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磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用

发布时间:2019-06-26 02:39 来源:未知 编辑:admin

  磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用_交通运输_工程科技_专业资料。54 传感器技术(J吣n8l ofR嘲5du。旺T髋hn如酊)2003年第22卷第12期 磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用 刘歌群,薛尧舜,卢京潮,闫建国 (西北工业大学自动化学院,陕西西

  54 传感器技术(J吣n8l ofR嘲5du。旺T髋hn如酊)2003年第22卷第12期 磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用 刘歌群,薛尧舜,卢京潮,闫建国 (西北工业大学自动化学院,陕西西安710072) 摘要:磁航向传感器v2xG利用“磁感法”测量地磷航向,有成本低、易集成等特点。将v2XG应用于无 人飞机的航向控制回路,设计了传感器的接口电路.给出了零位误差和灵敏度误差的消除方法。实测结果 表明,航向测量准确度达到±2。,采样频率达到5地,设计方案有较高性价比,满足了无人机飞行控制对航 向测量的要求。 关t词:磁航向传感器;飞行控制;无人机;误差消除 中圈分类号:V241 6l’1 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2003)12一呻54一03 Application of magnetic heading UAV ((’加0f sensor in night control system LIU Ge_qun,XUE Ya0-shun,LrU Jing.cha0,1n气N Jian.gu0 Aut啊岫tion,卜I啊恤惴蛔m P咀yt刚Ⅱl‘c u蚰ve嘲ty,Ⅺ’孤,10盯2,c岫) Absn翟t:Magnetic}蒯岫g s眦8∞v2XG,wbdl s廿ls圆magnet矗dd with t啪nmgnebinductive蚰∞鹉.讧in. expensive aId h circuit the骶唧is deSi{删.The aIg甜thms dirlliIlate∞惦tant off鸵t and删“vity en盯8re gi啪.The“rIalm鲫r咖廿lt ao咖y ac}liev嚣±2‘und盯a鲫npJingh嘲u曲cy。f5地.J^ppl妇do.1 sh∞∞£h£ intdace of t0 easy to integrated iⅡt0 o山er s捧tem.T}le驼n9叫b us甜in an UAV Ile8dir妪∞ntrd sy虬em.The the design has Kgh ped0In蛐他e_o∞t rado arld that the requirem目1t night oorltd is∞dsfied. tD rr塘gne6c k础ng m∞剐峨咖t fof UAv el函血mtion I(ey words:Irmgnetic ht砌r培serl80r;night∞nⅡ0l;111mmmled aerial veKcIe(UAV);d∞r 0引言 在飞行控制系统中,航向系统是重要的组成部 分,起着航向测量和领航驾驶的作用…。无人机不 像有人飞机需要航向仪表向飞行员指示当前航向, 但作为一个控制系统,它需要测量飞机航向,构成闭 环控制系统使飞机按指定的航向飞行。所以无人机 的航向测量器件功能相对单一,要求体积小、能耗 低。 一般的航向测量装置有陀螺航向仪、无线电航 向仪和磁航向传感器…。陀螺航向仪利用陀螺的 定轴性测试载体相对惯性空间的姿态角,准确度高, 稳定性好,但是成本较高。无线电航向仪接收地面 信标台的甚高频无线电信号,通过鉴相确定载体相 对台站的方向角.进而确定载体的航向旧J,这是 一种在大型飞机中常用的方法,缺点是易受到电磁 收稿日期:2003 06—24 波的干扰。磁航向传感器也叫磁罗盘,利用地磁场 来测量航向,结构简单、质量轻、信号易处理、成本 低,是一种常规的航向测量方法,较适合应用于无人 机。 带有数字信号处理电路的磁罗盘叫数字罗盘. 一般都带有微处理器,自身模块化,通过RS232,sPI 等类型接口和外界交互,是当前比较通用的一种航 向测量器件。数字罗盘、,2XG是一种新型磁航向 传感器,利用“磁感法”对磁场进行绝对测量[3】,可 以输出磁场在测量平面两个正交轴向上的分量和传 感器相对地磁北极的指向。v2XG由于利用“磁感 法”测量磁场,所以功耗低、处理电路简单、准确度 高。v2XG体积小、有sPI接口,嵌入在无人机飞行 控制器中,能极大发挥它的优点。 1无人机航向控制系统的组成 万 方数据 第12期 刘歌群等:磁航向传感器在无人机飞行控制系统中的应用 普通固定翼飞机的横滚运动和偏航运动相互交 联,本设计中的无人机垂直尾翼上没有方向舵,通过 副翼实现飞机的滚转和偏航,其航向控制系统方框 图如图1所示。 k为地磁场在传感器y轴上的分量,HlT;廿,为传 感器当前指向的磁航向角,(‘)。 地磁场在重力方向的强度分量通常占很大的比 例,使得磁倾角远大于磁偏角。当磁航向传感器的测 量平面不水平时,LI和k还将感受到地磁场的竖直 分量,简单地按式(1)计算航向会带来很大的偏差。 为了解决这个问题,v2XG有一个可以在±154活动 的万向支架,使测量平面靠重力保持水平,保证飞机 田1无人机航同撵一纛麓 啦l 眦dk呻1 0fUAVk啦珈酬研栅 在小范围内倾斜或俯仰飞行时按式(1)可以算得较 高准确度的航向詹。 3 系统中的内环利用角速度传感器改善系统的动 态性能,外环利用磁航向传感器构成闭环使飞机保 持给定的航向。v2ⅪG处于主反馈回路。采样周期 为0.2s,输出O‘~360。的地磁航向角。 2磁航向传感器V2XG的工作原理 不同于传统磁航向传感器的是,v2xG没有采 用磁通门法或磁阻法,而是利用“磁感式传感器” 零位误差及灵敏度误差的消除方法 3.1零位误差的消除 无人机的机械电子装置不可避免含有铁磁性材 料,硬磁材料形成一个相对飞机固定不变的磁场,造 成航向测量的零位误差L5削,即 fx=x。+xo (2) 【y=y。+y0 式中 (x,y)为某一航向上传感器两轴的磁场测 (Ⅱ1agnebinductive serlsors)。磁敏电感是一个绕在 高导磁率材料上的线圈,线圈呈感性,电感值随穿过 磁芯磁场的强度而变化。磁敏电感与比较器组成 LR张弛振荡器(如图2所示),振荡器的输出频率 与电感值有关。v2xG白带的微处理器测量振荡器 的输出频率,得到通过磁敏电感磁芯的磁场强度,这 是一种绝对测量法【4J。 量值,rr汀;(x。,Y。)为该航向上地磁场在传感器两 轴上的分量,nlT;(xo,y0)为传感器两轴上的零位 误差,rnT。 考虑到传感器的重复测量准确度和随机干扰, 计算零位误差为 < f x0:型互≯出 , (3) 11” v一!!±坠±兰≥±!± 4 式中 (x1,h),(恐,如),(X3,乩)和(墨,y。) 为在任意互为90’的4个航向上传感器两轴的测量 值,fnT。 圈2璩驰张攮翦■ №2 Lm^蛔tI咂∞咖I-t” 由于(x1,y1)和(x3,y3)对应的航向角互为 180。,(x2,y2)和(x4,y4)对应的航向角互为 180‘,所以有 fxl=x。l+xo 磁航向传感器V2)∞有两个磁敏电感L1和 k,这两个电感沿x轴、y轴方向相互垂直组成一 个测量平面。当这个测量平面与水平面平行对,Ll 和k将感受地磁场在测量平面x,y丽个轴向的分 量。利用三角函数可以求得传感器的指向与地磁北 极的夹角(即磁航向角)为 V fx2=x吐+xo ’ Iyl=yd+yo’【y2=yc2+yo {妻::麓:毫.{麓!:麓:麓,c。, 【y3=一yel+yo【y4=一yd+yo 式中 (X。1'yel)为(Xl'y1)对应航向上地磁场在 传感器两轴上的分量,mT;(x∞y&)为(x2,y2) 对应航向上地磁场在传感器两轴上的分量,mT。将 以=tall。亨, 式中 (1) x。