一种高动态载体位姿实时测量装置的制作方法

本发明涉及位姿测量领域，特别是涉及一种适应高速、高旋、高冲击条件下运动载体的高动态载体位姿实时测量装置。

背景技术：

高动态载体，主要是指高转速（轴向大于100转/秒且小于500转/秒，横法向小于10转/秒）、高速度（轴向大于2马赫且小于5马赫，轴向小于1马赫）、高冲击（轴向、横法向过载均大于10000g且小于30000g，冲击时间低于30毫秒）条件下的运动物体，尤其针对于矿山开采与救援、石油钻井、深井测量、地质勘探等场合应用的钻探机构，以及军用领域中的制导炮弹和常规弹药弹道等。

zl200510011763.7号专利公开了一种载体姿态信息测量的测量装置，该装置包括3轴速率陀螺、3轴磁场计、单轴加速度计、温度传感器、单轴速度传感器、模数转换电路、微处理器和存储器、串行通讯接口，以及相应软件测量方法。该装置对传感器性能要求不高，可以选用体积很小的mems传感器，适用于高动态环境中对飞行器、车辆、船舶或其他载体的动态姿态进行测量。然而，该装置存在解算精度差、不能够进行载体gps数据测量、以及测量数据更新滞后等缺点。

专利号为：201611139322.x，发明名称为“一种高动态载体环境力测量装置”的专利申请提供了一种高动态载体环境力测量装置，该高动态载体环境力测量装置是一种应用在高速、高旋、高冲击条件下运动载体的环境力测量装置。同样的，该测量装置存在设计冗余度高、解算精度差、不能够进行载体gps数据测量、测量数据更新滞后等缺点。

本发明公开了一种新型的动态载体位姿实时测量装置，该装置可弥补上述的环境力测量装置的缺点，具有结构合理、解算精度高、支持载体gps数据测量、测量数据实时更新、稳定性强等优点，特别适用于石油挖掘、高旋弹体、盾构挖掘等环境下对高速、高旋、高冲击运动载体位姿的实时测量。

技术实现要素：

为弥补传统高动态载体位姿测量装置设计冗余度高、解算精度差、不能够进行载体gps数据测量、测量数据更新滞后等缺点，本发明公开了一种简单易行的高动态载体位姿实时测量装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高动态载体位姿实时测量装置，该测量装置包括：地面数据接收端及安装在运动载体内部的数据测量端；其中，地面数据接收端包括地面数据接收模块和地面电源模块；安装在运动载体内部的数据测量端包括数据采集模块、cpu、数据记录模块、无线数据传输模块和电源模块。

进一步的，所述数据采集模块包括：gps测量子模块、轴向磁强计1、轴向磁强计2、横法向磁强计1、横法向磁强计2、横法向磁强计3、横法向磁强计4、轴向加速度计1、轴向加速度计2、横法向加速度计1、横法向加速度计2、横法向加速度计3、横法向加速度计4、gps数据处理子模块、磁强计处理子模块、加速度计处理子模块以及数据采集自检子模块；其中，gps测量子模块负责测量载体的空间坐标以及三轴向速度；轴向磁强计1和轴向磁强计2负责测量载体运动x轴向磁环境；横法向磁强计1和横法向磁强计2负责测量载体运动y轴向磁环境；横法向磁强计3和横法向磁强计4负责测量载体运动z轴向磁环境；轴向加速度计1和轴向加速度计2负责测量载体运动x轴向加速度；横法向加速度计1和横法向加速度计2负责测量载体运动y轴向加速度；横法向加速度计3和横法向加速度计4负责测量载体运动z轴向加速度；gps数据处理子模块负责对gps测量子模块进行误差补偿，将gps数据的处理结果输出到cpu；磁强计处理子模块负责对磁强计进行误差补偿，将磁环境数据的处理结果输出到cpu；加速度计处理子模块负责对加速度计进行误差补偿，将加速度测量数据的处理结果输出到cpu；数据采集自检子模块负责对gps测量子模块、磁强计、加速度计、gps数据处理子模块、磁强计处理子模块和加速度计处理子模块进行自检。

