陀螺穩定平臺姿態控制精度評定試驗方法

郭士犖 許江寧 郭 斌

(海軍工程大學導航工程系 武漢 430033)

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陀螺穩定平臺姿態控制精度評定試驗方法

郭士犖 許江寧 郭 斌

(海軍工程大學導航工程系 武漢 430033)

陀螺穩定平臺姿態精度評估是穩定平臺姿態控制的關鍵技術之一。姿態控制精度的評定不僅僅取決于測量系統硬件設備的性能和精度,還與所采用的精度評定試驗方法有關。針對大負載穩定平臺姿態控制精度評估問題,論文對陀螺穩定平臺誤差機制進行了分析,設計了基于激光傳播特性的高精度光學測姿系統及相應試驗方案,對陀螺穩定平臺靜態、動態環境下的姿態控制精度進行了評定試驗,對試驗結果進行了分析。試驗結果表明,該光學測姿系統具有較高的測量精度,實用性好,可推廣性強。

穩定平臺; 姿態精度評估; 光學測姿系統; 試驗方案

Class Number U666.1

1 引言

重力儀是測定重力加速度的儀器。主要用來在地面上測量重力加速度值相對變化的一種高精度儀器,重力儀廣泛應用于地球重力場的測量地殼形變觀測以及重力勘探等項工作中,軍事上也有重要用途。陀螺穩定平臺是應用艦船、飛機裝載重力儀對重力進行測量必不可少的儀器設備。由于重力儀要求在工作時保證穩定的垂直指向,而搭載重力儀的運載體在運動時不可避免的要產生相對水平面的姿態變化,因此陀螺穩定平臺主要用來提供穩定的水平基準和姿態信息,以此來保證重力儀在工作中一直保持非常穩定的垂直指向,抵消運動載體姿態所帶來的測量誤差,隔離振動等干擾因子對重力測量的影響。

陀螺穩定平臺精度評估是穩定平臺姿態控制的關鍵技術之一。姿態控制精度的評定不僅僅取決于測量系統硬件設備的性能和精度,還與所采用的精度評定試驗方法有關[1]。因此本文的主要內容就是設計和研究高精度的穩定平臺精度評定試驗方法。

2 穩定平臺精度評定方法

對穩定平臺姿態精度進行評定,可以先找到高精度的姿態信息作為評定基準,這就涉及到高精度的姿態控制和高精度的姿態測量這兩種技術,實現起來難度較大,如果陀螺穩定平臺本身精度已經很高,那么更高精度的姿態基準將會很難獲得。

美國US7451022B1號專利給出了一種平臺姿態評定技術,其基本原理是:星追蹤敏感器裝在通過系統提供的東北天體坐標系的穩定平臺上,星敏感器分別指向兩個不同的恒星,記錄這個角度差,通過此角度差直接得到慣導系統的姿態,從而進一步得到坐標轉換矩陣,轉換矩陣再進行進一步分解成系統誤差和參考姿態誤差,參考姿態誤差再加上慣導姿態就是所需要的修正后的東北天體姿態基準。這種方法缺點是對天氣等外部環境要求較高,可操作性不強,不適于實驗室環境下的連續測試。文獻[1]提出了利用譜分析法對動基座上陀螺平臺進行精度統計測量的方法,不需要借助外部測量設備,缺點在于該方法需要測量系統的傳遞函數和角度/電壓轉換系數,并且要求系統是時不變的,因此這種方法可推廣性較差。文獻[2]提出了利用自準直儀和六角度搖擺臺搭建實驗測試系統的方法,利用光路的傳播特性進行穩定平臺姿態控制精度的外部測試,這種方法原理簡單,適用性好,但其缺點在于自準直儀等高精度光學測量設備成本較高、調試困難。

3 陀螺穩定平臺誤差源分析

光纖陀螺穩定平臺主要由平臺臺體(包括平臺臺面、傳感器、力矩電機及減震器等)、控制系統(包括控制機箱和上位機)和供電系統三個部分組成。平臺臺體是穩定平臺的執行部分,其主要功能是檢測平臺臺面的姿態信息,并響應控制系統的控制信號,從而維持平臺臺面的水平。控制機箱是穩定平臺的決策部分和監控部分,其主要功能是接收平臺臺面的姿態信息,并將其作為控制回路的輸入信號,經過解算,控制機箱輸出控制信號到平臺臺體;控制機箱的另一功能是對數據進行顯示、保存。供電系統主要為平臺臺體、控制機箱和上位機提供電源。

