專利名稱：微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及姿態(tài)測量領(lǐng)域中的測量裝置，特別涉及一種用于微型飛行器、無人機(jī)或輪船等載體的微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，可測得運(yùn)動載體的全姿態(tài)(包括俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航角)信息，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動快、成本低等特點。
背景技術(shù)：
姿態(tài)測量方法及裝置有很多，大體上分為慣性姿態(tài)測量裝置和絕對姿態(tài)測量裝置兩種。慣性姿態(tài)測量裝置主要是對慣性器件輸出信號進(jìn)行積分得到載體的姿態(tài)。常用的慣性器件有陀螺和加速度計。常規(guī)陀螺由于重量太大，只能用在大的飛機(jī)上，微型飛行器和無人機(jī)上采用的速率陀螺測量得到的是載體運(yùn)動的角速度，必須對其進(jìn)行積分運(yùn)算才能得到姿態(tài)角。但是微機(jī)電速率陀螺存在嚴(yán)重零點漂移問題，因此經(jīng)過積分計算得到的姿態(tài)角將不再準(zhǔn)確，這種測量裝置受陀螺漂移影響嚴(yán)重，不能準(zhǔn)確地得到飛行器的姿態(tài)。加速度計受慣性的影響，當(dāng)載體的以一定姿態(tài)平穩(wěn)運(yùn)動時，利用該測量裝置得到的姿態(tài)角精度較高。但是當(dāng)載體以加速度運(yùn)動時或者在運(yùn)動過程中受到擾動時，例如飛行器在飛行過程中受氣流影響而具有某種加速度時，則三軸加速度計測量的加速度中既包括重力加速度還包括有載體的運(yùn)動加速度，此時利用該方法計算得到的姿態(tài)角就具有相當(dāng)大的誤差。
紅外地平儀是基于普朗克黑體輻射定律工作的。它利用天空和地面輻射波長的不同來感知飛行器的姿態(tài)變化，是一種絕對姿態(tài)測量裝置，它不存在積分環(huán)節(jié)，響應(yīng)時間快，不受加速度的影響。在申請?zhí)枮閆L01110135.0的中國專利“基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)”中提供了一種由三軸磁強(qiáng)計和三軸加速度計組成的傳感器測量載體姿態(tài)的裝置；三軸磁強(qiáng)計測量地磁感應(yīng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系上三個正交軸的分量，根據(jù)地磁感應(yīng)強(qiáng)度在地理坐標(biāo)系中的表示，利用表述地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間相互轉(zhuǎn)換關(guān)系的方向余弦矩陣建立方程組，結(jié)合三軸加速度計求得的俯仰角信息可以算出航向角；由于載體有運(yùn)動加速度時，三軸加速度計不能準(zhǔn)確反映載體的俯仰角信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，易于微型化的適用于無人機(jī)、微型飛行器或輪船等活動載體的磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)。
本發(fā)明提供的用于微型飛行器、無人機(jī)或輪船載體的微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括三軸正交紅外地平儀20、三軸正交磁強(qiáng)計10、微處理器30及電源管理器；所述電源管理器為該微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源；所述三軸正交紅外地平儀20包括分別平行配制于載體直角坐標(biāo)系X、Y和Z軸的由一對紅外傳感器組成的用以測量載體的對地俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信號的單軸紅外地平儀組；將所測對地俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行運(yùn)算放大的運(yùn)算放大器21、濾去傳感器輸出信號中的高頻噪聲的濾波器22，以及將濾波后的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器23；所述三軸正交磁強(qiáng)計10包括分別平行配制于載體直角坐標(biāo)系X、Y和z軸的用以測量地磁感應(yīng)強(qiáng)度在X、Y和Z軸上分量的第一磁強(qiáng)計11、第二磁強(qiáng)計12和第三磁強(qiáng)計13；將所測信號進(jìn)行運(yùn)算放大的運(yùn)算放大器14、濾去輸出信號中的高頻噪聲的濾波器15，以及將濾波后的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器16；所述的微處理器30帶有載體姿態(tài)計算程序，分別與所述三軸正交紅外地平儀30和三軸正交磁強(qiáng)計10的A/D轉(zhuǎn)換器16和23相連，對獲取的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行載體姿態(tài)的計算，分別得出載體的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角。
