《一種抖動測量裝置》是王偉於2011年11月18日申請的專利，該專利的申請號為2011103700242，公布號為CN102445264A，授權公布日為2012年5月9日，發明人是林德福、王偉、王江、徐平、范世鵬、程振軒、宗睿、賈鑫、袁亦方。
《一種抖動測量裝置》包括：具有三軸加速度計和角速率陀螺的測量模組，用於測量所述衛星在慣性抖動坐標系下的加速度和滾轉角速率；數據處理模組，用於採集所述測量模組測量到的測量信號，對所採集到的數據進行處理和存儲；以及輔助模組，用於將所述衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓從而向所述測量模組和所述數據處理模組供電，並且將所述測量模組輸出的測量信號進行噪聲濾除後再輸入至所述數據處理模組。該裝置電路結構簡單、成本低廉、經濟實用、阻抗匹配性能良好，能夠準確測量例如衛星的旋轉體在各轉速下的抖動程度。
2016年12月7日，《一種抖動測量裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種抖動測量裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種抖動測量裝置
- 公布號：CN102445264A
- 授權日：2012年5月9日
- 申請號：2011103700242
- 申請日：2011年11月18日
- 申請人：王偉
- 地址：北京市海淀區中關村南大街五號
- 發明人：林德福、王偉、王江、徐平、范世鵬、程振軒、宗睿、賈鑫、袁亦方
- Int.Cl.：G01H1/12(2006.01)I
- 代理機構：北京遠大卓悅智慧財產權代理事務所（普通合夥）
- 代理人：劉冬梅
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,操作內容,實施案例,榮譽表彰,
專利背景
衛星在運動過程中，天線會隨著轉動速度的增大而發生劇烈的抖動，嚴重影響了衛星的正常運動。為了測量衛星的電機在慣性系下的抖動程度，需要對衛星/天線的抖動程度加以測量和分析，以便評價對衛星運動的影響。
發明內容
專利目的
為了克服2011年11月前技術的不足，《一種抖動測量裝置》的發明人進行了銳意研究，發現通過使用加速度計和角速率陀螺等MEMS器件測量衛星在慣性系下的加速度和滾轉角速率，再將所測量到的數據進行採集、處理，能夠準確獲得衛星在慣性系下的抖動劇烈程度信息，從而完成該發明。
《一種抖動測量裝置》的目的在於提供一種針對衛星的抖動測量裝置。
技術方案
《一種抖動測量裝置》包括：測量模組，用於測量所述衛星在慣性抖動坐標系下的加速度和滾轉角速率；數據處理模組，用於採集所述測量模組測量到的測量信號，對所採集到的數據進行處理，並將相應的處理結果存儲在存儲器中；以及輔助模組，用於將所述衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓從而向所述測量模組和所述數據處理模組供電，並且將所述測量模組輸出的測量信號進行噪聲濾除後再輸入至所述數據處理模組。
對於上述抖動測量裝置，優選地，所述測量模組包括：三軸加速度計，用於測量所述衛星在所述三軸加速度計的兩個軸敏感滾轉系下OX、OY坐標軸方向的加速度；以及角速率陀螺，用於測量所述衛星的滾轉角速率。
對於上述抖動測量裝置，優選地，所述輔助模組包括：有源低通濾波器，用於對所述三軸加速度計和所述角速率陀螺測量到的測量信號進行噪聲濾除，並將濾除噪聲後的測量信號輸入至所述數據處理模組；以及變壓穩壓模組，其用於將所述衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓，以向所述三軸加速度計、所述角速率陀螺、所述有源低通濾波器以及所述數據處理模組供電。
對於上述抖動測量裝置，優選地，還包括連線在所述有源低通濾波器和所述數據處理模組之間的分壓電路，所述分壓電路用於將由所述有源低通濾波器濾除噪聲後的測量信號的電壓調整為所述數據處理模組的採集電壓，從而向所述數據處理模組輸入其能夠採集的測量信號。
對於上述抖動測量裝置，優選地，還包括連線在所述變壓穩壓模組和所述數據處理模組之間的上電復位模組，所述上電復位模組用於將所述變壓穩壓模組輸出的電壓輸出至所述數據處理模組的電壓輸入端，從而向所述數據處理模組提供穩定、適當的工作電壓。
