摘 要: 基于 加速度计，研究和设计了一种无人机弹射器参数测量系统 通过对传感器标定，校准了其零偏灵敏度等参数，实际使用时对误差进行补偿，提高了测量精度 根据实际加速度信号特点，选择合适的带宽和采样频率，并设计了数字滤波器，在保证响应频率的同时，有效降低了噪声 实验证明: 本系统不仅达到了技术要求，而且与其他测量方式相比，有效地降低了成本
关键词: 无人机弹射器; 加速度计; 传感器标定; 数字滤波器
引 言
无人机凭借其良好的机动性和隐蔽性正在成为现代高科技战争中不可或缺的武器，已经被越来越多地装备到各国军队，执行攻击侦查的作战任务和靶机的训练任务等，效果显著［］同时，无人机在测绘航拍搜寻等民用领域的应用也不断扩大 无人机在工作过程中，发射和回收是最困难的阶段 各国对无人机的发射起飞做了大量研究和尝试［］弹射起飞是小型无人机的一种常规发射方式，是将液气压能弹性势能电磁能等转换为机械能，使无人机在一定长度的轨道上加速到安全起飞速度［］
在无人机和弹射器研制过程中，需要测量分离速度过载发射角等参数 对弹射类装置，国内外常用的参数测量方法有: 高速摄影法光电测 速激 光 测 速多 普 勒 雷 达 法等 高速摄影法是采用帧率可达上百万次每秒的高速摄像机对发射过程进行拍摄，可以精确确定运动物体在任意位置的速度加速度信息，但设备十分昂贵，拍摄前期工序复杂，后期需要专用软件对图像进行处理才能获得所需信息光电测速和激光测速法可以以较低的成本和较高的精度测得分离速度，但无法获得加速度信息 多普勒雷达测量法收稿日期:同样存在设备庞大，价格昂贵的应用限制［］
本文针对某型号无人机和配套橡筋弹射器，创新性地研制了一种基于 加速度计的弹射器参数测量系统，可实时测量和记录发射角速度过载加速度等参数信息该弹射器工作过程中沿轨道轴向加速度信号变化范围为，有效持续时间为 经试验验证，本系统测量精度高，成本低，使用方便，完全满足任务需求
测量原理
是一种高 精 度低功耗双轴加速度计，采 用技术，在单硅片上集成了一个多晶体硅表面微机械传感器和信号处理电路，可测量动态和静态加速度，量程范围为 ，响应频率为 具有良好的温度特性，无需外部温度补偿电路，适合用于较高精度的测量系统
无人机弹射装置如图 所示，滑车沿轨道加速运动，到达轨道末端分离点时，无人机脱离滑车进行起飞 本测量系统固联于滑车上，使传感器 轴平行于轨道，轴则垂直于轨道，如图 所示 当滑车静止时，传感器测得的 个加速度 ，分别为重力在相应方向上的分量，由此可以计算相应轴向的倾角，即发射角传感器与微系统 第 卷， ( )( )图 无人机弹射起飞示意图图 安装示意图在发射过程中，传感器测得的 向加速度 为滑车运动加速度和重力加速度在该方向的分量之和 根据发射倾角消去重力加速度分量后得到滑车沿轨道轴向的运动加速度 ，对此加速度进行一次积分，便可得出滑车和无人机速度系统设计分析设计任务要求，本系统动态测量持续时间较短，约为 ，为了提高测量精度并满足实时性，需要较高的采样率和较快的处理速度 是 公司推出的一种性价比较高的 位浮点型 芯片，主频达 ，内置 路 位 ，完全能够满足本设计需求测得的加速度以模拟电压信号输出，共模电压约为经实验测定，在本系统中使用时，加速度引起的信号波动约为 ，因此，传感器输出电压范围为 此电压超出了 的 输 入 电 平 范 围，因 此，采用四通道运放对传感器输出电压信号进行衰减和电平转换，调整共模电压使输出在 以内，从而驱动 系统硬件构成如图 所示图 系统硬件结构图在准备发射期间， 采集到两轴加速度后，进行倾角计算，并通过 显示屏实时显示，以便实时调整发射角在发射过程中， 采集到加速度后，进行速度计算，同时将各加速度值快速存储至外部存储器 弹射过程结束后， 将积分所得的分离速度送至 进行显示无线通信模块用来实现系统与上位机的通信，以便将存储的加速度信息输出至上位机，此功能供实验阶段分析使用对发射过程开始和结束的判断通过光电开关给出的中断信号来实现传感器内部集成了低通滤波电路，可通过外部电容调整该滤波器带宽 传感器带宽的设计主要应考虑待测信号频谱和噪声两方面的因素 一方面传感器带宽必须要大于待测加速度信号的最高频率; 