1、本科生毕业论文(设计)无人机弹射架拉力测量装置设计院系名称姓名学号专业指导教师 年4月20日III摘要 基于MEMS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；MEMS加速度计；传感器标定；数字滤波器Error! Reference source not found.AbstractAbstra
2、ct：Based on microelectromechanical system(MEMS)accelerometer，a parameter measurement system forunmanned aerial vehicle(UAV)catapult is researched and designedBy calibrating the sensor，calibrates its zerooffset，sensitivity and other parameters，compensate error while utilizing，and improves its precisi
3、onAccording tocharacteristics of actual acceleration signal，select proper bandwidth and sampling frequency，designs digital filter，while assure responseequency，at the same time，effectively reduce noiseExperiment show that the system notonly reach technical requirement，but also reduce cost effectively
4、，compared with other measurement modesKey words：UAV cataput；MEMS accelerometer；sensor calibration；digital filte目录1 引言12 测量原理23 系统设计43.1 硬件设计43.2 传感器带宽与采样率设置44实验结果与分析6参考文献8致谢91 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
5、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 J。现在我们研究在无人机弹射过程中拉力的大小。在测量拉力的的条件下我们可以先测量它的沿轨道的加速度，继而可以推算出它的拉力。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
6、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MEMS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012g ，有效持续时间为01 S。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。 2 测量原理 AD22037是一种高精度、低功耗双轴加速度计，采用MEMS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
7、量动态和静态加速度，量程范围为18g ，响应频率为25 kHz。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1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，l，轴则垂直于轨道，如图2所示。当滑车静止时，传感器测得的2个加速度a ，a 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 图1 无人机弹射起飞示意图 图2 AD22037安装示意图在发射过程中，传感器测得的轨道方向加速度为a。根据f=ma计算出无人机弹射架的拉力。3 系统设计 3.1 硬件设计 分析设
8、计任务要求，本系统动态测量持续时间较短，约为1 S，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。TMS32028335是TI公司推出的一种性价比较高的32位浮点型DSP芯片，主频达150 M，内置l6路12位ADC，完全能够满足本设计需求。AD22037测得的加速度以模拟电压信号输出，共模电压约为25 V。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12 V，因此，传感器输出电压范围为1337V。此电压超出了ADC的输入电平范围，因此，采用四通道运放AD8608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0-3 V以内，从而。驱动ADC。系统硬件构
9、成如图3所示 图3 系统硬件结构图在准备发射期间，DSP采集到两轴加速度后，进行倾角计算，并通过LCD显示屏实时显示，以便实时调整发射角。在发射过程中，DSP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EEPROM。弹射过程结束后，DSP将积分所得的分离速度送至LCD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。DSP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。3.2 传感器带宽与采样率设置 AD22037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
10、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，AD22037传感器的噪声与带宽呈正比，关系为其中，rNoise为传感器噪声有效值，BW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1111速度信号的频谱特点。3.3 数字滤波器设计 AD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。Butterworth滤波器具有良好的带内平坦度，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
11、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=10 kHz，通带边缘频率 =500 Hz，阻带边缘频率 =1 kHz，通带波纹6。30 dB，对应的数字滤波器频率指标为取T=I，预扭曲后的原型滤波器边缘频率为根据Butterworth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3 dB截止频率解得，N7694 1，取N=8，代入式(8)，得 =04007 rads4 实验与结果分析4.1 传感器标定 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EEPROM，供后期测量计算和查表使用。4.2 过载加速度与分离速度测量实验为了测试本
12、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3。实验表明：本系统测量过载加速度精度约为002 s2，速度精度约为005 ms，能够满足使用需求。 5结束语Error! Reference source not found. 本文基于MEMS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。9 6 参考文献1 何庆，刘东升，于存贵，
13、等，无人机发射技术J飞航导弹，2010(2)：24-272 Kosmatka J BDevelopment of a longrange small UAV for atmosphefic monitoringCAIAA，2007：22343 鲍传美，刘长亮，孙烨，等无人机发射技术及其发展J飞航导弹，2012(2)：56-604 张文峰，高滨，卢志勤光电测速法在火工装置测试中的应用J航天返回与遥感，1998(3)：58-635 Ifeachor E C，Jervis B W数字信号处理实践方法M北京：电子工业出版社，2003：338-3986 韩利竹，王华电子仿真与应用M北京：国防工业出版社，
14、2003：352-371致 谢从开始写作至论文最终定稿，总共花费了我一个月以来所有的业余时间，虽说在繁忙的工作之余要完成这样一篇论文的确不是一件很轻松的事情，但我内心深处却满含深深的感激之情。感谢防空兵只会学院为我们提供的这次学习机会，感谢电子信息工程班所有的任课老师，感谢各位任课老师，是你们让我能够静静地坐下来，在知识的海洋里吸取更多的营养，从而能够为自己进一步的加油充电。通过论文的撰写，使我能够等系统、全面的学习有关电子信息新型的、先进的前沿理论知识，并得以借鉴众多专家学者的宝贵经验，这对于我今后的工作和我为之服务的企业，无疑是不可多得的宝贵财富。由于本理论水平比较有限，论文中的有些观点以及对企业实力的归纳和阐述难免有疏漏和不足的地方，欢迎老师和专家们指正。
