《摆式陀螺寻北仪等速积分寻北》由会员分享，可在线阅读，更多相关《摆式陀螺寻北仪等速积分寻北（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1关于摆式寻北仪等速积分测量方法前言我所摆式陀螺寻北仪的研制工作已经走过了 30 多年的历程，从简单的 60 分钟的手动跟踪测量、20 分钟的自动积分测量到 10 分钟自动循环阻尼测量； 从外协少量生产到自行批量生产；从一两个研制人员到目前的十几个人的工程 组并且在国内一直保持着领先的地位。随着市场需求的扩大和行业竞争的加剧，我所的领先地位越来越显示危机 状态。其主要原因是技术上未能做到不断创新，不断跟踪国外先进技术。就目前使用的循环阻尼寻北方法是来说，这是 20 年前参考美国 1960 年资 料的研究成果（严格的说，又远未达到 1960 年美国的水平） 。而在此期间，国 外相继出现了多种更新
2、的测量方法而我们却基本上停留在原来的测量方法上虽然车载寻北仪的出现改变了摆式寻北仪在寻北技术领域内的独占地位但 是由于两类寻北仪的市场基本上不相互重叠，因此在中高精度寻北仪市场中， 摆式寻北仪仍然占有优势地位，在可预期时间内仍然具有相当大的生命力。根据本人对多年来参与摆式寻北仪的研制工作所积累的经验和收集的国外 有关资料的分析，建议开展一些新测量方法的研究课题为研制新一代摆式寻北 仪做准备。基本思想是 从运动状态测量转为加矩测量； 突破以往寻北时间受陀螺摆动周期限制的技术障碍，达到快速寻北的目 的 消除悬带零位，即零偏的影响1.等速过零寻北方法悬吊摆式陀螺寻北仪(下称摆式寻北仪)的测量方法可简
3、单分为摆动状态测 量法和力矩测量法。前者是通过各种手段测定陀螺转子轴(或称 H 轴)的运动状 态。如位置、速度或通过某个方位角的时间等，来求得 H 轴的平衡位置，并以 此计算真北方位。而后者则是通过测定陀螺指北力矩来推算真北方位。 根据寻北测量过程中悬带受扭状态，可分为受扭和不受扭测量方法。当然 还可以按其他方法分类。 采用摆动状态测量法时，测量时间将受到摆动周期的限制，而减小摆动周 期又受到结构和测量地点纬度的限制。为了减少寻北时间，出现了静态扭矩测 量方法，这种方法在寻北时不再受摆动周期的限制，但是由于需要粗寻北过程， 而多数粗寻北方法仍与摆动周期有关，因而仍然无法进一步加快寻北过程。为
4、了实现快速寻北，必须从原理上突破上述限制寻找新的方法。 等速寻北方法(或称为等速过零寻北法)的寻北时间与摆系统固有摆动周期无 关，从而为摆式寻北仪实现快速寻北开辟了一个新的途径。1972 年,德国学者 BARON 和 WARREN 提出一种等速寻北方法。其基本思想是： 当寻北仪的随动架驱动上悬带夹绕铅垂方向转动时，为了使陀螺 H 轴与上悬带 夹一起同步转动(即 H 轴进动)，必须通过力矩器对摆施加某控制力矩来平衡陀 螺的指北力矩、悬带扭矩、空气阻尼力矩、陀螺摆的惯性力矩以及陀螺摆等效惯性（即）力矩。当陀螺房的外阻尼筒和随动架一起同步转动时，空气阻H mgl22尼力矩和悬带扭矩可以忽略。而当陀螺
5、房与外阻尼筒和随动架一起等速同步转等速同步转 动动时则惯性力矩为零，力矩器的控制力矩只用来平衡指北力矩并且此平衡力矩 与速度大小无关。从原理上讲，上述控制力矩应该在水平面内且与 H 轴垂直。但是由于摆式 陀螺寻北仪为重心下移的特殊结构和运动特性，在构成新的闭环控制系统后， 上述控制力矩也可以绕铅垂方向作用(这就是目前普遍使用的加矩方法)。 其小参数线性化控制过程可用图 1 表示。图 1 中的第一个环节 W1(S) 为角 度传感器的变换系数和 P.I 控制器。通过 P.I.控制器，给系统引入一个积分环 节并构成一个二阶无差度系统，用以消除寻北系统在等速输入下可能出现的稳 态误差（注意！这是必须的
