CN116294851A - 一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,包括:在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值;获取制导炮弹飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息;基于飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息和Y轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率;基于飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息和Z轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率;获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率。本发明能够解决现有技术中,制导炮弹转速超过陀螺仪的测量范围,无法获取制导炮弹姿态的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及姿态测量技术领域,尤其涉及一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法。
背景技术
制导炮弹将在未来高技术条件下的战争中发挥非常重要的作用,目前,世界各国已经成功或正在研制多种采用不同制导方式的制导弹药。高过载微惯导***不仅具有体积小、重量轻、自主性强、隐蔽性好等特点,而且具有抗高过载恶劣力学环境的突出特点,在制导炮弹、电磁导轨炮弹、超远程制导炮弹等使用领域有着广阔的应用前景。
制导炮弹在飞行过程中会同时存在高速旋转运动,即一边前进一边绕其弹体纵轴旋转,可以通过高速旋转所产生的陀螺效应获得一定的稳定性。制导炮弹出口转速通常在几十转每秒,即使通过减旋,微惯导***在通电瞬间,弹体转速通常也在十转每秒以上,并且在飞行过程中,由于发动机工作等因素,也会导致弹体转速上升。
微惯导***利用陀螺仪和加速度计测量得到的弹体角速率和加速度信息实现弹体姿态信息的高精度测量,陀螺仪的测量范围通常在10r/s,若弹体转速过高超过陀螺仪的测量范围,则无法通过陀螺角速率信息获取弹体姿态。
发明内容
本发明提供了一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,能够解决现有技术中,制导炮弹转速超过陀螺仪的测量范围,无法获取制导炮弹姿态的技术问题。
根据本发明的一方面,提供了一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,所述方法包括:
在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值;
获取制导炮弹飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息,其中飞行过程中Y轴加速度计的加速度信息包括Y轴向的线加速度信息和离心加速度信息,飞行过程中Z轴加速度计的加速度信息包括Z轴向的线加速度信息和离心加速度信息;
滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息;
基于飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息和Y轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率;
基于飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息和Z轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率;
基于制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率和第二旋转角速率获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率。
优选的,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率:
优选的,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率:
优选的,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率:
式中,ωx(k)为飞行过程中第k时刻的实际旋转角速率,ωyx(k)为飞行过程中第k时刻的第一旋转角速率,ωzx(k)为飞行过程中第k时刻的第二旋转角速率。
优选的,在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值:
获取转台转动前的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
获取转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
基于转台转动前的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息和转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值。
优选的,通过下式获取Y轴加速度计的杆臂值:
优选的,通过下式获取Z轴加速度计的杆臂值:
优选的,滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息包括:利用数字滤波器滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息。
优选的,通过下式提取出飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息:
δay(k)=b0×ay2(k)+b1×ay2(k-1)+b2×ay2(k-2)-a1×δay(k-1)-a2×δay(k-2);
通过下式提取出飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息:
δaz(k)=b0×az2(k)+b1×az2(k-1)+b2×az2(k-2)-a1×δaz(k-1)-a2×δaz(k-2);
式中,δay(k-2)、δay(k-1)、δay(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,ay2(k-2)、ay2(k-1)、ay2(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,δaz(k-2)、δaz(k-1)、δaz(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,az2(k-2)、az2(k-1)、az2(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,b0、b1、b2分别为滤波器的第一、第二、第三分子参数,a1、a2分别为滤波器的第一、第二分母参数。
根据本发明的又一方面,提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。
应用本发明的技术方案,在制导炮弹转速超过陀螺仪测量范围的情况下,利用微惯导***加速度计测量得到加速度信息,通过滤波提取得到由于制导炮弹旋转引起的离心加速度,利用离心加速度以及加速度计杆臂逆向求取制导炮弹的旋转角速率,替换陀螺的测量信息,可以实现陀螺超量程条件下的姿态高精度测量。本发明的成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息,对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义。本发明主要用于高速旋转的制导炮弹应用领域。
附图说明
所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解,其构成了说明书的一部分,用于例示本发明的实施例,并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了根据本发明的一种实施例提供的高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法的流程图;
图2示出了根据本发明的一种实施例提供的三个轴向加速度计杆臂示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时,应当明白,为了便于描述,附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
如图1所示,本发明提供了一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,所述方法包括:
S10、在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值;
S20、获取制导炮弹飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息,其中飞行过程中Y轴加速度计的加速度信息包括Y轴向的线加速度信息和离心加速度信息,飞行过程中Z轴加速度计的加速度信息包括Z轴向的线加速度信息和离心加速度信息;
S30、滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息;
S40、基于飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息和Y轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率;
S50、基于飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息和Z轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率;
S60、基于制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率和第二旋转角速率获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率。
