本發(fā)明涉及一種用于混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的物理平臺，主要適用于混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的平臺設(shè)計(jì)和控制，屬于慣性導(dǎo)航領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)是一種集平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、捷聯(lián)式慣導(dǎo)系統(tǒng)算法和旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差抑制技術(shù)于一體的慣導(dǎo)系統(tǒng)，將基于全數(shù)字控制的“物理平臺”與基于捷聯(lián)姿態(tài)計(jì)算的“數(shù)學(xué)平臺”進(jìn)行有機(jī)結(jié)合是混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的首要特征。

在傳統(tǒng)的平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，物理平臺隔離載體角運(yùn)動(dòng)的功能主要是靠模擬的機(jī)電部件(如方位軸上的正割分解器、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器等)先對測量信息進(jìn)行坐標(biāo)變換，然后由模擬控制電路完成一系列信息處理，包括解調(diào)，校正，形成脈沖調(diào)寬，轉(zhuǎn)臺切換等。由此帶來了平臺上機(jī)電部件和模擬電路數(shù)量多，平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。而混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺采用全數(shù)字控制，框架上只包括電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)和光柵。這大大簡化了平臺結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的體積重量，提高了系統(tǒng)可靠性。

在物理平臺的功能和工作模式方面，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)不僅要像平臺式慣導(dǎo)系統(tǒng)一樣實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功能，隔離載體的角運(yùn)動(dòng)，而且還需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的功能，從而使慣性器件的旋轉(zhuǎn)相對于地理系進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的誤差調(diào)制效果。因此，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺需包括“鎖定、穩(wěn)定、穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)”三種工作模式，特別是穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)的工作模式是因混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)途徑而產(chǎn)生的新需求，也是它與平臺式慣導(dǎo)和旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)在平臺控制上的最大區(qū)別。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用要求，提出了一種用于混合式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的物理平臺。在使用全數(shù)字控制后，平臺結(jié)構(gòu)得到極大簡化，本發(fā)明給出了全數(shù)字物理平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。對于混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的三種工作模式，尤其是穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)模式，本發(fā)明設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制指令算法，并且達(dá)到了較高的控制精度，可滿足混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用要求。

本發(fā)明采用的技術(shù)解決方案為：一種用于混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺采用全數(shù)字控制，框架上只包括電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)和光柵，其中，電機(jī)采用直流無刷電機(jī)，導(dǎo)電滑環(huán)采用封閉式滑環(huán)，框架軸上的角度傳感器采用絕對式光柵，采用全數(shù)字控制，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)“鎖定、穩(wěn)定、穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)”三種工作模式。

其中，采用全數(shù)字控制，省去了傳統(tǒng)平臺中的正割分解器和相關(guān)的模擬電路，所有數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換都在計(jì)算機(jī)中完成，計(jì)算得到的控制信號經(jīng)過功放直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)可靠性。

其中，所述的三種工作模式，

(1)、鎖定模式：此工作模式下，平臺以框架上的光柵作為控制回路的反饋元件，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電鎖定功能；

(2)、穩(wěn)定模式：此工作模式下，平臺以陀螺作為控制回路的反饋元件，實(shí)現(xiàn)隔離載體角運(yùn)動(dòng)功能；

(3)、穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)模式：此工作模式下，平臺以陀螺作為控制回路的反饋元件，根據(jù)相應(yīng)算法計(jì)算控制指令，從而實(shí)現(xiàn)平臺繞地理系的旋轉(zhuǎn)調(diào)制。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)、本發(fā)明的物理平臺采用全數(shù)字控制后，陀螺輸出信號直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)輸出的調(diào)寬信號經(jīng)功放后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，省去了傳統(tǒng)平臺中的正割分解器和相關(guān)的模擬電路，結(jié)構(gòu)得到極大簡化，框架上只剩下電機(jī)，導(dǎo)電滑環(huán)和光柵。電機(jī)采用直流無刷電機(jī)，可避免有刷電機(jī)電刷易磨損、打火等問題；導(dǎo)電滑環(huán)采用封閉式滑環(huán)，IMU數(shù)據(jù)采用總線形式打包傳輸，大大減少了滑環(huán)環(huán)數(shù)，提高系統(tǒng)可靠性；框架上的軸角傳感器采用高精度光柵，從而保證系統(tǒng)電鎖定、高精度姿態(tài)輸出和高精度自標(biāo)定的功能需求。