进一步的，所述cpu负责从数据采集模块获取位姿测量数据，调度数据记录模块存储位姿测量数据，将位姿测量数据实时发送至无线数据传输模块。

进一步的，所述数据记录模块包括：数据收集子模块、数据存储子模块、数据回读子模块以及数据记录自检子模块；数据收集子模块负责读取cpu发送的数据信息，进行统一校验、压缩、重组，同时对照flash进行地址映射；数据存储子模块负责将数据收集子模块收集的数据和地址映射后存储数据；数据回读子模块负责回读数据存储子模块的数据；数据记录自检子模块负责对数据收集子模块、数据存储子模块和数据回读子模块进行自检。

进一步的，所述无线数据传输模块从cpu获取运动载体的位姿测量数据，实时发送到地面数据接收模块。

进一步的，所述地面数据接收模块负责接收运动载体的位姿测量数据，并通过usb接口对外输出信息。

进一步的，所述电源模块负责电压转换，将外界输入电压转换成数据采集模块、cpu、数据记录模块和无线数据传输模块所需的电压。

进一步的，所述地面电源模块负责电压转换，将外界输入电压转换成地面数据接收模块所需的电压。

此外，本申请还保护一种高动态载体位姿实时测量方法，该方法包括如下步骤：

（1）采用上述的高动态载体位姿实时测量装置，将高动态载体位姿实时测量装置的地面数据接收端接通电源，触发数据测量端低速低功耗运行；

（2）实时检测所述地面数据接收端的状态，当运动载体检测到大冲击时，触发安装在运动载体内部的数据测量端进行高速记录，并通过无线电通信链路实时将数据回传给地面数据接收端；

（3）工作人员通过计算机实时读取所述地面数据接收端获取的运动载体位姿测量数据；

（4）载体落地后，对载体进行回收，从安装在运动载体内部的数据测量端中回读位姿测量数据，对测量数据进行校验，从而提高测量精度；

（5）最后，在计算机上对处理后的测量数据进行回演。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）本发明采用无线数据传输模块将高动态载体位姿数据实时回传至地面，从而实现对高动态载体位姿测量的实时性，避免了传统高动态载体位姿测量装置需要回收或利用线缆进行传输的缺点。

（2）由于在高转速条件下（转速大于50000°/s）陀螺仪饱和，无法实现更高速率测量，因而设计中删除了传统高动态载体位姿测量装置在高转速条件下陀螺仪，利用地磁测量手段实现载体角速率测量，降低了成本，提高了系统可靠性。

（3）本发明提供的高动态载体位姿实时测量装置实现对gps数据的测量，可以满足对运动载体空间坐标和运动速度的测量，提高了高动态载体位姿测量的测量能力，弥补了传统高动态载体位姿测量装置无法测量高动态载体的空间坐标及速率的不足。

（4）对gps装置、磁强计、加速度计采集的数据进行误差补偿，从而消除高速、高旋、高冲击条件下的系统误差，提高了高动态载体位姿实时测量的精度。

（5）本发明提供的高动态载体位姿实时测量装置在载体回收后通过对测量数据回读，进行二次校验，可大幅降低高动态载体位姿实时测量装置的测量误差，提高了高动态载体位姿实时测量装置性能。

附图说明

图1为一种高动态载体位姿实时测量装置组成框图；

图2为一种高动态载体位姿实时测量装置数据采集模块组成框图；

图3为一种高动态载体位姿实时测量装置数据记录模块组成框图；

图4为一种高动态载体位姿实时测量装置总图。

具体实施方式

本发明公开了一种高动态载体位姿实时测量装置，该装置用于在高速、高旋、高冲击条件下获取运动载体位姿测量参数，具体测量参数包括：空间坐标、三轴向速度、三轴向磁环境、三轴向加速度。其中，空间坐标包括地理坐标系载体x坐标、地理坐标系载体y坐标和地理坐标系载体z坐标，三轴向速度分量包括地理坐标系载体x轴向速度、地理坐标系载体y轴向速度和地理坐标系载体z轴向速度；三轴向磁环境包括载体运动x轴向磁环境、载体运动y轴向磁环境和载体运动z轴向磁环境；三轴向加速度包括载体运动x轴向加速度、载体运动y轴向加速度和载体运动z轴向加速度。

