陀螺羅經(jīng)性能測試方法研究

陳曉麗

（解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

0 引言

電羅經(jīng)又稱陀螺羅經(jīng)，它能自動(dòng)、連續(xù)地提供艦船的航向信號，并通過航向發(fā)送裝置將航向信號傳遞到艦船需要航向信號的各個(gè)部位。從而滿足艦船導(dǎo)航及武備系統(tǒng)的要求，是艦船必不可少的精密導(dǎo)航設(shè)備，被稱為艦船的“眼睛”。全套設(shè)備由主羅經(jīng)、分羅經(jīng)和附屬儀器三部分組成，核心部件是主羅經(jīng)內(nèi)的陀螺球。陀螺球是提供航向信號基準(zhǔn)的敏感部件，是確保電羅經(jīng)產(chǎn)品精度、性能指標(biāo)的首要關(guān)鍵部件。

1 陀螺羅經(jīng)的基本原理

陀螺不旋轉(zhuǎn)時(shí)，其軸線可以任意改變。當(dāng)其高速旋轉(zhuǎn)而又沒有受到外力影響時(shí)，它就不會(huì)改

變軸線的方向，維持空間一定的指向，這種特性，稱為陀螺的定軸性。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的陀螺受到某種外力作用時(shí)，它又按一定的規(guī)律不斷地改變其軸線的空間指向，這叫陀螺的進(jìn)動(dòng)性。

電羅經(jīng)正是應(yīng)用了陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性，使其旋轉(zhuǎn)軸線精確跟蹤地球子午面，并且始終準(zhǔn)確地指向地理北極，這樣，無論船舶航行到哪里，都可以依此確定航向。

2 陀螺羅經(jīng)的主要特性

2.1 陀螺羅經(jīng)主軸的等幅擺動(dòng)

通過對自由陀螺儀施加控制力矩制成的陀螺羅經(jīng)，羅經(jīng)主軸只具有自動(dòng)找北的能力而不能穩(wěn)定指北，其自動(dòng)找北的運(yùn)動(dòng)軌跡是呈扁平的橢圓軌跡。

這一橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的中心位于子午面內(nèi)，橢圓的兩長半軸相等，兩短半軸也相等，因此橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡是等幅橢圓。

羅經(jīng)主軸作等幅橢圓運(yùn)動(dòng)（自由擺動(dòng)）一周所需要的時(shí)間，稱為陀螺羅經(jīng)的自由擺動(dòng)周期（period of free-oscillation）T0。

自由擺動(dòng)周期T0的大?。?/p>

式中，ωecosφ為地球自轉(zhuǎn)角速度ωe的水平分量。

陀螺羅經(jīng)的自由擺動(dòng)周期與羅經(jīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（H、M）和緯度有關(guān)。

T0等于84.4 min時(shí)，稱為陀螺羅經(jīng)的理想自由擺動(dòng)周期，這時(shí)若船舶機(jī)動(dòng)航行，船上的陀螺羅經(jīng)將不產(chǎn)生第一類沖擊誤差。

理想自由擺動(dòng)周期所對應(yīng)的緯度稱為陀螺羅經(jīng)的設(shè)計(jì)緯度(chosen latitude)（φ0），設(shè)計(jì)緯度是設(shè)計(jì)羅經(jīng)時(shí)所選取的一特殊緯度。

2.2 陀螺羅經(jīng)阻尼曲線

啟動(dòng)時(shí)間，是陀螺羅經(jīng)主軸在控制力矩和阻尼力矩的作用下，由指示任意方向到穩(wěn)定指北所需要的時(shí)間。阻尼運(yùn)動(dòng)，是在啟動(dòng)時(shí)間內(nèi)，陀螺羅經(jīng)主軸的運(yùn) 動(dòng)，軌跡是一種逆時(shí)針收斂螺旋線。阻尼曲線(damping curve) （如圖1所示），啟動(dòng)羅經(jīng)時(shí)，由于船舶航向固定不動(dòng)，記錄器記錄的航啟動(dòng)陀螺羅經(jīng)所需要的時(shí)間除了與阻尼周期TD和阻尼因數(shù)?有關(guān)外，還與啟動(dòng)羅經(jīng)時(shí)其主軸的初始方位角α0有關(guān)。羅經(jīng)啟動(dòng)時(shí)間的長短只隨船舶所在的緯度和主軸的初始方位角變化。陀螺羅經(jīng)都采用啟動(dòng)時(shí)減小羅經(jīng)主軸的初始方位角（和初始高度角），進(jìn)行快速啟動(dòng)。在阻尼跡線就是羅經(jīng)主軸的阻尼運(yùn)動(dòng)軌跡（如圖 2所示）。

