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1、(10)申请公布号 CN 102410842 A (43)申请公布日 2012.04.11 CN 102410842 A *CN102410842A* (21)申请号 201110211121.7 (22)申请日 2011.07.26 G01C 23/00(2006.01) (71)申请人 西安费斯达自动化工程有限公司 地址 710075 陕西省西安市高新区科技路金 桥国际广场 12101 号 (72)发明人 史忠科 (54) 发明名称 基于铅垂陀螺和 CCD 线阵的姿态可视化测量 方法 (57) 摘要 针对现有欧拉角间接测量方法存在的积累和 漂移误差等问题， 本发明提出了一种基于铅垂陀 螺和。
2、 CCD 线阵的姿态可视化测量方法， 该方法通 过在垂直陀螺轴线上产生的光束和 CCD 阵列， 分 别得到运动体的俯仰和滚转角， 通过对 CCD 阵列 的高速采集还可以计算俯仰和滚转角速度， 并可 以直接在显示以实现姿态测量的可视化 ； 本发明 通过铅垂陀螺和 CCD 线阵可以实现姿态和角速度 测量， 并且可以直接在屏幕上显示测量装置的内 部情况， 实现了测量的可视化 ； 这种测量方法在 飞机盲降、 无人机着陆、 着舰等有着重要的应用前 景。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1 页 CN 102410。
3、850 A1/1 页 2 1. 一种基于铅垂陀螺和 CCD 线阵的姿态可视化测量方法， 其特征包括以下步骤 ： 1) 采用高速旋转、 指向地心的垂直陀螺， 在垂直陀螺轴线上产生光束， 将一组 CCD 线阵 分别固定布置在机体轴系的 x， y 轴上， 使得俯仰、 滚转、 角为零时垂直陀螺轴线上产生光束 向 CCD 线阵的投影位于 CCD 线阵的中心， 当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光 束向 CCD 线阵的投影在 CCD 线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系， 结构示意图在图 1 中 给出 ； 参照示意图图 1， 传感器安装时 x 轴作为飞机体轴系的 x 轴， y 轴作为飞机体轴系的 y 。
4、轴 ； 安装在 oxz 平面内的 CCD 线阵平行于 ox 轴， 安装在 oyz 平面内的 CCD 线阵平行于 oy 轴 ； 2) 俯仰和滚转角解算式为 ： 3) 俯仰和滚转角速度的解算式为 ： 对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度 ； 对滚转角测量序列进行数字微分得 到滚转角速度。 权 利 要 求 书 CN 102410842 A CN 102410850 A1/3 页 3 基于铅垂陀螺和 CCD 线阵的姿态可视化测量方法 技术领域 0001 本发明涉及基于 CCD 线阵的欧拉角 ( 姿态 ) 测量方法， 属于测控技术和飞行力学 等范畴。 背景技术 0002 现代陀螺仪是一种能够精确地。
5、确定运动物体的方位的仪器， 它是现代航空， 航海， 航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器， 它的发展对一个国家的工业， 国防和其 它高科技的发展具有十分重要的战略意义 ； 陀螺仪基本上就是运用物体高速旋转时， 角动 量很大， 旋转轴会一直稳定指向一个方向的性质， 所制造出来的定向仪器。不过它必需转 得够快， 或者惯量够大 ( 也可以说是角动量要够大 )。不然， 只要一个很小的力矩， 就会严 重影响到它的稳定性 ； 设置在飞机、 飞弹中的陀螺仪是内部所提供的动力， 使其保持高速转 动， 使陀螺仪的转轴稳定的指向固定方向， 将此方向与飞行器的轴心比对后， 就可以精确得 到飞机的正确方向， 所。
6、以目前航空、 航海都已经以陀螺仪以及卫星导航系统作为定向的主 要仪器， 并且在导航、 控制系统中扮演极为重要的角色 ； 姿态角的测量准确与否， 直接影响 运动体的运动方向、 运动轨迹、 姿态精确控制的精度， 特别是有人驾驶飞机的盲降、 无人机 的着陆等控制中， 直接影响飞行安全 ； 因此， 欧拉角的测量与姿态精确控制已经成为当前运 动体研究的关键技术 ； 0003 然而， 运动体的俯仰、 滚转状态绝大多数都是通过角速率陀螺等测量， 然后通过解 算间接得到欧拉角， 从公开发表的文献中对姿态计算主要有以下几种算法 ： 欧拉角法、 方向 余弦法、 等效转动矢量法、 四元数法等 ： 欧拉法求解姿态角是。
