CN105606124A - 一种双馈回路陀螺调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双馈回路陀螺调制方法，采用内回路速度环和外回路位置环构成的二环伺服系统对三轴框架进行旋转和定位，针对单轴旋转和双轴旋转对陀螺的调制的优缺点，采用单、双轴交替旋转方案进行调制。将被测试系统相对导航坐标系旋转，使惯性器件常值偏差沿着导航系呈周期性变化，在一个转动周期内使常值漂移引起的误差相互抵消，此时的漂移不再引起误差的发散。它方法简单，体积小，控制精度高。

Description

一种双馈回路陀螺调制方法

技术领域

本发明涉及一种陀螺调制方法，将陀螺安装在双轴转位机构上，通过转位机构带动陀螺绕水平轴和方位轴进行转动，利用双轴转位机构周期性的旋转可以对陀螺的常值漂移和标度因数非线性等误差进行有效调制，从而使陀螺能够在使用中得到更好的使用精度。

背景技术

目前很多高精度的惯性技术系统中，都是通过采用高精度的陀螺来保证精度。但生产高精度的陀螺难度较大，同时使用成本也高。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供一种双馈回路陀螺调制方法。它方法简单，体积小，控制精度高。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：采用内回路速度环和外回路位置环构成的二环伺服系统对三轴框架进行旋转和定位，针对单轴旋转和双轴旋转对陀螺的调制的优缺点，采用单、双轴交替旋转方案进行调制。将被测试系统相对导航坐标系旋转，使惯性器件常值偏差沿着导航系呈周期性变化，在一个转动周期内使常值漂移引起的误差相互抵消，此时的漂移不再引起误差的发散。

本发明方法简单，体积小，控制精度高。

具体实施方式

组成及基本原理：整体系统主要由电机驱动的三轴框架结构、陀螺和电路板组成。

采用内回路速度环和外回路位置环构成的二环伺服系统对三轴框架进行旋转和定位，针对单轴旋转和双轴旋转对陀螺的调制的优缺点，采用单、双轴交替旋转方案进行调制。将被测试系统相对导航坐标系旋转，使惯性器件常值偏差沿着导航系呈周期性变化，在一个转动周期内使常值漂移引起的误差相互抵消，此时的漂移不再引起误差的发散。

所述的单轴旋转次序：0°→90°→180°→-90°四次序旋转。

所述的双轴旋转次序：0°→90°→180°→-90°交替八次序旋转。

陀螺漂移偏置的调制：由于八次序的停止位置对称且停止时间相等，在停止阶段漂移被调制平均，对角速度无累积误差。根据b系到p系的方向余弦矩阵C_p ^b可计算出1-8旋转次序陀螺漂移引起的n系下等效角速度误差(δω_ib ^b)_i(i＝1……8)为：

$\begin{array}{cc}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_1=C_{p1}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\cos \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\sin \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]& {\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_2=C_{p2}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ϵ}}_x\\ -{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_z\sin \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_z\cos \mathrm{\ω}t\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_3=C_{p3}^b{\mathrm{\ϵ}}^r=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ϵ}}_x\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_x\sin \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]& {\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_4=C_{p4}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ -{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_z\sin \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_z\cos \mathrm{\ω}t\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_5=C_{p5}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_z\sin \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_z\cos \mathrm{\ω}t\end{array}\right]& {\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_6=C_{p6}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_x\cos \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_x\sin \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]\end{array}$

$\begin{array}{cc}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_7=C_{p7}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ϵ}}_x\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_z\sin \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_z\cos \mathrm{\ω}t\end{array}\right]& {\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_8=C_{p8}^b{\mathrm{\ϵ}}^p=\left[\begin{array}{c}-{\mathrm{\ϵ}}_x\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ϵ}}_y\sin \mathrm{\ω}t\\ -{\mathrm{\ϵ}}_x\sin \mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ϵ}}_y\cos \mathrm{\ω}t\\ {\mathrm{\ϵ}}_z\end{array}\right]\end{array}$

ω_ib ^b为陀螺敏感的角速率信息在b系上的投影，ε^p为陀螺常漂。

计算出1-8旋转次序陀螺漂移偏置调制后引起的累积角度误差为：

${\∫}_0^{8T_r}{\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^{b}dt=\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}{\∫}_0^{T_r}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_{i}dt={\∫}_0^{T_r}\left(\underset{i=1}{\overset{8}{\Σ}}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_i\right)dt=0---\left(17\right)$

上式说明在一个完整旋转周期内东北天三个方向上的等效陀螺漂移累积误差为零，完全补偿了三个轴的陀螺漂移。

非对称性标度因数误差的调制：非对称性标度因数误差引起的角速度误差：

${\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b=C_p^b\left\{S_g{\mathrm{\ω}}_{ip}^p\right\}=C_p^b\left[\begin{array}{ccc}{s}_{gx}^{-}sign\left({\mathrm{\ω}}_{ipx}^p\right)& & \\ & s_{gy}^{-}sign\left({\mathrm{\ω}}_{ipy}^p\right)& \\ & & s_{gz}^{-}sign\left({\mathrm{\ω}}_{ipz}^p\right)\end{array}\right]\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{ipx}^p\\ {\mathrm{\ω}}_{ipy}^p\\ {\mathrm{\ω}}_{ipz}^p\end{array}\right)---\left(18\right)$