6、） 。* 为给定速度值(通常为电压或数字量)，为 记录积分开始时刻的度盘读数;完成各段积分和定时过程;完成快速粗瞄及运动方向的判断。 4.1.等速驱动回路为了实现高精度的等速驱动，必须采用锁相技术将方位转动的随动驱动马达 锁相到高精度晶体振荡器上，并设法消除传动空回的影响。系统必须考虑设置 一个绝对零位采样点。稳速控制回路可以采用两种方案，一个是独立稳速回路，即稳速控制和力反 馈回路是各自独立的闭合回路如图 2；第二个是力反馈组合稳速回路，此时力 反馈控制和稳速控制组成一个闭合回路如图 3。为了加快寻北过程，可以考虑采用双速控制方法，即在完成方向判断之后， 先以快速进行粗寻北，当加矩电流小于某
7、个给定值（此值与纬度有关！）时减 速并转为慢速精确寻北状态。 4.2.加矩回路水平状态的 H 轴在绕铅垂轴从静止启动到等速方位转动时，所需平衡的力矩 有陀螺的指北力，阻尼力矩和陀螺房绕铅垂轴的惯性和等效惯性力矩。如果陀 螺房的外阻尼筒等机构与 H 轴同步转动时，阻尼力矩可以忽略。当方位转动达 到稳速后的惯性力矩为零而只有陀螺指北力矩存在。加矩回路也即力反馈回路。加矩回路应该引入积分环节以消除稳态误差，提 高力矩测量精度。 4.3.力矩积分测量回路 采用电压-频率变换器可以直接将加矩电流变换为可积分的脉冲频率在 CPU 内进行累加积分. 4.4.起始点的方位确定从原理上说，当两段积分过程的转角分
8、别为 90时，等速寻北法不需要粗寻 北过程，同时，精寻北方向即可以是北向附近也可以是南向附近。 4.5.关于力矩器加矩能力的计算力矩器的最大加矩能力最大指北力矩陀螺房惯性力矩等效惯性力矩+ 悬带转角恢复力矩空气阻尼力矩 CZdJNmMMMMMM最大指北力矩与工作纬度、H 轴偏北角有关由于陀螺房的转动惯量 JY等效转动惯量 Jd，所以在计算时可以忽略 JY。 而最大惯性力矩的大小又与最大转动角加速度有关。假设希望控制力矩能满足 使摆在 10 秒钟内从静止加速到 20 100S 即 0.2 S,则转动角加速度为 0.02 SS.8MJd dtH mglSMN m S kgm SmSN S kgN
9、S kg m S kgNmddd 222222222222 7227002 18002002 29801180004002 298 18071 1071 10. . ./.ooooMHCOSSINNmSSNmNe09002151803600145105oooo./.最小寻北测量的力矩分辨率为Nm910Nm1010力矩器的动态范围达 45 个数量级之大！5.主要误差源 5.1.力矩器非线性误差由于等速积分测量过程中，力矩器测量工作点将在某个范围内变化，而不是 保持在零位附近，因此对力矩器的线性度要求较高。假设转动方位角大于 90，寻北误差为，则在精确寻北时，力矩器的线性 测量范围(注意：力矩器的