7、通过求解欧拉方程得到的， 计 算简单， 但计算误差较大 ； 方向余弦法需要求解 9 个微分方程， 计算量较大， 实时性较差、 无 法满足工程实践要求 ； 等效转动矢量法一般都是基于速率陀螺输出为角增量的算法， 然而 在实际工程中， 一些陀螺的输出是角速率信号、 如光纤陀螺、 动力调谐陀螺等， 当陀螺输出 为角速度信号时， 旋转矢量法的算法误差明显增大 ； 四元数法要解一个 4 阶微分方程组， 但 四元数对有限转动引起的不可交换误差的补偿不够， 所以只适用于低动态运载体的姿态解 算， 而对高动态运载体， 姿态解算中的算法漂移会十分严重 ； 这些方法都存在积累和漂移误 差， 难以控制精度并实现可视。
8、化。 发明内容 0004 针对现有欧拉角间接测量方法存在的积累和漂移误差等问题， 本发明提出了一种 基于铅垂陀螺和 CCD 线阵的姿态可视化测量方法， 该方法通过在垂直陀螺轴线上产生的光 束和CCD阵列， 分别得到运动体的俯仰和滚转角， 通过对CCD阵列的高速采集还可以计算俯 仰和滚转角速度， 并可以直接在显示以实现姿态测量的可视化。 0005 本发明解决其技术问题采用的技术方案是， 一种基于铅垂陀螺和 CCD 线阵的姿态 可视化测量方法， 其特征包括以下步骤 ： 0006 1) 采用高速旋转、 指向地心的垂直陀螺， 在垂直陀螺轴线上产生光束， 将一组 CCD 说 明 书 CN 1024108。
9、42 A CN 102410850 A2/3 页 4 线阵分别固定布置在机体轴系的 x， y 轴上， 使得俯仰、 滚转、 角为零时垂直陀螺轴线上产生 光束向 CCD 线阵的投影位于 CCD 线阵的中心， 当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产 生光束向 CCD 线阵的投影在 CCD 线阵的位置与俯仰和滚转角有对应关系， 结构示意图在图 1 中给出 ； 0007 参照示意图图 1， 传感器安装时 x 轴作为飞机体轴系的 x 轴， y 轴作为飞机体轴系 的 y 轴 ； 安装在 oxz 平面内的 CCD 线阵平行于 ox 轴， 安装在 oyz 平面内的 CCD 线阵平行于 oy 轴 ； 0008 2。
10、) 俯仰和滚转角解算式为 ： 0009 0010 0011 3) 俯仰和滚转角速度的解算式为 ： 0012 对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度 ； 对滚转角测量序列进行数字微 分得到滚转角速度。 0013 本发明通过铅垂陀螺和 CCD 线阵可以实现姿态和角速度测量， 并且可以直接在屏 幕上显示测量装置的内部情况， 实现了测量的可视化 ； 这种测量方法在飞机盲降、 无人机着 陆、 着舰等有着重要的应用前景。 0014 下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。 附图说明 0015 图 1 是本发明的结构示意图。 具体实施方式 0016 参照图 1， 选择两个 CCD 线阵。 0017 1)。
11、 在垂直陀螺轴线上产生光束， 将一组 CCD 线阵分别固定布置在机体轴系的 x， y 轴上， 使得俯仰、 滚转、 角为零时垂直陀螺轴线上产生光束向 CCD 线阵的投影位于 CCD 线阵 的中心， 当俯仰或滚转角不为零时垂直陀螺轴线上产生光束向 CCD 线阵的投影在 CCD 线阵 的位置与俯仰和滚转角有对应关系， 结构示意图在图 1 中给出 ； 0018 参照示意图图 1， 传感器安装时 x 轴作为飞机体轴系的 x 轴， y 轴作为飞机体轴系 的 y 轴 ； 安装在 oxz 平面内的 CCD 线阵平行于 ox 轴， 安装在 oyz 平面内的 CCD 线阵平行于 oy 轴 ； 0019 2) 俯仰和滚转角解算式为 ： 0020 0021 说 明 书 CN 102410842 A CN 102410850 A3/3 页 5 0022 3) 俯仰和滚转角速度的解算式为 ： 0023 对俯仰角测量序列进行数字微分获得俯仰角速度 ； 对滚转角测量序列进行数字微 分得到滚转角速度。 说 明 书 CN 102410842 A CN 102410850 A1/1 页 6 图 1 说 明 书 附 图 CN 102410842 A 。