CN105203133B - 一种带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，该方法将旋转机构上增量式光电码盘等角度测量装置寻找零位的过程与惯性导航系统初始对准中的粗对准过程相结合，可给出光电码盘迅速找到零位的正确旋转方向，避免光电码盘开始寻找其零位时旋转方向的盲目性，缩短找到光电码盘零位所需转过的角度，从而缩短寻零的时间。本发明在不增加任何成本的情况下，利用系统自身已有的信息作辅助，提高了光电码盘等角度测量装置寻零的快速性，缩短了这类惯导系统的启动准备时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速寻找到旋转机构测角装置零位的方法，尤其适用于对准备时间有较高要求的带旋转机构的惯性导航系统，属于伺服控制领域。
技术背景
惯性导航系统是一种广泛应用于飞机、导弹等运载器的关键设备。以飞机为例，当临时接到飞行任务，飞机必须尽快起飞，相应要求机上的设备在通电以后必须马上能够正常工作，这就对惯导系统的准备时间提出了较高要求。带旋转机构的惯导系统相较于普通惯导系统能成倍提高导航精度，但是这类惯导系统在正常工作之前，旋转机构往往需要先对旋转轴上的光电码盘等测角装置进行寻零。对于增量式光电码盘，它只能测量旋转角增量，不能给出绝对角度。为此，在码盘上设有零位刻线，每次转动通过零位刻线时输出一个零位脉冲，利用此脉冲定义零度角位置，以保证系统每次启动都是相对同一个零度位置旋转。然而，系统刚启动时并不知道零位在哪里，需要首先控制电机旋转以检测寻找零位脉冲，该过程称为寻零。寻零时间的长短直接决定了系统准备时间的长短，因此实现码盘的快速寻零极为重要。
为寻到增量式光电码盘的零位，通常采取的方法是使框架一直连续旋转，直至检测到码盘零位脉冲。对于能不受限制地单方向连续旋转的机构来说，在电机旋转360°的过程中一定能检测到零位脉冲；但是对于有限转角旋转机构来说，由于它不能够连续旋转，框架可能需要正反旋转总共720°后才能寻到码盘零位，寻零时间长，严重影响了系统准备时间。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对旋转机构增量式光电码盘寻零时间较长的局限，提供一种带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，缩短寻零时间，提高系统启动快速性。
本发明的技术解决方案是：一种带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，实现步骤如下：
(1)惯性导航系统上电以后，利用光电码盘将惯性测量单元(IMU)直接电锁定于当前位置，静止一段时间，完成IMU的粗对准，得到IMU的初始姿态，所述姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角；
(2)根据IMU的初始姿态角计算旋转机构外框、中框和内框到零位的角度，然后根据计算的角度，选择寻零旋转策略；
(3)根据步骤(2)确定的旋转策略进行旋转，直至检测到光电码盘零位脉冲后将光电码盘转角值置零。
所述步骤(2)由IMU初始姿态角计算各框架到零位角度的计算公式如下：
上式(1)中，θp、γp、ψp分别为IMU的初始俯仰角、横滚角和航向角，ψm为系统记忆载体航向角，θT、γT、ψT分别为旋转机构的中框、外框和内框到零位的角度，φzc为光电码盘零位与机体坐标系之间的夹角。
步骤(2)中，所述寻零旋转策略包括两大类，一类是直接往某方向一直旋转，另一类是先往某方向转个小角度，然后再反方向一直旋转。
所述步骤(1)中静止时间为1-2min。
所述小角度为0°～10°。
