激光陀螺雙軸旋轉導航系統高精度轉動控制的設計與實現

王國臣，袁保倫，饒谷音，韓松來

（國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073）

激光陀螺雙軸旋轉導航系統高精度轉動控制的設計與實現

王國臣，袁保倫，饒谷音，韓松來

（國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073）

為實現高精度激光陀螺雙軸旋轉導航系統，通過理論分析，設計實現了雙軸旋轉導航系統所需的高精度轉動控制方案。所設計的轉動方案在實際旋轉導航系統樣機上進行了實驗驗證。實驗結果表明，所設計的轉動控制系統速率偏差優于2×10-5(°)/s，速率平穩度優于10-4，速率峰值波動優于3×10-3(°)/s，峰值定位誤差優于0.001°。所設計的轉動控制電路控制精度高，運行穩定可靠，很好地滿足了研制激光陀螺雙軸旋轉導航系統樣機的需求。

激光陀螺；慣性導航；雙軸旋轉；轉動控制；PID

激光陀螺旋轉導航系統[1-6]是在捷聯慣導系統[7-11]的基礎上發展起來的，它是在激光陀螺慣性測量組合（IMU）外面加上轉動機構和測角裝置，并以此控制IMU按照一定的次序旋轉，從而使激光陀螺和加速度計的漂移對導航所產生的誤差能夠在一個轉動周期內自動抵消，最終提高系統導航精度。

對于雙軸旋轉導航系統來說，為了完全自動補償慣性元件常值漂移誤差，從而達到高精度的慣性導航要求，必須實時控制IMU嚴格按照系統計算結果精確轉動，否則不但可能會直接使系統的導航精度下降，而且會影響系統自標定及初始對準的精度和時間，從而間接影響系統的整體性能。因此，旋轉機構的高精度控制技術是雙軸系統的一項重要技術。

1 旋轉控制方案的硬件實現

1.1 旋轉控制部分的系統框圖

系統旋轉控制部分主要由通用計算機、外部導航計算機、電機控制電路（包含轉動控制電路和功率驅動模塊）、直流力矩電機、光柵角編碼器組成。直流力矩電機安裝在內、外軸系內，IMU的所有信息通過安裝在內、外軸系中的導電滑環與外界進行數據交換。外部導航計算機則讀取測角元件的角位置信息、計算載體的姿態信息，并向電機控制電路發控制指令，電機控制電路根據指令驅動直流力矩電機拖動IMU轉動。如圖1所示。

圖1 轉動控制部分系統框圖Fig.1 Block diagram of the rotating scheme

1.2 轉動控制電路的硬件實現

旋轉系統電機控制電路的功能是接收導航計算機產生的轉動控制指令，然后根據此控制指令產生與之相適應的電流驅動電機轉動。電機控制電路由轉動控制電路和功率驅動模塊等功能模塊組成。

為實現上述電機控制電路的功能，轉動控制電路根據實際的需要采用TI公司的數字信號控制器TMS320LF2812來完成，轉動控制電路與外部導航計算機之間采用隔離的串口通信方式進行數據交換，采用高精度的D/A與SMA5005匹配使用以確定輸出給電機電流的大小，利用DSP通用I/O口對SMA5005進行其他必要控制如輸出禁止等。另外，為保護電機不因過大的電流而損壞，過流保護電路也集成在轉動控制板上。

需要說明的是，轉動控制電路自身可以直接對光柵角編碼器的輸出脈沖進行計數，從而獨立完成對系統兩個軸的轉動控制。但實際系統中，控制軟件由外部導航計算機完成，轉動控制電路只接收控制指令并轉換為相應的D/A值，驅動SMA5005輸出，完成對電機的控制

1.3 控制電機的選擇

直流力矩電機是為滿足低轉速、大轉矩負載的需要而設計制造的電動機。旋轉系統在選擇直流力矩電動機時，首先要確定電動機軸上所帶的負載，然后再根據速度-轉矩特性分析電動機的靜態和動態轉矩特性是否滿足系統要求。電機軸上所帶負載可分為負載轉矩和轉動慣量，一般應考慮到轉矩平衡和慣量匹配。對于旋轉系統來說，在嚴格配平之后，僅需要考慮系統軸承、電刷、滑環的摩擦力產生的力矩和系統沿轉軸的轉動慣量。除此之外，還應考慮到電機的內外徑尺寸大小是否合適等因素。最后，外環電機和內環電機分別選用成都微精電機股份公司型號為J130LYX01和 J115LYX01的分裝式直流力矩電動機。