對於上述抖動測量裝置，優選地，還包括連線在所述上電復位模組和所述數據處理模組之間並用於隔離數字電壓和模擬電壓的隔離電路。
對於上述抖動測量裝置，優選地，所述數據處理模組包括模擬-數字轉換器，所述模擬-數字轉換器用於對模擬形式的所述測量信號進行採樣，並生成相應的數字形式的數據。進一步優選地，所述數據處理模組還對所述數據進行例如放大或縮小等的處理，並將處理後的數據存儲於其內部FLASH中。
改善效果
《一種抖動測量裝置》提供的抖動測量裝置具有電路和信號線路構成簡單、成本低廉、經濟實用、阻抗匹配性能良好等優點，能夠準確測量例如衛星等的旋轉體在各個轉速下的抖動程度，可以廣泛套用於旋轉體慣性系下抖動幅度的測量系統。
附圖說明
圖1示出根據《一種抖動測量裝置》抖動測量裝置優選實施方式的構成示意圖。
圖2示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的變壓穩壓模組的電路圖。
圖3示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的有源低通濾波器的電路圖。
圖4示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的上電復位模組的電路圖。
圖5示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的隔離電路的電路圖。
圖6示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的MSP430F449的封裝形式的結構示意圖。
圖7示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的MSP430F449的封裝形式的引腳圖。
圖8示出根據該發明抖動測量裝置優選實施方式的抖動振幅測量過程的流程圖。
圖9和10分別示出根據該發明抖動測量裝置測量出的抖動曲線示例。
技術領域
《一種抖動測量裝置》涉及抖動測量裝置，尤其涉及基於雙軸衛星電機聯動的抖動測量裝置，其能夠準確測量因天線隨著轉動速度增大而產生的劇烈抖動對衛星運動造成的影響。
權利要求
1.一種針對衛星的抖動測量裝置，其特徵在於，包括：測量模組，用於測量所述衛星在慣性抖動坐標系下的加速度和滾轉角速率；數據處理模組，用於採集所述測量模組測量到的測量信號，對所採集到的數據進行處理，並將相應的處理結果存儲在存儲器中；以及輔助模組，用於將所述衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓從而向所述測量模組和所述數據處理模組供電，並且將所述測量模組輸出的測量信號進行噪聲濾除後再輸入至所述數據處理模組，其中，所述測量模組包括：三軸加速度計，用於測量所述衛星在所述三軸加速度計的兩個軸敏感滾轉系下OX、OY坐標軸方向的加速度；以及角速率陀螺，用於測量所述衛星的滾轉角速率；所述輔助模組包括：有源低通濾波器，用於對所述三軸加速度計和所述角速率陀螺測量到的測量信號進行噪聲濾除，並將濾除噪聲後的測量信號輸入至所述數據處理模組；以及變壓穩壓模組，其用於將所述衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓，以向所述三軸加速度計、所述角速率陀螺、所述有源低通濾波器以及所述數據處理模組供電；所述抖動測量裝置還包括連線在所述變壓穩壓模組和所述數據處理模組之間的上電復位模組，所述上電復位模組用於將所述變壓穩壓模組輸出的電壓輸出至所述數據處理模組的電壓輸入端，從而向所述數據處理模組提供工作電壓。
2.根據權利要求1所述的抖動測量裝置，其特徵在於，還包括連線在所述有源低通濾波器和所述數據處理模組之間的分壓電路，所述分壓電路用於將由所述有源低通濾波器濾除噪聲後的測量信號的電壓調整為所述數據處理模組的採集電壓，從而向所述數據處理模組輸入其能夠採集的測量信號。
