CN102466483A - 摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统及方法，用于摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，该补偿方法包括如下步骤：a.陀螺摆体解锁，对陀螺摆体施加数字偏置阻尼力矩，使摆体在数字偏置阻尼力矩控制下做指数衰减阻尼振荡运动，摆体的摆动幅值快速衰减，建立偏置补偿的起始状态；b.通过摆体运动的检测实现陀螺摆体误差扭力矩的测量，自适应调节力矩器偏置补偿力矩的大小和方向；c.陀螺摆体锁定。该系统包括数字偏置阻尼控制器、数字偏置补偿控制器和陀螺摆体锁定装置。本发明实现了摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，提高了可靠性，并通过自适应技术，实现了全温范围的自动快速偏置补偿。

Description

摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及一种摆式陀螺寻北仪数字偏置补偿方法，特别是一种通过数字阻尼快速稳定陀螺摆体并运用数字偏置实现摆式陀螺寻北仪与扭矩相关误差的自动数字偏置补偿系统及方法。

背景技术

陀螺寻北仪是一种在静基座条件下，利用地球重力特性和陀螺定轴性敏感地球自转速率，测得载体相对北向方位的仪器。

陀螺寻北仪作为一种经典的惯性寻北装置，已广泛应用于工程装置的初始定向，如：机动车辆、火炮、雷达、地下设施、矿井开采、隧道建设和石油探井测量等需要独立快速获取方位信息的领域。随着应用领域的技术进步，对陀螺寻北仪的测量精度和反应时间的要求也进一步提高。摆式陀螺寻北仪在反应时间和测量精度上仍处于一定优势，是工程应用的主要装置。摆式陀螺寻北仪的方位误差主要有三种形式：与扭矩有关误差、与扭矩无关误差、及测量过程误差，其中与扭矩有关误差可以通过偏置调零实现一定程度的补偿。传统的偏置补偿方法多采用模拟方法，该方法由于需要大电容，电路较复杂，成本较高，且由于分立元件漂移较差，补偿快速性受环境影响较大，无法实现自适应等缺点。

例如，申请号为“200810146912.4”，名称为“一种摆式陀螺寻北仪寻北测量方法”的中国发明专利申请，其所公开的技术方案需进一步改进和完善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种通过数字阻尼快速稳定陀螺摆体并运用数字偏置实现摆式陀螺寻北仪与扭矩相关误差的自动数字偏置补偿系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，用于摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，其中，包括如下步骤：

a.陀螺摆体解锁，对陀螺摆体施加数字偏置阻尼力矩，使摆体在数字偏置阻尼力矩控制下做指数衰减阻尼振荡运动，摆体的摆动幅值快速衰减，建立偏置补偿的起始状态；

b.通过摆体运动的检测实现陀螺摆体误差扭力矩的测量，自适应调节力矩器偏置补偿力矩的大小和方向；

c.陀螺摆体锁定。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，还包括多次重复步骤b，使补偿后的摆体误差扭力矩趋近于零。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，在所述步骤a中，还包括设置偏置稳定阻尼控制器对系统进行校正的步骤。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，所述偏置稳定阻尼控制器的确定包括：

偏置状态时系统开环传递函数为

$G_K\left(S\right)=\frac{K_P\·K_A\·K_T/R_T}{J_Z{S}^2+K_{\mathrm{SB}}}$

式中：KP-测角装置的增益项，V/rad；KA-放大倍数，1；

JZ-陀螺摆绕方位轴的转动惯量，kg·m2；

KT-力矩器线圈增益项，N·m/A；RT-力矩器线圈内阻，Ω；

KSB-悬挂系统的扭矩系数，N·m/rad

根据上式选取如下形式数字偏置阻尼控制器

$G_D\left(Z\right)=\frac{K_m(1+{\mathrm{\τ}}_1{Z}^{-1})}{1+{\mathrm{\τ}}_2{Z}^{-1}}$

系数K_m、τ₁、τ₂可根据系统校正目标计算确定。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，所述系统校正目标包括校正后系统的相角超前量、开环放大倍数和剪切频率。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，在所述步骤b中，还包括确定数字偏置补偿控制器的步骤。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其中，所述数字偏置补偿控制器的确定包括：

陀螺摆体相对光电零点的摆动为下式

h(t)＝T_EZBK_C[1+e^-ζt sin(ωt)]

其中：ζ为校正后陀螺摆体摆动衰减系数；ω为校正后陀螺摆体摆动角速率；K_C为校正后系统增益；T_EZB为陀螺摆体的误差扭力矩：

$T_{\mathrm{EZB}}=\frac{1}{2K_C}[(1-K_0)h\left(t\right)+(1+K_0)h(t+T/2)],$ 其中，

K₀＝(1-e^-ζT/2)/(1+e^-ζT/2)，T＝2π/ω，

偏置补偿控制器为G_B(Z)＝T_EZB/(K_T/R_T)。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，用于摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，其中，包括数字偏置阻尼控制器、数字偏置补偿控制器和陀螺摆体锁定装置。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，其中，所述数字偏置阻尼控制器为如下形式数字偏置阻尼控制器

