模型火箭飞行姿态自动记录系统设计方案

发布时间:2015-12-17 阅读量:1382 来源: 我爱方案网 作者:

【导读】本文提出了一种基于MPU6050模块的飞行姿态记录系统设计方案,可实现对固体燃料低空模型火箭飞行姿态自动记录的需求。该方案已完成系统的软硬件设计。试验表明,该系统具有成本低廉、灵敏度高的特点,达到了设计要求。

固体燃料低空模型火箭在发射原理和气动结构上都与实用探空火箭一致,同时具备重量轻、安全性高和价格相对低廉的特点,因此在本科教学及学科竞赛中被广泛使用。

目前的固体燃料低空模型火箭(以下简称模型火箭)受到成本和运载能力的限制并未加装任何传感器,对于模型火箭发射后的飞行姿态大都通过视频的方式记录,但是受到模型火箭飞行速度快、拍摄视角固定等问题的限制,传统的飞行姿态记录方式效果并不理想,所得结果也缺乏进一步讨论的价值,缺少量化的飞行姿态数据也制约了模型火箭本身的改进和发展。可见设计出一种可量化的飞行姿态记录系统非常有必要。

MPU6050模块有着高速、精确的加速度采集能力,提供SPI和IIC两种通讯方案,能够根据系统程序指令,同时进行线加速度和角加速度的采集工作;M24C08芯片可以存储1024字节数据,支持IIC通讯协议,具有体积小、重量轻、数据稳定性强的特点;单片机以其较高的灵活性和稳定性广泛应用在自动控制系统中。本系统既是三者的结合,由传感器、存储器和单片机部分构成,对固体燃料低空模型火箭飞行过程中的加速度进行实时采集和记录,箭体返回后,配合上位机数据处理软件,对加速度数据进行处理,最终还原出模型火箭的真实飞行姿态。

1 系统的整体结构及功能描述

系统以STC89C52RC单片机为主控芯片,结合MPU6050模块和M24C08芯片,可对模型火箭飞行中的加速度进行实时采集并存储,模型火箭回收后通过串口通讯将数据传递给上位机,并在相关软件的辅助下进行数据处理,最终还原出模型火箭实际飞行姿态。MPU6050模块解决了模型火箭高速飞行过程中加速度数字化的问题,并且具有采集速度快、精度高和可编程控制的特点,M24C08芯片具有支持IIC协议、重量轻和数据稳定性强的特点,虽然存储容量较小,但鉴于模型火箭滞空时间短的特点,其数据存储容量能够满足需求。

系统结构框图如图1所示,本系统选择STC89C52RC单片机为IIC通讯的主机,所有对话由单片机发起,单片机按照固定时间间隔询问MPU6050模块模型火箭实时加速度情况,MPU60 50做出应答后单片机向M24C08芯片发起对话,要求M24C08芯片记录当前加速度数值。以上周期性采样从模型火箭点火开始到飞行完成降落伞开启结束不间断进行,模型火箭回收后,进行数据上传和处理工作。

 

图1:系统总体结构图

2 系统硬件设计

MPU6050模块、STC89C52RC单片机与M24C08芯片之间采用IIC通讯,其电路图如图2所示。本系统设定只有 STC89C52RC单片机可以发起对话,其余原件只能做出应答,其中STC 89C52RC单片机的P1.2管脚与IIC通讯线路的时钟线(SCL)连接,P1.3管脚与数据线(SDA)连接,程序根据逻辑需要按照IIC通讯协议控制时钟线和数据线的电平变化,以发起所需对话。MPU6050模块和M24C08芯片都支持IIC通讯,分别将其时钟管脚和数据管脚与通讯线路的相应管脚相连接,连接完成后的IIC通讯线路即可实现主从之间的问答式通讯。

 

图2:IIC通讯电路图

实际使用中为了提高采集可靠性,在火箭放飞过程中单片机只固化采集存储程序,待模型火箭回收后重新给单片机固化相应的数据读取程序,数据才能被传递给上位机,但程序反复固化操作中往往会出现人员误操作,引起M24C08芯片中的数据损坏,导致整个放飞失去意义,因此在M24C08的数据管脚设计了保护跳线,模型火箭回收后断开保护跳线,待确认程序固化正确后接通跳线,上传数据。

MPU6050模块是以MPU6050芯片为核心配合必要的外围器件形成的加速度测量模块。其中MPU6050芯片整合了3轴陀螺仪和3轴线加速度计,极大的减小了包装空间,同时避免了加速度计和陀螺仪组合时的轴间差问题,并能够以400 kHz的速度提供16位精度的加速度数据。由于芯片本身对于外围器件要求较高,因此本系统硬件设计中选用了MPU6050模块,保证了数据的可靠性。在装配中采取模块与主板层叠的安装方式,进一步减小了整个系统的体积,系统实物图如图3所示。

 