所述的單軸紅外地平儀組包括平行配置于Z軸上的由紅外傳感器201和211組成的第一軸地平儀組、平行配置于Y軸的由紅外傳感器202和212組成的第二軸地平儀組，和平行配置于配置在X軸的由紅外傳感器203和213組成的第三軸地平儀組。
所述微處理器30帶有計算載體的姿態(tài)信息的姿態(tài)解算模塊，對三軸正交紅外地平儀20的測量信息轉(zhuǎn)換為載體坐標(biāo)系下的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息；并把三軸正交磁強(qiáng)計10的經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得數(shù)字信號，結(jié)合計算得到的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息，解算出載體的航向角信息；姿態(tài)解算方法如下所述微處理器30對第一軸地平儀組、第二軸地平儀組和第三軸地平儀組的對地傾斜角度和輸出差動電壓的關(guān)系為θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)……(1)；其中θ為傾斜角度，Vout為單軸紅外地平儀組輸出差動電壓，Vmax為單軸紅外地平儀組輸出最大值，k為紅外傳感器采用的比例系數(shù)；由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 其中 為地面坐標(biāo)， 為載體坐標(biāo)。、θ、φ分別為偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；可得sin x＝-sinθ----1sin y＝cosθsinφ----2………(3)sin z＝cosθcosφ----3x，y，z為三軸紅外地平儀的各自的對地傾角，θ、φ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
通過輸出電壓采用公式(2)中的其中兩個軸對應(yīng)的公式可以推算出θ、φ；根據(jù)第三軸的正負(fù)可以確定θ、φ所處的象限，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量；根據(jù)三軸紅外地平儀信號中的哪兩個軸進(jìn)行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行解算，以及剩下的第三軸進(jìn)行象限判斷；其判斷流程如下首先計算出分別平行配制于載體直角坐標(biāo)系X、Y和Z軸的紅外地平儀組傾斜45度時應(yīng)該輸出的差動電壓Vx45，Vy45，Vz45；判斷X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx的絕對值和Vx45的大小，如果|Vx|＞Vx45，接下來判斷Vx是否大于0；如果Vx＞0，通過公式(1)得到Y(jié)軸和Z軸紅外地平儀組的對地傾角y，z；根據(jù)公式(3)中的2，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，Φ∈[-90，90]范圍內(nèi)?！?a)如果Vx《0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，Φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。
如果X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx絕對值|Vx|《Vx45，接下來判斷Y軸紅外地平儀組的輸出電壓Vy的絕對值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下來判斷Vz是否大于0；如果Vz)0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，y；根據(jù)公式(3)中的1，2式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-90，90])范圍內(nèi)?！?b)如果Vz《0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。
如果|Vy|《Vy45，接下來判斷Vy是否大于0；如果Vy＞0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，z；根據(jù)公式(3)中的1，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-90，90])范圍內(nèi)?！?c)如果Vy《0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-180，-90)∪(90，180]范圍內(nèi)。
通過上面的流程解算，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量；本發(fā)明的磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括由六個分離的紅外溫度傳感器構(gòu)成的三個單軸紅外地平儀，三個三軸磁強(qiáng)計，微處理器和電源管理電路。