(2)、本發(fā)明的物理平臺工作于鎖定模式時(shí)，用光柵作為反饋元件進(jìn)行閉環(huán)控制，取消了傳統(tǒng)三自慣導(dǎo)系統(tǒng)機(jī)械鎖定的端齒盤，這簡化了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了體積重量。

(3)、本發(fā)明的全數(shù)字物理平臺兼具“鎖定、穩(wěn)定、穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)”三種工作模式，能夠滿足混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用需求，傳統(tǒng)的平臺式慣導(dǎo)和旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)的物理平臺不同時(shí)具備這三種功能。

(4)、本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)的新工作模式，可在隔離載體角運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使混合式慣導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)調(diào)制相對于地理系進(jìn)行，這比傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式慣導(dǎo)系統(tǒng)相對于殼體的旋轉(zhuǎn)調(diào)制能獲得更好的誤差抑制效果。

附圖說明

圖1三框架結(jié)構(gòu)形式平臺示意圖，其中，1為外框電機(jī)，2為中框電機(jī)，3為內(nèi)框電機(jī)，4為外框光柵，5為中框光柵，6為內(nèi)框光柵；

圖2為控制回路原理框圖；

圖3為游移方位系與地理系之間位置關(guān)系；

圖4為載體靜止時(shí)的穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)控制效果；

圖5為載體有航向運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)控制效果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

根據(jù)應(yīng)用場合的不同，混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺在結(jié)構(gòu)上可以是三框架形式、雙框架或單框架形式。三框架的平臺能隔離載體各個(gè)方向的角運(yùn)動(dòng)，這在運(yùn)載器姿態(tài)運(yùn)動(dòng)比較靈活的應(yīng)用場合更有優(yōu)勢。下面以一種三框架形式的平臺為例做具體介紹。圖1是一套三框架的平臺結(jié)構(gòu)示意圖，內(nèi)框架軸為方位軸Z，中框架軸為俯仰軸X，外框架軸為橫滾軸Y。每個(gè)框架上各安裝一個(gè)直流無刷電機(jī)和光柵，內(nèi)框的光柵一端安裝一個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)，另外兩個(gè)框使用軟導(dǎo)線。混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的IMU數(shù)據(jù)采用總線的形式“打包”輸出，所以平臺上的線纜數(shù)量大大減少，通常十幾環(huán)的滑環(huán)就足夠。采用數(shù)字式平臺以后，平臺的控制電路也相應(yīng)得到簡化，控制電路主要包括控制計(jì)算機(jī)和功放，功放再采用集成電路，所以控制電路所占體積很小，可整體放置在平臺外。

混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的物理平臺具備“鎖定、穩(wěn)定、穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)”三種工作模式。在鎖定模式下，平臺以框架上的光柵作為反饋元件，光柵所測的角度信號進(jìn)入計(jì)算機(jī)，通過PID算法計(jì)算控制指令，控制信號經(jīng)功放后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)電鎖定功能；在穩(wěn)定模式下，平臺以陀螺作為控制回路的反饋元件，經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算指令角速度，控制信號經(jīng)功放后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)隔離載體角運(yùn)動(dòng)功能。鎖定和穩(wěn)定這兩種模式的實(shí)現(xiàn)方式與現(xiàn)有的許多數(shù)控機(jī)構(gòu)差異不大，這里不再做詳細(xì)描述。穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)模式是混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)新增加的一種平臺工作狀態(tài)，這要求物理平臺在穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到更好的旋轉(zhuǎn)調(diào)制效果。下面將結(jié)合三軸混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的平臺結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)模式下的控制算法。

圖2是本發(fā)明所建立的平臺穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)控制回路原理框圖，同時(shí)也反映了該控制回路的組成。圖中各主要符號的含義為：ω_A表示載體的運(yùn)動(dòng)角速度，M_T表示軸摩擦力矩，M_C表示電機(jī)控制力矩，U_C表示計(jì)算出的控制電壓，Δθ_IR表示慣性測量單元輸出的臺體運(yùn)動(dòng)角增量，φ_P表示控制誤差角。Δθ_IR與U_C之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系由控制器來計(jì)算完成，首先計(jì)算出與Δθ_IR相對應(yīng)的控制指令角速度ω_C，然后再和其它功能模式的實(shí)現(xiàn)一樣，將指令角速度ω_C轉(zhuǎn)換為控制電壓U_C。

