半捷聯慣性測量系統多路采集數據對齊方法*

劉秀鋒，李　杰，2*，劉一鳴，杜　瑾，劉　俊，2，陳　偉

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.山西北方惠豐機電有限公司科研設計二所，山西長治046012）

半捷聯慣性測量系統多路采集數據對齊方法*

劉秀鋒1，李杰1，2*，劉一鳴1，杜瑾1，劉俊1，2，陳偉3

（1.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.山西北方惠豐機電有限公司科研設計二所，山西長治046012）

半捷聯慣性測量系統能實時精確測量彈體的各種飛行參數，為常規彈藥精確制導提供可能，半捷聯慣性測量系統包含兩塊采集數據的采存模塊，當系統運行時，由于兩個采存模塊采集不同步以及取點不統一導致采集的數據不是實時同步，從而無法對系統測得的數據進行解算，本文提出一個實時對齊方法，利用數據相關性，求出差的平方和的最小值即為最接近的值，實現數據對齊，為后續精確解算奠定基礎。

半捷聯；采集數據；慣性測量；數據對齊

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.018

常規高旋彈藥制導化的前提是準確獲取彈丸飛行過程中的姿態和位置信息，即實時精確測量彈體的各種飛行參數成為提高常規彈藥制導化的關鍵技術，對增強高旋彈藥的精確打擊具有重要的意義［1-2］。

針對高旋彈藥初始飛行時刻具有高加速度和高轉速的特點，一種具有橫滾隔離功能的半捷聯MEMS慣性測量系統［3］被應用于高旋彈藥的姿態測量。半捷聯慣性測量系統與被測載體在俯仰與偏航軸捷聯，滾轉軸向上不捷聯，通過動力輸出使慣性測量系統在滾轉軸向所敏感到的角速率遠小于彈體實際滾轉角速率，有效抑止彈體滾轉軸向高轉速對慣性測量系統中滾轉角速率測量精度的影響［4］。

該系統通過MIMU敏感彈體的姿態信息，采用FPGA控制模數轉換器采集MIMU數據到FPGA中以一定格式編碼，最終存儲到FLASH中，這個模塊簡稱為采存模塊，實現彈體發射到落地過程中飛行參數的實時準確記錄［5］，它是常規彈藥飛行參數測試的重要組件。如圖1所示。

圖1　MIMU和采存模塊

1　半捷聯慣性測量系統數據采集

1.1系統總體組成結構及原理

半捷聯慣性測量系統由控制驅動模塊、動力輸出模塊、MIMU（Micro Inertial Measurement Unit MIMU）采存模塊組成（如圖2所示），圖2中，將60 r/s量程陀螺（以下簡稱大陀螺）安裝在彈體的軸向上，實時測量高速旋轉武器彈藥的角速率，將采集得到的轉速信號實時轉化為控制無刷直流電機的PWM脈沖信號，通過電機驅動器控制電機以相反的角速率轉動，實現彈體中慣性測量系統減旋的目的。慣性測量系統中的MIMU與電機軸向捷聯，此時處于低轉速狀態，就可以將低量程高精度的MEMS慣性器件應用于高旋藥的姿態測量，有效提高了高旋彈藥的測量精度［6-7］。

圖2　半捷聯慣性測量系統框圖

1.2數據采集原理

采存模塊由電源模塊、調理模塊、AD轉換模塊、FPGA控制模塊、FLASH存儲模塊組成［8］。

1.2.1電源模塊

采存設計中用到的電源轉換芯片為REG104-5 和max8882EUTAQ，電路圖如圖3所示。

圖3　電源模塊電路圖

考慮到ADS8365和系統其他芯片的功耗，模擬供電部分采用了TI公司的低壓差線性穩壓（LDO）型電源REG104-5。REG104-5是TI公司生產的高功率、高性能的電壓轉換芯片，噪聲低，輸出的噪聲峰-峰值不大于33 μv，可以用來給功耗比較大的芯片供電，能夠滿足此系統的需求［9］。MAX8882EUTAQ輸入電壓范圍電壓為2.5 V～6.5 V，在適用電壓范圍內可以將5 V電壓轉換為標準的3.3 V和2.5 V電壓。

1.2.2信號調理模塊

在電子系統中，信號調理的作用是根據系統對信號的要求，對信號做適當的處理。信號調理模塊通常包括模擬信號放大、濾波、隔離、電平轉換等提高驅動能力等不同的處理。本設計信號調理電路采用OPA4340增強輸入信號的驅動能力。

1.2.3AD轉換模塊

TI公司的ADS8365主要特點有:6通道并行輸入；芯片內部具有可選的FIFO工作模式；16位的A/D，采集精度高；正常工作時功耗為200 mW，功耗低。ADS8365有6個模擬輸入通道，分為A、B、C三組，每組包括2個通道，分別由/HOLDA、/HOLDB、/HOLDC啟動A/D轉換。ADS8365的時鐘信號由外部提供，轉換時間為20個時鐘周期，最高頻率為5 MHz，在5 MHz的時鐘頻率下，每個通道的總的轉換時間為4 μs。數據輸出方式很靈活，分別由BYTE、ADD與地址線A2、A1、A0的組合控制。轉換結果的讀取方式有3種:直接讀取、循環讀取和FIFO方式［10］。圖4為AD轉換電路圖。

