旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)電慣性系統(tǒng)方案研究

邱麗玲，楊小軍,徐海剛，李海軍，孫 偉，鄧 亮，劉 沖

(1.北京自動(dòng)化控制設(shè)備研究所，北京 100074; 2. 駐沈陽(yáng)地區(qū)第四軍事代表室，沈陽(yáng) 110179)

0 引言

高精度、小型化是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的整體發(fā)展趨勢(shì)，微機(jī)電慣性系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量小、功耗低的突出特點(diǎn)[1-3]，在制導(dǎo)彈藥、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4-6]，但現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的微機(jī)電慣性系統(tǒng)精度仍在消費(fèi)級(jí)與戰(zhàn)術(shù)級(jí)之間，誤差隨時(shí)間累積而快速增加，并不具備高精度特性。一般可以通過(guò)器件層面和系統(tǒng)層面來(lái)提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度。器件層面是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，開(kāi)發(fā)出精度更高的慣性儀表，這種方式需要技術(shù)與工藝的不斷改進(jìn)，開(kāi)發(fā)周期性長(zhǎng)，耗資巨大，技術(shù)難度大，前景未知；系統(tǒng)層面可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，借助旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使慣性器件的常值漂移能夠自動(dòng)抵消導(dǎo)航產(chǎn)生的誤差，以此來(lái)減小系統(tǒng)誤差的積累，提高導(dǎo)航精度[7-8]，已廣泛應(yīng)用于光學(xué)慣導(dǎo)系統(tǒng)[9-10]，是一種目前較為值得借鑒的提高微機(jī)電慣性系統(tǒng)精度的方式。

隨著微機(jī)電陀螺精度的不斷突破與提高，國(guó)內(nèi)微機(jī)電陀螺零偏穩(wěn)定性已經(jīng)優(yōu)于1(°)/h，具備開(kāi)展旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)。同時(shí)，可以通過(guò)微加工和微組裝的方式，采用芯片化、高集成的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和角測(cè)量裝置，實(shí)現(xiàn)慣性測(cè)量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)臺(tái)體的高精度旋轉(zhuǎn)控制。

本文從旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的基本原理出發(fā)，探討了旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)在微機(jī)電慣性系統(tǒng)的應(yīng)用方案，分析了引入小型化印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)電機(jī)后系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式；最后，利用已研制的捷聯(lián)式微機(jī)電慣性系統(tǒng)開(kāi)展旋轉(zhuǎn)調(diào)制試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)電慣性系統(tǒng)方案的可行性，以及該型系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)調(diào)制條件下能達(dá)到的極限精度，并對(duì)了比捷聯(lián)式微機(jī)電慣性系統(tǒng)精度。

1 旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)基本原理

慣導(dǎo)系統(tǒng)的誤差方程為[11]

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闌尾炎是一種在臨床上常見(jiàn)的炎癥，屬于外科急腹病的一種常見(jiàn)類型[4]。闌尾炎的成因幾乎都源于細(xì)菌感染，同時(shí)由于闌尾發(fā)生阻礙而導(dǎo)致闌尾炎的現(xiàn)象也很常見(jiàn)。在闌尾發(fā)生阻礙的情況中，糞石阻礙是一個(gè)重要因素，往往會(huì)導(dǎo)致闌尾炎的產(chǎn)生。闌尾炎在臨床上有很多的分類，除了人們所熟知的急性闌尾炎與慢性闌尾炎之外，急性闌尾炎又可以分為多種不同的情況。

天葬師望著飛速接近的棘球，自知再無(wú)法閃躲。他的表情冷得可怕，空洞的雙目，閃過(guò)了一道紅芒。而后，他雙足重重一踏天葬臺(tái)，大力之下，竟陷入了青玉臺(tái)面半尺多深，他將天葬刀橫在胸前，右手握著刀柄，左手抵著刀面，張開(kāi)骷髏一般黑洞洞的大口，發(fā)出了一聲嘶啞的號(hào)叫。

因此，有必要將旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于微機(jī)電慣性系統(tǒng)，全面促進(jìn)高精度微機(jī)電慣性系統(tǒng)發(fā)展。

對(duì)于單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)電慣性系統(tǒng)，假設(shè)系統(tǒng)以角速度ω繞天向勻速旋轉(zhuǎn)，則t時(shí)刻由陀螺引起的測(cè)量誤差為

(3)