當(dāng)平臺只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的時(shí)候，總有一個(gè)陀螺敏感軸的方向與平臺旋轉(zhuǎn)軸方向保持一致，平臺的控制指令角速度可直接根據(jù)該陀螺的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。當(dāng)平臺有多個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的時(shí)候，在穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)模式中，陀螺敏感軸的指向不再與平臺旋轉(zhuǎn)軸方向始終固定，不能再直接根據(jù)陀螺的測量值來控制平臺，需要經(jīng)過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。所以這個(gè)時(shí)候圖2中ω_C的值需根據(jù)三個(gè)陀螺的數(shù)據(jù)綜合得到，通過計(jì)算出慣性測量單元的運(yùn)動(dòng)角速度在三個(gè)電機(jī)軸方向的分量后再進(jìn)行PII²控制。具體計(jì)算步驟如下：

首先根據(jù)式(1)對陀螺原始測量信息扣除跟蹤地理水平面的角速度分量，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系R下慣性測量單元相對于地理坐標(biāo)系N的運(yùn)動(dòng)角增量

其中，是的三個(gè)分量，表示陀螺原始測量信息補(bǔ)償陀螺的安裝誤差角、漂移和比例系數(shù)誤差后的角增量是的三個(gè)分量。表示捷聯(lián)姿態(tài)矩陣，ω_ie表示地球自轉(zhuǎn)角速度，V_E、V_N分別表示載體東向、北向線速度，R_xt、R_yt表示地球的曲率半徑，R_yt為當(dāng)?shù)刈游缑鎯?nèi)主曲率半徑，R_xt為與子午面垂直平面上的主曲率半徑，h表示當(dāng)?shù)氐暮０胃叨龋硎井?dāng)?shù)氐乩砭暥?，Δt表示采樣間隔時(shí)間。

然后旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的角增量變換至地理坐標(biāo)系，如式(2)所示，得到地理坐標(biāo)系下慣性測量單元相對于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)角增量

其中，是的三個(gè)分量，在將地理坐標(biāo)系的角增量投影到電機(jī)軸系的過程中，為方便描述，這里引入一個(gè)過渡坐標(biāo)系WA，稱為游移方位坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系之間差一個(gè)方位角ψ，如圖3所示，這兩個(gè)坐標(biāo)系之間的方向余弦陣如式(3)所示。

于是可得到游移方位坐標(biāo)系下的臺體運(yùn)動(dòng)角速度如式(4)所示。

其中，是的三個(gè)分量，最后，將游移方位坐標(biāo)系下的指令角速度分解到三個(gè)電機(jī)軸的方向，若載體的俯仰角不為零，三個(gè)電機(jī)軸之間為非正交關(guān)系，所以需要對做特殊處理。以內(nèi)框電機(jī)軸指天為例，三個(gè)電機(jī)軸的控制指令角速度為：

在式(5)中，分別表示三軸平臺繞內(nèi)框旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下，中、外、內(nèi)三個(gè)軸的控制指令角速度，θ表示載體的俯仰姿態(tài)角，ω_RZ表示內(nèi)框軸的旋轉(zhuǎn)指令角速度。將代入圖2中的ω_C，分別控制中框軸、外框軸和內(nèi)框軸電機(jī)，便可實(shí)現(xiàn)慣性測量單元相對于地理坐標(biāo)系繞方位軸勻速旋轉(zhuǎn)，即實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)的控制模式。

最后說明基于上述控制算法所實(shí)現(xiàn)的穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)控制效果：

圖4為載體保持靜止時(shí)的實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，由圖可見，當(dāng)慣性測量單元繞內(nèi)框方位軸穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)且載體靜止時(shí)，水平兩個(gè)方向的控制誤差只有約1"，方位軸的控制誤差只有約2"。

圖5為載體有航向運(yùn)動(dòng)時(shí)的穩(wěn)定+旋轉(zhuǎn)控制誤差測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖可見，當(dāng)載體的航向運(yùn)動(dòng)角速度高達(dá)50°/s時(shí)，相應(yīng)的最大控制誤差角也不超過30"(水平兩個(gè)方向只有約10")，達(dá)到了較高的控制精度，可滿足混合式慣導(dǎo)系統(tǒng)的使用需求。

本發(fā)明未詳細(xì)公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。

盡管上面對本發(fā)明說明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。