基于液浮陀螺的飛行器用的高精度慣性平臺設(shè)計(jì)

魏 東，趙智姝，李映紅

(海軍航空兵學(xué)院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125000)

基于液浮陀螺的飛行器用的高精度慣性平臺設(shè)計(jì)

魏 東，趙智姝，李映紅

(海軍航空兵學(xué)院 飛行理論系，遼寧 葫蘆島 125000)

設(shè)計(jì)了平臺應(yīng)用于飛行器軌跡的背景，研究了平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從平臺系統(tǒng)模型的角度分析了高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺的工作原理；基于飛行器軌跡平臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的陀螺安裝方式，利用直接驅(qū)動具有高精度、高速度、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單、可靠等優(yōu)點(diǎn),理論分析證明了此種安裝方式的可行性和優(yōu)越性,推導(dǎo)了系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，且就偏心距和陀螺儀漂移的影響進(jìn)行了仿真分析。

液浮陀螺；高精度慣性平臺；陀螺安裝方式；偏心距；陀螺儀漂移

0 引 言

為了實(shí)時獲得高分辨率遙感圖像，可以利用慣性穩(wěn)定平臺來隔離載體姿態(tài)角運(yùn)動和多源干擾的影響，使飛行器穩(wěn)定并能實(shí)時跟蹤當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系。應(yīng)用于飛行器軌跡的高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺，需要承載質(zhì)量較大的成像載荷，航空應(yīng)用環(huán)境對平臺的體積、重量有嚴(yán)格的限制，使平臺具有很大的承重與自重比，在機(jī)械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成及陀螺安裝方式等方面和傳統(tǒng)的慣導(dǎo)平臺存在較大區(qū)別[1,2]。

本文設(shè)計(jì)了基于液浮陀螺儀的三軸慣性穩(wěn)定平臺，針對平臺應(yīng)用于飛行器軌跡的背景，研究了平臺結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了電機(jī)和一級齒輪傳動相結(jié)合的間接驅(qū)動方式的優(yōu)點(diǎn)，從平臺系統(tǒng)模型的角度分析了高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺的工作原理；基于飛行器軌跡平臺的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型的陀螺安裝方式，理論分析證明了此種安裝方式的可行性和優(yōu)越性。

1 高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺構(gòu)成

慣性穩(wěn)定平臺具有穩(wěn)定和跟蹤的作用，一方面隔離載體角運(yùn)動和各類擾動對被穩(wěn)定對象的影響，使成像載荷穩(wěn)定成像；另一方面，它把指令角速度信號正確分解，形成力矩電機(jī)的控制信號，驅(qū)動平臺框架轉(zhuǎn)動，使穩(wěn)定平臺跟蹤某坐標(biāo)系或做有限轉(zhuǎn)角的姿態(tài)機(jī)動。慣性穩(wěn)定平臺的基本組成和功能模塊是一致的，主要由平臺環(huán)架、力矩電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、角度傳感器、陀螺儀、加速度計(jì)、信號處理單元和相關(guān)電路組成，因設(shè)計(jì)思想的差異和完成任務(wù)的不同，慣性穩(wěn)定平臺可采取不同的結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式和慣性器件安裝方式等。

1.1 三軸慣性穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)所用的高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺采用三自由度環(huán)架的機(jī)械架構(gòu)，由外至內(nèi)分別是橫滾環(huán)、俯仰環(huán)和方位環(huán)。內(nèi)環(huán)組裝在中環(huán)上，并可繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；中、外環(huán)架相應(yīng)組裝在外一層的外環(huán)和載體基座結(jié)構(gòu)上，并可繞自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。為了敘述和分析問題方便，首先建立高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺坐標(biāo)系：載體基座坐標(biāo)系、橫滾環(huán)坐標(biāo)系、俯仰環(huán)坐標(biāo)系、方位環(huán)；應(yīng)用于飛行器軌跡領(lǐng)域的高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺，需要承載體積、重量都較大的遙感成像設(shè)備，而且還要給成像載荷預(yù)留觀測視角，因此，平臺內(nèi)環(huán)要做成中空的桶狀，如圖1所示。

圖1 三軸慣性穩(wěn)定平臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Diagram of three axis inertial stabilized platform structure

圖1中，Gk(k=x,y,z)為安裝在俯仰環(huán)上的俯仰陀螺、橫滾陀螺及方位環(huán)上的方位陀螺，Mj(j=f,r,a),Nj(j=f,r,a),Tj(j=f,r,a)分別為安裝在平臺環(huán)架上的力矩電機(jī)、減速器和旋轉(zhuǎn)變壓器，Kj(j=f,r,a)為俯仰、橫滾、方位環(huán)回路伺服放大器。