圖1 陀螺羅經(jīng)的阻尼曲線

圖2 陀螺羅經(jīng)主軸運(yùn)動(dòng)軌跡

2.3 阻尼周期（damping period,TD）

陀螺羅經(jīng)主軸作阻尼運(yùn)動(dòng)一周所需要的時(shí)間：

陀螺羅經(jīng)的阻尼周期的大小與羅經(jīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)H、M（Ky）、C（MD或Kz）和緯度有關(guān)；

2.4 阻尼因數(shù)（damping factor,?）

陀螺羅經(jīng)主軸作阻尼運(yùn)動(dòng)時(shí)，主軸偏離子午面以東（或以西）的方位角α最大值與相繼偏離子午面以西（或以東）的方位角最大值之比：

陀螺羅經(jīng)阻尼因數(shù)?的大小由羅經(jīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)決定，結(jié)構(gòu)參數(shù)一定，其阻尼因數(shù)為定值。

各種陀螺羅經(jīng)的阻尼因數(shù)?可能不同，一般為2.5～4。阻尼因數(shù)?也是決定陀螺羅經(jīng)啟動(dòng)時(shí)間的因素之一。

2.5 啟動(dòng)時(shí)間

力矩的作用下，羅經(jīng)主軸的方位角α和高度角θ不斷減小，最終使方位角α為零，羅經(jīng)主軸穩(wěn)定指北。這種采用液體阻尼器獲得阻尼力矩的羅經(jīng)又稱為液體阻尼器羅經(jīng)。

陀螺羅經(jīng)的啟動(dòng)過程，陀螺羅經(jīng)在控制力矩作用下能夠自動(dòng)找北，在此基礎(chǔ)上，在阻尼力矩作用下，經(jīng)過一定的時(shí)間就能夠穩(wěn)定指北。

陀螺羅經(jīng)的適用緯度一般為 80°以下，否則羅經(jīng)指向精度降低或不能正常指向。

3 陀螺球性能測試平臺設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

根據(jù)上述分析陀螺羅經(jīng)的主要性能指標(biāo)，可以看出通過實(shí)時(shí)記錄陀螺羅經(jīng)的輸出航向數(shù)據(jù)曲線，可以得到陀螺球的阻尼周期、阻尼因數(shù)、啟動(dòng)時(shí)間等參數(shù)。為此，結(jié)合試驗(yàn)室陀螺球搖擺臺，設(shè)計(jì)陀螺球試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)硬件平臺，通過計(jì)算機(jī)采集航向數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)日歷時(shí)間，利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析陀螺球的啟動(dòng)時(shí)間、阻尼周期、阻尼因數(shù)、搖擺試驗(yàn)特性數(shù)據(jù)等指標(biāo)。

整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集平臺采用 LPC1768單片機(jī)為核心，使用軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊 ZSZ-14模塊將航向模擬發(fā)送信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，單片機(jī)將數(shù)據(jù)處理分析并存儲，將數(shù)據(jù)采集陀螺球的試驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析，數(shù)字輸出陀螺球的各項(xiàng)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)條件下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)陀螺球的性能鑒定和參數(shù)采集，大大提高了陀螺球性能試驗(yàn)工作效率。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 陀螺球試驗(yàn)測試平臺數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件平臺設(shè)計(jì)

陀螺球試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)采集與控制的硬件平臺，以ARM單片機(jī)LPC17683和自整角機(jī)軸角采集模塊ZSZ為核心以及其他輔助電路組成。LPC1700系列ARM是基于第二代ARM Cortex-M3內(nèi)核的微控制器，是為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的高性能、低功耗的 32位微處理器，適用于儀器儀表、工業(yè)通訊、電機(jī)控制、燈光控制、報(bào)警系統(tǒng)等領(lǐng)域。其操作頻率高達(dá)120 MHz，采用3級流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，帶獨(dú)立的本地指令和數(shù)據(jù)總線以及用于外設(shè)的低性能的第三條總線，使得代碼執(zhí)行速度高達(dá)1.25MIPS/MHz，并包含1個(gè)支持隨機(jī)跳轉(zhuǎn)的內(nèi)部預(yù)取指單元。LPC1700系列ARM增加了一個(gè)專用的Flash存儲器加速模塊，使得在Flash中運(yùn)行代碼能夠達(dá)到較理想的性能。

