中心議題：

• 姿態(tài)角測(cè)試方法
• 姿態(tài)角測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

解決方案：

• 裝置必須要進(jìn)行抗沖擊處理

1 引言

飛行體姿態(tài)角的測(cè)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(chǎng)合。某小型飛行體飛行過(guò)程中所受過(guò)載較小，姿態(tài)角變化不大，可容納測(cè)試儀的空間有限，針對(duì)該小型飛行器姿態(tài)角測(cè)試，提出了一種基于陀螺儀的姿態(tài)角存儲(chǔ)測(cè)試方法，介紹了具體實(shí)現(xiàn)方案。

2 姿態(tài)角測(cè)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(cè)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(guó)內(nèi)多以理論研究為主。而陀螺儀法在過(guò)載不太大的場(chǎng)合應(yīng)用方便，成為此飛行器姿態(tài)角測(cè)試的一個(gè)很好的選擇。飛行體的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)是飛行體繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。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(duì)于參考坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換。

2．1 陀螺儀姿態(tài)角測(cè)試原理

在對(duì)剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)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(dòng)坐標(biāo)系?？柕そ沁x取的方法是，首先繞ξ軸轉(zhuǎn)過(guò)α角，到達(dá)0x1y1zl的位置；再繞y1軸轉(zhuǎn)動(dòng)β角，到達(dá)0x2y2z2的位置；再繞z2軸轉(zhuǎn)動(dòng)γ角，到達(dá)0xyz的位置。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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。
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2．2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

研究存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)之后，設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。體積微小和測(cè)量時(shí)不需要引線即不需要對(duì)外界的電磁輻射是他的最突出特點(diǎn)。在動(dòng)態(tài)參數(shù)的存儲(chǔ)測(cè)試領(lǐng)域，測(cè)試儀要隨被測(cè)體一起運(yùn)動(dòng)，要求測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、功耗低及抗高過(guò)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(gè)系統(tǒng)能否可靠獲得被測(cè)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(kāi)機(jī)即能達(dá)到預(yù)定電平，狀態(tài)明確。信號(hào)傳輸效率高，適合高速采樣場(chǎng)合。可編程邏輯宏單元或邏輯塊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(jiǎn)單可靠的器件內(nèi)部邏輯，以確保整個(gè)測(cè)試過(guò)程系統(tǒng)的正常工作。本系統(tǒng)存儲(chǔ)容量為512 Kxl2 bit，負(fù)延遲為128 Kxl2 bit，采樣頻率為8 kHz。測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)包括：陀螺輸出，信號(hào)處理(通道切換、信號(hào)適配電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)，系統(tǒng)控制(中心控制器、電源控制)和接口電路4個(gè)部分。對(duì)三維角速度信號(hào)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(hào)，可先進(jìn)行通道切換再進(jìn)行信號(hào)適配，這樣電路板的面積可以減小，進(jìn)一步減小測(cè)試儀的體積。通過(guò)通道切換依次把傳感器信號(hào)送至信號(hào)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(chǔ)器。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，測(cè)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(hào)，電源控制器停止記錄，測(cè)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(cè)試裝置的數(shù)據(jù)。

2．3 系統(tǒng)抗沖擊處理

測(cè)試系統(tǒng)工作全程要承受沖擊過(guò)載，裝置必須要進(jìn)行抗沖擊處理，保護(hù)測(cè)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(guò)載，專門選取了抗高過(guò)載的器件。其中最重要的主控器件采用XCR3064，抗高過(guò)載能力達(dá)到3×105g[6]。針對(duì)測(cè)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(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行了真空灌封處理，將測(cè)試電路固結(jié)在電路保護(hù)殼中以抗高過(guò)載。經(jīng)過(guò)上述抗高過(guò)載措施處理后，測(cè)試裝置能夠很好滿足測(cè)試需要，保證了測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)可重復(fù)使用。

3 測(cè)試結(jié)果及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

存儲(chǔ)測(cè)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(cè)試數(shù)據(jù)。下面是實(shí)測(cè)曲線及其分析，x軸為自轉(zhuǎn)軸，z軸為飛行方向。實(shí)測(cè)飛行過(guò)程角速度信號(hào)如圖3所示，圖3中，3個(gè)軸的角速度曲線在70 ms處均有一個(gè)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(cè)得的ωx、ωy以及ωz已知，根據(jù)表達(dá)式7所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程，在MATLAB下解算出角度，如圖4所示。經(jīng)對(duì)比，與高速攝影記錄的姿態(tài)非常吻合。
4 結(jié)語(yǔ)

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