多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，是由是由吊掛繩索上端系在單旋翼無人直升機(jī)艙底，吊掛繩索下端等角度系在十字形支架上，十字形支架支撐Z分量接收線圈，三個(gè)姿態(tài)傳感器等間距地固定于Z分量接收線圈上，三個(gè)姿態(tài)傳感器均經(jīng)信號傳輸線與姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)相連構(gòu)成。每個(gè)姿態(tài)傳感器均由一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成。實(shí)現(xiàn)了對航空線圈空中姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角的測量。不但具有體積小，響應(yīng)快、成本低的特點(diǎn)外，而且經(jīng)過數(shù)據(jù)融合處理后，能夠有效地減少了環(huán)境中航空線圈擺動姿態(tài)的影響，使矯正后的反演磁場數(shù)據(jù)能夠在強(qiáng)烈擺動環(huán)境中達(dá)到系統(tǒng)的精度要求。
【專利說明】多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明涉及一種航空地球物理勘探檢測裝置，尤其是單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置。
【背景技術(shù)】:
[0002]單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探系統(tǒng)采用單旋翼無人直升機(jī)作為飛行載體，利用人工磁場或者天然地磁場作為場源，通過Z分量接收線圈接收地下介質(zhì)因渦流效應(yīng)產(chǎn)生的二次場，從而對地下電阻率做出解釋。Z分量接收線圈是單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探系統(tǒng)的核心部分之一，懸掛于單旋翼無人直升機(jī)下方。在飛行過程中，由于單旋翼無人直升機(jī)的急停、轉(zhuǎn)向和傾斜等動作，造成Z分量接收線圈的姿態(tài)擺動，使得測量的磁場數(shù)據(jù)存在誤差。因此，如何有效的實(shí)時(shí)監(jiān)測Z分量接收線圈擺動姿態(tài)，成為了 ZTEM航空電磁勘探系統(tǒng)中的一個(gè)重要研究方向。
[0003]CN102991506A公開了一種基于MEMS的汽車駕駛姿態(tài)檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)包括信號采集模塊、信號處理模塊、智能控制模塊、姿態(tài)提示模塊及電源模塊。信號采集模塊完成對車輛駕駛操姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測及初始信號傳輸；信號處理模塊完成對初始信號的AD轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波等處理，并將數(shù)據(jù)傳輸至智能控制模塊，智能控制模塊根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)控制姿態(tài)提示模塊顯示相應(yīng)姿態(tài)信息；電源模塊為系統(tǒng)進(jìn)行供電。
[0004]CN103171561A公開了一種汽車姿態(tài)檢測方法，包括:提供三軸加速度傳感器、微處理單元和中控電腦，將所述三軸加速度傳感器設(shè)置在汽車內(nèi)，并與所述微處理單元的輸入端電性連接，將所述微處理單元的輸出端與所述中控電腦電性連接；所述三軸加速度傳感器采集汽車的姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)傳送給所述微處理單元，所述微處理單元判斷姿態(tài)參數(shù)，并將判斷結(jié)果傳送給所述中控電腦，所述中控電腦根據(jù)判斷結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整汽車的運(yùn)行姿態(tài)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的所述汽車姿態(tài)檢測方法可以實(shí)時(shí)獲取汽車的運(yùn)行姿態(tài)，并將運(yùn)行姿態(tài)提供給中控電腦，以進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整，從而提高駕駛的安全性。
[0005]上述發(fā)明的姿態(tài)檢測裝置可以實(shí)時(shí)獲取汽車的運(yùn)動姿態(tài)，但都存在一些不足。由于采用單一或兩種傳感器，存在其本身固有特性，隨著時(shí)間、溫度的外界變化，會導(dǎo)致其誤差會隨時(shí)間累計(jì)，測量值會發(fā)生漂移，只能在短時(shí)間內(nèi)保證精度，不滿足ZTEM航空電磁勘探系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和魯棒性的要求。
[0006]對于單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置的一般結(jié)構(gòu)而言，Z分量接收線圈受飛行速度、飛機(jī)顛簸和風(fēng)向等因素影響，會發(fā)生擺動，導(dǎo)致線圈與大地之間的耦合發(fā)生變化，給測量的電磁數(shù)據(jù)帶來誤差，因此在飛行過程中對Z分量接收線圈姿態(tài)的實(shí)時(shí)檢測十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0007]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于檢測單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探的多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置。[0008]本發(fā)明的目的是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0009]多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，是由吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機(jī)I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12等間距地固定于Z分量接收線圈3上，第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12經(jīng)信號傳輸線6與固定于十字形支架中心的姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7相連構(gòu)成。
[0010]姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7是由第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12經(jīng)單片機(jī)14分別連接GPS13和存儲器15，單片機(jī)14設(shè)有同步時(shí)鐘脈沖，當(dāng)單片機(jī)14與GPS13失去信號聯(lián)系時(shí)，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7立即切換到同步時(shí)鐘脈沖，存儲器15采用便攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機(jī)14連接構(gòu)成。