ω_ip ^p为陀螺敏感的角速率信息在P系上的投影，S_g为陀螺的标度因数误差。

从上式可以看出，非对称性标度因数误差与敏感轴输入角速度相乘后相当于陀螺漂移偏置，因此可以被调制平均。

对称性标度因数误差的调制：对称性标度因数误差引起的角速度误差：

${\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b=C_p^b\left(t\right){\mathrm{\δ\ω}}_{ip}^p=C_p^b\left\{s_g\right(C_b^p{\widehat{\mathrm{\ω}}}_{ib}^b+{\mathrm{\ω}}_{bp}^p\left)\right\}---\left(19\right)$

将相关量代入上式得1～8次序对称性标度因数误差引起的角速度误差为：

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_1=\left[\begin{array}{c}{S}_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t-S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\\ S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\\ S_{gz}^{+}\left(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_2=\left[\begin{array}{c}{S}_{gx}^{+}\mathrm{\ω}\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\sin }^2\mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left(-{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_3=\left[\begin{array}{c}-S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\\ S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\\ S_{gz}^{+}\left(-\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_4=\left[\begin{array}{c}-S_{gx}^{+}\mathrm{\ω}\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)\\ S_{gy}^{+}\left(-{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\sin }^2\mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_5=\left[\begin{array}{c}-S_{gx}^{+}\mathrm{\ω}\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)\\ S_{gy}^{+}\left(-{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\sin }^2\mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_6=\left[\begin{array}{c}-S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\\ S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\\ S_{gz}^{+}\left(-\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_7=\left[\begin{array}{c}{S}_{gx}^{+}\mathrm{\ω}\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t-{\mathrm{\ω}}_{ieU}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\right)\\ S_{gy}^{+}\left({\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\sin }^2\mathrm{\ω}t\right)+S_{gz}^{+}\left(-{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t+{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right]$

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_8=\left[\begin{array}{c}{S}_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t-S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}\sin \mathrm{\ω}t\cos \mathrm{\ω}t\\ S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t\\ S_{gz}^{+}\left(\mathrm{\ω}+{\mathrm{\ω}}_{ieU}\right)\end{array}\right]$

在一个调制周期内，陀螺对称性标度因数误差引起的等效角速度误差为：

${\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_T=\underset{i=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}{\left({\mathrm{\δ\ω}}_{ib}^b\right)}_i=\left[\begin{array}{c}0\\ 4S_{gx}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+8S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\cos }^2\mathrm{\ω}t+4S_{gz}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieN}{\sin }^2\mathrm{\ω}t\\ 4S_{gy}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieU}{\sin }^2\mathrm{\ω}t+4S_{gz}^{+}{\mathrm{\ω}}_{ieU}\left({\cos }^2\mathrm{\ω}t+1\right)\end{array}\right]---\left(20\right)$

上式在一个周期内积分不为零，说明该调制方式无法调制标度因数对称性误差，上式矩阵中第一项为零是因为该分析是在静基座下，地球自转角速度东向分量为零，不存在与对称性标度因数耦合的误差。

ω_ib ^b——陀螺敏感的角速率信息在b系上的投影；

ε^p——陀螺常漂；

C_p ^b——b系到p系的方向余弦矩阵；

(δω_ib ^b)_i(i＝1……8)——1-8旋转次序陀螺漂移引起的n系下等效角速度误差；

ω_ip ^p——陀螺敏感的角速率信息在P系上的投影；

S_g——陀螺的标度因数误差；

ω_bp ^p——平台相对载体角速率在平台坐标系上的投影；

ω_ieU、ω_ieN——地球自传角速度东向、北向分量。

Claims (3)

1.一种双馈回路陀螺调制方法，其特征在于：采用内回路速度环和外回路位置环构成的二环伺服系统对三轴框架进行旋转和定位，针对单轴旋转和双轴旋转对陀螺的调制的优缺点，采用单轴旋转次序、双轴旋转次序交替旋转方案进行调制；将被测试系统相对导航坐标系旋转，使惯性器件常值偏差沿着导航系呈周期性变化，在一个转动周期内使常值漂移引起的误差相互抵消，此时的漂移不再引起误差的发散。

2.根据权利要求1的双馈回路陀螺调制方法，其特征在于：所述的单轴旋转次序：0°→90°→180°→-90°四次序旋转。

3.根据权利要求1的双馈回路陀螺调制方法，其特征在于：所述的双轴旋转次序：0°→90°→180°→-90°交替八次序旋转。