彈載滾轉穩定平臺相對轉角測量電路設計*

王麗平，李　杰，2*，祝敬德，鄒珊蓉（.中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室，太原03005；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原03005）

彈載滾轉穩定平臺相對轉角測量電路設計*

王麗平1，李杰1，2*，祝敬德1，鄒珊蓉1
（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）

針對MEMS捷聯慣性測量系統在高旋彈藥姿態測量過程中，無法克服高量程和高測量精度的矛盾，提出了采用半捷聯慣性測量單元和增量式光電編碼器測量旋轉彈滾轉角的方法，重點設計了相對轉角測量電路，并對增量式光電編碼器在實際應用過程中出現的問題進行了研究，最后通過三軸飛行仿真轉臺試驗進行驗證。試驗證明，該相對轉角測量電路具有一定的可行性和有效性，能夠有效測量慣性測量組合與彈體之間的相對轉角，具有一定的工程應用價值。

旋轉彈；相對轉角測量電路；增量式光電編碼器；半捷聯慣性測量單元

常規彈藥制導化的前提是能夠實時獲得彈體的飛行姿態參數。基于MEMS慣性器件的慣性測量單元具有成本低、體積小、抗干擾能力強、短時間精度高、抗過載能力強的特點，在旋轉彈藥制導化方面得到廣泛應用［1-2］。但是由于MEMS器件工藝的限制，傳統的捷聯慣性測量系統在測量高旋轉彈藥的姿態參數時，存在量程與精度互相矛盾的問題，從而導致姿態測量精度較低。

王晨［3］針對火箭彈滾轉動態范圍大的問題，提出通過伺服電機驅動慣性測量單元相對彈體等速反旋，隔離在滾轉方向上高旋角速度對慣性測量單元的影響。呂清利［4］提出了一種圖像制導的彈載滾轉穩定平臺，利用磁阻傳感器和伺服控制系統實現滾轉穩定。王晨、呂清利等人提出的方法雖然解決了常規彈藥在滾轉方向上的高旋問題，但此時慣性測量單元測得的滾轉角不是彈體的滾轉角。如果要想獲得彈體的滾轉角，需要在微慣性單元與彈體之間加上一個能夠測量相對轉角的裝置，測量微慣性測量單元與彈體之間的相對轉角。增量式光電編碼器具有分辨率高、響應速度快、體積較小、質量較輕、功耗較低等特點，因此本文選用增量式光電編碼器來測量相對轉角。

1　彈載滾轉穩定平臺工作原理

彈載滾轉穩定平臺結構示意圖如圖1所示，光編和微慣性測量單元安裝在內筒，內筒與伺服控制系統的電機軸通過聯軸器捷聯，光電編碼器的軸通過機械加工固定在平臺外殼［5］。在已知彈體轉速和方向的前提下通過控制電路和伺服控制系統使得電機帶動內筒實現等速反旋，光電編碼器的定子和轉子就會相互轉動，輸出脈沖數，換算成對應的角度，就是內筒與彈體的相對轉角。在姿態解算時通過算法即可得到彈體的姿態參數。

圖1　彈載滾轉穩定平臺結構示意圖

2　相對轉角電路設計

2.1光電編碼器的工作原理

光電編碼器是一個通過光電轉換裝置將輸出軸上的幾何位移量轉換為脈沖數或者數字量的傳感器，其原理圖如圖2所示。其核心部件為光柵盤和光電檢測裝置，光柵盤是把一定直徑的圓盤等分地開通若干個長方形孔，光柵盤與光編的軸固聯。當光編的軸轉動時，光柵盤同速旋轉，經過發光二極管等電子元件組成的檢測裝置會輸出若干脈沖信號，通過對輸出脈沖計數就能計算轉速，在已知時間的前提下就能算出對應的角度。根據檢測原理，光編可以分為光學式、磁式、感應式和電容式，按照信號輸出形式，光編分為增量式、絕對式和混合式3種。