系数K_m、τ₁、τ₂根据系统校正目标计算确定。

上述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，其中，所述数字偏置补偿控制器为 $G_B\left(Z\right)=\frac{T_{\mathrm{EZB}}}{K_T/R_T}.$

本发明的技术效果在于：本发明实现了摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，该方法取消了模拟偏置补偿方案中的大电容等分立元器件，一定程度上提高了可靠性，并通过自适应技术，实现了全温范围的自动快速偏置补偿。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的系统结构框图；

图2为本发明的偏置状态阻尼运算放大器KPOD的电路原理框图；

图3为自适应偏置补偿过程示意图。

其中，附图标记

1放大器

2A/D转换器

3校正器

4A/D转换器

5功率放大器

6基准电压器

7偏置补偿控制器

8A/D转换器

9加法器

L1第一阶段(初始状态建立)

L2第二阶段(第一次调节)

L3第三阶段(第二次调节)

100数字偏置阻尼控制器

200数字偏置补偿控制器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

本发明通过数字偏置方法，实现摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，该方法取消了现有技术的模拟偏置补偿方案中的大电容等分立元器件，提高了可靠性，并通过自适应技术，实现了全温范围的自动快速偏置补偿。

1、所述数字偏置阻尼控制器100的确定

偏置状态时系统开环传递函数为

$G_K\left(S\right)=\frac{K_P\·K_A\·K_T/R_T}{J_Z{S}^2+K_{\mathrm{SB}}}$

式中：KP-测角装置的增益项，V/弧度；KA-放大倍数，1；

JZ-陀螺摆绕方位轴的转动惯量，kg·m2；

KT-力矩器线圈增益项，N·m/A；RT-力矩器线圈内阻，Ω；

KSB-悬挂系统的扭矩系数，N·m/rad

以上参数的取值为较成熟的现有技术，在此不作赘述。由上式可以确定系统开环状态下为一振荡系统，为使系统稳定，须设计偏置稳定阻尼控制器对系统进行校正，选取如下形式数字偏置阻尼控制器

$G_D\left(Z\right)=\frac{K_m(1+{\mathrm{\τ}}_1{Z}^{-1})}{1+{\mathrm{\τ}}_2{Z}^{-1}}$

系数K_m、τ₁、τ₂可根据系统校正目标(如校正后系统的相角超前量、开环放大倍数、剪切频率等)计算确定。

当J_Z＝3.513×10^-3kg·m²，K_SB＝5.13×10^-5N.m/rad，K_P＝36.1V/rad，K_A＝10，K_T＝1.23×10^-2N.m/A，R_T＝48Ω，则

$G_K\left(S\right)=\frac{K_P\·K_A\·K_T/R_T}{J_Z{S}^2+K_{\mathrm{SB}}}=\frac{26.3}{S^2+0.0145}$

当要求校正后系统的相角超前量为50度，开环放大倍数为20，剪切频率为100rad/s，根据以上设计要求，进行计算，则校正器传递函数为：

$G_D\left(Z\right)=\frac{264(0.027Z^{-1}+1)}{(0.0036Z^{-1}+1)}---\left(1\right)$

即K_m＝264，τ₁＝0.027，τ₂＝0.0036。

上述校正器校正后，陀螺摆体相对光电零点作零点偏移的阻尼振荡运动。

2、所述数字偏置补偿控制器200的确定

经上述数字偏置阻尼校正后，陀螺摆体相对光电零点作零点偏移的阻尼振荡运动，则陀螺摆体相对光电零点的摆动可描述为下式：

h(t)＝T_EZBK_C[1+e^-ζt sin(ωt)]

其中：ζ为校正后陀螺摆体摆动衰减系数，校正器确定后即为一已知量；

ω为校正后陀螺摆体摆动角速率，校正器确定后即为一已知量；

K_C为校正后系统增益，校正器确定后即为一已知量；

T_EZB为陀螺摆体的误差扭力矩。

则陀螺摆体的误差扭力矩可由下式计算得到：

$T_{\mathrm{EZB}}=\frac{1}{2K_C}[(1-K_0)h\left(t\right)+(1+K_0)h(t+\frac{T}{2})]$

其中：

校正器确定后即为一已知量；

校正器确定后即为一已知量，则偏置补偿控制器可确定为：

$G_B\left(Z\right)=\frac{T_{\mathrm{EZB}}}{K_T/R_T}.$

本发明的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统组成框图如图1所示。自动数字偏置补偿系统包括数字偏置阻尼控制器100、数字偏置补偿控制器200。

3、自动数字偏置补偿系统电路实现

按图2设计自动数字偏置补偿系统的电路，图2为自动数字偏置补偿系统的电路原理框图。

图2中1为信号放大器，实现信号的前置放大，2为16位A/D转换器，3为校正器G_D(Z)，7为偏置补偿控制器G_B(Z)，4和8均为16位D/A转换器，实现校正器和偏置补偿控制器输出数字信号的模拟化转换，9为加法器，5为功率发大器，6为2.5V基准电压源。