该装置包括数据采集模块（1-1）、cpu（1-2）、数据记录模块（1-3）、无线数据传输模块（1-4）、地面数据接收模块（1-5）、电源模块（1-7）以及地面电源模块(1-8)。

数据采集模块（1-1），包括gps测量子模块（2-1）、轴向磁强计1（2-3）、轴向磁强计2（2-4）、横法向磁强计1（2-5）、横法向磁强计2（2-6）、横法向磁强计3（2-7）、横法向磁强计4（2-8）、轴向加速度计1（2-10）、轴向加速度计2（2-11）、横法向加速度计1（2-12）、横法向加速度计2（2-13）、横法向加速度计3（2-14）、横法向加速度计4（2-15）、gps数据处理子模块（2-17）、磁强计处理子模块（2-18）、加速度计处理子模块（2-19）以及数据采集自检子模块（2-21）。其中，gps测量子模块（2-1）负责测量载体的空间坐标以及三轴向速度。轴向磁强计1（2-3）和轴向磁强计2（2-4）负责测量载体运动x轴向磁环境。轴向磁强计1（2-3）敏感轴指向载体运动x轴向正方向，轴向磁强计2（2-4）敏感轴指向载体运动x轴向负方向。横法向磁强计1（2-5）和横法向磁强计2（2-6）负责测量载体运动y轴向磁环境。横法向磁强计1（2-5）敏感轴指向载体运动y轴正方向，横法向磁强计2（2-6）敏感轴指向载体运动y轴负方向。横法向磁强计3（2-7）和横法向磁强计4（2-8）负责测量载体运动z轴向磁环境。横法向磁强计3（2-7）敏感轴指向载体运动z轴正方向，横法向磁强计4（2-8）敏感轴指向载体运动z轴负方向。轴向加速度计1（2-10）和轴向加速度计2（2-11）负责测量载体运动x轴向加速度。轴向加速度计1（2-10）敏感轴指向载体运动x轴向正方向，轴向加速度计2（2-11）敏感轴指向载体运动x轴向负方向。横法向加速度计1（2-12）和横法向加速度计2（2-13）负责测量载体运动y轴向加速度。横法向加速度计1（2-12）敏感轴指向载体运动y轴正方向，横法向加速度计2（2-13）敏感轴指向载体运动y轴负方向。横法向加速度计3（2-14）和横法向加速度计4（2-15）负责测量载体运动z轴向加速度。横法向加速度计3（2-14）敏感轴指向载体运动z轴正方向，横法向加速度计4（2-15）敏感轴指向载体运动z轴负方向。gps数据处理子模块（2-17）对gps数据（2-22）进行误差补偿，补偿内容包括电离层数据、时间基准，然后将处理后数据传输进cpu（1-2）中。磁强计处理子模块（2-18）利用高速adc转换器对磁强计组件（2-9）输出的磁环境数据模拟量（2-23）进行高速数据采集，将磁环境数据模拟量（2-23）转换成磁环境数据数字量，并进行误差补偿，补偿内容包括零位补偿、标度因数补偿、温度补偿、交叉耦合补偿，然后将处理后数据传输进cpu（1-2）中。加速度计处理子模块（2-19）利用高速adc转换器对加速度计组件（2-16）输出的加速度数据模拟量（2-24）进行高速数据采集，将加速度数据模拟量（2-24）转换成加速度数据数字量，并进行误差补偿，补偿内容包括零位补偿、标度因数补偿、温度补偿、交叉耦合补偿，然后将处理后数据传输进cpu（1-2）中。数据采集自检子模块（2-21）负责对gps测量子模块、磁强计组件、加速度计组件、gps数据处理子模块、磁强计处理子模块和加速度计处理子模块（2-20）的功能进行自检（2-2）。特别要指出的是，gps数据处理子模块（2-17）、磁强计处理子模块（2-18）和加速度计处理子模块（2-19）中包含信号滤波程序，实现对gps数据（2-22）、磁环境数据模拟量（2-23）和加速度数据模拟量（2-24）的平滑处理。

