电磁式头盔姿态传感系统参数漂移实时补偿研究弹簧螺母
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电磁式头盔姿态传感系统参数漂移实时补偿研究
电磁式头盔姿态传感系统参数漂移实时补偿研究 2011年12月10日 来源： 利用电磁感应效应来敏感飞机驾驶员目视方向、实现快速瞄准，是近年来发展起来并已获得应用的一项新技术〔1，2〕。头盔姿态传感是该技术的关键，它通过实时测量驾驶员所戴头盔相对于飞机的姿态而获得驾驶员目视方向参数。一个头盔姿态传感系统的最重要性能指标是传感精度，它直接依赖于系统电路参数的精确性和稳定性。实际系统中不可避免的元器件参数漂移，会导致电路参数的改变和传感精度的下降。这种漂移又具有随机性，无法预知，从而无法在系统调试时予以补偿，已成为影响传感精度及其稳定性的最主要因素。目前尚未见有关补偿方法的文献发表。 本文提出解决该问题的一种方法，并用数学推导和试验结果说明它的正确和有效性。2 系统工作原理与误差分析 如图1，姿态传感系统由发射电路、发射天线、接收天线、接收与数据采集电路、时序控制与姿态解算计算机等部分组成。发射天线由绕在一块球形铁氧体磁芯上的3个互相垂直的线圈构成，固定安装于飞机上。其3个线圈分别记为Tx、Ty、Tz。接收天线与发射天线结构相同，但固定安装于头盔上。图1 电磁头盔姿态传感系统的组成 其3个线圈分别记为Rx、Ry、Rz。 工作时，Tx、Ty、Tz被分时馈入按正弦规律变化的发射电流。在任一时刻，只有一个线圈中有电流。该电流在天线周围空间产生交变磁场，使Rx、Ry、Rz上出现感应电压。接收电路对这些电压进行放大、滤波、相敏检波等处理后，得到反映它们幅值和相对相位(与参考信号同相或反相)的3个双极性直流电压，并经A/D转换变成数码形式。当Tx、Ty、Tz各发射过一次后，可采集到9个电压值。它们都是两个天线的相对姿态的函数，可排成一个3行3列的矩阵，称为数据矩阵。(1) 式中，是用来描述两个天线相对姿态的一个向量，称为姿态向量。Uxy()表示在姿态下，Tx发射时，用Ry接收所得到的电压值。矩阵其余元素的含义依此类推。 可以从电磁学定律推导出数据矩阵各元素关于的函数关系式和的各分量对于数据矩阵元素值的函数关系式〔2，3〕。姿态解算计算机根据这些关系式对每次采集的数据矩阵元素进行运算，求解出对应的向量，实现姿态传感。 目前所用的解算算法是在下述假设下推导出来的： ①发射天线各线圈辐射能力一样；馈给3个线圈的发射电流幅度相等、与参考信号的相位差相等且恒定。 ②接收天线3个线圈的灵敏度相等；接收电路对3个线圈输出信号的处理性能无差异；相敏检波器的两种输入信号严格同相或反相。 当这两个假设成立时，称系统处于无误差状态。此时所采集到的数据矩阵元素值称为“理想数据”。用该数据解算姿态精度最高。 对于实际系统，可以在电路调试时通过对元器件参数的仔细调整，使系统十分接近理想状态。但这种状态难以在长时期内或恶劣、多变的使用环境中保持。尤其是发射和接收电路多为模拟元器件构成，参数易随温度和时间漂移。其结果使实际采集到的数据矩阵元素值偏离“理想状态”。且这种漂移具有随机性，难以在调试时进行补偿。 下面分析系统参数漂移对采集数据造成的误差。从理想状态开始，逐次增加误差因素，最后得到误差的综合表达式。为下文表达方便，用uij表示数据矩阵元素，下称i,j ∈｛x,y,z｝。 状态Ⅰ：理想状态。此时的实采数据矩阵元素记为uij0()。 状态Ⅱ：与状态Ⅰ相比，发射电流出现相位差。设三个发射电流的相位差分别为θx、θy和θz。由于相敏检波器的输出幅度正比于输入信号与参考信号相位差的余弦，故此时的实采数据矩阵元素为 状态Ⅲ：与状态Ⅱ相比，接收电路出现相位差。把三个接收处理通道的相位差分别记为Φx、Φy和Φz，此状态下实采数据矩阵元素为 状态Ⅳ：与状态Ⅲ相比，又出现三路发射电流幅度差异和接收电路三个通道的放大量差异。设发射电流幅度相对变化量分别为αx、αy和αz，接收电路放大量相对变