圖2　光電編碼器原理圖

2.2光編信號方向判斷

本文選用10位增量式光電編碼器測量相對轉角，其分辨率約為0.35°。該增量式光電編碼器具有體積小、價格低、精度高、響應速度快、性能穩定，高分辨率的特點。增量式電編碼器有A、B、Z 3路輸出信號，當光電編碼器定子和轉子有相對轉動時，光電編碼器會輸出A、B兩路相互正交的數字脈沖信號。當光編旋轉一圈時，輸出一個Z脈沖信號。

圖3　光編方向判斷示意圖

如圖3所示，當編碼器正轉時，A路信號的相位超前B路信號90°。編碼器反轉時，A路信號的相位落后B路信號90°。光電編碼器每旋轉一圈，Z路信號輸出一個脈沖信號，用來表示編碼器的零位，將脈沖誤差控制在每轉以內，能有效的避免誤差累積。A、B兩路信號用于判斷被測物體的旋轉方向和計算被測物體的轉速。

2.3光編抖動產生機理

在實際運用過程中，炮彈在飛行過程中由于風等環境因素使得彈體出現抖動現象［6］，從而引起光編的軸出現抖動，導致光編輸出的脈沖不穩定，光編抖動信號如圖4所示。如果在對光編輸出的脈沖計數時，對干擾脈沖不進行判斷會導致計數不準確，最終導致彈體的飛行姿態參數測量不準確。

圖4　光編抖動干擾信號圖

對圖4光編輸出的干擾信號分析可知，光電編碼器有抖動干擾時，A、B兩相脈沖輸出信號不是一個完全正交的脈沖列，在脈沖的上升沿和下降沿都有可能出現抖動脈沖。原因是光電編碼器的轉子有機械抖動時，碼盤在很小的范圍內做高頻率的正向運動和反向運動。如圖5所示，碼盤在位置Ⅰ和位置Ⅱ交替反復運動。

圖5　碼盤抖動運動示意圖

2.4光電編碼器抖動抑制方法

從增量式光電編碼器A、B兩相輸出的脈沖信號可以看出，A相脈沖在上升沿和下降沿時對應的B相脈沖電平是不一致的。因此可以利用D觸發器將相鄰兩跳變沿時刻所對應的另一相脈沖的邏輯電平寄存起來，然后進行比較。若一致，必為干擾信號，此時不應計數，若不一致，則為正常脈沖信號，在已知方向的前提下計數加1或減1［7，8］。

3　光電編碼器接口電路設計

常規彈藥的轉速最高能達到20 rot/s，光編輸出的A、B兩相脈沖信號的最高頻率能達到20 kHz。所以光編的A、B、Z三相輸出的脈沖一般和FPGA的全局時鐘管腳連接，GCLK為FPGA提供時鐘信號，與FPGA的276管腳連接，A、B、Z三相與FPGA 的275、54和55管腳連接，如圖6所示。

圖6　光編接口電路圖

在實際運用時，光編輸入的信號首先需要接入到IBUFG的輸入端，IBUFG作為時鐘輸入管腳相連接的首級全局緩沖，從全局時鐘管腳輸入的信號都必須經過IBUF元，否則在布局布線時會報錯。IBUFG支持LVDS、TTL、LDT等多種格式的I/O標準。從IBUFG輸出端輸出的光編信號需要接入到BUFG的輸入端，因為從BUFG的輸出端的信號到達FPGA內部IOB、CLB的延遲和抖動最小。

圖7　飛行仿真試驗現場圖

4　試驗驗證

為了驗證相對轉角電路設計的正確性和有效性，將彈載滾轉穩定平臺安裝在飛行仿真轉臺上，安裝示意圖如圖8所示。在試驗過程中，飛行仿真轉臺在俯仰和偏航方向上保持不變，滾轉方向上高速旋轉模擬炮彈高速旋轉，記錄相關參量，對仿真試驗數據進行分析。

