一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法

摘要

针对现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的问题，本发明提出了一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，该方法通过合理地配置姿态可视化测量系统的机械结构，使得加速度引起的铅垂陀螺进动现象得以消除，考虑到实际中可能存在的加工误差，进一步给出了铅垂陀螺的进动运动对姿态测量的影响及基于FPGA平台的补偿办法，本发明有效解决了现有的基于铅垂陀螺和CCD线阵的姿态可视化测量系统中铅垂陀螺的进动现象将会直接导致姿态角测量错误的技术问题，这种测量方法在飞机盲降、无人机着陆、着舰有着重要的应用前景。

主权项

1.一种姿态测量系统的FPGA硬件实现方法，其特征包括以下步骤：1）定义机体坐标系的原点o、x轴、y轴和z轴，整个系统包含两个线阵CCD传感器、支架、内框、底座以及内核，其中内核又由内壳、端盖、电机、转子和两枚一字型激光灯组成，电机带动转子在内核内转动，两枚一字型激光灯相互垂直固定在内核底部，内核通过轴承和内环轴与内框连接，内框通过轴承和外环轴与支架连接，内环轴与外环轴相交于支点O与机体坐标系原点o重合，支架固定在底座上，于是内核可以绕内环轴和外环轴做两自由度转动，底座安装在载体上时，外环轴与机体坐标系的x轴重合，内环轴与机体坐标系y轴重合，内核轴线与机体坐标系z轴重合，两个线阵CCD传感器分别摆放在内环轴与外环轴垂直平面内，同时使得一字型激光灯可以照射到线阵CCD传感器上面，当载体俯仰角和滚转角为零时，一字型激光灯的光线正好垂直照射在线阵CCD的中心；2）在FPGA中编写姿态测量系统的数据处理模块包含时序驱动模块、图像采集与存储控制模块、图像缓冲区、图像缓冲控制及信息提取模块和数据发送控制模块，其中时序驱动模块产生线阵CCD正常工作所需要的脉冲信号，使其稳定地输出所需线阵CCD图像信号，图像采集与存储控制模块依据上一个模块的脉冲信号时序接收线阵CCD输出的图像信号，并将信号封装成固定格式的数据按照像素顺序依次存入图像缓冲区中，当完整的一幅线阵CCD图像存储完毕即发出信号给图像缓冲控制及信息提取模块，该模块得到上述信号即开始提取俯仰角和滚转角信息，数据发送控制模块将俯仰角和滚转角信息发出；3）配置内核的质心O_c位置，使其与支点O重合，载体的加速运动造成的转子进动现象得以消除，内核的轴线相对惯性空间保持原有的方向，此时姿态测量系统的测量结果不会受到转子进动现象的影响，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：4）由于实际中存在加工误差，按照以下方法进一步补偿进动造成的误差，考虑到内核是由密度均匀的材料加工而成的轴对称零件，内核的质心O_c与支点O只会在内核轴线方向产生偏移，当质心O_c在支点O的下方时，配置FPGA的图像缓冲控制及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：$\gamma ={\gamma }_s+\cos \beta ·\int \frac{m·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\beta )·\mathrm{dt}$$\theta ={\theta }_s+\int \frac{m·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\alpha )·\mathrm{dt}$当质心O_c在支点O的上方时，配置FPGA的图像缓冲及信息提取模块按照下式得到俯仰角和滚转角：$\gamma ={\gamma }_s+\cos \beta ·\int -\frac{m·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_x+a_z\beta )·\mathrm{dt}$$\theta ={\theta }_s+\int -\frac{m·l_{\mathrm{oc}}}{H}(a_y-a_z\alpha )·\mathrm{dt}$其中，γ表示滚转角真实值，γ_s滚转角的测量值，θ表示俯仰角真实值，θ_s表示俯仰角测量值，m是内核质量（单位是kg），l_oc是质点O_c与支点O的距离（单位是m），H是陀螺转子动量矩（单位是kg·m²/s），以上参数可以从陀螺仪设计参数中得到，a_x,a_y,a_z分别是载体在基座坐标系（机体坐标系）上的三轴线加速度分量（单位是m/s²），由固联在载体上的三轴加速度计测量得到。