CN102109346A - 激光陀螺组合偏频方法及激光陀螺惯性测量组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于惯性导航设备技术领域中激光陀螺组合偏频方法，其是采用双向恒速与机械抖动组合；即在一个绕垂直轴旋转的双向恒速偏频转台上安装一个一至三轴激光陀螺组，且该激光陀螺组各敏感轴均偏离该偏频转台旋转轴β角并由该转台带动旋转，旋转角速度(α&)在各激光陀螺敏感轴上的分量(α&cosβ)即是激光陀螺的偏频角速度；同时旋转角速度(α&)又对激光陀螺轴的误差进行旋转调制。本发明采用双向恒速偏频与机械抖动偏频的组合偏频方法，既保证了精度又降低了设计制造难度。本发明可用于高精度的激光陀螺捷联惯性系统。

Description

激光陀螺组合偏频方法及激光陀螺惯性测量组合装置

技术领域

本发明属于惯性导航设备技术领域，特别是激光陀螺偏频技术的改进。

背景技术

激光陀螺现有多种偏频技术用于解决激光陀螺闭锁效应的影响。机械抖动偏频技术应用最广，而速率偏频技术达到的精度最高。但是这两种偏频技术均不能彻底消除“闭锁”效应的影响，过锁区误差仍然是主要误差源。只有专利公开号为：CN 101738182A的发明专利“双向恒速偏频激光陀螺寻北方法及双向恒速偏频激光陀螺寻北仪”中使用的双向恒速偏频技术才能彻底消除“闭锁”效应的影响。但它不能连续不间断地工作。

激光陀螺“双向恒速与机械抖动组合偏频方法”虽然不能彻底消除“闭锁”效应的影响，但是它能连续不间断地工作，其有效精度能达到现有的速率偏频技术，且工程实施又比速率偏频技术容易。

发明内容

本发明目的是在单轴、两轴或三轴激光陀螺中采用“双向恒速偏频方法”，提供一种激光陀螺组合偏频方法及激光陀螺惯性测量组合装置，在双向恒速偏频方法失去最佳工作状态的短暂时间启动机械抖动偏频系统，形成一种新的激光陀螺“双向恒速与机械抖动组合偏频方法”。机械抖动偏频工作的时间短，对总精度的影响小。为进一步减少机械抖动偏频的负面影响，还要用激光陀螺的精确测角传感器测量激光陀螺的机械抖动角位移，经计算机补偿降低机械抖动噪声误差。用这种偏频方法能连续不间断地工作，并能在保证精度的条件下降低对设计制造的要求。

需要克服的技术难题主要包括：

1、降低机械抖动噪声干扰误差：通过角位移传感器，对机械抖动角位移干扰进行补偿。

2、机械抖动系统的品质因数(Q值)会使机械抖动系统启停的过渡过程时间加长(延迟)，为了既要机械抖动系统在必要的时段起到偏频的作用，又尽量减少机械抖动的工作时间，因此机械抖动系统的启停时间选择与控制很重要。

具体地说，激光陀螺组合偏频方法，其采用双向恒速与机械抖动组合；即在一个绕垂直轴旋转的双向恒速偏频转台上安装一个一至三轴激光陀螺组，且该激光陀螺组各敏感轴均偏离该偏频转台旋转轴β角并由该转台带动旋转，旋转角速度(α&)在各激光陀螺敏感轴上的分量(α&cosβ)即是激光陀螺的偏频角速度；同时旋转角速度(α&)又对激光陀螺轴的误差进行旋转调制。

双向恒速偏频转台由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台与基座上安装的拨杆及其光电开关控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销同时作为该转台的限位销，转台的转角被限定为360°+2γ；γ角的大小要保证同步电机换向后能增速接近或达到同步转速。

双向恒速偏频转台与精密测角装置连接，精密测角装置过0°位置点时应在偏频转台转到两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置。

本发明利用计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度α，用该角度对激光陀螺的输出进行坐标变换；角度α同时用来计算偏频转台旋转角增量Δα(Δα_i＝α_i-α_i-1)，用它计算并消除激光陀螺输出中的偏频量(Δαcosβ)；当Δα发生突变即0°与360°正反向跳变时，即认为该转台通过测角装置的0°点，此刻发出过零点信号，触发“启动”或“停止”激光陀螺的机械抖动系统，机械抖动系统便在偏频转台的换向变速段2γ区间工作；激光陀螺在换向变速段以内是双向恒速与机械抖动的组合偏频工作状态；在换向变速段以外的整360°范围则是单纯的双向恒速偏频状态。

