CN107289971B - 一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，该方法应用于三轴惯性平台系统，包括：根据与三轴惯性平台系统共基座的外部角速率传感器测量得到基座的Y1轴角速率ωy1和Z1轴角速率ωz1；获取三轴惯性平台系统的内部相对转动角度；根据测量得到基座的角速率和内部相对转动角度进行解算，得到漂移角速率分量，并在导航方程中进行补偿。本发明对三轴惯性平台系统由基座角运动引起台体漂移的产生机理进行分析，实现了漂移角速率的计算，并用于补偿，提高了导航和制导精度。

Description

一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法
技术领域
本发明属于三轴惯性平台系统技术领域，尤其涉及一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法。
背景技术
三轴惯性平台系统已广泛地用于机动姿态有限的载体上，即用于在飞行中不会同时绕两个轴出现大姿态角的载体中。但有时由于运载火箭和弹道式导弹要做机动变轨飞行，特别是战术导弹、卫星以及许多军用飞机需要在全姿态、大机动状态下工作，在这样条件下，要求三轴惯性平台系统的台体仍能保持稳定。
由于三轴惯性平台系统存在“框架锁定”现象，即内框架和外框架在一个平面内，此时，台体轴、内框架轴和外框架轴也同时在一个平面内，从而使三轴惯性平台系统失去一个自由度；另一方面，由于原来用于控制外框架轴的陀螺仪不能感受到外框架轴的转动，从而失去了对外框架轴的控制作用。
目前，现有措施只能满足三轴惯性平台系统在机动姿态有限的载体上的运动要求，难以满足载体大机动运动的要求。另外，即使内框架角工作在小角度情况下，基座运动也会引起台体漂移，该漂移角速率的大小目前只是定性分析，尚未有明确的计算方法。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，对三轴惯性平台系统由基座角运动引起台体漂移的产生机理进行分析，实现了漂移角速率的计算，并用于补偿，提高了导航和制导精度。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，所述方法应用于三轴惯性平台系统，所述三轴惯性平台系统的伺服回路采用平面坐标分解器进行解耦，所述三轴惯性平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，基座本体坐标系为X1Y1Z1、外框架本体坐标系为XP2YP2ZP2、内框架本体坐标系为XP1YP1ZP1，台体本体坐标系为XPYPZP；四个本体坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的ZP轴与内框架本体坐标系的ZP1轴重合，外框架本体坐标系的YP2轴与内框架本体坐标系的YP1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的XP2轴重合；其中，基座与载体固连，当三轴惯性平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动；
其中，所述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法包括：
根据与三轴惯性平台系统共基座的外部角速率传感器测量得到基座的Y1轴角速率ωy1和Z1轴角速率ωz1；
获取所述三轴惯性平台系统的内部相对转动角度；其中，所述内部相对转动角度包括：基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk；
根据如下公式(1)分别计算台体在XP轴、YP轴和ZP轴上的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，以及，内框架相对台体的相对角速度
根据计算得到的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，在导航方程中进行补偿；其中，台体相对惯性空间的姿态更新方程为：
其中，表示由台体坐标系至惯性坐标系的坐标变换矩阵。
在上述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法中，所述获取所述三轴惯性平台系统的内部相对转动角度，包括：
通过安装在外框架的XP2轴上的角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk；
通过安装在内框架的YP1轴上的角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk；
通过安装在台体ZP轴上的角度传感器，测量得到内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk。
在上述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法中，转动角度βxk、βyk和βzk的取值范围为0～360°。
在上述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法中，所述伺服回路的解耦表达式为：
本发明具有以下优点：
本发明所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，给出了三个姿态角在任意象限时的漂移角定量计算方法，克服了现有技术只能进行定性分析的缺点。其次，本发明给出了由漂移角速率求解台体相对惯性空间的姿态矩阵更新方程，通过该姿态矩阵更新方程可实时提供台体相对惯性空间的姿态变化，克服了现有导航方程中假设该矩阵为常值的缺点，有利于提高导航和制导精度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种三轴惯性平台系统的坐标系定义示意图；