3.根據權利要求1所述的抖動測量裝置，其特徵在於，還包括連線在所述上電復位模組和所述數據處理模組之間並用於隔離數字電壓和模擬電壓的隔離電路。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的抖動測量裝置，其特徵在於，所述數據處理模組包括模擬-數字轉換器，所述模擬-數字轉換器用於對模擬形式的所述測量信號進行採樣，並生成相應的數字形式的數據。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的抖動測量裝置，其特徵在於，還包括雙軸驅動機構，其用於驅動衛星在俯仰和航向的運動。
6.根據權利要求5所述的抖動測量裝置，其特徵在於，所述雙軸驅動機構包括分別驅動沿俯仰方向的運動和沿航向方向的運動的兩個驅動組件，並且各所述驅動組件包括步進電機、諧波減速器和光電碼盤。
7.根據權利要求4所述的抖動測量裝置，其特徵在於，還包括雙軸驅動機構，其用於驅動衛星或測量模組在俯仰和航向的運動。
8.根據權利要求7所述的抖動測量裝置，其特徵在於，所述雙軸驅動機構包括分別驅動沿俯仰方向的運動和沿航向方向的運動的兩個驅動組件，並且各所述驅動組件包括步進電機、諧波減速器和光電碼盤。
實施方式
操作內容
《一種抖動測量裝置》提供一種基於雙軸衛星電機聯動的抖動測量裝置，其包括測量模組、數據處理模組以及輔助模組。其中，測量模組用於測量衛星在慣性抖動坐標系下的加速度和滾轉角速率；數據處理模組用於採集測量模組測量到的測量信號，對所採集到的數據進行處理，並將相應的處理結果存儲在存儲器中；以及輔助模組用於將衛星攜帶的電源的電壓調整為適當電壓從而向測量模組和數據處理模組供電，並且將測量模組輸出的測量信號進行噪聲濾除後再輸入至數據處理模組。
其中，測量模組包括三軸加速度計和角速率陀螺（也稱為MEMS器件），三軸加速度計用於測量衛星在其兩個軸敏感滾轉系下OX、OY坐標軸方向的加速度，角速率陀螺用於測量衛星的滾轉速率。
輔助模組包括變壓穩壓模組和有源低通濾波器。其中，所述變壓穩壓模組分別與測量模組中的三軸加速度計和角速率陀螺、輔助模組中的有源低通濾波器以及數據處理模組中的上電復位模組連線，從而分別向三軸加速度計、角速率陀螺、有源低通濾波器以及上電復位模組供電。所述有源低通濾波器與三軸加速度計和角速率陀螺連線，通過將三軸加速度計和角速率陀螺測量到的測量信號輸入至有源低通濾波器來消除該測量信號中的噪聲。
優選地，在有源低通濾波器和數據處理模組之間連線有分壓電路，用於將由有源低通濾波器濾除噪聲後的測量信號的電壓調整為數據處理模組的採集電壓，從而向數據處理模組的信號輸入端提供其能夠採集的測量信號。
優選地，在變壓穩壓模組和數據處理模組之間連線有上電復位模組，用於將所述變壓穩壓模組輸出的電壓輸出至所述數據處理模組的電壓輸入端，從而向所述數據處理模組提供穩定、適當的工作電壓。進一步優選地，在上電復位模組和數據處理模組之間連線有用於隔離數字電壓和模擬電壓的隔離電路，以使得數據處理模組的工作電壓更穩健。
優選地，數據處理模組至少包括模擬-數字轉換器和CPU處理器。其中，上電復位模組通過隔離電路與CPU處理器相連從而向其供電，有源低通濾波器輸出的模擬形式的測量信號經模擬-數字轉換器轉換成數字形式的數據之後輸入至CPU處理器，並且CPU處理器對該數據進行諸如放大、縮小和/或格式轉換等處理後存儲於其內部存儲器中。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置的優選實施方式中，其還包括用於驅動衛星或測量模組在俯仰和航向這兩個方向上的運動的雙軸驅動機構。在進一步優選的實施方式中，雙軸驅動機構包括分別用於驅動沿俯仰和航向方向上的運動的兩個基本一致的驅動組件，所述驅動組件優選地包括步進電機、諧波減速器和光電碼盤。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，優選地，在測量模組中，作為測量感測器的三軸加速度計和角速率陀螺是並行設定的。其中，以三軸加速度計中的兩個軸敏感滾轉系下OX、OY坐標軸方向為基準，三軸加速度計測量在這兩個坐標軸方向的加速度。角速率陀螺測量敏感衛星的滾轉速率。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，作為三軸加速度計，優選採用ADI公司的ADXL330，其靈敏度為300毫伏/克、零位為1.5伏、抗衝擊能力為10000克。