基于磁强计与陀螺仪姿态参数测试系统设计

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1、基于磁强计与陀螺仪姿态参数测试系统设计　　【摘要】本文设计了一种基于磁强计和陀螺仪的姿态参数测试系统，设计了测试系统的总体框架，硬件电路和壳体，选择了合适的陀螺仪和磁强计，具有体积小，功耗低，稳定性高，抗干扰性强的优点。通过实验表明，测试系统可以对飞行体的进行姿态测试。【关键词】测试系统；磁强计；陀螺仪；姿态随着各种高新科技在军事领域内的广泛运用，武器装备的性能有了飞跃性的发展，对弹箭飞行测试也提出了更高的要求[1]。全弹道飞行姿态、轨迹甚至落点等测试内容变得越来越重要[2]。以往在武器弹药弹道姿态参数的测试方面主要采用地磁传感器、太阳方位角传感器、高速摄

2、影法等方法获取飞行姿态参数，但由于地磁传感器、太阳方位角传感器易受气候、环境条件及障碍物影响；而高速摄影法时间短、有效作用距离短[3]。6磁传感器不能够独立提供三维姿态信息，存在着局限性，但磁传感器不会随时间累积误差；MEMS陀螺具有小体积、抗高过载、测量精度高及较高量程等优点，但是存在误差积累[4]。本文将两者组合起来，互相补充来解决测量弹丸滚转角的问题。利用磁强计、MEMS陀螺进行姿态测量是近年来捷联式低成本、全固态测量系统研究的热点之一[5]。本文设计了磁强计/陀螺组合的姿态参数测试系统，用于测量旋转弹体的姿态。1.测试系统的总体设计电路模块是整个测

3、试系统的核心部分，高速动能弹测试系统为了在有限壳体内实现三维地磁信号的测试，整个电路采用了微型化设计，在对电路进行最简设计前提下，使测试系统的元器件数量最少，电路系统功耗最低，使用平面封装IC器件，小体积电阻、电容器件，有效地减小电路模块的体积。从而使该测试电路能够适应系统要求的体积，增加测试系统的环境适应性。测试系统主要由传感器组、适配电路、电源控制器、存储器、主控电路等几部分组成的，陀螺、磁传感器将采集到的信号转换成电压信号。将传感器的输出电压信号进行放大、滤波等处理，将模拟信号转换成为适合A/D变换器输入的信号。A/D变换器将连续的模拟信号转换为离散

4、的数字信号。CPLD和单片机共同控制A/D变换器和Flash闪存将数字信号进行存储操作。数据存储完毕后，测试系统进入休眠状态以降低功耗。在实际使用中，装置回收后通过通信接口对测试装置记录的数据进行读取。测试数据在计算机上完成后续处理工作。这样的装置作为独立的系统能够完成数据的采集存储，将数据处理分离出来，实现了微小体积、微功耗。6将数据存储部分分为两个部分，第一部分存储负延迟的数据，第二部分存储触发后的数据。触发前电池未被激活，为负延迟状态，此状态下闪存循环记录数据，触发后电池被激活，闪存地址跳入第二部分顺序记录电池的动态输出，这样，电池激活前的一段数据得

5、以保留。记录完毕后和数据擦除后测试仪处于低功耗状态，低功耗状态下单片机控制关断模拟部分电源，数字部分处于休眠状态，有效降低了功耗。弹丸在发射时，要承受轴向高加速度和横向冲击载荷的双重作用。为了能得到数据，必须对测试系统提供外部保护。在保证机械保护装置的外壳在尺寸允许的情况下有足够的强度保护测试电路在发射和飞行过程中不受损坏。2.系统硬件电路设计2.1调理电路设计传感器输出的信号将由INA128仪表放大器进行放大，放大倍数计算式如下：对经仪表放大器放大后的被测信号进行滤波处理。系统采用性能高、功耗低运放OPA4340进行低通滤波电路设计。2.2A/D转换模块

6、设计测试系统选用了高速、低功耗、逐次逼近的12位AD转换器AD7492。它可在2.7V-5.25V的电压下工作，其数据通过率高达1MSPS。它内含一个低噪声、宽频带的跟踪/保持放大器，它可以处理高达10MHz的宽频信号。62.3主控电路设计本系统使用CPLD和AVR单片机共同控制。CPLD主要用于需要同时完成的同步信号的数字逻辑，如地址发生器、时钟等相对较固定的逻辑。单片机完成一些判断、运算和控制。CPLD和单片机的组合实现了逻辑时序的高速可靠和控制命令的简单易行。2.4FLASH存储电路存储芯片采用两片三星公司生产的NAND型闪存存储器K9FIG08OM

7、，单片容量为：512MB。NADA结构闪存的特点是：以页为单位进行读和编程操作，以块为单位进行擦除操作。由于闪存存在较长的页编程时间，编程时无法对其进行操作，为了在高速数据转换情况下不丢失数据，并进一步提高存储容量，采用两片闪存芯片交替工作组成数据存储器，总存储容量扩大为1GB。3.传感器的选择传感器是测试系统的一个重要组成部分。传感器的设计与应用是整个测试系统的基础之一，因此，传感器的选择是否合理就显得尤为重要[6]。3.1陀螺传感器的选择6根据需要，本设计选用精准测控PA-3ARG系列陀螺，它是无旋转马达的固态角速率陀螺，是用来测量三轴角速率。它采用M

8、EMS技术芯片，具有高可靠性和高封装坚固性。由于使用压电石英材料，