一种高动态载体环境力测量装置的制作方法

本发明涉及环境力测量领域，特别是涉及一种适应高速、高旋、高冲击条件下运动载体的高动态环境力测量装置。

背景技术：

高动态载体，主要是指高转速（轴向大于100转/秒且小于500转/秒，横法向小于10转/秒）、高速度（轴向大于2马赫且小于5马赫，轴向小于1马赫）、高冲击（轴向、横法向过载均大于10000g且小于30000g，冲击时间低于30毫秒）条件下的运动物体，尤其针对于矿山开采与救援、石油钻井、深井测量、地质勘探等场合应用的钻探机构，以及军用领域中的制导炮弹和常规弹药弹道等。

油气田勘探开发中，钻井的钻杆环境信息获取问题一直是深层油气藏钻井施工中面临的主要难题和急需解决的技术，严重制约了钻井技术的发展。在我国塔里木、准噶尔和南方海相等地区，这一问题尤为明显。对于高陡构造、大倾角底层等复合底层，常规的满眼钻具、偏心钻具等姿态防斜纠斜技术可以在一定程度上抑制井斜增加，但只能采用轻压吊打来控制井斜，因而导致机械钻速极低，直接影响了该地区油气藏的勘探开发速度，其技术瓶颈就在于现有技术难以满足对钻杆的实时动态测量。

另一方面，弹药制导化已成为提高武器弹药命中精度的必要手段，精确打击的前提和关键在于实时精确地获取弹体姿态。制导弹药飞行过程中姿态参数的测量对弹药的气动参数辨识、外弹道特性研究、制导系统设计等都有重要的意义，而高转速弹丸的姿态测量一直存在很多困难。身管发射弹药的转速通常在30~300转/秒，以现有的导航手段难以得到满足制导控制要求的姿态参数。因此，姿态测量方法是严重制约弹药制导化的瓶颈之一，急需研究一种高速自旋刚体姿态实时解耦的解旋方法。

现有的环境力测量装置，只是在低动态情况下进行测量，其一般转速最大在100转/秒，其冲击更是很低，只能算是惯性测量单元的一种，不能应用于高动态场合，如高动态导航技术北京市重点实验室研制的高动态载体环境力测量仪。目前在公开文献中，多以高速旋转弹为背景研究的这类装置，但大多针对制导炮弹，其测量时间是在制导段开始，在该过程中，其转速、过载、速度已明显降低，如文献《高旋弹用惯性测量系统多量程传感器组合设计》、《基于磁传感器组合的高旋弹横滚角测量方法》等。

本发明主要应用在高速、高旋、高冲击条件下运动载体的环境力测量以及运动特性分析领域。本发明能够弥补传统环境力测量装置不能够适应上述条件的缺点，具有结构简单、启动速度快、功耗低、体积小、稳定性强、测量精度高的优点，特别适用于高速、高旋、高冲击条件下运动载体的环境力测量以及运动特性分析领域，如石油钻井、高旋弹体、盾构挖掘等环境。

技术实现要素：

本发明的目的是为了弥补传环境力测量装置不能够适应高速、高旋、高冲击条件的缺点，具有结构简单、启动速度快、功耗低、体积小、稳定性强、测量精度高的优点，特别适用于高速、高旋、高冲击条件下运动载体的环境力测量以及运动特性分析领域，如石油钻井、高旋弹体、盾构挖掘等环境下。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高动态载体环境力测量装置，该装置包括轴向加速度计1、轴向加速度计2、横法向加速度计1、横法向加速度计2、横法向加速度计3、横法向加速度计4、轴向陀螺仪1、轴向陀螺仪2、横法向陀螺仪1、横法向陀螺仪2、横法向陀螺仪3、横法向陀螺仪4、轴向磁强计1、轴向磁强计2、横法向磁强计1、横法向磁强计2、横法向磁强计3、横法向磁强计4、信号调理模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、人机交互模块以及电源模块。

