CN106767806A - 一种用于混合式惯性导航系统的物理平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于混合式惯性导航系统的物理平台。该物理平台采用全数字控制，平台结构得到极大简化，框架上只剩下电机、导电滑环和光栅。混合式惯导系统要求物理平台同时实现“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式，本发明重点针对混合式惯导系统所特有的稳定+旋转工作模式，设计了相应的控制算法，实验证明，采用该控制方法能够达到较高的控制精度，本发明所设计的物理平台能满足混合式惯导系统的使用要求。

Description

一种用于混合式惯性导航系统的物理平台

技术领域

本发明涉及一种用于混合式惯性导航系统的物理平台，主要适用于混合式惯性导航系统的平台设计和控制，属于惯性导航领域。

背景技术

混合式惯导系统是一种集平台式惯导系统结构、捷联式惯导系统算法和旋转式惯导系统误差抑制技术于一体的惯导系统，将基于全数字控制的“物理平台”与基于捷联姿态计算的“数学平台”进行有机结合是混合式惯导系统的首要特征。

在传统的平台式惯导系统中，物理平台隔离载体角运动的功能主要是靠模拟的机电部件(如方位轴上的正割分解器、坐标转换器等)先对测量信息进行坐标变换，然后由模拟控制电路完成一系列信息处理，包括解调，校正，形成脉冲调宽，转台切换等。由此带来了平台上机电部件和模拟电路数量多，平台结构复杂等问题。而混合式惯导系统的物理平台采用全数字控制，框架上只包括电机、导电滑环和光栅。这大大简化了平台结构，降低了系统的体积重量，提高了系统可靠性。

在物理平台的功能和工作模式方面，混合式惯导系统不仅要像平台式惯导系统一样实现稳定功能，隔离载体的角运动，而且还需要同时实现旋转的功能，从而使惯性器件的旋转相对于地理系进行，实现更优的误差调制效果。因此，混合式惯导系统的物理平台需包括“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式，特别是稳定+旋转的工作模式是因混合式惯性导航系统技术途径而产生的新需求，也是它与平台式惯导和旋转式惯导在平台控制上的最大区别。

发明内容

本发明针对混合式惯导系统的使用要求，提出了一种用于混合式惯性导航系统的物理平台。在使用全数字控制后，平台结构得到极大简化，本发明给出了全数字物理平台的结构设计方案。对于混合式惯导系统的三种工作模式，尤其是稳定+旋转模式，本发明设计了相应的控制指令算法，并且达到了较高的控制精度，可满足混合式惯导系统的使用要求。

本发明采用的技术解决方案为：一种用于混合式惯导系统的物理平台，混合式惯导系统的物理平台采用全数字控制，框架上只包括电机、导电滑环和光栅，其中，电机采用直流无刷电机，导电滑环采用封闭式滑环，框架轴上的角度传感器采用绝对式光栅，采用全数字控制，混合式惯导系统可以实现“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式。

其中，采用全数字控制，省去了传统平台中的正割分解器和相关的模拟电路，所有数据的转换都在计算机中完成，计算得到的控制信号经过功放直接驱动电机，大大简化了系统结构，提高了系统可靠性。

其中，所述的三种工作模式，

(1)、锁定模式：此工作模式下，平台以框架上的光栅作为控制回路的反馈元件，实现闭环电锁定功能；

(2)、稳定模式：此工作模式下，平台以陀螺作为控制回路的反馈元件，实现隔离载体角运动功能；

(3)、稳定+旋转模式：此工作模式下，平台以陀螺作为控制回路的反馈元件，根据相应算法计算控制指令，从而实现平台绕地理系的旋转调制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、本发明的物理平台采用全数字控制后，陀螺输出信号直接进入计算机，计算机输出的调宽信号经功放后驱动电机，省去了传统平台中的正割分解器和相关的模拟电路，结构得到极大简化，框架上只剩下电机，导电滑环和光栅。电机采用直流无刷电机，可避免有刷电机电刷易磨损、打火等问题；导电滑环采用封闭式滑环，IMU数据采用总线形式打包传输，大大减少了滑环环数，提高系统可靠性；框架上的轴角传感器采用高精度光栅，从而保证系统电锁定、高精度姿态输出和高精度自标定的功能需求。

(2)、本发明的物理平台工作于锁定模式时，用光栅作为反馈元件进行闭环控制，取消了传统三自惯导系统机械锁定的端齿盘，这简化了系统的机械结构，降低了体积重量。

(3)、本发明的全数字物理平台兼具“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式，能够满足混合式惯导系统的使用需求，传统的平台式惯导和旋转式惯导的物理平台不同时具备这三种功能。

(4)、本发明实现了稳定+旋转的新工作模式，可在隔离载体角运动的基础上进行旋转，使混合式惯导的旋转调制相对于地理系进行，这比传统旋转式惯导系统相对于壳体的旋转调制能获得更好的误差抑制效果。