1.4 測角元件的選擇

測角元件可以選用旋轉變壓器、感應同步器、角度編碼器（圓光柵）等器件來實現。旋轉變壓器和感應同步器輸出的均是模擬電壓信號，需要另加精密的轉換電路才能將其輸出轉化為數字角度。角度編碼器是利用測量圓光柵所產生的莫爾條紋的方法來測量所轉動的角度，可以直接輸出數字角度脈沖信號，經過簡單的鑒相計數即可以得到轉子相對定子轉過的角度。三者各有優缺點，就其可靠性而言，旋轉變壓器和感應同步器對環境適應性強，在慣導產品中應用較多，而角度編碼器使用方便，近年來在慣導產品中的應用有所增長。

系統實際選用Renishaw公司的光柵角編碼器RESM20USA075，光柵環直徑為75 mm，柵距為20 μm，細分卡型號為Si-NN-0100，分辨率為0.2 μm，每圈輸出1184000 個脈沖，角度分辨率約為1.0946''，刻度誤差優于±2.75″，系統誤差優于±2.97″。

2 旋轉機構控制方案的軟件實現

2.1 控制方案的確定

旋轉導航系統轉動控制設計的主要性能指標為位置精度、速率精度和速率平穩度。另外，旋轉系統采用轉停的轉位方式，因此實際系統運行中主要有靜止和旋轉兩種運動狀態。為使系統具有良好的調速性能必須采用閉環調節，設計良好的調節器進行校正。工程上一般采用位置環+速度環的控制方式或者“位置環+速度環+電流環”的控制方式來設計。速度環控制器的主要作用是減小位置調節過程中的振蕩和超調，電流環控制器的作用是減小力矩波動，改善動態響應的快速性。根據旋轉系統的實際情況和所選功率驅動模塊的特點，實際系統中位置環和速度環控制由電機轉動控制電路來完成，電流環控制則由功率驅動模塊SMA5005自動完成。

旋轉系統角位置給定量（該值由外部導航計算機根據系統轉位方案自動產生）作為整個控制環路的輸入信號，與實際的位置反饋信號一起對電機進行位置環和速度環控制；電流環的控制由SMA5005硬件上自動實現，軟件上無需對其進行干預。閉環控制框圖如圖2所示。

圖2 控制方式框圖Fig.2 Block diagram of the control method

2.2 控制軟件流程

系統的轉動控制在停止期間和勻速轉動期間采用PID控制算法；在轉停狀態變換過程中，為減小位置的超調引入加速度控制，系統從靜止到勻速轉動以及從勻速轉動到靜止的狀態變換過程為勻角加速度運動。外部導航計算機的控制軟件流程如圖3所示，另外轉動控制電路內的軟件流程不再贅述。

圖3 控制軟件流程圖Fig.3 Flowchart of the control software

3 旋轉控制的實測性能

對于旋轉系統來說，內軸和外軸是交替轉停的。因此測試時按照內外軸交替的順序進行，主要測試系統轉動的速度性能和位置定位精度。

3.1 速度性能測試

系統所用光柵角編碼器的分辨率為1.0946″，為降低由于光柵角編碼器分辨率有限帶來的測速誤差，測試中使用1 s作為采用時間，這樣光柵角編碼器對測速的影響可降低到約0.0006 (°)/s。采用測量100 s數據的標準差除以平均值作為評價速率平穩性的指標，采用100 s數據的平均值與設置轉速的差值作為角速度偏差。圖4是測試數據中的部分細節圖。表1為10 (°)/s和20 (°)/s時的內外軸測試性能。