一种高动态载体环境力测量装置，该装置包括：加速度计组件、陀螺仪组件、磁强计组件、信号调理模块、数据采集模块、数据处理模块、数据存储模块、人机交互模块以及电源模块。

进一步的，所述加速度计组件包括：轴向加速度计1、轴向加速度计2、横法向加速度计1、横法向加速度计2、横法向加速度计3、横法向加速度计4；其中轴向加速度计1和轴向加速度计2负责测量载体运动x轴向加速度；横法向加速度计1和横法向加速度计2负责测量载体运动y轴向加速度；横法向加速度计3和横法向加速度计4负责测量载体运动z轴向加速度。

进一步的，所述陀螺仪组件包括：轴向陀螺仪1、轴向陀螺仪2、横法向陀螺仪1、横法向陀螺仪2、横法向陀螺仪3、横法向陀螺仪4；其中轴向陀螺仪1和轴向陀螺仪2负责测量载体运动x轴向低量程角速度（50000度/秒以下转速）；横法向陀螺仪1和横法向陀螺仪2负责测量载体运动y轴向角速度；横法向陀螺仪3和横法向陀螺仪4负责测量载体运动z轴向角速度。

进一步的，所述磁强计组件包括：轴向磁强计1、轴向磁强计2、横法向磁强计1、横法向磁强计2、横法向磁强计3、横法向磁强计4；其中轴向磁强计1和轴向磁强计2负责测量载体运动x轴向磁环境；横法向磁强计1和横法向磁强计2负责测量载体运动y轴向磁环境；横法向磁强计3和横法向磁强计4负责测量载体运动z轴向磁环境。

进一步的，利用对所述轴向磁强计1、轴向磁强计2的数据进行频谱分析，得出所述载体运动x轴向的高量程角速度。

进一步的，所述信号调理模块采集加速度计组件输出的加速度计模拟量数据、陀螺仪组件输出的陀螺仪模拟量数据和磁强计组件输出的磁强计模拟量数据。

进一步的，所述数据采集模块采集轴向加速度计1、轴向加速度计2、横法向加速度计1、横法向加速度计2、横法向加速度计3、横法向加速度计4、轴向陀螺仪1、轴向陀螺仪2、横法向陀螺仪1、横法向陀螺仪2、横法向陀螺仪3、横法向陀螺仪4、轴向磁强计1、轴向磁强计2、横法向磁强计1、横法向磁强计2、横法向磁强计3、横法向磁强计4的调理后数据；所述数据采集模块与数据处理模块通过FMC总线相连接。

进一步的，所述数据处理模块负责对采集到的轴向加速度计1、轴向加速度计2、横法向加速度计1、横法向加速度计2、横法向加速度计3、横法向加速度计4、轴向陀螺仪1、轴向陀螺仪2、横法向陀螺仪1、横法向陀螺仪2、横法向陀螺仪3、横法向陀螺仪4、轴向磁强计1、轴向磁强计2、横法向磁强计1、横法向磁强计2、横法向磁强计3、横法向磁强计4进行数据处理；所述数据处理模块与数据存储模块及人际交互模块相连。

进一步的，所述数据存储模块负责对数据处理模块输出的信息进行记录，数据存储模块与人机交互模块相连；所述人机交互模块控制数据处理模块和数据存储模块，并通过USB接口对外输出信息。

进一步的，所述高动态载体环境力测量装置可用于测量石油钻井过程中钻杆的环境力信息、高旋弹体的环境力信息或盾构挖掘过程中的环境力信息。

进一步的，所述高动态载体环境力测量装置的安装布局方式为矩阵式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明提供的一种高动态载体环境力测量装置，利用模块化设计思想，简化了环境力测量装置结构，设计出的高动态载体环境力测量装置具有结构简单、启动速度快，同时可根据不同应用场合。