平臺臺體部分的系統構成如圖1所示。

如圖1所示,IMU、重力傳感器與平臺臺面固連。IMU為平臺臺面和重力傳感器提供姿態基準,在不考慮安裝誤差的情況下,認為IMU輸出的姿態角為0°時,平臺臺面處于水平狀態。在考慮安裝誤差的情況下,則先對安裝誤差進行標定。設IMU在橫滾和俯仰方向的安裝誤差角分別為α、β,則認為IMU輸出的橫滾和俯仰角分別為-α、-β時,平臺臺面處于水平位置。橫滾、俯仰電機受控制系統控制,驅動平臺臺面連同重力傳感器和IMU轉動。

圖1 陀螺穩定平臺臺體構成

由以上分析可知,陀螺穩定平臺姿態控制系統主要由四部分組成:光纖陀螺慣導系統敏感穩定平臺臺體姿態提供高精度的姿態信息,通過數字信號處理器以及功率放大模塊組成的信號處理器完成控制算法控制電機動作,電機帶動臺體保持水平姿態。整個控制回路以IMU作為姿態傳感器,控制系統由信號處理模塊與控制電機組成,控制臺體姿態。因此,對陀螺穩定平臺誤差源的分析應該從這幾個組成部分入手。

IMU作為姿態傳感器,其誤差將直接引入控制系統,IMU誤差主要包括慣導安裝誤差以及慣性器件本身的誤差特性:慣導安裝時要求其可以準確復現穩定平臺臺體的姿態,但是由于安裝誤差不可避免,慣導輸出數據中除了臺體的姿態信息,往往還疊加了慣導本身的安裝誤差,因此在誤差分析時安裝誤差不可忽視;慣性器件本身的誤差特性主要包括零偏及漂移,零偏指陀螺在零位輸出的零點偏移,漂移指陀螺在干擾力矩作用下產生的偏離原來方向的進動。信號處理模塊完成數字信號處理、功率放大等功能,是控制系統的核心環節,這一過程中數據的處理、控制算法的精度等都會影響姿態控制效果。伺服電機直行控制指令完成姿態控制,由于電機存在控制死區等,因此也會引入控制誤差。由于本文采用實驗測量的方法標定穩定平臺控制精度,實驗方案、測量方法以及后期數據處理方法還將引入外部測量誤差[3]。

由以上分析可以得到陀螺穩定平臺誤差源結構框圖如圖2所示。

圖2 陀螺穩定平臺誤差源

由圖2可以看出陀螺穩定平臺姿態控制誤差α的表達式為

α

(1)

式(1)定義了陀螺穩定平臺姿態控制誤差基本來源。此處加號代表了各誤差源的耦合作用[4],并不是簡單的直加。

4 陀螺穩定平臺姿態控制精度實驗方法

針對陀螺穩定平臺自身的特點,參考文獻[2]設計的試驗評定方法,本文設計了一套基于光線傳播特性的光學測量系統,用來進行穩定平臺姿態控制精度試驗,其基本原理如圖3所示。

圖3 陀螺穩定平臺姿態精度實驗評定系統

如圖3所示垂直地面在重力儀上固連一反射鏡面,保證反射鏡面能夠完全跟隨重力儀的姿態變化。反射光接收面板垂直于水平面并始終保持靜止狀態,激光光路垂直接收面板到達反射鏡面后,反射回接收面板。這就是整個試驗系統的基本結構及安裝條件。

該試驗系統基本工作原理在于光的直線傳播和反射特性,由圖3可知,激光光線垂直于接收面板水平于地面射出,到達固連于穩定平臺重力儀臺體上的反射鏡,如果穩定平臺可以保證重力儀臺體保持水平狀態,即反射鏡面與接收面板相互平行,那么出射激光就會垂直到達反射鏡面,根據光的反射特性,反射激光會沿入射激光光路返回。這樣,在接受面板上,激光入射點與激光出射點就會重合。原理如圖4所示。

圖4所示的是理想狀態下該試驗系統光的傳播特性,在理想狀態下,認為重力儀可以保持完全水平狀態,不考慮試驗設備的安裝誤差以及陀螺穩定平臺姿態控制系統的控制誤差,如果真的是這樣,那么該試驗系統也就失去了存在的意義[6]。該試驗設計目的就在于測量陀螺穩定平臺姿態控制系統的控制精度,因此控制誤差不可忽略,另外試驗設備的安裝誤差也會對試驗結果造成較大的影響,同樣不可忽視[7]。這樣,實際狀態下的光學試驗系統應如圖5所示。

圖4 理想狀態下的光學試驗系統

圖5 實際狀態下的光學試驗系統

(2)

所以

(3)

(4)

由此,設計試驗方案如下:

陀螺穩定平臺置于雙軸搖擺臺上,利用搖擺臺模擬載體靜止和運動姿態[8]。在開始試驗之前,用x、y坐標分割接收面板光點接收區域,便于對光點位移的讀取。另外為便于后期數據分析,可適當調整光線傳播距離L,使其對反射光點接收面板坐標紙單元格的距離l,滿足:

