基于两轴红外地平仪的全范围角度测量方法

飞行姿态角一般是指运动载体的俯仰角和滚转角,是飞行器实现自主飞行的重要控制量。因此,通过传感器实时获取姿态角并将它从复杂的噪声信号中高信度地分离出来成为飞行控制器设计的关键。对于传统飞行器而言,利用陀螺、加速度计等惯性传感器组合测量,姿态问题已得到较好的解决。但对于翼展较小的微小型飞行器,由于其体积小、负载能力弱,高精度的常规惯性器件因其体积和质量偏大,不能用于该类载体;而微型惯性器件的精度又不能直接满足姿态测量的要求,并且利用低精度的惯性器件,需要进行复杂的信号处理,难以实现高动态条件下的姿态测量。这已成为微小型飞行器控制与导航中的关键难点问题[1]。

通过提取地平线获取微小型飞行器姿态与传统的姿态测量相比是一种绝对测量方法。从原理上分,主要有2种实现途径:第一,通过图像信号提取地平线获取姿态信息[2-3]。第二,利用红外温度传感器组成的红外地平仪提取地平线获取姿态信息[4-6]。前者电路复杂,数据处理量大;后者传感器轻巧,电路简单,响应快,较适合微小型飞行器。然而,因红外温度传感器视场角有限,通过单轴红外地平仪得到的信号,存在测量盲区。

本文针对单轴红外地平仪倾角测量受限的问题,设计了两轴红外地平仪的测量方案。

1　红外地平仪测量原理

红外地平仪的关键部件是红外温度传感器。红外温度传感器通过吸收环境辐射的红外线能量,产生一个与温度成比例关系的电压信号。本研究所使用的是基于Seeback效应的热电偶红外温度传感器。

红外地平仪是基于Planck黑体辐射定律和Wien位移定律工作的。由于大气与地面热容量的不同,导致大气的温度比地面的要低。用红外地平仪来“看”水平线,在水平线之下的地面是暖的(即使地面有雪),水平线以上的天空是冷的。通过测量天空和地面的温差来得到红外地平仪的对地倾角大小,进而可以得到载体的姿态角。由于红外地平仪测量的是天空和地面的温差,不受光线的影响,因而白天黑夜都能正常工作。

当2个红外温度传感器对称水平放置时,如图1所示,其圆锥形视场角朝向天空和朝向地面的部分相等, 2传感器感应温度的平均值相等,此时2个传感器输出的差动电压为0。

当红外地平仪由初始水平位置倾斜时, 2个传感器朝向天空和朝向地面的视角同时改变,朝向地面视角大的传感器感受的温度平均值比朝向天空视场大的传感器感受的温度值要高,输出的差动信号随倾斜角度的变化而变化。

2　单轴红外地平仪测量盲区的形成

基于以上原理,以所选用的红外温度传感器(视角为110°)为例,说明测量盲区的形成过程。如图1所示,定义红外地平仪初始水平位置γ=0°,逆时针转动时γ为正,顺时针转动时γ为负。