计算机全程均按双向恒速偏频状态计算，在计算消除激光陀螺输出中偏频角增量同时还用激光陀螺的精确测角传感器测量激光陀螺的抖动位移角，并在计算机输出激光陀螺角增量前减掉此刻的抖动位移角；偏频量的计算误差等残余偏频量可正反转抵消。计算机要按给出的激光陀螺输出预处理方程计算出一个采样周期三轴激光陀螺输出的角增量在载体坐标系三轴投影之和作为三轴陀螺组最后的净输出。在发出过零点信号后延迟一段(Δt)时间再触发“启动”激光陀螺的机械抖动系统，延迟的(Δt)时间加机械抖动振幅上升时间之和应小于偏频转台换向变速段一半(γ)的时间以尽量缩短机械抖动偏频状态的工作时间。

激光陀螺偏频惯性测量组合装置，其具有一个绕垂直轴旋转的双向恒速偏频转台，在该转台上安装一个一至三轴的激光陀螺组，且该激光陀螺组的各敏感轴均偏离该偏频转台旋转轴β角并由该转台带动旋转，双向恒速偏频转台由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台与基座上安装的拨杆及其光电开关控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销同时作为该转台的限位销。

双向恒速偏频转台与精密测角装置连接，精密测角装置过0°位置点时应在偏频转台转到两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置。

本发明在专利公开号为：CN 101738182 A的发明专利“双向恒速偏频激光陀螺寻北方法及双向恒速偏频激光陀螺寻北仪”的基础上将其“双向恒速偏频”与现有的“机械抖动偏频”方法组合，形成一种新的激光陀螺“双向恒速与机械抖动组合偏频方法”。它大部分时间是在双向恒速偏频状态下工作，可以彻底消除“闭锁效应”的影响，而双向恒速偏频机构换向时，用机械抖动偏频来降低“闭锁效应”的影响，故机械抖动偏频只在偏频转台换向变速时的较短时间段内工作。虽然机械抖动偏频状态激光陀螺的精度较差，但它所占时间很短，对总精度影响很小。在整转范围内，仍然能对激光陀螺由其它原因产生的误差进行旋转误差调制滤波。该发明仅用单轴偏频转台，采用不同的斜置角度，可对一至三个轴的激光陀螺进行偏频。本发明可以涵盖速率偏频与机械抖动偏频的组合偏频，由于速率偏频对偏频转台的要求极高，故设计制造难度大。而本发明采用双向恒速偏频与机械抖动偏频的组合偏频方法，既保证了精度又降低了设计制造难度。

本发明可用于高精度的激光陀螺捷联惯性系统。

本发明优点是：

1、实现了有效精度可达到甚至超过现有“激光陀螺速率偏频技术”的一种新的偏频技术。

2、这种偏频转台没有速率偏频转台的那些极高的要求，更易于实现。偏频转台限动器和换向机构的定位精度、机械强度、换向反转角加速度，以及同步电机功率储备的要求都大幅度降低，实施难度小。

3、本发明中偏频转台的限动器可以设置在其极限位置之外，正常工作时限动器不被接触碰撞，它只是一个保护装置，在旋转控制系统发生故障时起到保护作用。

4、若把水平两轴加速度计也安装到激光陀螺偏频转台上，该加速度计与激光陀螺组误差的水平分量均被旋转调制，经滤波可进一步提高精度。

附图说明

图1为现有偏频技术中“机抖偏频”方法示意图。

图2为“双向恒速与机械抖动组合偏频”方法示意图。

图3为“双向恒速与机械抖动组合偏频”方法结构示意图。

图4为本发明中拨杆光电换向及限位装置示意图。

图5为本发明模型坐标系图。

图6为本发明三轴激光陀螺安装角的计算模型图。

具体实施方式

以三轴激光陀螺组为例。具体地说(以三轴激光陀螺为例)，本发明是按照如下步骤实现：

1.(参见图3)在绕垂直轴(1)旋转的双向恒速偏频转台(2)上，安装三轴激光陀螺组(3)，将三轴激光陀螺组(3)的三个敏感轴(互为正交)均偏离偏频转台旋转轴(1)β(54.7356°)角。