图2是本发明实施例中一种伺服回路的简化示意图；
图3是本发明实施例中一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法的步骤流程图；
图4是本发明实施例中一种外部角速率传感器在工程应用中的测量示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。
本发明所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，针对平面坐标分解器，以基座运动的角速率ωx1、ωy1和ωz1，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk，和基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk等6个变量作为输入信息，通过信息融合后计算出台体的漂移角速率ωxp、ωyp和ωzp；并根据所计算的漂移角速率ωxp、ωyp和ωzp，在导航方程中对姿态变换矩阵进行更新实现补偿。
在本发明实施例中，所述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法主要应用于三轴惯性平台系统；其中，所述三轴惯性平台系统的伺服回路采用平面坐标分解器进行解耦。所述三轴惯性平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，基座本体坐标系为X1Y1Z1、外框架本体坐标系为XP2YP2ZP2、内框架本体坐标系为XP1YP1ZP1，台体本体坐标系为XPYPZP；四个本体坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的ZP轴与内框架本体坐标系的ZP1轴重合，外框架本体坐标系的YP2轴与内框架本体坐标系的YP1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的XP2轴重合；其中，基座与载体固连，当三轴惯性平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动。
参照图1，示出了本发明实施例中一种三轴惯性平台系统的坐标系定义示意图。如图1，描述三轴惯性平台系统各本体坐标系之间的关系，其中，表示内框架相对台体的相对角速度，表示外框架相对内框架的相对角速度，表示基座(箭体)相对外框架的相对角速度。基于开环的运动学模型为：
当载体、外框架与内框架绕台体轴ZP转过βzk角度时，有：
其中，ωxp、ωyp和ωzp分别表示台体绕XP轴、YP轴和ZP轴的漂移角速率分量；ωxp1、ωyp1和ωzp1分别表示载体、外框架与内框架一起绕XP1、YP1和ZP1轴的绝对角速率。
当载体与外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转过βyk角度时，有：
其中，ωxp2、ωyp2和ωzp2分别表示载体与外框架一起绕XP2、YP2和ZP2轴的绝对角速率。
当载体绕外框架本体坐标系的XP2轴转过βxk角度时，有：
其中，ωx1、ωy1和ωz1分别表示载体绕X1、Y1和Z1轴的绝对角速率。
由此可见，三轴惯性平台系统的台体角速率、框架角速率与基座角速率之间的关系式如下：
在本发明实施例中，采用如下运动学方程：
基于上述三轴惯性平台系统的台体角速率、框架角速率与基座角速率之间的关系式和运动学方程，可得：
参照图2，示出了本发明实施例中一种伺服回路的简化示意图，如图2，有：
结合图2及式(a)和式(b)可得如下闭环传递函数：
其中，
其中，Gx(s)≈Gy(s)≈Gz(s),在低频段时，由于
则，
基于上述描述，参照图3，示出了本发明实施例中一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法的步骤流程图。在本实施例中，所述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，包括：
步骤101，根据与三轴惯性平台系统共基座的外部角速率传感器测量得到基座的Y1轴角速率ωy1和Z1轴角速率ωz1。
在本实施例中，参照图4，可以根据与平台共基座上的外部角速率传感器测量得到基座的Y1轴角速率ωy1和Z1轴角速率ωz1。其中，图4示出了本发明实施例中一种外部角速率传感器在工程应用中的测量示意图。
步骤102，获取所述三轴惯性平台系统的内部相对转动角度。
在本实施例中，如前所说，所述内部相对转动角度包括：基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk。
优选的，可以通过安装在外框架的XP2轴上的角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk；通过安装在内框架的YP1轴上的角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk；通过安装在台体ZP轴上的角度传感器，测量得到内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk。其中，转动角度βxk、βyk和βzk的取值范围为0～360°(包括0°和360°)，即该方法适用于全姿态计算。
步骤103，根据如下公式(1)分别计算台体在XP轴、YP轴和ZP轴上的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，以及，内框架相对台体的相对角速度
步骤104，根据计算得到的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，在导航方程中进行补偿。
在本实施例中，台体相对惯性空间的姿态更新方程为：