即反射光點在接收面板坐標紙上每偏離一個單位坐標,代表姿態控制精度一個角分的偏離[9]。這樣在后期數據處理時只需要對反射光點坐標做一定的統計學分析就可以得到以角分為單位的姿態控制精度。

5 試驗結果

1) 調平實驗:控制系統不工作,手動調平陀螺穩定平臺后,記錄此時光點坐標X1=4.5。

2) 靜態試驗:在控制系統作用下,穩定平臺隔離載體姿態變化的影響,搖擺臺保持靜止,模擬載體靜止時的狀態。每分鐘記錄一次反射光點坐標,匯總如圖6所示。

圖6 靜態試驗光點坐標匯總

圖6所示是陀螺穩定平臺姿態控制系統在連續靜態工作狀態下,反射光點坐標的變化情況。在靜態環境下穩定平臺姿態控制精度主要受隨機誤差的影響較大,主要誤差來源是陀螺、加速度計的隨機偏置以及讀數誤差。

3) 動態試驗:在控制系統作用下,搖擺臺做不規則搖擺,以30min為一個周期,搖擺25min,停止搖擺靜止5min,模擬實際狀態下運載體的復雜運動狀況。由于搖擺臺在激光傳播方向上的搖擺引起反射鏡面在該方向上的前后線運動,造成光點坐標在接收面板上的上下移動的現象,這種位移與控制系統的姿態控制精度無關,其原理如圖7所示。

圖7 接收光點位移現象

搖擺臺縱搖引起反射鏡面水平位移ΔL,相應的接收光點位置產生上下位移Δx,因此搖擺狀態下一分鐘內記錄兩個數據,即一個周期最大值和一個周期最小值以此觀察接收光點坐標x的變化情況,靜態狀態下仍然每分鐘記錄一個光點坐標。動態試驗光點坐標如圖8所示。

圖8 動態試驗光電坐標

圖8所示是陀螺穩定平臺姿態控制系統在連續動態工作狀態下,反射光點坐標變化的情況,點線曲線表示一分鐘內接收光點坐標的最大值,細線曲線表示同一分鐘內接收光點坐標的最小值,粗線曲線表示一個搖擺周期內靜態時段的接收光點坐標值。細線和點線兩條曲線的偏差反映了反射鏡面與鏡面理想位置的偏差角,這個偏差角是由反射鏡面安裝誤差以及控制系統姿態控制誤差共同作用造成的。

對靜態、動態試驗接收面板上反射光點的坐標做進一步分析得到表1。

表1 試驗數據分析

表1所示是對靜態、動態試驗反射光點坐標做統計學分析的結果,其中動態試驗利用的光點坐標只取一個搖擺周期中靜態段的坐標值,以此來評定陀螺穩定平臺在動態環境下的姿態控制精度。在試驗一調平試驗中已經標定控制系統不做用時的反射光點坐標為4.5,即可以認為光點坐標絕對零位就是4.5,因此以靜態、動態試驗環境下光點坐標的均值減去絕對零位就可以得到姿態控制系統在靜態、動態環境下的姿態控制精度分別為1.29′與1.17′,標準差分別為0.31′與0.30′。

6 結語

本文利用光學原理設計實現了可適用于穩定平臺姿態控制精度分析的試驗系統,針對該試驗系統提出了相應的試驗方案。使用本文設計的試驗系統以及試驗方案對陀螺穩定平臺姿態控制系統進行了姿態控制精度分析,試驗結果表明該姿態控制系統姿態控制精度達到1′,標準差在0.3′左右,具有較高的姿態控制精度。

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Experimental Evaluation Method of Gyro Stabilized Platform Attitude Control Accuracy

GUO Shiluo XU Jiangning GUO Bin

(The Department of Navigation, University of Engineering, Wuhan 430033)

Evaluation of gyro-stabilized platform is one of the key technologies to assess the accuracy of a stable platform for attitude control. Attitude control accuracy not only depends on the performance assessment of the accuracy of the measurement system and hardware devices, but also relates with precision evaluation test methods. Specific to large loads stabilized platform’s attitude control accuracy assessment, gyro stabilized platform error mechanisms has been analyzed, a high-precision optical measuring system and corresponding test programs has been proposed in this paper, dynamic/static experiment has been performed. The experiment results show it has high accuracy, practicability and potential replication.

stabilized platform, attitude accuracy assesment, optical measurement system, experimental program

2015年1月18日,

2015年3月7日 作者簡介:郭士犖,男,碩士研究生,研究方向:慣性技術及應用。許江寧,男,教授,博士生導師,研究方向:慣性技術及應用。郭斌,男,碩士研究生,研究方向:慣性技術及應用。

U666.1

10.3969/j.issn1672-9730.2015.07.043