所述六個紅外溫度傳感器每兩個組成一對，分別沿直角坐標(biāo)系的軸對稱布置，每對傳感連線可以不通過直角坐標(biāo)系的原點，但連線必須平行于相應(yīng)軸線。六個紅外溫度傳感器用來測量飛行器的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
受紅外溫度傳感器的視場角影響，單軸紅外地平儀組對地傾角在0～±55°范圍內(nèi)測量有效，三軸的單軸紅外地平儀組由于必然同時有兩個軸的對地傾角小于45°，根據(jù)輸出電壓的大小可以確定其中兩個軸的單軸紅外地平儀組，剩下的第三軸的單軸紅外地平儀組可以判斷姿態(tài)角的象限，從而實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量。
所述三軸正交磁強(qiáng)計沿前述直角坐標(biāo)系三軸布置，三軸磁強(qiáng)計結(jié)合紅外地平儀測得的俯仰和滾轉(zhuǎn)角信息，解算出載體的航向角。
所述微處理器30帶有計算姿態(tài)信息的姿態(tài)解算模塊，對三軸正交紅外地平儀20的測量信息轉(zhuǎn)換為機(jī)體坐標(biāo)系下的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息。并把三軸正交磁強(qiáng)計10的信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，結(jié)合算得的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息，解算出載體的航向角信息。它可以根據(jù)需要接收模擬的紅外地平儀信號，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，進(jìn)行姿態(tài)解算。也可以利用SPI口接收數(shù)字的紅外地平儀信號進(jìn)行姿態(tài)解算。
所述電源管理電路包括電源接口和降壓穩(wěn)壓器電路。用來為磁紅外姿態(tài)測量儀提供所需的穩(wěn)壓電源。
利用紅外地平儀解算方法如下單軸紅外地平儀(由沿直角坐標(biāo)系下同一軸線的一對紅外溫度傳感器組成)的對地傾斜角度和輸出差動電壓的關(guān)系為θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)。其中θ為傾斜角度，Vout為單軸紅外地平儀輸出差動電壓，Vmax為紅外地平儀輸出最大值，k為紅外傳感器采用的比例系數(shù)。
由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 其中 為地面坐標(biāo)， 為機(jī)體坐標(biāo)。、θ、φ分別為偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角?？傻胹in x＝-sinθ----1sin y＝cosθsinφ----2 .........(2)sin z＝cosθcosφ----3x，y，z為三軸紅外地平儀的各自的對地傾角，θ、φ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
通過判斷輸出電壓采用公式(2)中的其中兩個軸對應(yīng)的公式可以推算出θ、φ。根據(jù)第三軸的正負(fù)可以判斷θ、φ所處的象限，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量。判斷利用三軸紅外地平儀信號中的哪兩個軸進(jìn)行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行解算，以及剩下的第三軸進(jìn)行象限判斷的流程見附圖4。
本發(fā)明中利用三軸正交紅外地平儀20測得的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角不受加速度的影響，結(jié)合三軸正交磁強(qiáng)計10最后求得載體的姿態(tài)角。可以滿足微型飛行器姿態(tài)測量的要求。本發(fā)明除可以應(yīng)用于微型飛行器，還可以應(yīng)用于中、大型飛行器進(jìn)行飛行姿態(tài)測量以及輪船等活動載體的姿態(tài)測量。
本發(fā)明采用集成度高、速度快、功耗低、自帶A/D轉(zhuǎn)換的微型處理器。既可以接受模擬的紅外輸人信號，也可以接受數(shù)字的紅外輸人信號。分離單元的紅外溫度傳感器單元有抗干擾性強(qiáng)、安裝靈活方便的特點。本發(fā)明具有體積小、重量輕、功耗低，使用方便、靈活、無論白天、夜間都能正常工作等特點。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖；圖2(a)是地理坐標(biāo)系示意圖；圖2(b)為載體坐標(biāo)系示意圖；圖3是圖2的載體姿態(tài)測量裝置中傳感器的分布示意圖；圖4是圖2的載體姿態(tài)測量系統(tǒng)中的紅外信號處理的流程圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