2）本发明利用每个测量轴上的多级传感器进行统一处理，提高了系统整体可靠性。

3）本发明利用互补式多级传感器测量方法，进行统一测量，提高了测量精度，有效消除高动态环境下的系统噪声。

4）本发明综合各模块信息，能够有效分析高动态载体的轴向受力、轴向转速和运动姿态。

附图说明

图1为一种高动态载体环境力测量装置组成框图；

图2为一种高动态载体轴向示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种高动态载体环境力测量装置，该装置包括轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）、轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）、轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）、信号调理模块（1-43）、数据采集模块（1-30）、数据处理模块（1-33）、数据存储模块（1-35）、人机交互模块（1-39）以及电源模块（1-42）。

加速度计组件（1-7），包括轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）。统一采集各加速度计模拟量数据（1-29），传输进信号调理模块（1-43）。其中轴向加速度计1（1-1）和轴向加速度计2（1-2）负责测量载体运动x轴向（2-1）加速度。轴向加速度计1（1-1）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）正方向，轴向加速度计2（1-2）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）负方向。横法向加速度计1（1-3）和横法向加速度计2（1-4）负责测量载体运动y轴向（2-2）加速度。横法向加速度计1（1-3）敏感轴指向载体运动y轴向（2-2）正方向，横法向加速度计2（1-4）敏感轴指向载体运动y轴向负方向。横法向加速度计3（1-5）和横法向加速度计4（1-6）负责测量载体运动z轴向（2-3）加速度。横法向加速度计3（1-5）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）正方向，横法向加速度计4（1-6）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）负方向。

陀螺仪组件（1-15），包括轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）。统一采集各陀螺仪模拟量数据（1-28），传输进信号调理模块（1-43）。其中轴向陀螺仪1（1-8）和轴向陀螺仪2（1-9）负责测量载体运动x轴向（2-1）低量程角速度（50000度/秒以下转速）。轴向陀螺仪1（1-8）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）正方向，轴向陀螺仪2（1-9）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）负方向。横法向陀螺仪1（1-10）和横法向陀螺仪2（1-11）负责测量载体运动y轴向（2-2）角速度。横法向陀螺仪1（1-10）敏感轴指向载体运动y轴向（2-2）正方向，横法向陀螺仪2（1-11）敏感轴指向载体运动y轴向负方向。横法向陀螺仪3（1-12）和横法向陀螺仪4（1-13）负责测量载体运动z轴向（2-3）角速度。横法向陀螺仪3（1-12）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）正方向，横法向陀螺仪4（1-13）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）负方向。

磁强计组件（1-24），包括轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）。统一采集各磁强计模拟量数据（1-26），传输进信号调理模块（1-43）。其中轴向磁强计1（1-18）和轴向磁强计2（1-19）负责测量载体运动x轴向（2-1）磁环境。轴向磁强计1（1-18）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）正方向，轴向磁强计2（1-19）敏感轴指向载体运动x轴向（2-1）负方向。横法向磁强计1（1-20）和横法向磁强计2（1-21）负责测量载体运动y轴向（2-2）磁环境。横法向磁强计1（1-20）敏感轴指向载体运动y轴向（2-2）正方向，横法向陀螺仪2（1-21）敏感轴指向载体运动y轴向负方向。横法向磁强计3（1-22）和横法向磁强计4（1-23）负责测量载体运动z轴向（2-3）磁环境。横法向磁强计3（1-22）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）正方向，横法向磁强计4（1-23）敏感轴指向载体运动z轴向（2-3）负方向。特别要指出的是，载体运动x轴向（2-1）高量程角速度（50000度/秒以上转速），是利用对轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）的数据进行频谱分析（通用手段为离散傅里叶计算）得出。

信号调理模块（1-43），采集加速度计组件（1-7）输出的加速度计模拟量数据（1-29）、陀螺仪组件（1-15）输出的陀螺仪模拟量数据（1-28）和磁强计组件（1-24）输出的磁强计模拟量数据（1-26）。信号调理模块（1-43）负责对加速度计模拟量数据（1-29）、陀螺仪模拟量数据（1-28）和磁强计模拟量数据（1-26）进行滤波和阻抗隔离。其中加速度计模拟量数据（1-29）是一组模拟总线形式，包含轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）的模拟量输出数据；陀螺仪模拟量数据（1-28）是一组模拟总线形式，包含轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）；磁强计模拟量数据（1-26）是一组模拟总线形式，包含轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）的模拟量输出数据。最终，信号调理模块（1-43）会将轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）、轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）、轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）的数据进行滤波和阻抗隔离，然后将处理后数据（1-31）传输进数据采集模块（1-30）中。

