专利名称：基于铅垂陀螺和ccd线阵的姿态可视化测量方法
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CXD阵列，分别得到运动体的俯仰和滚转角，通过对CXD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CXD线阵分别固定布置在机体轴系的χ，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1，传感器安装时χ轴作为飞机体轴系的χ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οχ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
当前光束在OE平面内CCD线阵投影位.置与该CCD线阵中心的偏移量額_嫩每度偏移量
/rtF、_当前光束在O只平面内CCD线阵投影位置与该CCD线阵中心的偏移量滚转角(度)=-每度偏移量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CXD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。
图1是本发明的结构示意图。
具体实施例方式参照图1，选择两个CXD线阵。1)在垂直陀螺轴线上产生光束，将一组CXD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1，传感器安装时χ轴作为飞机体轴系的χ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οχ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
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权利要求
1. 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C⑶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1，传感器安装时χ轴作为飞机体轴系的χ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 当前光束在Mz平面内CCD线阵投影位置与该CCD线阵中心的偏移量俯仰角(度每度偏移量^^ 当前光束在吵ζ平面内CCD线阵投影位置与该CCD线阵中心的偏移量 ■ =-每度偏移量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。
全文摘要
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。
文档编号G01C23/00GK102410842SQ20111021112
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月26日 优先权日2011年7月26日
发明者史忠科 申请人:西安费斯达自动化工程有限公司