[0011]每個(gè)姿態(tài)傳感器均由一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成。
[0012]第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12采集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)分時(shí)傳送給單片機(jī)14，單片機(jī)14采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12輸出的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行濾波，計(jì)算出航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角，GPS13通過傳輸線將時(shí)間同步信號傳輸給單片機(jī)14，單片機(jī)14將時(shí)間同步信號與航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)酱鎯ζ?5。
[0013]有益效果:采用三個(gè)姿態(tài)傳感器等間距地固定于航空線圈，每個(gè)姿態(tài)傳感器均由一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成。通過將三種類型的傳感器進(jìn)行組合，在保證獲得較好的動態(tài)穩(wěn)定性的同時(shí)，補(bǔ)償了 MEMS三軸陀螺儀帶來的誤差漂移，壓制了 MEMS三軸加速度計(jì)動態(tài)輸出存在的高頻干擾，解決MEMS三軸磁阻傳感器動態(tài)性能差的問題，提升單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置的魯棒性。同時(shí)，采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對各MEMS傳感器輸出的姿態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計(jì)算出高精度的航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角，對磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，提高單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置的探測精度。航空線圈慣性導(dǎo)航裝置可拆卸結(jié)構(gòu)，降低重量，方便運(yùn)輸。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0014]圖1多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置示意圖
[0015]圖2慣性導(dǎo)航裝置內(nèi)部連接示意圖
[0016]I單旋翼無人直升機(jī)，2吊掛繩索，3Z分量接收線圈，4十字形支架，7姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)，第一 10姿態(tài)傳感器，第二 11姿態(tài)傳感器，12第三姿態(tài)傳感器
【具體實(shí)施方式】:
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0018]多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，是由吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機(jī)I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4上，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12等間距地固定于Z分量接收線圈3上，姿態(tài)傳感器10、姿態(tài)傳感器11和姿態(tài)傳感器12經(jīng)信號傳輸線6與固定于十字形支架中心的姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7相連構(gòu)成。[0019]姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7是由第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12經(jīng)單片機(jī)14分別連接GPS13和存儲器15，單片機(jī)14設(shè)有同步時(shí)鐘脈沖，當(dāng)單片機(jī)14與GPS13失去信號聯(lián)系時(shí)，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7立即切換到同步時(shí)鐘脈沖，存儲器15采用便攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機(jī)14連接構(gòu)成。
[0020]每個(gè)姿態(tài)傳感器均由一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成。
[0021]第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12采集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)分時(shí)傳送給單片機(jī)14，單片機(jī)14采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12輸出的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行濾波，計(jì)算出航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角，GPS13通過傳輸線將時(shí)間同步信號傳輸給單片機(jī)14，單片機(jī)14將時(shí)間同步信號與航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)酱鎯ζ?5。
[0022]Z分量接收線圈3由漆包線繞制，經(jīng)銅帶纏繞并接地進(jìn)行干擾屏蔽后，采用玻璃鋼管進(jìn)行封裝，封裝后利用十字型支架4緊固，通過吊掛繩索2吊掛在單旋翼無人直升機(jī)I下部。Z分量接收線圈3形狀可以是圓形或者正多邊形。所述第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12均一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成，采用鋁殼封閉式封裝，經(jīng)可拆卸減震墊等間距地固定于Z分量接收線圈3，以接地的方式進(jìn)行干擾屏蔽。姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7經(jīng)固定底座固定于十字型支架4中心,并與第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12輸出端通過數(shù)據(jù)電纜相連接。姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7包括GPS13、單片機(jī)14和存儲器15。
[0023]如圖1所示，吊掛繩索2上端系在單旋翼無人直升機(jī)I艙底，吊掛繩索2下端等角度系在十字形支架4，十字形支架4支撐Z分量接收線圈3，姿態(tài)傳感器10、姿態(tài)傳感器11和姿態(tài)傳感器12等間距地固定于Z分量接收線圈3，第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12經(jīng)信號傳輸線6與固定于十字形支架中心的姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7相連。