本发明在制导炮弹转速超过陀螺仪测量范围的情况下,利用微惯导***加速度计测量得到加速度信息,通过滤波提取得到由于制导炮弹旋转引起的离心加速度,利用离心加速度以及加速度计杆臂逆向求取制导炮弹的旋转角速率,替换陀螺的测量信息,可以实现陀螺超量程条件下的姿态高精度测量。本发明的成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息,对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义。本发明主要用于高速旋转的制导炮弹应用领域。
在本发明中,微惯导***通过三个轴向的陀螺仪测量制导炮弹三个方向的角速率信息,通过三个轴向的加速度计测量制导炮弹的加速度计信息,在理想情况下,加速度计安装在制导炮弹的中心位置,但是由于物理尺寸限制,加速度计相对于制导炮弹中心会有一定的物理偏移,加速度计敏感中心相对于制导炮弹中心会存在杆臂,杆臂示意图如图2所示。在图2中,X轴加速度计相对于制导炮弹中心的杆臂值为Y轴加速度计相对于制导炮弹中心的杆臂值为/>Z轴加速度计相对于制导炮弹中心的杆臂值为/>
制导炮弹飞行过程中绕X轴高速旋转,由于杆臂的存在,Y轴、Z轴加速度计会敏感到离心加速度,制导炮弹在飞行试验前,需要利用地面转台模拟弹体飞行,对Y轴和Z轴的加速度计杆臂值进行标定。
根据本发明的一种实施例,在本发明的S10中,在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值:
S11、获取转台转动前的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
S12、获取转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
S13、基于转台转动前的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息和转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值。
具体地,在本发明的S13中,通过下式获取Y轴加速度计的杆臂值:
具体地,在本发明的S13中,通过下式获取Z轴加速度计的杆臂值:
根据本发明的一种实施例,在本发明的S30中,滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息包括:利用数字滤波器滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息。
具体地,在本发明的S30中,通过下式提取出飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息:
δay(k)=b0×ay2(k)+b1×ay2(k-1)+b2×ay2(k-2)-a1×δay(k-1)-a2×δay(k-2);
通过下式提取出飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息:
δaz(k)=b0×az2(k)+b1×az2(k-1)+b2×az2(k-2)-a1×δaz(k-1)-a2×δaz(k-2);
式中,δay(k-2)、δay(k-1)、δay(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,ay2(k-2)、ay2(k-1)、ay2(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,δaz(k-2)、δaz(k-1)、δaz(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,az2(k-2)、az2(k-1)、az2(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,b0、b1、b2分别为滤波器的第一、第二、第三分子参数,a1、a2分别为滤波器的第一、第二分母参数。
其中,数字滤波器参数可以根据滤波器的设计参数计算得到。
根据本发明的一种实施例,在本发明的S40中,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率:
根据本发明的一种实施例,在本发明的S50中,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率:
根据本发明的一种实施例,在本发明的S60中,通过下式获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率:
式中,ωx(k)为飞行过程中第k时刻的实际旋转角速率,ωyx(k)为飞行过程中第k时刻的第一旋转角速率,ωzx(k)为飞行过程中第k时刻的第二旋转角速率。
本发明还提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一所述方法。
综上所述,本发明提供了一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,在制导炮弹转速超过陀螺仪测量范围的情况下,利用微惯导***加速度计测量得到加速度信息,通过滤波提取得到由于制导炮弹旋转引起的离心加速度,利用离心加速度以及加速度计杆臂逆向求取制导炮弹的旋转角速率,替换陀螺的测量信息,可以实现陀螺超量程条件下的姿态高精度测量。本发明的成本低、可靠性高、便于工程实现且不依赖外界辅助信息,对制导炮弹的高动态稳定飞行具有非常重要的意义。本发明主要用于高速旋转的制导炮弹应用领域。
为了便于描述,在这里可以使用空间相对术语,如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等,用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是,空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如,如果附图中的器件被倒置,则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而,示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位),并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外,需要说明的是,使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件,仅仅是为了便于对相应零部件进行区别,如没有另行声明,上述词语并没有特殊含义,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高速旋转制导炮弹姿态辅助测量方法,其特征在于,所述方法包括:
在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值;
获取制导炮弹飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息,其中飞行过程中Y轴加速度计的加速度信息包括Y轴向的线加速度信息和离心加速度信息,飞行过程中Z轴加速度计的加速度信息包括Z轴向的线加速度信息和离心加速度信息;
滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息;
基于飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息和Y轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率;
基于飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息和Z轴加速度计的杆臂值获取制导炮弹飞行过程中的第二旋转角速率;
基于制导炮弹飞行过程中的第一旋转角速率和第二旋转角速率获取制导炮弹飞行过程中的实际旋转角速率。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,在制导炮弹飞行前,获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值:
获取转台转动前的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
获取转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计和Z轴加速度计的加速度信息;
基于转台转动前的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息和转台绕X轴旋转后的Y轴加速度计与Z轴加速度计的加速度信息获取Y轴加速度计的杆臂值和Z轴加速度计的杆臂值。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息包括:利用数字滤波器滤除飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的线加速度信息,以提取出飞行过程中Y轴加速度计和Z轴加速度计的离心加速度信息。
9.根据权利要求8所述的方法,其特征在于,通过下式提取出飞行过程中Y轴加速度计的离心加速度信息:
δay(k)=b0×ay2(k)+b1×ay2(k-1)+b2×ay2(k-2)-a1×δay(k-1)-a2×δay(k-2);
通过下式提取出飞行过程中Z轴加速度计的离心加速度信息:
δaz(k)=b0×az2(k)+b1×az2(k-1)+b2×az2(k-2)-a1×δaz(k-1)-a2×δaz(k-2);
式中,δay(k-2)、δay(k-1)、δay(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,ay2(k-2)、ay2(k-1)、ay2(k)分别为飞行过程中Y轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,δaz(k-2)、δaz(k-1)、δaz(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的离心加速度信息,az2(k-2)、az2(k-1)、az2(k)分别为飞行过程中Z轴加速度计第k-2时刻、k-1时刻和k时刻的加速度信息,b0、b1、b2分别为滤波器的第一、第二、第三分子参数,a1、a2分别为滤波器的第一、第二分母参数。
10.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至9任一所述方法。
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