2.双向恒速偏频转台(2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上(参见图4)用一个凸台(4)与基座上安装的拨杆(5)及光电开关(6)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(7)同时作为该转台的限位销，转台的转角被限定为360°+2γ，而限位销限定的角度要大于360°+2γ，同步电机换向控制装置正常工作时，限位销不应被接触碰撞；γ角的大小要保证同步电机换向后能增速接近或达到同步转速。

偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置过0°(与360°，以下同)位置点时应在偏频转台转到两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置(如图4所示)。

3.双向恒速偏频转台旋转角速度(α&)在三轴激光陀螺组各敏感轴上的分量(α&cosβ)用于将激光陀螺的工作区域移出闭锁区；旋转角速度(α&)又同时对三轴激光陀螺组输出的水平分量剩余误差进行旋转调制。

4.计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度α，用该角度对激光陀螺的输出进行坐标变换。角度α还用于计算角增量Δα(Δα_i＝α_i-α_i-1)，用它可以精确消除三轴激光陀螺组输出中的偏频量(Δαcosβ)；当Δα发生突变(即0°与360°正反向跳变)时，即认为该转台通过测角装置的0°度点，此刻发出过零点信号，触发“启动”或“停止”三轴激光陀螺组的机械抖动系统，为了缩短机械抖动系统的工作时间，机械抖动系统被触发后应延迟一定时间(Δt)再启动。Δt+机械抖动系统启动过渡过程时间应小于偏频转台转过γ角的时间。

5.计算机在每个采样周期都对三轴激光陀螺组输出的角增量进行预处理。预处理的内容有：(1)去除偏频角增量和适时角位移；(2)计算三轴激光陀螺测量的角增量在载体坐标系各轴上的分量之和，用于捷联惯性系统的后续计算。

数据预处理计算方程

本发明三轴双向恒速与机械抖动组合偏频激光陀螺组的数据预处理计算方程如下：

1、坐标系(见图5)：

XYZ-载体坐标系；

X_TY_TZ-偏频转台坐标系(载体坐标系绕垂直轴转α角)；

X_JY_JZ_J-三轴激光陀螺坐标系。

2、三轴激光陀螺安装角的计算(模型见图6)：

设：正立方体边长X_JO＝Y_JO＝Z_JO＝1

$Y_{J}Z=\sqrt{2}$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_X={\mathrm{\β}}_Y={\mathrm{\β}}_Z={\∠X}_J\mathrm{OZ}={\∠Y}_J\mathrm{OZ}={\∠Z}_J\mathrm{OZ}=\mathrm{arctg}\frac{Y_{J}Z}{Y_{J}O}$

3、三轴激光陀螺输出预处理方程(增量计算式)：

1.1一个采样周期三轴激光陀螺输出角增量经计算机消除偏频角增量和抖动角位移后的净值；

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Y_J}\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Z_J}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}^{\′}-\mathrm{\Δ\α}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\Δ}}_X\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Y_J}^{\′}-\mathrm{\Δ\α}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\Δ}}_Y\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Z_J}^{\′}-\mathrm{\Δ\α}\cos \mathrm{\β}-{\mathrm{\Δ}}_Z\end{array}\right]$

偏频项要根据偏频转台实际转向决定正负符号。

1.2一个采样周期X_J轴角增量投影到偏频转台坐标系上：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔA\Ω}}_{X_T}\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Y_T}\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{Z_T}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\sin \mathrm{\β}\\ 0\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$

1.3一个采样周期X_J轴角增量在载体坐标系的分量：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_X\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_Y\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_Z\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\sin \mathrm{\β}\\ 0\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\α}\\ {-\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\α}\\ {\mathrm{\Δ\Ω}}_{X_J}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right]$

1.4一个采样周期Y_J轴角增量投影到偏频转台坐标系上：

1.5一个采样周期Y_J轴角增量在载体坐标系的分量：

1.6一个采样周期Z_j轴角增量投影到偏频转台坐标系上：

1.7一个采样周期Z_J轴角增量在载体坐标系的分量：

1.8一个采样周期X_J、Y_J和Z_J三轴角增量在载体坐标系投影总和：

注解：

1.α-偏频转台的转角；

2.α&-偏频转台旋转角速度；

3.Δα-一个采样周期偏频转台旋转角度(角增量)；

4.β-三个陀螺敏感轴与偏频转台旋转轴的夹角；

5.