圖8　慣性測量單元滾轉角

通過對數據的讀取分析，得出慣性測量單元的滾轉角和光編測量的相對轉角如圖9、圖10所示。

圖9　光電編碼器測得的相對轉角

圖10　系統滾轉角

對內筒的滾轉角和光編測得的相對轉角數據進行處理，得出系統的滾轉角，如圖10所示。與飛行仿真轉臺測得的滾轉角進行對比，對比結果如圖11所示。由于系統與轉臺存在軸向角度安裝誤差，所以在高速旋轉過程中會出現峰峰值3°左右的角度誤差，但穩定以后誤差約為0.35°，滿足光編測量的誤差范圍。

圖11　滾轉角誤差

5　結論

本文利用增量式光電編碼器來測量彈體與內筒的相對轉角，并通過與內筒慣組測得的滾轉角解算出彈體的滾轉角，通過試驗驗證利用增量式光電編碼器測量彈載滾轉穩定平臺的相對轉角是可行的，并且具有較高的測量精度，具有一定的工程價值。

［1］ 劉俊，石云波，李杰.微慣性技術［M］.2005.

［2］ 杜繼永，黃國榮，張鳳鳴，等.基于低成本MEMS器件的捷聯航姿系統設計［J］.傳感技術學報，2010，23（11）：1662-1666.

［3］ 王晨，董景新，高宗耀，等.火箭彈大動態單軸平臺慣導系統姿態解算［J］.中國慣性技術學報，2012，20（3），257-261.

［4］ 呂清利.圖像制導彈藥的彈載滾轉穩定平臺設計［D］.南京：南京理工大學，2011.

［5］ 李杰，劉俊，張文棟.微型慣性測量裝置［J］.儀器儀表學報，2006，27（6）：1450-1451，1462.

［6］ 李杰，劉俊.制導彈藥用微慣性測量單元結構設計［J］.兵工學報，2013，34（6）：711-717.

［7］ 趙詣，李杰，劉喆，等.旋轉彈用MEMS慣性測量組合數據硬回收系統設計［J］.傳感技術學報，2012，25（9）：1251-1256.

［8］ 祝敬德，李杰，王麗平，等.基于光電編碼器的相對轉角測量系統［J］.測試技術學報，2015，29（2）：145-148.

王麗平（1989-），女，山西省交城縣人，現為中北大學在讀碩士研究生，主要從事微系統集成、慣性測量方向的研究，wlp624@126.com；

李杰（1976-），男，山西省嵐縣人，教授，碩士生導師，現在中北大學電子測試技術國防科技重點實驗室工作，主要從事微系統集成理論與技術、慣性感知與控制技術、組合導航理論等，lijie@nuc.edu.cn。

The Relative Angle Measurement Circuit Design of Stable Roll Platform for Missile*

WANG Liping1，LI Jie1，2*，ZHU Jingde1，ZOU Shanrong1
（1.North Uniυersity of China Scienceand Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measuremen（tNorth Uniυersity of China），Ministry of Education，Taiyuan 030051，China）

Aiming at the problem that the conventional MEMS strap-down inertialmeasurement has difficulty in overcoming the contradiction between high range and high measurement accuracy，a new measurementmethod of roll anglewas proposed by using semi-inertialmeasurement unitand incremental optic-electrical encoder.The design of the rollanglemeasurement circuitwas introduced，some researches were made on the problems of incremental photoelectric encoder in the actualapplication process，and itwas finally verified by the three-axis flightsimulator tests.Tests show that the relative anglemeasurement circuit that is feasible and effective canmeasure effectively the relative angle between IMU and projectile and ithasa certain value in engineering.

rotary bomb；relative anglemeasurement；incrementalopticalencoder；semi-strapdowninertialmeasurementunit

V241

A

1005-9490（2016）04-0903-04

項目來源：武器裝備探索研究項目（7131017）

2015-07-31修改日期：2015-08-30

EEACC:7320C；120010.3969/j.issn.1005-9490.2016.04.029