图3:系统实物图

3 系统软件设计及数据处理

系统程序设计包括数据采集存储和数据读取上传两部分构成,为了提高系统的可靠性,两部分程序不同时固化在单片机中,在模型火箭发射时固化数据采集存储程序,模型火箭回收后固化数据读取上传程序。数据采集存储程序每隔0.1 s采集一组模型火箭加速度值,并存储到M24C08芯片中,虽然MPU6050可以提供16位精度数据,但低八位数据抖动严重,所以系统只记录高8位数据,这样M24C08芯片可以记录170组(每组6个)加速度数据,记录持续时间为17s。模型火箭点火延时2 s,导轨飞行1秒,滞空飞行14 s,数据采集存储程序工作时间可对3个过程实现完全覆盖。数据读取上传程序读取M24C08中的数据并以串口通讯方式传递给上位机。

数据处理分为数据接收、数据预处理和姿态还原3个部分,数据接收部分利用串口助手软件接收下位机上传的数据,同时将八进制数转换为十进制。数据预处理主要是对数据进行定性分析:出现角加速度不为零的情况说明模型火箭飞行中出现旋转;前2 s(模型火箭静止状态)出现X/Y轴线加速度不为零说明发射架水平度不符合要求;第3 s(模型火箭导轨飞行)开始出现X/Y轴线加速度不为零说明导轨装配出现问题。在数据预处理阶段未发现上述问题则进入姿态还原阶段,该阶段借助Matlab软件对X/Y/Z三轴线加速度进行计算,还原模型火箭飞行姿态,算法公式如图4所示。

图4:算法公式图

4 实验应用

飞行姿态记录系统可靠性验证。在该测试阶段,系统被安装在5轴数控机床工作台上,通过数控程序指挥工作台改变姿态,由系统采集并记录相关数据,之后将数据上传给上位机进行处理,还原出工作台的姿态变化,与实际工作台姿态变化进行对比。实验结果表明系统记录的工作平台姿态与实际姿态一致。

 

图5:模型火箭实物图

飞行姿态记录系统与模型火箭联合搭载实验。在该测试阶段,将系统搭载到模型火箭中,搭载系统的模型火箭如图5所示。对搭载记录系统的火箭进行全流程的发射、回收实验,并对系统记录的数据进行上传、处理,以检验系统实际使用中的表现。实验结果表明系统运行稳定,数据记录正常。

5 结论

该飞行姿态记录系统采用高精度的加速度传感器和成熟可靠的存储器,配合稳定的主控芯片为硬件平台,软件设计采用不同种类功能分步固化的思想,避免了误操作带来的数据损坏,分析程序借助串口助手和Matlab软件,解决了飞行姿态还原的问题。该飞行姿态记录系统已在日常本科教学和竞赛中服役,实际应用表明该飞行姿态记录系统具有测试准确、稳定可靠、成本低廉等特点,达到了设计要求。

推荐阅读:

基于PCIe总线的高速传输系统设计方案
3G车载视频传输模块设计方案
新型车用雨量光照传感器系统设计方案
CAN总线智能控制器设计方案
高稳定性恒流源系统设计方案

相关资讯
高绝缘小型化DC-DC转换器技术突破:村田NXJ1T系列深度解析

株式会社村田制作所(Murata)最新推出的NXJ1T系列高绝缘小型DC-DC转换器,专为工业、能源和医疗领域设计,具备4.2kV DC高绝缘耐压、低漏电流及卓越的可靠性。该产品采用先进的封装技术,在严苛环境下仍能保持稳定运行,适用于电动汽车(EV)充电系统、可再生能源设备、医疗电子等高要求场景。NXJ1T系列凭借小型化设计(10.55mm × 13.70mm × 4.04mm)和约80%的高转换效率,为设备节省空间并优化能耗表现。核心特性包括:

全球最强交换机诞生!博通Tomahawk 6突破100Tbps大关

2025年6月3日,博通(Broadcom)正式发布Tomahawk 6交换机系列,标志着以太网交换技术迈入全新阶段。该产品是全球首款单芯片提供102.4Tbps交换容量的解决方案,带宽达到现有市场产品的两倍,专为下一代AI网络设计,支持超大规模集群部署。

高性能双通道运放SGM8433-2Q:驱动旋变励磁与电机控制的理想选择

圣邦微电子(SG Micro)推出的SGM8433-2Q是一款高压、低失真、轨到轨输入输出的双通道运算放大器,专为高精度、高驱动能力的应用场景设计。该器件支持4.5V至24V宽电源供电,具备12MHz增益带宽积(GBW)和35V/μs高压摆率,同时提供高达360mA(源电流)和400mA(灌电流)的强大驱动能力,适用于旋转变压器励磁驱动、电机控制、伺服系统等高要求场景。

SK海力士登顶全球DRAM市场,HBM技术成制胜关键

2025年第一季度,全球DRAM市场格局迎来重大变化。据TrendForce和Counterpoint Research最新报告显示,SK海力士凭借高带宽存储器(HBM)的技术优势,首次超越三星电子,以36%的市场份额位居行业榜首。三星电子以33.7%的份额退居第二,美光则以24.3%的份额排名第三。

威世科技推出VIA系列隔离放大器:高精度与可靠性的工业级解决方案

2025年6月5日,威世科技(Vishay Intertechnology, Inc.,NYSE: VSH)宣布推出三款新型隔离放大器——VIA0050DD、VIA0250DD和VIA2000SD,专为工业、汽车和医疗等高精度、高可靠性应用设计。该系列产品具备卓越的热稳定性、高共模瞬态抗扰度(CMTI)和低增益误差,适用于恶劣环境下的精密电流和电压测量。