1.2 慣性穩(wěn)定平臺工作原理

高精度慣性穩(wěn)定平臺承載成像載荷，并跟蹤當(dāng)?shù)厮矫妫闯休d載荷的方位環(huán)跟蹤當(dāng)?shù)厮矫?，使成像載荷和視軸垂直指向地面，并保持指向的穩(wěn)定性。其工作原理是：安裝在平臺環(huán)架上的陀螺，敏感飛行載體角運(yùn)動(如基座姿態(tài)變化和低頻角振動)和平臺內(nèi)外部擾動(摩擦、偏心力矩、耦合、傳感器噪聲和空氣阻力等)引起的干擾角速度，通過速率控制器環(huán)節(jié)輸出到力矩電機(jī)，再經(jīng)過減速器形成控制力矩，驅(qū)動平臺環(huán)架轉(zhuǎn)動，隔離載體機(jī)動及干擾，使平臺保持對地指向的穩(wěn)定性，構(gòu)成平臺穩(wěn)定回路；安裝在方位環(huán)上的高精度慣性穩(wěn)定平臺提供位置、速度、姿態(tài)信息，平臺根據(jù)這些信息計(jì)算平臺跟蹤地理坐標(biāo)系的指令角速度，形成力矩電機(jī)控制信號，驅(qū)動環(huán)架轉(zhuǎn)動，當(dāng)慣性穩(wěn)定平臺輸出姿態(tài)角不為零時，表明方位環(huán)偏離當(dāng)?shù)厮矫?，施加控制直至慣性穩(wěn)定平臺輸出姿態(tài)為零，使平臺跟蹤地理系。

1.3 液浮陀螺安裝方式優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)承載航空飛行器的三軸慣性穩(wěn)定平臺時[3～5]，為了滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求(體積、重量等)，可將陀螺直接安裝到各環(huán)架上或安裝到載體基座上；平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的陀螺均安裝在內(nèi)環(huán)方位環(huán)上。上面分析安裝方式，它們使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活簡便，減小了平臺的體積和重量，但陀螺測量的角速度信號轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制信號時，信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多，算法實(shí)現(xiàn)上相對復(fù)雜，且對角度傳感器的精度要求很高，使得平臺設(shè)計(jì)不是最優(yōu)的，需要設(shè)計(jì)新型的陀螺安裝方式以實(shí)現(xiàn)平臺的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 陀螺安裝方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

圖2所顯示的三軸慣性穩(wěn)定平臺，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對陀螺安裝方式提出了新的要求。三軸慣性穩(wěn)定平臺最初源于平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(平臺慣導(dǎo))，這種平臺只承載陀螺儀和加速度計(jì)，體積、重量相對較小，因此，將其放置在與內(nèi)環(huán)固連的平臺臺體上。如果用于飛行器軌跡的慣性穩(wěn)定平臺將3個陀螺均安裝到內(nèi)環(huán)，只能將陀螺安裝在內(nèi)環(huán)的外圓周上或從內(nèi)環(huán)向下伸出一個放置陀螺的裝置，這必然引起內(nèi)環(huán)半徑增大或平臺高度增加，這對飛行載體的承載能力和體積提出了更高的要求。同時，體積、重量的增加使環(huán)架的轉(zhuǎn)動慣量增大，為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定功能需要更大的控制力矩，增加了系統(tǒng)的功耗，綜合考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣和算法實(shí)現(xiàn)的難易程度等諸多因素，設(shè)計(jì)了一種新型陀螺安裝方式，即將方位陀螺安裝在方位環(huán)上、俯仰陀螺和橫滾陀螺安裝在俯仰環(huán)上的陀螺安裝方式。

圖2 陀螺安裝示意圖Fig 2 Schematic diagram of gyroscope installation

新型安裝方式下，陀螺的敏感軸分別與xf軸、yf軸、za軸重合，可計(jì)算此時陀螺測量的角速度，由公式(1)表示

(1)

從圖2可知，za垂直O(jiān)xfxayfya平面，可知xf軸、yf軸、za軸構(gòu)成一個正交坐標(biāo)系，由公式(1)也可以看出，方位、俯仰、橫滾陀螺測量值是相互正交解耦的，即平臺環(huán)架間出現(xiàn)相對轉(zhuǎn)角時，3只陀螺的敏感軸始終相互垂直。

安裝在xf軸、za軸方向的陀螺Gx,Gz測量的角速度信號ωifx,ωiaz直接通過速率環(huán)控制器放大校正后轉(zhuǎn)換成俯仰電機(jī)和方位電機(jī)控制信號，而Gy測量的角速度ωify通過俯仰正割分解到y(tǒng)r軸上得到橫滾環(huán)的角速度ωiry，再經(jīng)過速率環(huán)控制器轉(zhuǎn)換成橫滾電機(jī)控制信號，如公式(2)所示

(2)

其中，Ggj(j=f,r,a),Gvj(j=f,r,a)分別為俯仰、橫滾、方位環(huán)陀螺及速率環(huán)控制器傳遞函數(shù)，新型陀螺安裝方式減少了信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，簡化了三軸解耦控制算法，在同等條件下可提高平臺精度，并實(shí)現(xiàn)了平臺結(jié)構(gòu)和控制上的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)仿真

3.1 理論和辨識建模法確立模型參數(shù)