附图说明

图1三框架结构形式平台示意图，其中，1为外框电机，2为中框电机，3为内框电机，4为外框光栅，5为中框光栅，6为内框光栅；

图2为控制回路原理框图；

图3为游移方位系与地理系之间位置关系；

图4为载体静止时的稳定+旋转控制效果；

图5为载体有航向运动时的稳定+旋转控制效果。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

根据应用场合的不同，混合式惯导系统的物理平台在结构上可以是三框架形式、双框架或单框架形式。三框架的平台能隔离载体各个方向的角运动，这在运载器姿态运动比较灵活的应用场合更有优势。下面以一种三框架形式的平台为例做具体介绍。图1是一套三框架的平台结构示意图，内框架轴为方位轴Z，中框架轴为俯仰轴X，外框架轴为横滚轴Y。每个框架上各安装一个直流无刷电机和光栅，内框的光栅一端安装一个导电滑环，另外两个框使用软导线。混合式惯导系统的IMU数据采用总线的形式“打包”输出，所以平台上的线缆数量大大减少，通常十几环的滑环就足够。采用数字式平台以后，平台的控制电路也相应得到简化，控制电路主要包括控制计算机和功放，功放再采用集成电路，所以控制电路所占体积很小，可整体放置在平台外。

混合式惯导系统的物理平台具备“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式。在锁定模式下，平台以框架上的光栅作为反馈元件，光栅所测的角度信号进入计算机，通过PID算法计算控制指令，控制信号经功放后驱动电机，实现闭环电锁定功能；在稳定模式下，平台以陀螺作为控制回路的反馈元件，经计算机计算指令角速度，控制信号经功放后驱动电机，从而实现隔离载体角运动功能。锁定和稳定这两种模式的实现方式与现有的许多数控机构差异不大，这里不再做详细描述。稳定+旋转模式是混合式惯导系统新增加的一种平台工作状态，这要求物理平台在稳定的基础上实现平稳旋转，以达到更好的旋转调制效果。下面将结合三轴混合式惯导系统的平台结构，详细介绍稳定+旋转模式下的控制算法。

图2是本发明所建立的平台稳定+旋转控制回路原理框图，同时也反映了该控制回路的组成。图中各主要符号的含义为：ω_A表示载体的运动角速度，M_T表示轴摩擦力矩，M_C表示电机控制力矩，U_C表示计算出的控制电压，Δθ_IR表示惯性测量单元输出的台体运动角增量，φ_P表示控制误差角。Δθ_IR与U_C之间的转换关系由控制器来计算完成，首先计算出与Δθ_IR相对应的控制指令角速度ω_C，然后再和其它功能模式的实现一样，将指令角速度ω_C转换为控制电压U_C。

当平台只有一个旋转轴的时候，总有一个陀螺敏感轴的方向与平台旋转轴方向保持一致，平台的控制指令角速度可直接根据该陀螺的数据计算得到。当平台有多个旋转轴的时候，在稳定+旋转模式中，陀螺敏感轴的指向不再与平台旋转轴方向始终固定，不能再直接根据陀螺的测量值来控制平台，需要经过相应的转换。所以这个时候图2中ω_C的值需根据三个陀螺的数据综合得到，通过计算出惯性测量单元的运动角速度在三个电机轴方向的分量后再进行PII²控制。具体计算步骤如下：

首先根据式(1)对陀螺原始测量信息扣除跟踪地理水平面的角速度分量，得到旋转坐标系R下惯性测量单元相对于地理坐标系N的运动角增量

其中，是的三个分量，表示陀螺原始测量信息补偿陀螺的安装误差角、漂移和比例系数误差后的角增量是的三个分量。表示捷联姿态矩阵，ω_ie表示地球自转角速度，V_E、V_N分别表示载体东向、北向线速度，R_xt、R_yt表示地球的曲率半径，R_yt为当地子午面内主曲率半径，R_xt为与子午面垂直平面上的主曲率半径，h表示当地的海拔高度，表示当地地理纬度，Δt表示采样间隔时间。

然后旋转坐标系下的角增量变换至地理坐标系，如式(2)所示，得到地理坐标系下惯性测量单元相对于地理坐标系的运动角增量

其中，是的三个分量，在将地理坐标系的角增量投影到电机轴系的过程中，为方便描述，这里引入一个过渡坐标系WA，称为游移方位坐标系，该坐标系与地理坐标系之间差一个方位角ψ，如图3所示，这两个坐标系之间的方向余弦阵如式(3)所示。

于是可得到游移方位坐标系下的台体运动角速度如式(4)所示。

其中，是的三个分量，最后，将游移方位坐标系下的指令角速度分解到三个电机轴的方向，若载体的俯仰角不为零，三个电机轴之间为非正交关系，所以需要对做特殊处理。以内框电机轴指天为例，三个电机轴的控制指令角速度为：

