弹载磁测系统的设计与应用

文/熊小鹰 买瑞敏 王少昆

为解算弹丸飞行时的转角和转速，根据AMR 磁阻传感器的转角测量原理和弹载应用所需的特殊环境，设计了一种基于二维磁阻传感器的低功耗弹载滚转角磁测系统。该系统可将磁阻传感器采集的地磁变化信号进行校正、补偿和拟合解算，得出弹丸横滚旋转的相对角度。同时，该系统可对采集数据进行传输和存储，以便进一步用于弹体姿态的控制和记录。

【关键词】磁阻传感器 滚转角度 弹载系统地磁测量 补偿与标定

获取实时有效的滚转角度信息是弹箭探测与控制的重要条件。然而对于自旋弹箭来说，一般常用的惯性测量组件会遇到动态范围过大，高过载下无法保证测量精度，恢复启动时间较长等问题。因此，文中利用二维AMR磁阻传感器的滚转角度测量原理，设计了一种应用于自旋弹箭的小型微功耗弹载转角磁测系统。该系统可根据弹丸飞行过程中，地磁场矢量不同轴向分量的强度变化，通过预先设定好的校正和解算方案，实时解算出弹丸单位时间内的相对转动角度，同时可将数据进行存储并传输至下一级的控制系统。

1 磁测系统的工作原理

各向异性磁阻传感器（AMR）利用磁阻效应和惠斯通电桥原理，将外部磁场矢量在传感器敏感轴上投影分量的大小转换成输出电压。Uout=U0+KBT （1）其中，U0 为外磁场为零时传感器的输出电压，K 为传感器的灵敏度，BT 为磁感应强度。当地磁矢量H ，在磁阻传感器的两个敏感轴所成的平面XOY 内进行投影时，可以分解为相互正交的两个分量，Xh 与Yh。当磁阻传感器随弹体绕轴转动时，两分量将根据地磁矢量角度的变化而变化，从而表现为传感器两轴输出电压的变化。利用这一现象可以解算出地磁矢量投影在平面的角度，表示为：θ=arctan(Yh/Xh) （2）由此可以通过对比相邻两个时刻的电压输出，得到角度的变化值Δθ=θ2-θ1=arctan(Y2/X2) － arctan(Y1/X1) （3）这里需要注意的是，在实际解算中由于三角函数二倍角的问题，应使用四象限反正切法atan2(x，y) 进行求解，以避免角度不唯一的问题。

2 磁测系统的校正与补偿

理想情况下，以双轴传感器所采集的数据为坐标可以画出一个位于第一象限的近似标准的圆，将其圆心平移至原点坐标后可进行角度的解算；然而，由于制造工艺等问题，传感器不同敏感轴之间灵敏系数是不同的，即同等强度的磁场分量下输出的电压不同，两轴所得数据通过拟合会形成一个椭圆（如图2）。因此，我们需要通过校正和补偿，使其最终的偏差尽可能的小。方法如下。

当磁测系统以垂直于旋转轴方向进行转动时，所得两轴数据拟合坐标如图2 所示为椭圆形。通过公式（3）（4）求出图形中心点，由公式（7）求出两轴感应系数之比 ，公式（5）（6）用于确定G值时应进行的偏差绝对值判定，可以有效地剔除最值中偏差较大的奇异点。（4）（5）（6）（7）（8）其中，G 为磁阻传感器X 轴与Y 轴的放大系数之比，X0 与Y0 为中心偏移量。通过X0，Y0 和G 对原始数据进行修正和补偿，可得到更佳的角度解算参数，如图3 所示。另外，当读取的原始数据出现饱和的现象时，说明放大器偏置电压不足（削底）或过高（削顶），可通过调整放大器中的匹配电阻和稳压元器件使偏置电压拉高或降低。

3 磁测系统的硬件组成

如图4 所示，磁测系统由二维磁阻传感器、信号调理电路、信号采集电路（ADC）、数据处理系统、存储器、接口电路等组成。AMR磁阻传感器敏感因弹体滚转而产生的磁场变化信息，信号调理电路对该信息进行放大滤波等处理，信号采集电路（ADC）将模拟信号转换成数字信号，并传送至周期解算电路进行数据的分析整理，通过接口电路将弹体滚转相对角度传送至飞控计算机或PC 机，同时将数据存入存储器，以备数据回收。

4 磁测系统的角度解算

软件解算部分的主要功能为对硬件采集的信号按照预先设定的数据处理方案解算出弹体转动的角度信息，存储原始数据信号的同时将解算结果向外部PC 机或下一级控制系统进行传输。其工作流程如如图5 所示。

5 半实物仿真试验及误差分析

5.1 试验设计

将系统电路固定在二维转台上，使其敏感轴面垂直于转动轴心，转台做匀速定向转动。将磁测系统输出数据与转台设定的转速曲线进行比对，计算误差并分析原因。

5.2 试验结果及误差分析

设转台转速为360° / 秒，转速平稳后磁测系统开始工作。图6 为磁阻传感器所采集的原始数据，按照上文所述方向进行补偿处理和解算后得到图7，为解算角度随时间的变化关系。将解算数据与标准转速相比较，得出解算误差，如图8 所示。可以看出，每周期误差范围约为+4°到-7°。通过观察误差曲线发现其误差具有一定的规律并随时间累加，这表明采样周期与转台转动周期并不完全吻合，对原始数据的补偿不够完善。经进调整采样周期，多次试验反复修正各补偿参数后，得到角度误差曲线如图9 所示，整体误差可控制在+3°至-5°。

6 结论

文中利用了磁阻传感器测量弹体转动的原理，设计了能够实时解算弹体滚转角度的磁测系统及提高其精度的修正算法，并进行了半实物仿真试验。试验结果证明，该磁测原理和系统能够有效的工作，并具有较高的精度，误差可以控制在±5℃以内。

参考文献

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作者简介

熊小鹰（1985-），男，黑龙江哈尔滨人，助理工程师，主要从事弹箭探测与制导控制研究。

作者单位

中国兵器装备集团第208 研究所　北京市102202