10、动态范围要比线性测量范围大几个数量级)内的线性 度应该为: (22) eeCOS SICOS SINSIN9010当10时， 1 / 20626 。2105显然，要求在全部动态范围内具有如此高的线性度是不现实的，这将限制了 积分转动工作区，因此，进行粗瞄并且在小角度范围内进行积分测量方可提高 寻北精度。假设力矩器的线性度为 0.001，则 sin10/sin30.001。因为在精确寻北过程中力矩器的测量范围只是-He +H e (-200+200 g cm/ s )15 / (1803600)s可见，所要求的线性测量区只是力矩器动态范围(零位附近)的很小的一部分。为了减小力矩器非线性产生的测量
11、误差，可在精确寻北时采用二元脉冲调宽 式再平衡回路完成力反馈控制和力矩测量。由于二元脉冲调宽式再平衡回路中， 加矩电流的幅值是严格固定的，因此力矩器的工作点也是固定的。其平均加矩 值的变化是靠改变加矩脉冲的宽度来实现的。当加矩电流反向时，工作点从正 变为负，其绝对值不变，但是此时仍然可能存在象限非线性误差，即正反向力9矩系数不相等。为此可通过记录正向(和反向)加矩脉冲的平均宽度进行象限误 差补偿。二元脉冲调宽式再平衡回路的另一个优点是测量过程可直接数字化。应该指出，由于悬吊摆式寻北仪加矩系统的线性度还与力矩器定子转子之 间相对位置，如间隙、倾角等有关，而在悬吊摆式寻北仪中这些因素通常是变 化的
12、。 5.2.转台误差 此误差对寻北精度的影响比转台一次测角误差要小.这是因为积分寻北对转台 的误差有平均作用.积分转角越大,对寻北精度影响就越小.由于陀螺马达转速变化、陀螺章动以及外界干扰等因素的影响，在等速驱动 过程中，陀螺 H 轴的方位不可能是绝对等速运行，可能存在微小的波动，从而 出现阻尼力矩并反应到在力矩测量信号中形成干扰。但是，通常这些干扰频率 相对积分时间为周期性高频分量，因此经过积分处理后可将大部分干扰消除。符 号 说 明H 陀螺马达动量矩力矩器输出的力矩；MR 陀螺自转角速度失端相对水平面的提高角 陀螺自转角速度失端绕铅垂轴(即上悬带夹绕铅垂轴)转动的等角速度; N H 轴初始
13、偏北角 由闭环加矩回路动态特性决定的输入输出相位差 KT 为力矩器系数 ( Nm/mA )l 陀螺摆的摆长g 重力加速度 H 轴在水平面投影的偏北角e 地球自转加速度 纬度S 拉普拉斯算子M0 悬吊零位偏置力矩附件 其他改进意见： 1 光源的脉冲调制解决光源发热产生的热漂移、电路中加入隔直流消除直流漂移、 2 伺服电机 pwm 电路驱动采用低成本高集成度桥式 PWM 功率驱动电路作为伺服电机的功放。消除摩擦 死区、降低成本、克服低速下的跟踪抖动。103 方位跟踪主回路加入双积分校正在主回路中加入积分校正提高跟踪系统的稳态精度。 4 陀螺马达驱动电路及制动控制提高电机的锁相刚度、加大陀螺房的惯性
14、阻尼。加矩回路为两档工作方式。 5 力矩器增加波莫合金铁芯加大力矩器加矩能力6 加矩信号并联组合将零位修正、力反馈、速度阻尼等小加矩信号通过模拟加法器或者数字加法 器组合之后统一加入力矩器线圈。 7 力反馈回路完成力矩测量 8 空气阻尼器增加空气阻尼筒 9 自动静摆零位修正如果仍然采用静摆测量则设计静摆零位自动修正回路。设计自动零位修正回 路和软件（采用积分时间最低摆动频率的整数倍） 。 10 研制新的力矩器研制（另另有说明）此建议于 2006.4.20.交室领导郑建新KT SR11K HT1 Smgl1 H1 SHecos1 S11鉴相鉴频基准频率放大器PI 控制器电压跟随器 VFC 数字积分器电子度盘方位输出定时器伺服马达光电测速器力矩器位置传感器功 放鉴相鉴频基准频率放大器PI 控制器电压跟随器 VFC 数字积分器电子度盘方位输出定时器伺服马达光电测速器力矩器位置传感器功 放