在式(5)中，分别表示三轴平台绕内框旋转状态下，中、外、内三个轴的控制指令角速度，θ表示载体的俯仰姿态角，ω_RZ表示内框轴的旋转指令角速度。将 代入图2中的ω_C，分别控制中框轴、外框轴和内框轴电机，便可实现惯性测量单元相对于地理坐标系绕方位轴匀速旋转，即实现稳定+旋转的控制模式。

最后说明基于上述控制算法所实现的稳定+旋转控制效果：

图4为载体保持静止时的实验测试结果，由图可见，当惯性测量单元绕内框方位轴稳定+旋转且载体静止时，水平两个方向的控制误差只有约1"，方位轴的控制误差只有约2"。

图5为载体有航向运动时的稳定+旋转控制误差测试实验结果，由图可见，当载体的航向运动角速度高达50°/s时，相应的最大控制误差角也不超过30"(水平两个方向只有约10")，达到了较高的控制精度，可满足混合式惯导系统的使用需求。

本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种用于混合式惯导系统的物理平台，其特征在于：混合式惯导系统的物理平台采用全数字控制，框架上只包括电机、导电滑环和光栅，其中，电机采用直流无刷电机，导电滑环采用封闭式滑环，框架轴上的角度传感器采用绝对式光栅，采用全数字控制，混合式惯导系统可以实现“锁定、稳定、稳定+旋转”三种工作模式。

2.根据权利要求1所述的用于混合式惯导系统的物理平台，其特征在于：采用全数字控制，省去了传统平台中的正割分解器和相关的模拟电路，所有数据的转换都在计算机中完成，计算得到的控制信号经过功放直接驱动电机，大大简化了系统结构，提高了系统可靠性。

3.根据权利要求1所述的用于混合式惯导系统的物理平台，其特征在于：所述的三种工作模式，

(1)、锁定模式：此工作模式下，平台以框架上的光栅作为控制回路的反馈元件，实现闭环电锁定功能；

(2)、稳定模式：此工作模式下，平台以陀螺作为控制回路的反馈元件，实现隔离载体角运动功能；

(3)、稳定+旋转模式：此工作模式下，平台以陀螺作为控制回路的反馈元件，根据相应算法计算控制指令，从而实现平台绕地理系的旋转调制。

4.根据权利要求3所述的用于混合式惯导系统的物理平台，其特征在于：控制指令算法如下：所述的稳定+旋转模式，

首先根据式(1)计算旋转系R下惯性测量单元相对于地理系N的运动角增量

其中，是的三个分量，表示陀螺原始测量信息补偿陀螺的安装误差角、漂移和比例系数误差后的角增量，是的三个分量，表示捷联姿态矩阵，ω_ie表示地球自转角速度，V_E、V_N分别表示载体东向、北向线速度，R_xt、R_yt表示地球的曲率半径，R_yt为当地子午面内主曲率半径，R_xt为与子午面垂直平面上的主曲率半径，h表示当地的海拔高度，表示当地地理纬度，Δt表示采样间隔时间；

然后按式(2)计算地理系下惯性测量单元相对于地理系的运动角增量

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{NRX}^N\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{NRY}^N\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{NRZ}^N\end{array}\right)=C_R^N\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{NRX}^R\\ \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{NRY}^R\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{NRZ}^R\end{array}\right)---\left(2\right)$

其中，是的三个分量，引入一个过渡坐标系WA，称为游移方位坐标系，该坐标系与地理系之间差一个方位角ψ，这两个坐标系之间的方向余弦阵如式(3)所示，

$C_N^{WA}=\left[\begin{array}{ccc}cos(-\mathrm{\ψ})& sin(-\mathrm{\ψ})& 0\\ -sin(-\mathrm{\ψ})& \cos (-\mathrm{\ψ})& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

按式(4)计算游移方位坐标系下的台体角速度

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{NRX}^{WA}\\ {\mathrm{\ω}}_{NRY}^{WA}\\ {\mathrm{\ω}}_{NRZ}^{WA}\end{array}\right)=C_N^{WA}\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_{NRX}^N\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{NRY}^N\\ {\mathrm{\Δ\θ}}_{NRZ}^N\end{array}\right)/\mathrm{\Δ}t---\left(4\right)$

其中，是的三个分量，最后按式(5)计算三个电机轴的控制指令角速度，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{CX}^A={\mathrm{\ω}}_{NRX}^{WA}\\ {\mathrm{\ω}}_{CY}^A=\frac{{\mathrm{\ω}}_{NRY}^{WA}}{\cos \mathrm{\θ}}\\ {\mathrm{\ω}}_{CZ}^A={\mathrm{\ω}}_{NRZ}^{WA}-{\mathrm{\ω}}_{RZ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

在式(5)中，分别表示三轴平台绕内框旋转状态下，中、外、内三个轴的控制指令角速度，θ表示载体的俯仰姿态角，ω_RZ表示内框轴的旋转指令角速度。