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，作為角速率陀螺，優選採用ADI公司的ADXRS300，其經BGA-32封裝技術處理後的測量範圍可達±3200°/秒。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，在測量模組中，通過三軸加速度計和角速率陀螺共測得三路信號，分別為在三軸加速度計中的兩個軸敏感滾轉系下OX、OY坐標軸方向加速度和衛星的滾轉速率數據信號，其通過輔助模組中的有源低通濾波器濾除高頻噪聲，以便後續對其進行分析。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，在輔助模組中，變壓穩壓模組用於調整電源電壓和供電，有源低通濾波器用於消除通過三軸加速度計和角速率陀螺測得的信號的高頻噪聲。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，衛星所攜帶的電源通常是12伏，而三軸加速度計、角速率陀螺、有源低通濾波器和CPU處理器晶片一般以5伏作為工作電壓，因此通過變壓穩壓模組將衛星所攜帶的12伏電源調整為5伏電壓，以便工作。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置的優選實施方式中，在變壓穩壓模組採用LM7805器件，LM7805將+12伏電源變壓為例如+5伏的適當電壓。其中，採用LM7805器件構成變壓穩壓模組的具體電路圖可如圖2所示。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置的優選實施方式中，有源低通濾波器的電路圖可如圖3中所示，其中，有源低通濾波器的信號輸入端Ui連線至測量模組中的三軸加速度計和角速率陀螺，而其信號輸出端Uo經由分壓電路連線至數據處理模組的模數轉換前端。此外，為了簡化圖示，圖中未示出有源低通濾波器的工作電壓接入方式，但該領域技術人員應能明白，任何已知的濾波器工作電壓接入方式都可套用於《一種抖動測量裝置》。並且，上述有源低通濾波器在截止頻率約為50赫茲、電路的直流量增益約為|T（0）|＝2的情況下濾波效果優異。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，上電復位模組和隔離電路用於調整數據處理模組的工作電壓，以向數據處理模組提供適當可用的工作電壓，而有源低通濾波器和分壓電路用於調整數據處理模組的輸入信號電壓，以向數據處理模組的信號輸入端如AD1、AD2等提供其能夠採集的測量信號。其中，該領域技術人員應能理解，分壓電路通常可由兩個電阻串聯而成，其中一端接地，另一端為信號輸入，兩個電阻中間為信號輸出。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置的優選實施方式中，在上電復位模組中使用TPS7333Q器件，其將+5伏電壓變壓為+3.3伏。具體而言，圖4示出了上電復位模組的電路圖，即TPS7333Q及其附屬電路，其中，“+5伏”與圖2中“+5伏”相連，“+3.3伏”為輸出端並與圖2中的“+3.3伏”連線，“RST”連線MSP430F449的“RST”。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，隔離電路用於隔離數字電壓和模擬電壓，從而向CPU處理器供電。在優選的實施方式中，隔離電路如圖5所示，其中“+3.3伏”與圖4中“+3.3伏”連線，“D伏cc3”和“A伏cc3”分別接作為CPU處理器的數字電源端和模擬電源端，從而向CPU處理器供電。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，CPU處理器採集經有源低通濾波器的輸出端輸出的信號，並對所採集到的數據進行處理，然後儲存於其內部的存儲器如FLASH中。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置的優選實施方式中，作為CPU處理器，採用TI（Texas Instruments，德州儀器）公司的低功耗MSP430F449器件。MSP430F449具有5種低功耗模式；自帶的8路、12位精度A/D轉換器，轉換速率高達200千比特/秒，並帶有內部參考源、採樣保持、自動掃描特性；片內FLASH存儲器多達60千位元組，RAM多達2千位元組；帶有3個或7個捕獲/比較器的16位定時器。可見，MSP430F449具有“低功耗，處理能力強大，片內外設豐富”的特點，基本滿足本系統的功能要求。