另一方面，传感器的噪声与带宽呈正比，关系为( ) ( ) ( )其中， 为传感器噪声有效值， 为传感器带宽 可见，传感器带宽越小，噪声越低; 同时，加速度的分辨率也越高，可获得的测量精度也就越高 设置传感器输出带宽时需考虑以上因素，并结合实际待测加速度信号的频谱特点通过对加速度进行积分的方法求取速度时，采样率决定了积分步长，也即决定了积分精度 因此，需要考察采样率对积分精度的影响，以选取合适的采样率 假设发射过程中采样点数为，所测得的加速度为 ，，，，，采样时间间 隔 为 取采样间隔时间内加速度平均值为( ) ，则分离速度可以按照式( ) 进行计算( )对式( ) 变换得式( )( )利用实验采集到的加速度数据，模拟出一条加速度曲线，当采样率不同时，分别用式( ) 计算分离速度，计算结果列于表表 不同采样率下积分误差表采样率( ) 积分值( ) 误差( )由表 可知，过高的采样率对提高精度贡献不明显，当采样率为 时，由积分计算导致的速度误差仅为如果进一步提高采样率，会急剧增加系统负担和成本 综合考虑，选择采样率为 是比较合适的采样得到的数字信号中包含大量高频成分和噪声，须经数字滤波滤除 滤波器具有良好的带第 期 张建强，等: 无人机弹射器参数测量系统设计内平坦度，较符合本系统需求，可采用此类滤波器 设计方法是先根据数字滤波器指标设计原型模拟滤波器，得到模拟滤波器系统函数后利用双线性变换法求出数字滤波器［］首先根据实际信号确定低通滤波器指标: 采样频率，通带边 缘 频 率 ，阻 带 边 缘 频 率，通带波纹 ，阻带衰减 ，对应的数字滤波器频率指标为{( )取 ，预扭曲后的原型滤波器边缘频率为{( )根据 滤波器幅度平方响应函数 波纹和衰减参数求取原型滤波器阶数 和 截止频率( )( )( )( )( )解得， ，取 ，代 入 式( ) ， 得根据以上参数查表反归一化，或借助 工具箱计算［］，得原型滤波器系统函数 ( )( ) ( )用双线性变换法，将 代入式( ) 得所求数字滤波器系统函数 ( )( ) ( )其中，分子系数，分母系数所设计的数字滤波器频率响应如图 所示图 数字滤波器频率响应图 为 采集后滤波前的加速度信号，图 为滤波后的加速度信号，对比可见，所设计的滤波器可以有效去除信号中的噪声图 滤波前加速度信号图 滤波后加速度信号系统上电后，首先进行 和外围设备初始化，之后从外部存储芯片读取传感器的补偿参数，为后续补偿校正传感器测量值做准备 此类参数是在传感器标定过程中确定的，并事先写入 中进行保存 采用中断方式读取 采集的加速度值，并进行滤波 部分软件流程如图 所示传感器与微系统 第 卷图 部分软件流程图实验与结果分析传感器使用前要对其灵敏度零偏非线性误差等参数进行标定 根据测得的数据，拟合出传感器的输入输出响应曲线，并将此曲线参数存储于 ，供后期测量计算和查表使用利用本系统进行倾角测量测试，结果如表 实验表明: 本系统测量倾角响应频率快( ) ，角度分辨率达，精度为 ，完全能够满足实际应用需求表 倾角测量结果相对于水平面的角度( ) 测量角度( ) 角度误差( )为了测试本系统的动态测量精度，在进行弹射实验时，同时利用本系统和高速摄像机对弹射过程进行测量，结果如表表 动态参数测量结果高速摄像机测量值过载( ) 速度()本系统测量值过载( ) 速度()过载误差( )速度误差()实验表明: 本系统测量过载加速度精度约为 ，速度精度约为 ，能够满足使用需求
结束语
本文基于 加速度传感器设计的弹射器参数测量系统，可实时测量发射角过载加速度分离速度等多个参数，设计过程中采用高精度标定设备对传感器进行标定，得出响应曲线和补偿参数，保证了相对较高的测量精度本系统满足测量要求的同时，大大降低了测量成本，为无人机和弹射器研究设计带来了极大的便利
参考文献:［］何 庆，刘东升，于存贵，等无人机发射技术［］飞航导弹，( ) :［］［］ ， :［］鲍传美，刘长亮，孙 烨，等无人机发射技术及其发展［］飞航导弹， ( ) :［］张文峰，高 滨，卢志勤光电测速法在火工装置测试中的应用［］航天返回与遥感， ( ) :［］ ， 数字信号处理实践方法［］北京:电子工业出版社， :［］韩利竹，王 华电子仿真与应用［］北京: 国防工业出版社， :