本发明的原理是：当飞机等运载器在停机坪或机库停稳以后，运载器上的设备才断电停止工作，因此可将断电之前的载体航向角存入系统的存储单元中，作为下一次上电的记忆航向角，而水平的俯仰和横滚姿态也基本在零附近；当飞机停在停机坪或机库以后，飞机一般也不会再有姿态/航向变化。因此，惯导系统下次上电工作时，上次的载体姿态/航向角便可作为本次的已知条件。另外，通过惯导系统的粗对准，可以知道IMU的姿态/航向角，于是可以计算出IMU与载体之间的相对位置关系，即得到旋转机构各框架与零位之间的近似角度，从而通过该角度值判断框架码盘寻零的最短路径。由于系统记忆载体航向角和零水平姿态都只能作为本次上电的近似值，所以当计算出的框架与零位之间的角度较小时，需要先反转一个角度再正转，以保证能寻到零。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明用惯导系统粗对准和记忆航向角等信息辅助计算旋转机构各框架与光电码盘零位之间的角度，从而判断出寻到光电码盘零位的最短旋转路径，避免每次上电后都按固定旋转方向去寻零。对于每次上电都按固定旋转方向寻零的方法，如果该寻零方向与光电码盘零位所在方向相反，那么最大寻零路径可达720°；采用本发明方法后，寻零方向便能判断正确，最大寻零路径可控制在360°之内，从而缩短寻零时间。
(2)本发明当计算出的旋转机构各框架与零位间角度较小时，采取先反转的策略，人为将该角度先放大，可以避免系统记忆载体航向角变化以及旋转机构不平衡给水平两个框带来的错误判断。
附图说明
图1为本发明所指的寻零方法流程示意图；
图2为本发明实施例中地理坐标系、IMU坐标系、载体坐标系三者之间的位置关系示意图；
图3为本发明实施例中水平大角度时寻零示意图；其中(a)为中框电机轴与零位之间的夹角θT>10°时寻零示意图、其中(b)为中框电机轴与零位之间的夹角θT<-10°时寻零示意图；
图4为本发明实施例中水平小角度时寻零示意图；其中(a)为中框电机轴与零位之间的夹角0°≤θT≤10°时寻零示意图、其中(b)为中框电机轴与零位之间的夹角-10°≤θT<0°时寻零示意图。
具体实施方式
下面以一种带三轴旋转机构的惯性导航系统为例来阐述本发明的具体实施过程。
该惯导系统的三轴旋转机构内框为方位轴，中框为俯仰轴，外框为横滚轴，三个框各配一个增量式光电码盘。另外，内框安装有导电滑环，转动无限制，中框和外框安装限位装置，转动范围为±180°。三个框的码盘零位刻线均位于系统零位附近，即当三个码盘均处于零位时，该旋转机构的三个框之间基本正交，内框基本铅垂，中框和外框基本水平。系统的IMU安装于该旋转机构上。
根据图1所示的流程，实现快速寻零的具体过程如下：
1、根据粗对准得到IMU的初始俯仰角、横滚角和航向角
用码盘将IMU电锁定在初始位置60s，进行粗对准。粗对准期间对陀螺输出的角度增量和加速度计输出的速度增量分别进行60s累加，在粗对准结束时，得到角速度和加速度平均值。该步骤的计算公式如下：
其中是陀螺角度增量的累加值，是加速度计速度增量的累加值，T＝60s。
记IMU的姿态矩阵为：
然后按以下三式计算中的各个元素：
其中g为重力加速度，ωie为地球自转角速度，是纬度。计算出姿态矩阵的各分量以后，即按下式可得到IMU俯仰角θp和横滚角γp。
按下式计算IMU航向角的主值ψp主。
ψp主＝tan-1(-T12/T22) (9)
再根据主值按下式计算IMU的航向角ψp。
2、三个旋转框架到零位的转角计算
粗对准结束后，地理坐标系(O-ENU)、IMU坐标系(O-XpYpZp、载体坐标系(O-XbYbZb)之间的位置关系如图2所示，OZp是内框电机轴的指向，OXp是x陀螺敏感轴在与OZp垂直平面上的投影方向，OYp与OXp、OZp满足右手定则，OXb、OYb、OZb分别指向载体的右方、前方和上方三个方向，也满足右手定则，Xc表示内框码盘零位所在位置。在码盘安装入系统后，码盘零位与载体坐标系之间的夹角即成为定值，不管IMU如何旋转，该角度值始终不变，记为φzc，该角度的大小可预先通过标定得到。根据粗对准可得到IMU相对于地理坐标系的夹角ψp，根据系统上次断电时存储的记忆航向角可得到载体相对于地理坐标系的夹角ψm。于是根据IMU与内框码盘零位之间夹角ψT的正负即可确定实现最短路径寻零的旋转方向，ψT根据下式计算得到。