MSP430F449的封裝形式為100引腳的PLASTIC100-PINQFP，其結構示意圖和引腳圖分別如圖6和圖7所示。該處理器主要完成三個A/D通道的信號採集，並對採集數據進行相關處理後，將處理結果存儲在片內FLASH中。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，數據處理模組包括數據採集用的模/數轉換器，例如可採用12位的模數轉換器（ADC），其包含前端模擬多路復用器、採樣保持電路、轉換核心、穩壓器及其它模擬支持電路。當對ADC的硬體資源配置完成後，使用者只需要通過軟體指令啟動A/D採樣，即可獲取ADC轉換後的結果。
系統軟體工作為當系統上電後軟體處於等待狀態，等待採集的觸發信號，等到接到觸發信號後就開始採集數據，根據所需要數據的精度可以靈活設定數據採樣率，並且將採集的數據經過處理並且經過合理判斷，再將經過判斷後的數據存儲在內部FLASH中。
在根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置中，關於數據測量和CPU處理器的數據處理，主要過程如下：
在驅動電機不工作的情況下，進行MEMS器件上電檢測零位，以1.5秒內採集電壓信號的平均值作為該器件的零位電壓U0。
驅動電機在特定轉速下轉動，由處理器的3路A/D轉換通道採集測量模組的器件輸出端的電信號。設器件的標度因數為μ，通過以下公式將電壓轉化為相應的加速度或轉速：
其中，U為實測電壓，U0為零位電壓，μ為標度因數，D為實測加速度或轉速。
在FLASH中開闢三個數組ab1[N]、ab2[N]、ω[N]，用以存儲處理後的兩個方向加速度信息和一個方向轉速信息。訪問FLASH，並將滾轉系下的加速度信息通過以下公式投影到慣性系下：
其中，γ為滾轉角，以逆時針為正方向，通過轉速與該時刻的定時時間來求取；ab1為處理後的一個方向加速度信息；ab2為處理後的另一個方向加速度信息；a1為經過坐標轉換後一個方向加速度信息；a2為經過坐標轉換後的另一個方向加速度信息。
得到數組a1[N]、a2[N]後，通過以下公式求取各數組的平均值和方差：
其中，ai為所有採集到的採樣值，N為採樣點數，為計算出來的均值，s為計算出來的方差。均值可表征抖動的劇烈程度，而方差表征抖動的穩定性。
將以上結果存儲於FLASH中，並提高轉速直至電機的最大轉速，測得電機在不同轉速下的抖動加速度均值和方差。
上述過程可參見圖8。
實施案例
實施例1
作為測量模組中的MEMS器件，分別使用ADI公司的ADXL330（三軸加速度計）和ADI公司的ADXRS300（角速率陀螺），而變壓穩壓模組、有源低通濾波器、上電復位模組、隔離電路分別如圖2-5中所示，CPU處理器使用TI公司的低功耗MSP430F449器件。
將上述三個模組分布在兩塊Φ50的圓形電路印製板上，第一塊板上主要布置輔助模組，第二塊板上主要布置測量模組和數據處理模組。兩塊電路板之間由機械接口和電子接口相連線，其中機械接口是三個均勻分布在Φ45的圓上的Φ3的機械孔，電子接口將數據處理模組和測量模組連線至所需要的電源線。整套測試系統與例如雙軸衛星的被測件用三個Φ5的機械孔相連線。得到根據《一種抖動測量裝置》的抖動測量裝置。
該抖動測量裝置的作業原理和過程如下：測試系統在被測件開始轉動前已經上電，等待被測件開始按照設計好的轉速進行轉動；當被測件開始轉動的同時，測試系統即開始工作，此時測量模組中的加速度計和陀螺能夠同時敏感被測件的運動特性；當慣性器件開始工作時，數據數理模組就將採集到的數據實時處理並且存儲到內部FLASH中，等待設定的系統停止後，將FLASH中的數據通過下載線導出並相應進行後處理後就可以得到系統抖動曲線，具體見圖9和圖10，分別表征了抖動幅度為5毫米和不抖動時的情況。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種抖動測量裝置》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
