一種快速響應的高精度滾轉角解算模塊

郭興玲，袁 靖

(北京中石正旗技術有限公司，北京 100176)

目前滾轉角解算模塊在炮彈、火箭彈制導中有大量的需求與應用，如捷聯慣導系統滾轉角解算模塊、二維磁阻滾轉角解算模塊、磁力計和加速度計組合的滾轉角解算模塊等，這些模塊有的成本高，有的抗過載能力差，有的累積誤差大.基于三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器具有響應速度快、靈敏度高、成本低、遲滯小的特點，結合基于三軸磁傳感器輸出的滾轉角算法和高速芯片實現一種快速響應的低成本的滾轉角解算模塊[1-5].

1 基于三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器的滾轉角解算模塊

基于三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器的滾轉角解算模塊工作原理如圖1所示，主要包含三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器、信號采集滾轉角解算模塊和數據存儲傳輸模塊.

圖1 滾轉角解算模塊工作原理圖

1.1三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器

1.1.1 傳感器電路

非晶絲在高頻脈沖激勵下，當外界有微弱磁信號時，非晶絲的阻抗會發生巨大變化，系統感應外界微弱磁信號，輸出對應于外界微弱磁場的電信號.其電路組成為：激勵電路、信號采集電路、敏感探頭、放大電路、檢波電路、濾波電路及反饋電路.其中：激勵電路給非晶絲提供高頻脈沖信號；信號采集電路通過感應線圈感應信號；放大電路將感應信號進行放大；檢波電路從高頻調幅波中檢測出所需的調制信號；濾波電路低通濾波，去除感應信號中較強高次諧波和噪聲；反饋電路擴大測量范圍，把信號特性死區部分強制偏移到線性區進行準確測量，將信號飽和區強制到線性區進行準確測量.

基于非晶絲的工作機理是：要有一個高頻信號對材料進行激勵，采用尖窄脈沖激勵，其具有較強的諧波信號，非晶絲對高次諧波頻率響應更靈敏，這樣可以提高傳感器的靈敏度.在脈沖激勵作用下，載波峰值會隨外加磁場的變化而變化，通過采集線圈采集到非晶絲變化的電壓即可求得變化磁場的大小.

電路選用二極管檢波方式，通過AD8421將傳感器信號放大.AD8421具有較低的輸入電壓噪聲和功耗，因此選用AD8421作為信號放大器.

1.1.2 非晶絲探頭

非晶絲探頭是微磁傳感器達到設計性能的關鍵因素之一.非晶絲探頭基本組成形式為：非晶絲、感應線圈、偏置線圈，決定性能的有以下幾個方面：① 探頭的驅動方式；② 非晶絲的直徑與長度；③ 感應和便置線圈的直徑和繞制匝數.需要保證繞制線圈的均勻性；繞制線圈與非晶絲的同軸度.

為保證設計性能：①采用Co基非晶，其軸向各向異性的材料靈敏度高,在材料的易磁化方向施加驅動磁場可以產生較顯著的磁阻抗變化，采用橫向驅動-非對角方式：即在非晶絲上通電流,在繞制線圈上取感應電壓.② 考慮到線圈繞制時對非晶絲的應力影響，采用非金屬支撐管作為線圈繞制的支撐體，非晶絲穿過非金屬支撐管.③ 根據微磁傳感器的性能、成本和體積大小確定非晶絲的長度：長度越短，功耗越低，靈敏度越高.根據微磁傳感器的靈敏度、工作量程確定感應線圈的匝數；根據微磁傳感器的工作線性區間確定偏置線圈的匝數.

采用1 mm長度，直徑25 μm的非晶絲，繞制線圈采用直徑25 μm的銅漆包線，非晶絲外繞制兩層漆包線線圈，一層為感應線圈(300匝)，一層為偏置線圈(100匝).

1.1.3 傳感器實驗測試數據

傳感器實驗設計實物如圖2所示，量程±2 Gs，分辨率2 nT,靈敏度1 608 mV/Gs，線性度1%FS,遲滯性0.5%FS,重復性1%FS,工作電流8 mA,圖3 給出了在±0.38 Gs工作區間傳感器測試工作曲線.