在本实施例中，表示由台体坐标系至惯性坐标系的坐标变换矩阵，在给定由台体坐标系至惯性坐标系的坐标变换矩阵的初值后，可以根据上述台体相对惯性空间的姿态更新方程实时提供台体相对惯性空间的姿态变化，克服了现有导航方程中假设该矩阵为常值的缺点，有利于提高导航和制导精度。
其中，需要说明的是，在本实施例中，所述伺服回路的解耦表达式为：
结合上述实施例，下面结合所述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法在实际应用中的情况进行说明。
其一，利用本发明所述的方法进行台体漂移角速率计算，设定条件如下：基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk＝0°；外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk＝0°；内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk＝0°；即三个转动轴之间相互垂直，位置关系如图4中的(a)所示，则，根据本发明所述的方法可得：ωxp＝0、ωyp＝0、ωzp＝0、
可以看出，基座的角运动不会引起台体的漂移：绕基座Z1轴的角运动被框架角βzk隔离。此时，台体相对惯性空间的姿态更新方程(坐标变化矩阵的更新方程)为：
其二，利用本发明所述的方法进行台体漂移角速率计算，设定条件如下：基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk＝0°；外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk＝90°；内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk＝0°，则，根据本发明所述的方法可得：ωxp＝ωz1、ωyp＝0、ωzp＝0、
可以看出，三轴惯性平台系统的台体会随着基座绕Z1轴转动，此时，坐台体相对惯性空间的姿态更新方程为：
上述两个具体实施例可以验证本发明的计算方法正确。
综上所述，本发明所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，给出了三个姿态角在任意象限时的漂移角定量计算方法，克服了现有技术只能进行定性分析的缺点。其次，本发明给出了由漂移角速率求解台体相对惯性空间的姿态矩阵更新方程，通过该姿态矩阵更新方程可实时提供台体相对惯性空间的姿态变化，克服了现有导航方程中假设该矩阵为常值的缺点，有利于提高导航和制导精度。
本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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的公知技术。

Claims (4)

1.一种基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，其特征在于，所述方法应用于三轴惯性平台系统，所述三轴惯性平台系统的伺服回路采用平面坐标分解器进行解耦，所述三轴惯性平台系统包括基座、外框架、内框架和台体，其中，基座本体坐标系为X1Y1Z1、外框架本体坐标系为XP2YP2ZP2、内框架本体坐标系为XP1YP1ZP1，台体本体坐标系为XPYPZP；四个本体坐标系的原点重合，并且：台体本体坐标系的ZP轴与内框架本体坐标系的ZP1轴重合，外框架本体坐标系的YP2轴与内框架本体坐标系的YP1轴重合，基座本体坐标系的X1轴与外框架本体坐标系的XP2轴重合；其中，基座与载体固连，当三轴惯性平台系统在载体带动下发生内部相对转动时，基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动；
其中，所述基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法包括：
根据与三轴惯性平台系统共基座的外部角速率传感器测量得到基座的Y1轴角速率ωy1和Z1轴角速率ωz1；
获取所述三轴惯性平台系统的内部相对转动角度；其中，所述内部相对转动角度包括：基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk，外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk，内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk；
根据如下公式(1)分别计算台体在XP轴、YP轴和ZP轴上的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，以及，内框架相对台体的相对角速度
根据计算得到的漂移角速率分量ωxp、ωyp和ωzp，在导航方程中进行补偿；其中，台体相对惯性空间的姿态更新方程为：
其中，表示由台体本体坐标系至惯性坐标系的坐标变换矩阵。
2.根据权利要求1所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，其特征在于，所述获取所述三轴惯性平台系统的内部相对转动角度，包括：
通过安装在外框架的XP2轴上的角度传感器，测量得到基座绕外框架本体坐标系的XP2轴转动的角度βxk；
通过安装在内框架的YP1轴上的角度传感器，测量得到外框架绕内框架本体坐标系的YP1轴转动的角度βyk；
通过安装在台体ZP轴上的角度传感器，测量得到内框架绕台体本体坐标系的ZP轴转动的角度βzk。
3.根据权利要求1或2所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，其特征在于，
转动角度βxk、βyk和βzk的取值范围为0～360°。
4.根据权利要求1或2所述的基座运动引起台体漂移的角速率计算及补偿方法，其特征在于，所述伺服回路的解耦表达式为：
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