在一個實例性的實施方式中，坐標(biāo)系的建立如圖1所示。圖2(a)是以載體所在位置為原點建立三個正交軸組成的地理坐標(biāo)系北-東-地(即N-E-D)，其中N軸是由載體指向正北方，E軸是由載體指向正東方，D軸是由載體指向地心。圖2(b)是固連于載體100的三軸正交載體坐標(biāo)系X-Y-Z，其中X軸處于載體對稱平面內(nèi)，由載體質(zhì)心指向載體運(yùn)動前向，Y軸垂直于載體對稱平面并指向右方；Z軸在載體對稱平面內(nèi)且垂直于X軸指向下方，圖2(b)中是以飛機(jī)作為載體100的一個實例。
本發(fā)明的姿態(tài)測量系統(tǒng)如圖1所示，它布置在如圖2中的載體100上。該姿態(tài)測量系統(tǒng)中的傳感器包括三軸正交的磁強(qiáng)計10、三軸正交的紅外地平儀20；傳感器在載體100上的分布如圖3所示，三軸正交的磁強(qiáng)計10包括第一磁強(qiáng)計11、第二磁強(qiáng)計12和第三磁強(qiáng)計13，這三個磁強(qiáng)計11、12和13分別與載體坐標(biāo)系的三個正交軸X-Y-Z平行配置，用于分別測量地磁感應(yīng)強(qiáng)度在載體坐標(biāo)系三個正交軸X-Y-Z上的分量。三軸正交的紅外地平儀20包括由201，211紅外傳感器組成的第一軸紅外地平儀組、由202，212紅外傳感器組成的第二軸紅外地平儀組和出203，213紅外傳感器組成的第三軸紅外地平儀組。這三軸的六個紅外傳感器分別與載體坐標(biāo)系的三個正交軸X-Y-Z平行配置，用于分別測量紅外地平儀在地理坐標(biāo)系下的傾斜角度。
三軸紅外地平儀20和三軸磁強(qiáng)計10的輸出為模擬的電壓信號，分別經(jīng)過儀表運(yùn)放電路14、21對信號進(jìn)行放大。然后經(jīng)過濾波電路15、21濾去傳感器輸出信號中的高頻噪聲。濾波后的信號進(jìn)入微處理器30里自帶的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。微處理器帶有載體姿態(tài)計算的程序，通過獲取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行載體姿態(tài)的計算。
單軸紅外紅外地平儀(由沿直角坐標(biāo)系下同一軸線的一對紅外溫度傳感器組成)的對地傾斜角度和輸出差動電壓的關(guān)系為θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)。其中θ為傾斜角度，Vout為單軸紅外地平儀輸出差動電壓，Vmax為紅外地平儀輸出最大值，k為紅外傳感器采用的比例系數(shù)。
由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 其中 為地面坐標(biāo)， 為機(jī)體坐標(biāo)。、θ、φ分別為偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角?？傻胹in x＝-sinθ----1sin y＝cosθsinφ----2 .........(2)sin z＝cosθcosφ----3x，y，z為三軸紅外地平儀的各自的對地傾角，θ、φ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。
通過判斷輸出電壓采用公式(2)中的其中兩個軸對應(yīng)的公式可以推算出θ、φ。根據(jù)第三軸的正負(fù)可以判斷θ、φ所處的象限，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量。判斷利用三軸紅外地平儀信號中的哪兩個軸進(jìn)行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行解算，以及剩下的第三軸進(jìn)行象限。其判斷流程(圖4)如下首先計算出分別平行配制于載體直角坐標(biāo)系X、Y和Z軸的紅外地平儀組傾斜45度時應(yīng)該輸出的差動電壓Vx45，Vy45，Vz45；判斷X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx的絕對值和Vx45的大小，如果|Vx|＞Vx45，接下來判斷Vx是否大于0；如果Vx＞0，通過公式(1)得到Y(jié)軸和Z軸紅外地平儀組的對地傾角y，z；根據(jù)公式(3)中的2，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，Φ∈[-90，90]范圍內(nèi)?！?a)如果Vx《0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，Φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。
如果X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx絕對值|Vx|《Vx45，接下來判斷Y軸紅外地平儀組的輸出電壓Vy的絕對值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下來判斷Vz是否大于0；如果Vz＞0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，y；根據(jù)公式(3)中的1，2式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-90，90])范圍內(nèi)。......(b)如果Vz《0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。