圖4　AD轉換模塊電路圖

1.2.4FPGA控制模塊

本系統中采用的FPGA是Xilinx公司生產的XC2S30E。XC2S30E是Spartan-ⅡE系列產品中的一款。由于這款FPGA采用了低內核電壓，這將從根本上減小芯片功耗，從而解決高速工作狀態下發熱量大的問題。同時其豐富的門陣列資源，也為復雜控制邏輯的實現提供了可能［11］。如圖5所示。

圖5　FPGA控制模塊電路圖

1.2.5FLASH存儲模塊

FLASH存儲器選用的是K9F2G08，電路如圖6所示。

圖6　FLASH存儲模塊電路圖

2　采存模塊實時數據采集不同步分析

由于高速旋轉的彈藥在初始飛行時刻具有高加速度和高轉速的特點，此時瞬時測得的數據會超過MIMU的量程，嚴重影響后續解算，所以需要增加一個大量程的加速度計和陀螺儀來彌補這部分數據，由于本系統所用數據采集模塊采用TI公司的16位六通道高速同步模數轉換芯片ADS8365，所以需要兩塊采存模塊同時采集，但是當系統運行時，由于兩個采存板采集不同步以及取點不統一導致采集的數據不是實時同步，從而無法對系統測得的數據進行精確解算。

3　實時采集數據對齊原理

由于數據不同步所以需要一種方法將實時采集數據對齊。

3.1硬件設計原理

采存模塊A采集MIMU的6路數據，采存模塊B除了采集大量程的加速度計和陀螺數據外，同時對MIMU的一個測量數據進行采集（比如對MIMU的x軸的陀螺數據進行采集），如圖7所示，將采集的數據進行讀取、分析，對采集的同一數據進行截取、對齊后，其他數據也實現了數據的對齊（同一模塊數據采集為同步），此時所有的多路采集數據實現對齊。

圖7　硬件設計原理圖

3.2程序設計原理

確定采存模塊A采集的數據的固定窗口寬度和位置，取采存模塊B采集的同一數據的滑動窗口的起始位置和寬度，考慮到最小二乘法是一種數學優化技術，當滑動窗口移動時，通過計算兩個數據差的平方和最小值，顯示差的平方和最小值和所在的位置，通過最小值所在的位置和固定窗口寬度的差值，截取對應的采存模塊的數據，從而實現兩個采集模塊實時采集數據對齊。程序流程圖如圖8所示。

圖8　數據對齊流程圖

4　實驗結果

通過高速飛行仿真轉臺模擬彈體運動，偏航為0°，俯仰軸從45°到-45°勻速變化，啟動時間為2 s，橫滾角由0變速加到-5 400（°）/s。如圖9所示，對數據進行采集、存儲和讀取，圖10為仿真系統MIMU同一數據不同采集模塊的數據采集結果。

圖9　模擬仿真系統

圖10　數據采集結果不同步

利用最小二乘法對數據進行運算，進而對數據進行截取，從而實現實時采集數據的對齊，結果如圖11所示。

圖11　實時采集數據對齊結果

將對齊數據進行解算得出慣性測量系統減旋后的三軸姿態信息如圖12所示。60 s偏航角小于0.5°，滿足系統的精度要求。

圖12　三軸姿態信息

5　結束語

本系統能夠利用多個采存模塊對多個量程的傳感器進行實時準確采集存儲，有效的彌補了高旋彈藥初始飛行時刻的傳感器的超量程問題，本文利用數據相關性，求出差的平方和的最小值，實現實時采集數據對齊，該數據能完整的記錄系統飛行仿真測試在各階段的姿態和加速度信息，為后續的高旋常規武器彈藥精確制導奠定基礎。

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劉秀鋒（1988-），男，山西嵐縣人，碩士研究生，主要研究方向為微系統集成及自動控制技術，sliuxiufeng@163.com；

李杰（1976-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為微系統集成理論與技術，慣性感知與控制技術，組合導航理論，計算幾何及智能信息處理等，lijie@nuc.edu.cn。

The Alignment Method of Multi-Channel Data on Half-Strapdown Inertial Measurement System*

LIU Xiufeng1，LI Jie1，2*，LIU Yiming1，DU Jin1，LIU Jun1，2，CHEN Wei3

（1.North University of China Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China 2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement（North University of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Shanxi North Huifeng Mechanical&Electronic Co.，Ltd No.2 Academic Institution，Changzhi Shanxi 046012，China）

Semi-strapdown inertial measurement system can realize real-time accurate measurement of projectile flight parameter，and provide the possibility for the precise guidance of conventional ammunition，Semi-strapdown inertial measurement system includes two blocks of data acquisition sampling module.As for the two acquisition and storage module asynchronous sampling，and take some disunity，which leads to the collection of the data is not real-time synchronization when the system running.Thus，we are unable to calculate the system measured data. This paper presents a real time alignment method，use the data correlation，deduce the minimum value and for travel is the most close to the values of the square.Finally，we realizedata alignment，which lay the foundation for follow up exact solution.

semi-strapdown；data acquisition；inertial measurement；data alignment

TJ760.6

A

1004-1699（2015）09-1373-06

項目來源:國家自然科學基金項目（50905169）

2015-3-31修改日期:2015-06-10