ψT＝-(ψm+φzc-ψp) (11)
根据图2，然后再按下式计算中框和外框两个电机轴与零位之间的大致夹角θT、γT。
3、中框和外框寻零
在该实施实例里，中框和外框的结构形式一样，下面以中框俯仰轴为例说明快速寻零的方法，外框轴与之类似。上文已述，中框和外框两轴基本处于水平位置附近，所以θT和γT也相应较小(一般不超过10°)。但是为确保能够寻到码盘零位，这里还是按两种情况分别设计寻零方法，以10°作为两种方法的切换阈值。
(1)|θT|>10°
若θT为正，则控制中框轴电机匀速反向旋转以寻零；若θT为负，则控制中框轴电机匀速正向旋转以寻零。过程中一旦检测到码盘零位，转角值清零，完成寻零，如图3中的(a)所示；若过程中未发现码盘零位，则继续旋转直至检测到码盘零位，如图3中的(b)所示。
(2)|θT|≤10°
当θT为正，先控制中框轴电机匀速正向旋转至10°位置，然后反向旋转；当θT为负，则先控制中框轴电机匀速反向旋转至-10°位置，然后正向旋转。过程中如检测到码盘零位，则转角清零以完成寻零，如图4中的(a)所示；若没有检测到码盘零位，则继续旋转直至检测到码盘零位，如图4中的(b)所示。
4、内框寻零
当ψT>0时，内框电机正向旋转；当ψT<0时，内框电机反向旋转，即可以最短的路径寻到码盘零位。
通过上述方法，水平两个轴一般只需要旋转十几度即可完成寻零，内框轴一般也只需要旋转几十度即可完成寻零。即使在相邻两次上电载体姿态/航向发生了变化的情况下，最大寻零角度也不超过360°，相比于普通方法最大可能旋转720°，寻零时间明显缩短。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
最后所应说明的是：以上实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，所有的不脱离本发明的精神和范围的修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，其特征在于实现步骤如下：
(1)惯性导航系统上电以后，利用光电码盘将惯性测量单元(IMU)直接电锁定于当前位置，静止一段时间，完成IMU的粗对准，得到IMU的初始姿态，所述姿态角包括俯仰角、横滚角和航向角；
(2)根据IMU的初始姿态角计算旋转机构外框、中框和内框到零位的角度，然后根据计算的角度，选择寻零旋转策略；
(3)根据步骤(2)确定的旋转策略进行旋转，直至检测到光电码盘零位脉冲后将光电码盘转角值置零。
2.根据权利要求1所述的带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，其特征在于：所述步骤(2)由IMU初始姿态角计算各框架到零位角度的计算公式如下：
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上式(1)中，θp、γp、ψp分别为IMU的初始俯仰角、横滚角和航向角，ψm为系统记忆载体航向角，θT、γT、ψT分别为旋转机构的中框、外框和内框到零位的角度，φzc为光电码盘零位与机体坐标系之间的夹角。
3.根据权利要求1所述的带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，其特征在于：步骤(2)中，所述寻零旋转策略为：根据中框、外框、内框与零位之间的角度不同，旋转方向不同，并且在外框和中框的寻零中以小角度作为切换阈值，先往某方向转个小角度，然后再反方向一直旋转；内框没有切换阈值，直接往某方向一直旋转。
4.根据权利要求1所述的带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，其特征在于：所述步骤(1)中静止时间为1-2min。
5.根据权利要求3所述的带旋转机构的惯性导航系统用测角装置快速寻零方法，其特征在于：所述小角度为0°～10°。
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