如果|Vy|《Vy45，接下來判斷Vy是否大于0；如果Vy＞0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，z；根據(jù)公式(3)中的1，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-90，90])范圍內(nèi)。......(c)如果Vy《0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，Φ∈[-180，-90)∪(90，180]范圍內(nèi)。
通過上面的流程解算，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量；本發(fā)明是一種絕對的姿態(tài)測量系統(tǒng)，不存在陀螺的積分飄移問題，響應(yīng)時間快，從而得到的載體姿態(tài)動態(tài)精度和穩(wěn)定性優(yōu)于現(xiàn)有的姿態(tài)測量系統(tǒng)。本發(fā)明可以實現(xiàn)載體的全姿態(tài)測量，即俯仰角測量范圍為-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)角測量范圍為-180°～+180°，航向角測量范圍為0°～360°。進(jìn)一步的，本發(fā)明中的傳感器采用一體化MEMS芯片集成封裝技術(shù)，使儀器更加小型化。
權(quán)利要求
1.一種用于微型飛行器、無人機(jī)或輪船載體的活動微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括三軸正交紅外地平儀(20)、三軸正交磁強(qiáng)計(10)、微處理器(30)及電源管理器；所述電源管理器為該微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源；所述三軸正交紅外地平儀(20)包括分別平行配置于載體直角坐標(biāo)系X、Y和z軸的由一對紅外傳感器組成的用以測量載體的對地俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信號的單軸紅外地平儀組；將所測對地俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信號進(jìn)行運(yùn)算放大的運(yùn)算放大器(21)、濾去傳感器輸出信號中的高頻噪聲的濾波器(22)，以及將濾波后的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器(23)；所述三軸正交磁強(qiáng)計(10)包括分別平行配置于載體直角坐標(biāo)系X、Y和z軸的用以測量地磁感應(yīng)強(qiáng)度在X、Y和Z軸上分量的第一磁強(qiáng)計(11)、第二磁強(qiáng)計(12)和第三磁強(qiáng)計(13)；將所測信號進(jìn)行運(yùn)算放大的運(yùn)算放大器(14)、濾去輸出信號中的高頻噪聲的濾波器(15)，以及將濾波后的輸出信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的A/D轉(zhuǎn)換器(16)；所述的微處理器(30)帶有載體姿態(tài)計算程序，分別與所述三軸正交紅外地平儀(20)和三軸正交磁強(qiáng)計(10)的A/D轉(zhuǎn)換器(16，23)相連，對獲取的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行載體姿態(tài)的計算，分別得出載體的俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和航向角。
2.按權(quán)利要求1所述的微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的單軸紅外地平儀組包括配置在Z軸上的由紅外傳感器(201)和(211)組成的第一軸地平儀組、配置在Y軸上的由紅外傳感器(202)和(212)組成的第二軸地平儀組，和配置在X軸上的由紅外傳感器(203)和(213)組成的第三軸地平儀組。
3.按權(quán)利要求1所述的微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器(30)帶有計算載體的姿態(tài)信息的姿態(tài)解算模塊，對三軸正交紅外地平儀(20)的測量信息轉(zhuǎn)換為載體坐標(biāo)系下的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息；并把三軸正交磁強(qiáng)計(10)的經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得數(shù)字信號，結(jié)合計算得到的俯仰、滾轉(zhuǎn)角信息，解算出載體的航向角信息；姿態(tài)解算方法如下所述微處理器對第一軸地平儀組、第二軸地平儀組和第三軸地平儀組的對地傾斜角度和輸出差動電壓的關(guān)系為θ＝arcsin(k*Vout/Vmax)；其中θ為傾斜角度，Vout為單軸紅外地平儀輸出差動電壓，Vmax為紅外地平儀輸出最大值，k為紅外傳感器采用的比例系數(shù)；由坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換矩陣 其中 為地面坐標(biāo)， 為載體坐標(biāo)。