[0024]如圖2所示，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7包括GPS13、單片機(jī)14和存儲器15。第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12采集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)分時(shí)傳送給單片機(jī)14。單片機(jī)14采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12輸出的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行處理，計(jì)算出高精度的航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角。GPS13通過傳輸線將時(shí)間同步信號傳輸給單片機(jī)14。單片機(jī)14將時(shí)間同步信號與高精度的航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)酱鎯ζ?5。
[0025]在單旋翼無人直升機(jī)起飛場地組裝單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置，采用尼龍繩作為吊掛繩索2將Z分量接收線圈3與單旋翼無人直升機(jī)I進(jìn)行連接，并將姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7固定于十字型支架4中心，姿態(tài)傳感器10、姿態(tài)傳感器11和姿態(tài)傳感器12緊固等間距地緊固在Z分量接收線圈3上。單旋翼無人直升機(jī)起飛前需將慣性導(dǎo)航裝置上電啟動，對水平方式的Z分量接收線圈進(jìn)行進(jìn)行姿態(tài)標(biāo)定，標(biāo)定完成后方可起飛。飛行過程中，第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12采集Z分量接收線圈3的空中擺動姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)分時(shí)傳送給姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7中的單片機(jī)14。單片機(jī)14采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對第一姿態(tài)傳感器10、第二姿態(tài)傳感器11和第三姿態(tài)傳感器12輸出的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行濾波，計(jì)算出高精度的Z分量接收線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角。GPS13通過傳輸線將時(shí)間同步信號實(shí)時(shí)地傳輸給單片機(jī)14。單片機(jī)14將時(shí)間同步信號與高精度的Z分量接收線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)酱鎯ζ?5。單片機(jī)14具有高精度內(nèi)部同步時(shí)鐘脈沖，當(dāng)單片機(jī)14與GPS13失去信號聯(lián)系時(shí)，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)7采用高精度內(nèi)部同步時(shí)鐘脈沖。飛行結(jié)束后，將飛行中采集到的Z分量接收線圈姿態(tài)數(shù)據(jù)與起飛前標(biāo)定數(shù)據(jù)相比對，計(jì)算出Z分量接收線圈在飛行過程中的實(shí)時(shí)俯仰角和擺動角，根據(jù)航空電磁響應(yīng)表達(dá)式，對磁場數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償校準(zhǔn)，提高單旋翼無人直升機(jī)ZTEM航空電磁勘探裝置的探測精度。
【權(quán)利要求】
1.一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于，是由吊掛繩索(2)上端系在單旋翼無人直升機(jī)(I)艙底，吊掛繩索(2)下端等角度系在十字形支架(4)上，十字形支架(4)支撐Z分量接收線圈(3)，第一姿態(tài)傳感器(10)、第二姿態(tài)傳感器(11)和第三姿態(tài)傳感器(12)等間距地固定于Z分量接收線圈(3)上，姿態(tài)傳感器(10)、姿態(tài)傳感器(11)和姿態(tài)傳感器(12)經(jīng)信號傳輸線(6)與固定于十字形支架中心的姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)(7)相連構(gòu)成。
2.按照權(quán)利要求1所述的多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)(7)是由姿態(tài)傳感器(10)、姿態(tài)傳感器(11)和姿態(tài)傳感器(12)經(jīng)單片機(jī)(14)分別連接GPS(13)和存儲器(15)，單片機(jī)(14)設(shè)有同步時(shí)鐘脈沖，當(dāng)單片機(jī)(14)與GPS(13)失去信號聯(lián)系時(shí)，姿態(tài)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)(7)立即切換到同步時(shí)鐘脈沖，存儲器(15)采用便攜式SD存儲卡，通過SPI接口與單片機(jī)(14)連接構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1所述的一種基于MEMS多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于，每個(gè)姿態(tài)傳感器均由一個(gè)MEMS三軸陀螺儀、一個(gè)MEMS三軸加速度計(jì)和一個(gè)MEMS三軸磁阻傳感器組成。
4.一種多傳感器數(shù)據(jù)融合的航空線圈慣性導(dǎo)航裝置的數(shù)據(jù)采集方法，其特征在于，第一姿態(tài)傳感器(10)、第二姿態(tài)傳感器(11)和第三姿態(tài)傳感器(12)采集Z分量接收線圈(3)的空中擺動姿態(tài)參數(shù)，并將姿態(tài)參數(shù)分時(shí)傳送給單片機(jī)(14)，單片機(jī)(14)采用擴(kuò)展型卡爾曼濾波算法對第一姿態(tài)傳感器(10)、第二姿態(tài)傳感器(11)和第三姿態(tài)傳感器(12)輸出的姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行濾波，計(jì)算出航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角，GPS(13)通過傳輸線將時(shí)間同步信號傳輸給單片機(jī)(14)，單片機(jī)(14)將時(shí)間同步信號與航空線圈姿態(tài)偏轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)一并傳輸?shù)酱鎯ζ?15)。
【文檔編號】G01C21/04GK104019812SQ201410273811
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月18日
【發(fā)明者】陳晨, 王言章, 林君, 時(shí)洪宇, 劉飛 申請人:吉林大學(xué)