基于微机械惯性器件的单轴捷联姿态测量装置

　　0　引言

　　在大型机械臂的精确控制中,需要准确测量吊臂末端角度。由于吊臂的机械变形,常规的安装于转动轴上的角度传感器难以满足要求。在军事领域,舵机是飞机自动驾驶仪的重要组成部分,在对自动驾驶仪的性能进行评价,或对自动驾驶仪的传动比进行调整的过程中,需要对舵机产生的舵面运动进行准确测量要求角度测量误差小于0·1°)。自动驾驶仪中与舵机配套的位置传感器精度较低,而且其标度因数也呈现非线性特性,不能作为舵面角运动准确测量的依据。基于陀螺仪和加速度计的惯性姿态测量系统是角运动的理想测量装置。近年来,基于MEMS(微电子机械系统)技术的微惯性传感器已日渐成熟,并开始在一些领域逐步取代传统的机电传感器。中、高精度MEMS惯性器件的推广和普及是惯性技术发展的趋势[1]。MEMS惯性器件的应用将大大降低惯性姿态测量系统的成本,并显著提高系统可靠性。基于MEMS惯性器件构建低成本微型惯性系统正成为惯性技术领域的一个研究热点[2]。文献[3]介绍了基于单轴捷联姿态系统原理的舵面位置测量仪,该装置采用基于经典控制理论的内阻尼算法,但未考虑转动轴与水平面的夹角,所提出的算法有一定的局限性。

　　首先介绍单轴捷联姿态系统的原理,在对系统误差进行分析基础上,采用卡尔曼滤波建立了姿态算法。其次,介绍基于MEMS陀螺仪和加速度计的单轴捷联姿态测量装置的构成,并对其工作过程进行仿真。

　　1　单轴捷联姿态系统的原理

　　捷联姿态系统将惯性器件(陀螺仪和加速度计)与载体固连,根据惯性器件的输出计算载体的姿态变化。单轴捷联姿态系统的传感器包括两个加速度计和一个速率陀螺。

　　令oxbybzb为载体坐标系,其中,yb为载体转动轴,xb垂直于转动轴,zb与xb和yb成右手坐标系。oxLyLzL为水平坐标系,其中,yL为yb在水平面的投影。平台坐标系oxPyPzP以初始的载体状态确定,一旦确定,其与水平系oxLyLzL的失量角是固定的;为方便起见,取xP与xL重合(即xP在水平面内),yP与yb重合。用oxgygzg表示地理系,转动轴xb与xP的夹角(横滚角,即绕转动轴的转动角度)为γ,yb与水平面的夹角为θ,载体航向为ψ。载体系、平台系和地理系的关系如图1所示。

　　图1　载体系、平台系和地理系的关系

　　Fig. 1　Relationships among carrier frame, platform frameand geographic coordinate system

　　两个加速度计的测量轴分别在xb轴和zb轴上,输出用fbx和fbz表示。速率陀螺的测量轴在yb轴上,输出用ωbiby表示。载体相对水平面的角度γ的变化率如下:

　　式中:ωbiby为平台系相对惯性系的转动角速度在载体系(b系)y轴的分量,其余角速度符号类同。由于yP与yb重合,故有下式: