无陀螺惯性测量组合仿真及实验研究

【摘要】： 准确的测试炮弹飞行动态过程数据对加快武器研究进度和提高武器性能意义重大。由于炮弹发射时，弹载测量系统所承受的轴向加速度可达几万个g。为了保证炮弹出炮口后测量系统能够正常可靠地工作，要求传感器能够抵抗冲击、振动。目前，国内由于技术水平的原因，微陀螺的精度、漂移和抗过载能力还达不到所需要求，而无论从测量精度、体积、价格，还是从所能承受的高g值加速度冲击等方面，微加速度计都能满足要求。本文研制了针对炮弹运动参数测量的无陀螺微惯性测量组合，进行了相关的理论研究，并加工了样品，对研制的惯性测量组合进行了半实物仿真，验证了本文提供方案的有效性，对无陀螺惯性测量组合的实用化进行了有益的尝试。同时，针对小g值冲击环境下高转速载体的飞行姿态，提出了三种惯性测量组合方案，并通过仿真对这三种方案进行了比较。 本文的研究内容和结论包括以下几个方面： (1)通常，无陀螺惯性测量组合中心与载体质心不能恰好重合，当载体角速度较大时，忽略两者间的距离将引起较大误差。为解决这一问题，推导了载体的质心处比力方程。 (2)提出了一种十二加速度计组合的无陀螺惯性测量组合方案；基于误差传递理论，给出了载体角速度和质心处线加速度的误差公式，为加速度计的选择提供了理论依据。为提高无陀螺惯性测量组合角速度的解算精度，将多传感器数据融合算法中的假设检验法和加权平均法应用到角速度的解算中，并对角速度的解算进行了仿真。 (3)利用DSP设计了无陀螺惯性测量组合的实时数据采集系统，编制了与固态记录仪进行SPI通信的软件，并进行了调试，为进一步实时解算炮弹的运动参数打下了基础。设计并加工了无陀螺惯性测量组合的机械结构，利用有限元分析软件ANSYS(?)对其进行了发射过程中瞬态动特性分析，校核结构设计方案，并为机械结构的进一步设计和优化奠定了基础。 (4)分析了无陀螺惯性测量组合的误差源，并着重讨论了加速度计位置误差对测量精度的影响及其补偿措施。利用重力场翻滚实验数据，采用最小二乘法辨识了加速度计静态数学模型的系数：通过转台实验对无陀螺惯性测量组合进行了半实物仿真，验证了本方案的有效性。 (5)针对小g值冲击环境下高转速载体的飞行姿态提出了三种惯性测量组合方案，并通过仿真对这三种方案进行了比较。