cpu（1-2）从数据采集模块（1-1）获取位姿测量数据（1-9），其中从gps数据处理子模块（2-17）获取运动载体的空间坐标和三轴向速度，从磁强计处理子模块（2-18）获取运动载体的三轴向磁环境，从加速度计处理子模块（2-19）获取运动载体的三轴向加速度，调度数据记录模块（1-3）存储位姿测量数据（1-10），将位姿测量数据（1-11）实时发送至无线数据传输模块（1-4）。

数据记录模块（1-3）包括数据收集子模块（3-1）、数据存储子模块（3-2）、数据回读子模块（3-3）以及数据记录自检子模块（3-5）。数据收集子模块（3-1）负责读取cpu（1-2）发送的位姿测量数据（1-10），进行统一校验、压缩、重组，同时对照flash进行地址映射后将测量数据和地址（3-6）发送至数据存储子模块（3-2）。数据存储子模块（3-2）负责将数据收集子模块（3-1）收集的测量数据和地址（3-6）映射后进行存储。数据回读子模块（3-3）负责回收载体时回读存储于数据存储子模块（3-2）的测量数据（3-7）。数据记录自检子模块（3-5）负责对数据收集子模块、数据存储子模块和数据回读子模块（3-4）的功能进行自检（3-8）。

无线数据传输模块（1-4）从cpu（1-2）获取运动载体的位姿测量数据（1-11），实时发送到地面数据接收模块（1-5）。

地面数据接收模块（1-5）从无线数据传输模块（1-4）接收运动载体的位姿测量数据（1-13），并通过usb接口对外输出信息。

电源模块（1-7），负责电压转换，将外界输入电压转换成数据采集模块、cpu、数据记录模块和无线数据传输模块（1-6）所需的电压（1-12）。

地面电源模块（1-8），负责电压转换，将外界输入电压转换成地面数据接收模块（1-5）所需的电压（1-14）。

高动态载体位姿实时测量装置分为地面数据接收端（4-3）和在运动载体（4-1）内部安装的数据测量端（4-2），其中地面数据接收端（4-3）由地面数据接收模块（1-5）和地面电源模块（1-8）组成，数据测量端由数据采集模块（1-1）、cpu（1-2）、数据记录模块（1-3）、无线数据传输模块（1-4）和电源模块（1-7）组成。载体发射时，地面数据接收端（4-3）接通电源，触发数据测量端（4-2）低速低功耗运行，实时检测地面数据接收端（4-3）状态，当运动载体（4-1）检测到大冲击时，触发数据测量端（4-2）高速记录，并通过无线电通信链路（4-5）实时将数据回传给地面数据接收端（4-3），工作人员可通过计算机（4-4）实时读取地面数据接收端（4-3）获取的运动载体位姿测量数据。载体落地后，对载体进行回收，从数据测量端（4-2）回读位姿测量数据，对测量数据进行校验，从而提高测量精度。最后，在计算机上对处理后的测量数据进行回演。

本发明主要应用在高转速（轴向大于100转/秒且小于500转/秒，横法向小于10转/秒）、高速度（轴向大于2马赫且小于5马赫，轴向小于1马赫）、高冲击（轴向、横法向过载均大于10000g且小于30000g，冲击时间低于30毫秒）条件下的运动物体位姿测量领域；本发明能够弥补传统位姿测量装置设计冗余度高、解算精度差、不能够进行载体gps数据测量、测量数据更新滞后等缺点，具有结构合理、解算精度高、支持载体gps数据测量、测量数据实时更新、稳定性强的优点。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。