤波算法对各MEMS传感器输出的姿态信息进行数据融合，计算出高精度的航空线圈姿态偏转角，对磁场数据进行补偿校准，提高单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置的探测精度。航空线圈惯性导航装置可拆卸结构，降低重量，方便运输。
【专利附图】
【附图说明】:
[0014]图1多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置示意图
[0015]图2惯性导航装置内部连接示意图
[0016]I单旋翼无人直升机，2吊挂绳索，3Z分量接收线圈，4十字形支架，7姿态数据收录系统，第一 10姿态传感器，第二 11姿态传感器，12第三姿态传感器
【具体实施方式】:
[0017]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0018]多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，是由吊挂绳索2上端系在单旋翼无人直升机I舱底，吊挂绳索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撑Z分量接收线圈3，第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12等间距地固定于Z分量接收线圈3上，姿态传感器10、姿态传感器11和姿态传感器12经信号传输线6与固定于十字形支架中心的姿态数据收录系统7相连构成。[0019]姿态数据收录系统7是由第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12经单片机14分别连接GPS13和存储器15，单片机14设有同步时钟脉冲，当单片机14与GPS13失去信号联系时，姿态数据收录系统7立即切换到同步时钟脉冲，存储器15采用便携式SD存储卡，通过SPI接口与单片机14连接构成。
[0020]每个姿态传感器均由一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成。
[0021]第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12采集Z分量接收线圈3的空中摆动姿态参数，并将姿态参数分时传送给单片机14，单片机14采用扩展型卡尔曼滤波算法对第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12输出的姿态参数进行滤波，计算出航空线圈姿态偏转角，GPS13通过传输线将时间同步信号传输给单片机14，单片机14将时间同步信号与航空线圈姿态偏转角数据一并传输到存储器15。
[0022]Z分量接收线圈3由漆包线绕制，经铜带缠绕并接地进行干扰屏蔽后，采用玻璃钢管进行封装，封装后利用十字型支架4紧固，通过吊挂绳索2吊挂在单旋翼无人直升机I下部。Z分量接收线圈3形状可以是圆形或者正多边形。所述第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12均一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成，采用铝壳封闭式封装，经可拆卸减震垫等间距地固定于Z分量接收线圈3，以接地的方式进行干扰屏蔽。姿态数据收录系统7经固定底座固定于十字型支架4中心,并与第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12输出端通过数据电缆相连接。姿态数据收录系统7包括GPS13、单片机14和存储器15。
[0023]如图1所示，吊挂绳索2上端系在单旋翼无人直升机I舱底，吊挂绳索2下端等角度系在十字形支架4，十字形支架4支撑Z分量接收线圈3，姿态传感器10、姿态传感器11和姿态传感器12等间距地固定于Z分量接收线圈3，第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12经信号传输线6与固定于十字形支架中心的姿态数据收录系统7相连。
[0024]如图2所示，姿态数据收录系统7包括GPS13、单片机14和存储器15。第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12采集Z分量接收线圈3的空中摆动姿态参数，并将姿态参数分时传送给单片机14。单片机14采用扩展型卡尔曼滤波算法对第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12输出的姿态参数进行处理，计算出高精度的航空线圈姿态偏转角。GPS13通过传输线将时间同步信号传输给单片机14。单片机14将时间同步信号与高精度的航空线圈姿态偏转角数据一并传输到存储器15。
[0025]在单旋翼无人直升机起飞场地组装单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置，采用尼龙绳作为吊挂绳索2将Z分量接收线圈3与单旋翼无人直升机I进行连接，并将姿态数据收录系统7固定于十字型支架4中心，姿态传感器10、姿态传感器11和姿态传感器12紧固等间距地紧固在Z分量接收线圈3上。单旋翼无人直升机起飞前需将惯性导航装置上电启动，对水平方式的Z分量接收线圈进行进行姿态标定，标定完成后方可起飞。飞行过程中，第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12采集Z分量接收线圈3的空中摆动姿态参数，并将姿态参数分时传送给姿态数据收录系统7中的单片机14。单片机14采用扩展型卡尔曼滤波算法对第一姿态传感器10、第二姿态传感器11和第三姿态传感器12输出的姿态参数进行滤波，计算出高精度的Z分量接收线圈姿态偏转角。GPS13通过传输线将时间同步信号实时地传输给单片机14。单片机14将时间同步信号与高精度的Z分量接收线圈姿态偏转角数据一并传输到存储器15。单片机14具有高精度内部同步时钟脉冲，当单片机14与GPS13失去信号联系时，姿态数据收录系统7采用高精度内部同步时钟脉冲。飞行结束后，将飞行中采集到的Z分量接收线圈姿态数据与起飞前标定数据相比对，计算出Z分量接收线圈在飞行过程中的实时俯仰角和摆动角，根据航空电磁响应表达式，对磁场数据进行补偿校准，提高单旋翼无人直升机ZTEM航空电磁勘探装置的探测精度。
【权利要求】
1.一种多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，其特征在于，是由吊挂绳索(2)上端系在单旋翼无人直升机(I)舱底，吊挂绳索(2)下端等角度系在十字形支架(4)上，十字形支架(4)支撑Z分量接收线圈(3)，第一姿态传感器(10)、第二姿态传感器(11)和第三姿态传感器(12)等间距地固定于Z分量接收线圈(3)上，姿态传感器(10)、姿态传感器(11)和姿态传感器(12)经信号传输线(6)与固定于十字形支架中心的姿态数据收录系统(7)相连构成。
2.按照权利要求1所述的多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，其特征在于，姿态数据收录系统(7)是由姿态传感器(10)、姿态传感器(11)和姿态传感器(12)经单片机(14)分别连接GPS(13)和存储器(15)，单片机(14)设有同步时钟脉冲，当单片机(14)与GPS(13)失去信号联系时，姿态数据收录系统(7)立即切换到同步时钟脉冲，存储器(15)采用便携式SD存储卡，通过SPI接口与单片机(14)连接构成。
3.按照权利要求1所述的一种基于MEMS多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置，其特征在于，每个姿态传感器均由一个MEMS三轴陀螺仪、一个MEMS三轴加速度计和一个MEMS三轴磁阻传感器组成。
4.一种多传感器数据融合的航空线圈惯性导航装置的数据采集方法，其特征在于，第一姿态传感器(10)、第二姿态传感器(11)和第三姿态传感器(12)采集Z分量接收线圈(3)的空中摆动姿态参数，并将姿态参数分时传送给单片机(14)，单片机(14)采用扩展型卡尔曼滤波算法对第一姿态传感器(10)、第二姿态传感器(11)和第三姿态传感器(12)输出的姿态参数进行滤波，计算出航空线圈姿态偏转角，GPS(13)通过传输线将时间同步信号传输给单片机(14)，单片机(14)将时间同步信号与航空线圈姿态偏转角数据一并传输到存储器(15)。
【文档编号】G01C21/04GK104019812SQ201410273811
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月18日 优先权日:2014年6月18日
【发明者】陈晨, 王言章, 林君, 时洪宇, 刘飞 申请人:吉林大学