为地磁场在传感器x轴上的分量,rrlT; 万 方数据 传感器技术 第22卷 式(4)代人式(3)即可验证式(3)。 3.2 式中 x一为传感器X轴在水平状态下旋转一周 灵敏度误差的消除 由于传感器两个测量线圈的不一致性,在航向 的最大输出值,mT;y—为传感器y轴在水平状态 下旋转一周的最大输出值,rrlT。最终航向按(x修, y謦)计算。 4 测量时存在灵敏度误差[“。以X方向读数值为基 准,按灵敏度大小对y方向读数值进行修正,即 fx肇=X—Xo ‘5) 实验结果 将传感器放在转台上水平旋转一周,每10。测 1y肇:K.(y—y0)’ 式中 量一个点,并测出x。。和y。。。选4个垂直的角度 (x,y)为某一航向上传感器两轴的磁场测 量值,rrlT;(X謦,h)为该航向上的磁场修正值, mT;K为修正系数,即 为O。,904,180。和270。,按式(3)计算得零位误差‰ 和y0,按式(6)求得修正系数为K=1.1874。对传 感器x、y输出值按式(5)修正后计算航向,与给定 K:苫吲, 0 10 ^。ni■了J’ 1址1 (6, (6) 角度比较,最大误差小于±2’,误差分布见表l。 裹1藁次麓向测量惨正后误差 Ik啦M0fw粥船m枷删‰ 30 20 蚰 50 竺墨苎墨!:)—— 60 70 80 帅 100 110 S结束语 地磁航向作为一种常规的航向测量方法,在无 人飞机、无人驾驶汽车、无人潜艇等运动体的控制系 统中得到了广泛的应用。本文利用数字式磁罗盘 v2xG设计了民用无人飞机的航向测量通道,构成 闭合回路,实现了对无人机航向的控制。无论从控 制系统的实时性、准确度、工程设计的简便性、输出 信号的易处理性、还是成本体积上来说都是一个高 性价比的设计方案。 参考文献: 【1]王宗学飞行器控制系统概论[M]北京:北京航空航_天大学出 版杜.1993 100 [2】 WKU&OS=PN巧239264&RS.PN/52392“,2003—05— 28. [4]united s蛆t器Pat即t arId Tmd饥mrk office Di画“∞mpa船肌d on mq印dHnet盯h“r哗a鸵T1∞r∞i1 wc舢d l舳tro画哪[DB/oL a№h penneabIlity J http://如【fI usplo霉w/ndac91/nph P咖?sectl=PT01&Sect2=HI玎)F1、&d=PALL&D=1&u =缸tah廿Ill佃hnum.hnn&r=I&f=G&l=50&sl=’ 4851775’WKU&0S=PN/4851775&RS=PN/4851775. 2003—01 21 [5]刘诗斌.严家明.孙希任无人机航向测量的罗差修正研究[J] 航空学报.2000,1(1):78—80 [6] P咄j咖Navigad∞.I眦v∞t0?2x M醇net田mter【DB/OL】 ht印:/^哪w.pr睇isio【mav㈣门哪叫/c龇巾as}能nso件r血 鼬n9叽}b肌h+簧r啪r}and-oem-ndul器^rector-2}m蛔rk妇ne— ter 中国飞行模拟组织无线电导航原理和机载设备简介 h廿rd#Ma卯etor耻时.2∞2—12—12. [DB加L].ht‘p://m~ck [3】 united org/,2003一05—28 [7]袁智荣破航向传感器使用中的误差补偿[J]测控技术.2001. trmgr睁 1(1):58—59 s叫曙P丑t眦t mld Tfad∞埘k OⅡ1ce.z啪.ofkt t吼嘣erlla啊ng∞iI蚰d∞陀簧岫叮∞ntIoU加gp州。f趿馇cdh— tor drc“t[r)B帕L]http://pBth.uspt。 蚪/n蜥/nphf 作者简介: 刘歌群(1974一),男.陕西西安人,硕上,主要研究方向:现代控 制理论、计算机控制与智能控制、飞行控制、过程控制系统的席用与 研究。 P{蝇盯?Sectl=Prol&Sec口=H11D眦d=PAl上&D=l&u =^虹|ImId^H女删m.‰&r=l&f=G&l-50&s1=’52姗’ 万 方数据

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