19世紀(jì)德國(guó)著名的民主主義教育家第斯多惠曾說(shuō)過(guò)：“教育的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在善于激勵(lì)、喚醒和鼓舞。一個(gè)壞的教師奉送真理，一個(gè)好的教師則教人發(fā)現(xiàn)真理。”我堅(jiān)信，在“新課標(biāo)、新理念”的指導(dǎo)下，我們不斷地學(xué)習(xí)、領(lǐng)悟課標(biāo)內(nèi)涵，在教學(xué)實(shí)踐中不斷反思，一定能為實(shí)現(xiàn)《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》強(qiáng)調(diào)的“促進(jìn)德育、智育、體育、美育有機(jī)融合，提高學(xué)生綜合素質(zhì)，使學(xué)生成為德智體美全面發(fā)展的社會(huì)主義建設(shè)者和接班人”這宏偉而遠(yuǎn)大的教學(xué)目標(biāo)添上一道美麗的彩虹。因此，只有領(lǐng)悟“新課標(biāo)”對(duì)教學(xué)的要求，才能開(kāi)辟出那片屬于孩子們理想中的綠洲，彰顯真語(yǔ)文。

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（8）建立個(gè)人閱讀管理空間：個(gè)人管理空間主要是記錄個(gè)人信息的板塊，可以包括個(gè)人的實(shí)名信息，在線閱讀學(xué)習(xí)記錄，個(gè)人閱讀積分累計(jì)以及積分排名榜等等。對(duì)于學(xué)生個(gè)人信息應(yīng)從高校學(xué)生檔案系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，保證實(shí)名信息的真實(shí)性和有效性。

(5)

(6)

由式(4)和式(6)可以看出，通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)可以調(diào)制掉與轉(zhuǎn)軸垂向的陀螺常值漂移和加速度計(jì)零偏，在一定程度上可以提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。

2 微旋轉(zhuǎn)方案探討

由上述分析可知，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)可以有效提高微機(jī)電慣性系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要借助于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和角測(cè)量裝置，而微機(jī)電慣性儀表體積小，封裝后尺寸為 11.0mm×11.0mm×1.5mm左右(如圖1所示)，需要采用芯片級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)微機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行周期性旋轉(zhuǎn)，以自動(dòng)抵消微機(jī)電慣性儀表的誤差，提高微機(jī)電慣性系統(tǒng)精度。

同理，對(duì)于加速度計(jì)

圖1 微機(jī)電慣性儀表 Fig.1 MEMS inertial instrument

現(xiàn)階段隨著微小型高精度電機(jī)技術(shù)的突破，可以在微機(jī)電慣性系統(tǒng)高密度集成的基礎(chǔ)上，開(kāi)展小型化旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用。通過(guò)PCB電機(jī)電磁驅(qū)動(dòng)技術(shù)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)[12-13]，采用基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差抑制算法，實(shí)現(xiàn)基于微機(jī)電旋轉(zhuǎn)調(diào)制的高精度慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。具體技術(shù)方案如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)方案設(shè)計(jì) Fig.2 The scheme design of rotating modulation

首先，利用基于PCB電機(jī)的電磁驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、基于微球溝槽的平臺(tái)支撐、PCB電機(jī)高功率驅(qū)動(dòng)環(huán)路設(shè)計(jì)以及電機(jī)矢量控制算法設(shè)計(jì)等技術(shù)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，建立基于權(quán)重系數(shù)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。采用混合粒子群算法對(duì)PCB電機(jī)的極對(duì)數(shù)、磁鋼數(shù)、間隙等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，提高轉(zhuǎn)矩密度，實(shí)現(xiàn)基于PCB電機(jī)的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)法隧道施工引起的地表沉降提出了一系列分析方法。文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出地表沉降槽近似呈正態(tài)分布，并總結(jié)出相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[2]基于PECK公式，提出采用超幾何方法計(jì)算雙線平行盾構(gòu)施工引起的地面沉降。文獻(xiàn)[3]對(duì)上海軟粘地層中盾構(gòu)試驗(yàn)段進(jìn)行了計(jì)算分析，提出了考慮固結(jié)因素的修正Peck公式。文獻(xiàn)[4]在Peck公式的基礎(chǔ)上提出了負(fù)地層損失的估算公式。但因各地的地質(zhì)條件千差萬(wàn)別，施工方法和盾構(gòu)類型亦有所差異，因此對(duì)其研究鮮有概括性結(jié)論。

其次，通過(guò)微型滑環(huán)與柔性電刷集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)小型化旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的高可靠性、高穩(wěn)定性多傳感器高密度信號(hào)互連與通信。

圖3 旋轉(zhuǎn)平臺(tái)精度控制模擬裝置 Fig.3 The precision control of rotating platform

再次，采用面向微平臺(tái)的微小型角位移傳感器，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的閉環(huán)控制(如圖3所示)。通過(guò)研究微小型角位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、基于微機(jī)電慣性系統(tǒng)工藝的角位移傳感器加工制造、基于數(shù)模混合單片集成的低功耗專用集成電路設(shè)計(jì)、微角位移傳感器誤差辨識(shí)與抑制，完成微小型角位移傳感器的研制，為PCB電機(jī)矢量控制提供角度信息，實(shí)現(xiàn)小型化旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的高精度控制[14-15]。

