姿態(tài)角測試研究

1 引言
    飛行體姿態(tài)角的測試方法有很多種，如磁敏傳感器、高速攝影儀、加速度計(jì)法以及陀螺儀等。各種方法都有其優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用局限，適用于不同的應(yīng)用場合。某小型飛行體飛行過程中所受過載較小，姿態(tài)角變化不大，可容納測試儀的空間有限，針對該小型飛行器姿態(tài)角測試，提出了一種基于陀螺儀的姿態(tài)角存儲測試方法，介紹了具體實(shí)現(xiàn)方案。

2 姿態(tài)角測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    磁敏傳感器法通常只是作為一種輔助測試手段，高速攝影法易受天氣影響也限制了它的應(yīng)用。加速度計(jì)法有著低成本、低功耗、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，但是理論計(jì)算及安裝復(fù)雜限制了該方法的應(yīng)用，在國內(nèi)多以理論研究為主。而陀螺儀法在過載不太大的場合應(yīng)用方便，成為此飛行器姿態(tài)角測試的一個很好的選擇。飛行體的姿態(tài)運(yùn)動是飛行體繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動運(yùn)動。在引入剛體假設(shè)和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的概念后，飛行體的姿態(tài)定義為飛行體坐標(biāo)系相對于參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換。
2．1 陀螺儀姿態(tài)角測試原理
    在對剛體的轉(zhuǎn)動運(yùn)動進(jìn)行解析描述時(shí)．常應(yīng)用歐拉角或卡爾丹角?？柕そ沁m用于姿態(tài)角變化較小的場合，因此．用卡爾丹角進(jìn)行描述。取初始時(shí)刻飛行體坐標(biāo)系Oξηζ為固定坐標(biāo)系，0xyz為與飛行體固結(jié)的動坐標(biāo)系?？柕そ沁x取的方法是，首先繞ξ軸轉(zhuǎn)過α角，到達(dá)0x1y1zl的位置；再繞y1軸轉(zhuǎn)動β角，到達(dá)0x2y2z2的位置；再繞z2軸轉(zhuǎn)動γ角，到達(dá)0xyz的位置。轉(zhuǎn)動關(guān)系如圖l所示。

    α、β以及γ分別為沿0ξ軸、0y1軸與0z軸的角速度分量，三次轉(zhuǎn)動如式（1）所示：

   

   在此，以cx表示cosx、sx表示sinx，正切以tgx表示。各次轉(zhuǎn)動相應(yīng)的方向余弦矩陣分別為

    飛行體的角速度ω，可以表示為：

式(7)為卡爾丹角表示的運(yùn)動學(xué)微分方程，其中ωx、ωy及ωz分別為陀螺x軸、y軸及z軸的輸出。積分此式，可得卡爾丹角。
2．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    研究存儲測試技術(shù)之后，設(shè)計(jì)了存儲測試系統(tǒng)。體積微小和測量時(shí)不需要引線即不需要對外界的電磁輻射是他的最突出特點(diǎn)。在動態(tài)參數(shù)的存儲測試領(lǐng)域，測試儀要隨被測體一起運(yùn)動，要求測試系統(tǒng)具有體積小、功耗低及抗高過載等特點(diǎn)，下面將結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)闡述這些要求的相應(yīng)解決措施。
    主控器件能否正常工作，是整個系統(tǒng)能否可靠獲得被測參數(shù)的關(guān)鍵。CPLD輸入和輸出引腳的原始電平可預(yù)先設(shè)定，開機(jī)即能達(dá)到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。信號傳輸效率高，適合高速采樣場合?？删幊踢壿嫼陠卧蜻壿媺K之間的相互連線在同一封裝內(nèi)，受外界干擾影響小，電磁兼容(EMC)性能好。綜上所述，CPLD具有邏輯性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快、程序不易跑飛等特點(diǎn)。為此選用CPLD作為主控器件，設(shè)計(jì)盡量簡單可靠的器件內(nèi)部邏輯，以確保整個測試過程系統(tǒng)的正常工作。本系統(tǒng)存儲容量為512 Kxl2 bit，負(fù)延遲為128 Kxl2 bit，采樣頻率為8 kHz。測試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

    存儲測試系統(tǒng)包括：陀螺輸出，信號處理(通道切換、信號適配電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲器)，系統(tǒng)控制(中心控制器、電源控制)和接口電路4個部分。對三維角速度信號采用的是連續(xù)采樣的方法，需要進(jìn)行通道切換。陀螺輸出的是電壓信號，可先進(jìn)行通道切換再進(jìn)行信號適配，這樣電路板的面積可以減小，進(jìn)一步減小測試儀的體積。通過通道切換依次把傳感器信號送至信號適配電路，經(jīng)調(diào)理后送至A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入存儲器。當(dāng)觸發(fā)信號到來后，測試系統(tǒng)記錄完預(yù)設(shè)的容量，中心控制器給出模擬電源關(guān)斷信號，電源控制器停止記錄，測試系統(tǒng)進(jìn)入省電模式。系統(tǒng)等待計(jì)算機(jī)發(fā)讀數(shù)指令由接口電路將數(shù)據(jù)讀出。設(shè)計(jì)了相應(yīng)的接口電路，USB口和并口都可讀取測試裝置的數(shù)據(jù)。
2．3 系統(tǒng)抗沖擊處理
    測試系統(tǒng)工作全程要承受沖擊過載，裝置必須要進(jìn)行抗沖擊處理，保護(hù)測試裝置，使其能在高沖擊環(huán)境下正常工作。為了抗高沖擊過載，專門選取了抗高過載的器件。其中最重要的主控器件采用XCR3064，抗高過載能力達(dá)到3×105g[6]。針對測試系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)了抗沖擊機(jī)械殼體，并且用環(huán)氧樹脂對測試裝置進(jìn)行了真空灌封處理，將測試電路固結(jié)在電路保護(hù)殼中以抗高過載。經(jīng)過上述抗高過載措施處理后，測試裝置能夠很好滿足測試需要，保證了測試系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)可重復(fù)使用。

3 測試結(jié)果及實(shí)測數(shù)據(jù)分析
    存儲測試系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于某小型飛行體的試驗(yàn)，成功獲得了測試數(shù)據(jù)。下面是實(shí)測曲線及其分析，x軸為自轉(zhuǎn)軸，z軸為飛行方向。實(shí)測飛行過程角速度信號如圖3所示，圖3中，3個軸的角速度曲線在70 ms處均有一個小鼓包，為陀螺的加速度效應(yīng)在曲線上的表現(xiàn)。

    陀螺儀測得的ωx、ωy以及ωz已知，根據(jù)表達(dá)式7所示的運(yùn)動學(xué)微分方程，在MATLAB下解算出角度，如圖4所示。經(jīng)對比，與高速攝影記錄的姿態(tài)非常吻合。

4 結(jié)語
    面向某飛行體姿態(tài)角測試的實(shí)際需要，研究姿態(tài)角測試技術(shù)，提出一種姿態(tài)角測試方案，分析理論基礎(chǔ)，作實(shí)際測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可滿足系統(tǒng)使用需求。