本項(xiàng)目采用液浮陀螺，它的一個重要特性就是標(biāo)度因數(shù)存在非線性，會影響平臺精度，采用辨識建模的方法來確定其參數(shù)。另外，為了提高建模仿真分析的可信度，需要得到液浮陀螺線性標(biāo)度因數(shù)，所以,對液浮陀螺單獨(dú)標(biāo)定，設(shè)計(jì)了測試系統(tǒng)進(jìn)行辨識建模實(shí)驗(yàn)。平臺其他部分，如被控對象可以采用理論建模的方法確定參數(shù)，由以上參數(shù)可得慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)參數(shù)為

(3)

通過建立動力學(xué)解耦模型[6,7]，可得到高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)了俯仰、橫滾、方位3個通道的解耦，如圖3所示。

圖3 高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺系統(tǒng)模型Fig 3 System model of high precision three axis inertial stabilized platform

3.2 幾種誤差源下的仿真

在偏心力矩的作用下，平臺誤差角曲線如圖4、圖5所示。

圖4 偏心力矩下的平臺誤差角曲線Fig 4 Curve of platform error angles under eccentric torque

圖5 基座角運(yùn)動耦合下平臺誤差角曲線Fig 5 Error angle curve of base angular motion coupled platform

陀螺漂移是影響平臺速率環(huán)精度的一個重要因素。圖6(a),(b)分別為位置環(huán)開環(huán)和位置環(huán)閉環(huán)情況，閉環(huán)時平臺漂移的影響大大削弱,充分說明了采用雙環(huán)控制的優(yōu)勢：隔離干擾、減小平臺不確定性運(yùn)動的影響，可使速率環(huán)內(nèi)的器件非線性特性、參數(shù)漂移等不利影響大大削弱。由圖6可知,陀螺漂移誤差能控制在0.0002°以內(nèi)。

圖6 陀螺漂移下平臺誤差曲線Fig 6 Platform error curve of gyro drift

4 結(jié) 論

平臺的穩(wěn)定精度直接影響載荷成像的清晰度與分辨率。本文圍繞如何提高平臺精度展開研究，即對飛行器軌跡用高精度三軸慣性穩(wěn)定平臺進(jìn)行系統(tǒng)建模，在此基礎(chǔ)上分析影響穩(wěn)定精度的因素，繼而針對性的研究適用飛行器軌跡平臺的先進(jìn)控制方法抑制干擾影響，提高穩(wěn)定精度。系統(tǒng)建模、先進(jìn)控制等關(guān)鍵技術(shù)的研究，可為高精度、高可靠性的慣性穩(wěn)定平臺的研發(fā)提供技術(shù)支撐。通過這些研究可為平臺產(chǎn)品的研發(fā)提供理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，具有指導(dǎo)和實(shí)踐意義。

[1] Heiss F,Wins V.Likelihood approximation by numerical integration on sparse grids[J].Journal of Econometrics,2008,144(1):62-80.

[2] Emery A F,Johnson K C.Practical considerations when using sparse grids with Bayesian inference for parameter estimation[J].Inverse Problems in Science and Engineering,2012,20(5):591-608.

[3] Jia B,Xin M,Cheng Y.Sparse-grid quadrature nonlinear filte-ring[J].Automatica,2012,48(2):327-341.

[4] Fang J C,Yang S.Study on innovation adaptive EKF for in-flight alignment of airborne POS[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2011,60(4):1378-1388.

[5] Ji Wei,Li Qi,Xu Bo.Design study of adaptive fuzzy PID contro-ller for LOS stabilized system[C]∥Processing of the Sixth International Conference on Intelligent Systems Design and Applications, IEEE Computer Society,2006:336-341.

[6] Han Yonggen,Lu Yanhong,Qiu Haitao.An improved control scheme of gyro stabilization electro-optical platform[C]∥The 2007 IEEE International Conference on Control and Automation，Guangzhou:IEEE,2007:346-351.

[7] Lin C L,Hsiao Y H.Adaptive feedforward control for disturbance torque rejection in seeker stabilizing loop[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology,2001,9(1):108-121.

Design of high precision inertial platform for aircraft based on liquid floated gyro

WEI Dong, ZHAO Zhi-shu, LI Ying-hong

(Department of Flight Theory,Navy Fly of Academy,Huludao 125000,China)

Design background of platform applied in aircraft trajectory,research characteristics of platform structure,working principle of high precision three axis inertial stabilized platform is analyzed from the perspective of platform of system model;based on characteristics of aircraft trajectory platform,design installation mode of a new type of gyro,using advantages of direct drive has high precision,high speed,simple mechanical structure,reliable,theoretical analysis proves feasibility and superiority of this kind of installation mode,derive transmission function of system,and effect of eccentricity and gyro drift are simulated.

liquid floated gyro; high precision inertial platform; gyro installation mode; eccentricity; gyro drift

10.13873/J.1000—9787(2014)10—0097—03

2014—03—10

TP 702

A

1000—9787(2014)10—0097—03

魏 東(1977-)，男，河北衡水人，碩士,講師，主要研究方向?yàn)轱w行器總體設(shè)計(jì)。