、θ、φ分別為偏航角、俯仰角和滾轉(zhuǎn)角；可得sinx＝-sinθ ----1siny＝cosθsinφ ----2………(2)sinz＝cosθcosφ ----3x，y，z為三軸紅外地平儀的各自的對地傾角，θ、φ分別為俯仰角和滾轉(zhuǎn)角。通過輸出電壓采用公式(2)中的其中兩個軸對應(yīng)的公式可以推算出θ、φ；根據(jù)第三軸的正負(fù)可以確定θ、φ所處的象限，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°~+90°，滾轉(zhuǎn)-180°~+180°范圍內(nèi)的測量；根據(jù)三軸紅外地平儀信號中的哪兩個軸進(jìn)行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角進(jìn)行解算，以及剩下的第三軸進(jìn)行象限判斷；其判斷流程如下首先計算出分別平行配制于載體直角坐標(biāo)系X、Y和Z軸的紅外地平儀組傾斜45度時應(yīng)該輸出的差動電壓Vx45，Vy45，Vz45；判斷X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx的絕對值和Vx45的大小，如果|Vx|)Vx45，接下來判斷Vx是否大于0；如果Vx＞0，通過公式(1)得到Y(jié)軸和Z軸紅外地平儀組的對地傾角y，z；根據(jù)公式(3)中的2，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，φ∈[-90，90]范圍內(nèi)。……(a)如果Vx《0，解算方法如(a)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈(45，90]∪[-90，-45)，φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。如果X軸紅外地平儀組的輸出電壓Vx絕對值|Vx|＜＜Vx45，接下來判斷Y軸紅外地平儀組的輸出電壓Vy的絕對值和Vy45的大小，如果|Vy|＞Vy45，接下來判斷Vz是否大于0；如果Vz＞0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，y；根據(jù)公式(3)中的1，2式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范圍內(nèi)。……(b)如果Vz《0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90)∪(-90，180]范圍內(nèi)。如果|Vy|＜＜Vy45，接下來判斷Vy是否大于0；如果Vy＞0，通過公式(1)得到X軸和Y軸紅外地平儀組的對地傾角x，z；根據(jù)公式(3)中的1，3式可以得到載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角θ、φ，在上述判斷條件滿足下，解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-90，90])范圍內(nèi)?！?c)如果Vy＜＜0，解算方法如(b)，只是解算出的θ、φ應(yīng)限制在θ∈[-45，45]，φ∈[-180，-90)∪(90，180]范圍內(nèi)。通過上面的流程解算，從而可以實現(xiàn)俯仰-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)-180°～+180°范圍內(nèi)的測量。
4.按權(quán)利要求1所述的微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的單軸紅外地平儀組的對地傾角在0-55°范圍內(nèi)，其中，兩個軸的單軸紅外地平儀組的對地傾角小于45°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型磁紅外姿態(tài)測量系統(tǒng)，包括三軸正交紅外地平儀、三軸正交磁強(qiáng)計、微處理器及電源管理器；三軸正交紅外地平儀測量載體的對地俯仰角和滾轉(zhuǎn)角信號，三軸正交磁強(qiáng)計用來測量地磁感應(yīng)強(qiáng)度在X、Y和Z軸上分量；結(jié)合紅外地平儀得到的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角解算出載體的航向角；本發(fā)明可以測得載體的全姿態(tài)信息，是一種絕對的姿態(tài)測量系統(tǒng)；具有固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、算法簡單，重量輕和成本低的優(yōu)點；無論白天、夜間都能正常工作；其使用的傳感器可采用一體化MEMS芯片集成封裝技術(shù)，可更加小型化。
文檔編號G01B11/00GK1796932SQ20041010354
公開日2006年7月5日 申請日期2004年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月29日
發(fā)明者葉雄英, 劉京濤, 朱榮, 周兆英, 宋宇寧, 王勁東 申請人:清華大學(xué)