圖2 三軸非晶絲磁傳感器電路實物圖

圖3 傳感器工作曲線圖

2 數據采集和滾轉角解算MCU電路模塊

數據采集和滾轉角解算MCU電路模塊如圖4所示，該電路模塊主要解決數據的高速采樣和處理，采用STM32F765VI芯片實現三軸磁傳感器數據的200 MHz高速采樣,并完成滾轉角的解算.

圖4 數據采集和滾轉角解算MCU電路模塊

3 基于非晶絲磁傳感器的彈體實時姿態角計算方案

3.1 非晶絲磁傳感器測量數據的修正與補償

傳感器測量數據的修正主要從3個方面進行：①正交修正；②零點修正；③靈敏度修正.這里闡述實驗測試中的一種數據修正方法.3個敏感軸的靈敏度不一致時，會產生靈敏度誤差，輸出的曲線是一個橢圓，需要進行靈敏度校正.

在無環境干擾情況下對磁傳感器自身誤差進行校正：

設3個軸的靈敏度誤差為(KX，KY，KZ)，偏置誤差為(X0，Y0，Z0)，設傳感器輸出值與所在磁場的關系為

(1)

式中：Xout，Yout，Zout分別為傳感器3個軸的輸出值，Bx,By,Bz為地磁在3個軸上的磁場值.

對傳感器進行校準，讓傳感器的3個軸XYZ分別測量同一磁場(地磁場)：

用三維轉臺將Z軸調節與地磁矢量B垂直(此時Z軸輸出量最小)；繞Z軸旋轉一周，記錄X軸和Y軸的數據，則X軸或Y軸在轉動一周中，與B同向時取最大值；與B反向時取最小值.

Xmax=KX×Bx+X0,Xmin=-KX×Bx+X0.

(2)

推出

KX=(Xmax-Xmin)/(2×Bx),X0=(Xmax+Xmin)/2..

(3)

記錄X軸的歸一化系數，作為歸一化處理參數，令

Ax=(Xmax-Xmin)/2,X0=(Xmax+Xmin)/2.

(4)

同理

Ay=(Ymax-Ymin)/2,Az=(Zmax-Zmin)/2,Y0=(Ymax+Ymin)/2,Z0=(Zmax+Zmin)/2.

(5)

當滾轉角解算測量時，X，Y，Z軸輸出第I時刻的值為Xi,Yi,Zi，作歸一化處理計算

(6)

3.2 彈體實時姿態角計算

在已知發射坐標系下的地磁場矢量Hf=[XfYfZf]T和彈體坐標下的地磁場矢量Hb=[XbYbZb]T的情況下，滾轉角的計算[6-10]如下.

如果已知俯仰角θ，那么滾轉角γ和偏航角φ為

(7)

如果已知偏航角φ，那么俯仰角θ和滾轉角γ為

(8)

式中：Hf,Hb分別為發射坐標系下和彈體坐標下的地磁場矢量；Xf,Yf,Zf表示發射坐標系下的3個坐標系的地磁場值；Xb,Yb,Zb表示彈體坐標系下的3個坐標系的地磁場值；θ，γ，φ分別為俯仰角，滾轉角和偏航角.

4 實驗測量與結果

設計的基于三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器的滾轉角解算模塊如圖5所示.

圖5 滾轉角解算模塊

圖6 給出了基于三軸旋轉平臺，通過無線傳輸模塊實時采集的三軸傳感器數據和解算的滾轉角曲線.圖6 中從上往下依次為①X軸磁傳感器輸出數據;②Z軸磁傳感器輸出數據;③Y軸磁傳感器輸出數據; ④滾轉角解算數據.

圖6 滾轉角實時測量數據曲線圖

5 結 論

設計了一種由基于三軸巨磁阻抗效應非晶絲磁傳感器、控制電路模塊、結合滾轉角解算算法形成的電路模塊系統，實驗結果表明：模塊的滾轉角解算速率為500 Hz，精度在0.9°左右.這種滾轉角解算模塊成本低，響應速度快，靈敏度高，可應用在姿態解算的炮彈、火箭彈制導等領域中.