ZSZ自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊是一種采用跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)和模塊化結(jié)構(gòu)的數(shù)字化器件，它應(yīng)用二階伺服回路，輸出與TTL電平兼容的并行自然二進(jìn)制碼，測量精度達(dá)到0.01°，兼容性好。ZSZ自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器與PCL-730 I/O模塊配合，經(jīng)計(jì)算機(jī)對信號的采集、處理，得到相應(yīng)的角度數(shù)值，使數(shù)字化技術(shù)在角位置測量中得到應(yīng)用。

采用 ZSZ自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊研制適用于角位置測試的“SJW型角位置測試系統(tǒng)”，直接將感應(yīng)同步器（自整角機(jī)）輸出的三線自整角機(jī)信號用ZSZ自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器接收，經(jīng)ZSZ轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成10～16位與TTL電平兼容的并行自然二進(jìn)制碼，且在數(shù)字輸出端包含三態(tài)鎖存器，再經(jīng) I/O接口模塊讀取 TTL電平，計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、顯示、通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、高精度、大數(shù)據(jù)量的信號采集。對陀螺球輸出航向信號的分析，要滿足其數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性要求，必須使用分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快的轉(zhuǎn)換器，測試系統(tǒng)中選用ZSZ自整角機(jī)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器作為航向信號采集和處理的核心器件。

自整角機(jī)的電壓信號接到S1、S2、S3，通過微型變壓器后轉(zhuǎn)化為正余弦形式輸出電壓，其中：

這里θ是自整角機(jī)的軸角，E0sinωt是激磁電流電壓。假設(shè)可逆計(jì)數(shù)器現(xiàn)時(shí)代碼為φ，則：

這些信號經(jīng)誤差放大后得到：

由相敏檢波、積分器、壓控振蕩器和可逆計(jì)數(shù)器組成的閉環(huán)系統(tǒng)可使 s in(θ-φ)為零（即θ=φ），當(dāng)這個(gè)過程完成時(shí)，可逆計(jì)數(shù)器的數(shù)字量φ值就等于自整角機(jī)的軸角θ值，也就完成了對θ角的數(shù)字化過程。自整角機(jī)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換原理圖如圖4所示，ZSZ模塊外圍電路如圖5所示。

圖4 自整角機(jī)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換原理圖

圖5 ZSZ軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換外圍電路圖

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序是以嵌入式操作系統(tǒng) uC/OS-IIV 2.86為核心，在LPC1768硬件平臺上的移植，設(shè)計(jì)軸角數(shù)字轉(zhuǎn)換程序、航向數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)對外發(fā)送、數(shù)據(jù)存儲、RTC時(shí)間處理等子任務(wù)。利用嵌入式操作系統(tǒng)對各個(gè)子任務(wù)進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行，實(shí)時(shí)對航向數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以有效發(fā)揮LPC1768的強(qiáng)大處理能力，提高了數(shù)據(jù)處理效率。最終航向數(shù)據(jù)發(fā)送格式采用NMEA0183格式，通過RS485總線將航向數(shù)據(jù)對外發(fā)送。

航向數(shù)據(jù)處理子任務(wù)是整個(gè)軟件系統(tǒng)最為核心的子程序，也是實(shí)現(xiàn)陀螺球性能自動(dòng)鑒定的核心程序，本程序?qū)崟r(shí)對所采集到的當(dāng)前航向信息進(jìn)行分析，查找航向峰值點(diǎn)時(shí)間、阻尼周期、航向變化規(guī)律、縱傾搖擺時(shí)航向變化等數(shù)據(jù)，通過對航向數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析得出陀螺球的性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鑒定4陀螺球試驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

4 結(jié)論

本文通過分析陀螺羅經(jīng)的主要原理以及主要性能，結(jié)合理論分析數(shù)據(jù)總結(jié)得到了陀螺球性能測試的理論基礎(chǔ)和測試指標(biāo)，最終提出了一種基于32位單片機(jī)LPC1768的計(jì)算平臺，將陀螺球試驗(yàn)平臺數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析、存儲，最終根據(jù)所采集到的陀螺球性能測試數(shù)據(jù)得到陀螺球的啟動(dòng)時(shí)間、阻尼周期、阻尼系數(shù)、搖擺振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等性能指標(biāo)，最終將所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過液晶顯示模塊顯示，并可以數(shù)字輸出所試驗(yàn)的陀螺球的性能指標(biāo)。通過該陀螺球測試平臺的設(shè)計(jì)，大大提高了陀螺球性能測試水平，提高了測試數(shù)據(jù)的精度，并對測試數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)歷史追溯跟蹤，最終實(shí)現(xiàn)了陀螺球試驗(yàn)平臺的自動(dòng)化檢測。

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