從圖4和表1可以看出，內外軸轉動均基本平穩，速率偏差優于2×10-5(°)/s，速率平穩度優于410-，速率峰值波動優于3×10-3(°)/s；同時還可以看出，內軸轉動性能相比較外軸而言略差，這是因為圖中數據是內外軸同時控制得到的，外軸對內軸的干擾較之內軸對外軸的干擾要大，因此內軸的控制性能比外軸要略差。對旋轉系統來說，載體輸出姿態的精度直接受轉動波動的影響，因此轉動控制還要保證姿態解算周期間隔內的平穩度。圖5為間隔1 ms的內外軸實測輸出脈沖數，10 (°)/s和20 (°)/s對應的1 ms脈沖數分別為32.889和65.778，理想情況輸出脈沖數應在（32, 33）和（65, 66）范圍波動，而實際的波動范圍是（32, 34）和（65, 67），也就是說控制引入了1個脈沖的波動，相當于1.0946″，應該說速率控制還是不錯的。

圖4 轉速分別為10 (°)/s和20 (°)/s時的內外軸實測轉速細節Fig.4 Detail curves for inner and outer axes at 10 (°)/s, 20 (°)/s

表1 轉速為10 (°)/s和20 (°)/s時的內外軸實測數據Tab.1 Test data for inner and outer axes at 10 (°)/s, 20 (°)/s

圖5 間隔1 ms的內外軸實測輸出脈沖數Fig.5 Output pulse number for inner and outer at 1 ms interval

3.2 位置性能測試

旋轉導航系統提高系統精度的核心就是對稱相消，以消除系統的絕大部分誤差。系統正反轉如果無法回到原來位置顯然會對導航精度有一定的影響，因此旋轉系統轉動控制的一個重要指標是位置的準確性。圖6為轉速分別為10 (°)/s、20 (°)/s、30 (°)/s和40 (°)/s時的內外軸180°正反轉實測位置曲線。

采用測試時間內180°位置輸出的最大值與0°位置輸出的最小值之差再減去180°作為內外軸的峰值定位誤差，計算結果如表2所示。可見系統周期性轉動的峰值定位誤差0.001°，已滿足系統的要求。

圖6 轉速分別為10 (°)/s、20 (°)/s、3 (°)/s和4 (°)/s時的內外軸180°正反轉實測位置Fig.6 Position curves at 10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s for 180° forward & reverse rotating

表2 轉速分別為10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s 時的內外軸180°正反轉實測位置誤差Tab.2 Position errors at 10 (°)/s, 20 (°)/s, 30 (°)/s, 40 (°)/s for 180° forward & reverse rotating

4 旋轉控制的一些思考

本文的旋轉控制是以系統內、外軸角光柵編碼器輸出的角位置變化來控制IMU 旋轉的。如果需要隔離載體的角運動，則可以根據導航解算出的姿態信息進行轉動控制，但控制系統的控制精度是不受影響的。

5 結束語

本文詳細闡述了激光陀螺旋轉慣導系統轉動控制方案的設計與實現。所設計的轉動控制電路速度、位置控制精度高，運行穩定可靠，很好地滿足了研制激光陀螺旋轉慣導系統樣機的需求。

（References）：

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High-precision rotating scheme for laser gyroscope dual-axis rotating inertial navigation system

WANG Guo-chen, YUAN Bao-lun, RAO Gu-yin, HAN Song-lai
(College of Optical Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

To realize high-precision laser gyroscope dual-axis rotating inertial navigation systems(INS), a high-precision rotating scheme for the INS is put forward through theoretical analysis. Then the rotating scheme system is tested in the actual dual-axis rotating INS. Tests results show that: the speed deviation is superior to 2×10-5(°)/s, the speed accuracy is superior to10-4, the maximum speed error is superior to 3×10-3(°)/s, and the maximum position error is superior to 0.001°. The rotating scheme’s circuit has such advantages as high-precision, high stability and reliability. The designed rotating scheme system meets the demands for developing the laser gyroscope dual-axis rotating INS.

ring laser gyroscope; inertial navigation; dual-axis rotating; rotating scheme; PID

U666.1

A

1005-6734(2015)04-0438-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2015.04.004

2015-02-27；

2015-06-25

國家自然科學基金（61104199，61203199）

王國臣（1980—），男，博士，講師，從事激光陀螺及慣性導航研究。E-mail：wangguochen0912@yeah.net