4、软件控制流程

步骤一：陀螺摆体解锁，对陀螺摆体施加数字偏置阻尼力矩，使摆体在数字偏置阻尼力矩控制下做指数衰减阻尼振荡运动，摆体的摆动幅值快速衰减，一定时间(如30秒)或摆动幅值收敛到一定范围时(如±1V)后即认为偏置补偿的起始状态；

步骤二：通过摆体运动的检测实现陀螺摆体误差扭力矩的测量，自适应调节力矩器偏置补偿力矩的大小和方向，延时一定时间，如4秒；

步骤三：重复步骤二多次，如2次，2次自适应调节力矩器偏置补偿力矩过程如图3所示；

图3中阶段L1对应步骤一偏置补偿初始起始状态的建立，阶段L2为第1次偏置补偿调节过程，阶段L3为第2次偏置补偿调节过程。

步骤四：陀螺摆体锁定。

现有技术中采用半自动、模拟偏置调节方式，具有自动化程度差、调节时间不稳定(依赖操作手熟练程度、受温度环境影响)、可靠性相对较差(元器件可靠性、操作可靠性)等局限性。本发明提供了一种通过数字偏置补偿方法，该方法取消了模拟偏置补偿方案中的大电容等分立元器件，实现了摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的自动、全温范围快速、高可靠的补偿，有效缩短了全温范围摆式陀螺寻北仪的总测量时间，并为实现摆式陀螺寻北仪全自动化奠定了坚实基础。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，用于摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，其特征在于，包括如下步骤：

a.陀螺摆体解锁，对陀螺摆体施加数字偏置阻尼力矩，使摆体在数字偏置阻尼力矩控制下做指数衰减阻尼振荡运动，摆体的摆动幅值快速衰减，建立偏置补偿的起始状态；

b.通过摆体运动的检测实现陀螺摆体误差扭力矩的测量，自适应调节力矩器偏置补偿力矩的大小和方向；

c.陀螺摆体锁定。

2.如权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，还包括多次重复步骤b，使补偿后的摆体误差扭力矩趋近于零。

3.如权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，在所述步骤a中，还包括设置偏置稳定阻尼控制器对系统进行校正的步骤。

4.如权利要求3所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，所述偏置稳定阻尼控制器的确定包括：

偏置状态时系统开环传递函数为

$G_K\left(S\right)=\frac{K_P\·K_A\·K_T/R_T}{J_Z{S}^2+K_{\mathrm{SB}}}$

式中：KP-测角装置的增益项，V/rad；KA-放大倍数，1；

JZ-陀螺摆绕方位轴的转动惯量，kg·m2；

KT-力矩器线圈增益项，N·m/A；RT-力矩器线圈内阻，Ω；

KSB-悬挂系统的扭矩系数，N·m/rad

根据上式选取如下形式数字偏置阻尼控制器

$G_D\left(Z\right)=\frac{K_m(1+{\mathrm{\τ}}_1{Z}^{-1})}{1+{\mathrm{\τ}}_2{Z}^{-1}}$

系数K_m、τ₁、τ₂可根据系统校正目标计算确定。

5.如权利要求4所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，所述系统校正目标包括校正后系统的相角超前量、开环放大倍数和剪切频率。

6.如权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，在所述步骤b中，还包括确定数字偏置补偿控制器的步骤。

7.如权利要求6所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿方法，其特征在于，所述数字偏置补偿控制器的确定包括：

陀螺摆体相对光电零点的摆动为下式

h(t)＝T_EZBK_C[1+e^-ζt sin(ωt)]

其中：ζ为校正后陀螺摆体摆动衰减系数；ω为校正后陀螺摆体摆动角速率；K_C为校正后系统增益；T_EZB为陀螺摆体的误差扭力矩：

$T_{\mathrm{EZB}}=\frac{1}{2K_C}[(1-K_0)h\left(t\right)+(1+K_0)h(t+\frac{T}{2})],$ 其中，

$K_0=\frac{1-e^{-\mathrm{\ζT}/2}}{1+e^{-\mathrm{\ζT}/2}},$ $T=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\ω}},$

偏置补偿控制器为 $G_B\left(Z\right)=\frac{T_{\mathrm{EZB}}}{K_T/R_T}.$

8.一种摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，用于摆式陀螺寻北仪与扭矩有关误差的补偿，其特征在于，包括数字偏置阻尼控制器、数字偏置补偿控制器和陀螺摆体锁定装置。

9.如权利要求8所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，其特征在于，所述数字偏置阻尼控制器为如下形式数字偏置阻尼控制器 $G_D\left(Z\right)=\frac{K_m(1+{\mathrm{\τ}}_1{Z}^{-1})}{1+{\mathrm{\τ}}_2{Z}^{-1}},$ 系数K_m、τ₁、τ₂根据系统校正目标计算确定。

10.如权利要求8所述的摆式陀螺寻北仪的自动数字偏置补偿系统，其特征在于，所述数字偏置补偿控制器为 $G_B\left(Z\right)=\frac{T_{\mathrm{EZB}}}{K_T/R_T}.$

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