数据采集模块（1-30）采集轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）、轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）、轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）的调理后数据。其主要利用3片8通道16位200kHz并行AD芯片AD7606进行模拟量采集，利用XC6SLX16CSG324操作AD芯片，完成高速数据采集。数据采集模块（1-30）与数据处理模块（1-33）通过FMC总线（1-34）相连接。

数据处理模块（1-33）主控芯片为STM32F429，主要负责对采集到的轴向加速度计1（1-1）、轴向加速度计2（1-2）、横法向加速度计1（1-3）、横法向加速度计2（1-4）、横法向加速度计3（1-5）、横法向加速度计4（1-6）、轴向陀螺仪1（1-8）、轴向陀螺仪2（1-9）、横法向陀螺仪1（1-10）、横法向陀螺仪2（1-11）、横法向陀螺仪3（1-12）、横法向陀螺仪4（1-13）、轴向磁强计1（1-18）、轴向磁强计2（1-19）、横法向磁强计1（1-20）、横法向磁强计2（1-21）、横法向磁强计3（1-22）、横法向磁强计4（1-23）进行数据处理，包括量纲变换、误差补偿、组合校正。其中，量纲变换是指，将传感器输出的模拟量经AD采集后，变换为数字量，将数字量对应成实际物理量量纲；误差补偿是指对应传感器的误差补偿，包括温度、线性度、交叉耦合等；组合校正，是指将测量的一个轴向上正负输出的传感器进行差分处理，实现组合输出，提高精度，保证高动态环境的适应性。数据处理模块（1-33）与数据存储模块（1-35）通过4线制SPI接口1（1-36）相连，同时通过4线制SPI接口2（1-44）与人际交互模块（1-39）相连。数据处理模块（1-33）输出信息包括：载体运动加速度、角速度、磁场强度、运行相对时间。

数据存储模块（1-35），主要负责对数据处理模块（1-33）输出的信息进行记录，用于回读载体环境力数据。数据存储模块（1-35）通过4线制SPI接口3（1-40）与人机交互模块（1-39）相连。

人机交互模块（1-39），主要控制数据处理模块（1-33）和数据存储模块（1-35），其对外输出为USB3.0（1-45）接口，用户可通过电脑，控制整个测量装置的工作模式、数据处理方式、存储方式等。

电源模块（1-42），主要负责对各个模块进行供电，内部自带可充电锂电池。其向人机交互模块（1-39）输出5伏直流电压（1-41）；向数据存储模块输出3.3伏电电压（1-38）；向数据处理模块输出5伏直流电压（1-37）；向数据采集模块（1-30）输出5伏直流电压（1-32）；向信号调理模块（1-43）输出±10伏直流信号（1-25）；向加速度计组件（1-16）输出5伏直流电压（1-16）；向陀螺仪组件（1-15）输出5伏直流电压（1-14）；向磁强计组件（1-24）输出5伏直流电压。同时电源模块（1-42）还可监控各个模块的工作电压情况，并进行合理有效的电源管理。

本发明主要应用在高转速（轴向大于100转/秒且小于500转/秒，横法向小于10转/秒）、高速度（轴向大于2马赫且小于5马赫，轴向小于1马赫）、高冲击（轴向、横法向过载均大于10000g且小于30000g，冲击时间低于30毫秒）条件下的运动物体环境力测量领域；本发明能够弥补传统环境力测量装置不能够适应上述条件的缺点，具有结构简单、启动速度快、功耗低、体积小、稳定性强、测量精度高的优点。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。