和

-一个采样周期三个陀螺轴输出的角增量(含偏频角增量和抖动角位移)；

6.和

-一个采样周期三个陀螺轴输出的角增量经计算机消除偏频角增量和抖动角位移后的净值；

7.ΔΩ_X、ΔΩ_Y和ΔΩ_Z-一个采样周期载体坐标系三轴输出总的角增量；

8.Δ_X、Δ_Y和Δ_Z-一个采样周期三个陀螺轴抖动角位移。

Claims (9)

1.激光陀螺组合偏频方法，其特征是采用双向恒速与机械抖动组合；即在一个绕垂直轴(1)旋转的双向恒速偏频转台(2)上安装一个一至三轴激光陀螺组(3)，且该激光陀螺组(3)各敏感轴均偏离该偏频转台旋转轴β角并由该转台带动旋转，旋转角速度(α&)在各激光陀螺敏感轴上的分量(α&cosβ)即是激光陀螺的偏频角速度；同时旋转角速度(α&)又对激光陀螺轴的误差进行旋转调制。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是双向恒速偏频转台(2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台(4)与基座上安装的拨杆(5)及其光电开关(6)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(7)同时作为该转台的限位销，转台的转角被限定为360°+2γ；γ角的大小要保证同步电机换向后能增速接近或达到同步转速。

3.根据权利要求1所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置过0°位置点时应在偏频转台转到两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置。

4.根据权利要求1所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是利用计算机每个采样周期都采集双向恒速偏频转台测角装置输出的角度α，用该角度对激光陀螺的输出进行坐标变换；角度α同时用来计算偏频转台旋转角增量Δα(Δα_i＝α_i-α_i-1)，用它计算并消除激光陀螺输出中的偏频量(Δαcosβ)；当Δα发生突变即0°与360°正反向跳变时，即认为该转台通过测角装置的0°点，此刻发出过零点信号，触发“启动”或“停止”激光陀螺的机械抖动系统，机械抖动系统便在偏频转台的换向变速段2γ区间工作；激光陀螺在换向变速段以内是双向恒速与机械抖动的组合偏频工作状态；在换向变速段以外的整360°范围则是单纯的双向恒速偏频状态。

5.根据权利要求1所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是计算机全程均按双向恒速偏频状态计算，在计算消除激光陀螺输出中偏频角增量同时还用激光陀螺的精确测角传感器测量激光陀螺的抖动位移角，并在计算机输出激光陀螺角增量前减掉此刻的抖动位移角；偏频量的计算误差等残余偏频量可正反转抵消。

6.根据权利要求1所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是计算机要按给出的激光陀螺输出预处理方程计算出一个采样周期三轴激光陀螺输出的角增量在载体坐标系三轴投影之和作为三轴陀螺组最后的净输出。

7.根据权利要求4所述的激光陀螺组合偏频方法，其特征是在发出过零点信号后延迟一段(Δt)时间再触发“启动”激光陀螺的机械抖动系统，延迟的(Δt)时间加机械抖动振幅上升时间之和应小于偏频转台换向变速段一半(γ)的时间以尽量缩短机械抖动偏频状态的工作时间。

8.激光陀螺偏频惯性测量组合装置，其特征是具有一个绕垂直轴(1)旋转的双向恒速偏频转台(2)，在该转台上安装一个一至三轴的激光陀螺组(3)，且该激光陀螺组(3)的各敏感轴均偏离该偏频转台旋转轴β角并由该转台带动旋转，双向恒速偏频转台(2)由带齿轮减速器的同步电机驱动转动，该转台上用一个凸台(4)与基座上安装的拨杆(5)及其光电开关(6)控制同步电机的转向，限制拨杆运动的限位销(7)同时作为该转台的限位销。

9.根据权利要求8所述的激光陀螺偏频惯性测量组合装置，其特征是双向恒速偏频转台(2)与精密测角装置连接，精密测角装置过0°位置点时应在偏频转台转到两个极限位置中间，即在2γ角的中间位置。

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