最后，針對(duì)性設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，消除旋轉(zhuǎn)軸刻度系數(shù)誤差及相對(duì)于垂直軸的安裝誤差，確定旋轉(zhuǎn)調(diào)制過(guò)程中激發(fā)誤差及抑制誤差的最優(yōu)方案，以實(shí)現(xiàn)微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的高精度導(dǎo)航目標(biāo)。

可以看出，系統(tǒng)的導(dǎo)航精度取決于對(duì)準(zhǔn)階段的姿態(tài)角誤差和慣性器件的測(cè)量誤差。

中軸對(duì)稱，功能分區(qū)，主次鮮明等帶有濃郁社會(huì)倫理關(guān)系的建筑觀念，是傳統(tǒng)教育建筑設(shè)計(jì)的核心思想[3]。但隨著工業(yè)化的沖擊以及教育觀念的轉(zhuǎn)變，教育建筑也漸漸走出書院式設(shè)計(jì)的影響，帶有了鮮明的工業(yè)化、模數(shù)化特點(diǎn)。而如今現(xiàn)在城市中，緊湊型用地讓校園集約格局開(kāi)始崛起。我們通過(guò)分析傳統(tǒng)校園格局、現(xiàn)代校園特點(diǎn)以及校園建筑集約化格局，探討總結(jié)各環(huán)境下校園建筑格局及特點(diǎn)(表1） 。

在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，對(duì)微機(jī)電陀螺引起的誤差進(jìn)行積分，可以得到微機(jī)電慣性系統(tǒng)的失準(zhǔn)角為

3 旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)在微機(jī)電慣性系統(tǒng)中的應(yīng)用，研制了單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)電慣性系統(tǒng)樣機(jī)，由單軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、微機(jī)電陀螺、微機(jī)電加表、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和二次電源構(gòu)成。其中微機(jī)電慣性儀表性能如表1和表2所示。

表1 微機(jī)電陀螺性能指標(biāo)

表2 微機(jī)電加速度計(jì)性能指標(biāo)

3.1 尋北試驗(yàn)驗(yàn)證

采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，理論上尋北精度只受隨機(jī)游走噪聲影響。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用連續(xù)正反轉(zhuǎn)方案進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速為10(°)/s的條件下,進(jìn)行6條次5 min單位置尋北試驗(yàn)。利用卡爾曼濾波方法對(duì)離線數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以發(fā)現(xiàn)，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)后尋北精度約為0.3°(1σ)，明顯優(yōu)于同等器件精度的捷聯(lián)式系統(tǒng)的4.1°(1σ)，該方案具備一定可行性。表3所示為旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案和捷聯(lián)方案尋北航向角統(tǒng)計(jì)結(jié)果對(duì)比。

表3 尋北統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 導(dǎo)航試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)電慣性系統(tǒng)導(dǎo)航性能，在轉(zhuǎn)速為10(°)/s的條件下進(jìn)行6條次單軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航試驗(yàn)。在對(duì)準(zhǔn)5min條件下，純慣性導(dǎo)航(靜態(tài)導(dǎo)航)精度約為0.2n mile/10min(CEP)；捷聯(lián)方案系統(tǒng)在對(duì)準(zhǔn)5min條件下，純慣性導(dǎo)航精度約為2n mile/10min。兩種方案位置誤差變化對(duì)比曲線如圖4和圖5所示。

圖4 捷聯(lián)方案位置誤差變化曲線 Fig.4 The curve of position error(Strapdown system)

圖5 旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案位置誤差變化曲線 Fig.5 The curve of position error (Rotation-modulation)

4 結(jié)論

1)本文針對(duì)微機(jī)電慣性系統(tǒng)，提出了微旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案以提高微機(jī)電慣性系統(tǒng)的精度，并開(kāi)展了單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案下，尋北精度約為0.3°(1σ)；在對(duì)準(zhǔn)5min條件下，純慣性導(dǎo)航精度約為0.2n mile/10min(CEP)。

2)本文首次提出了基于PCB小型化電機(jī)的方案，具體研究中的系統(tǒng)集成了陀螺、加速度計(jì)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、電源、電路、滑環(huán)、角測(cè)量裝置等多種器件，后續(xù)需要進(jìn)一步考慮系統(tǒng)熱、磁對(duì)微機(jī)電慣性器件的影響。

3)后續(xù)研究中需要根據(jù)微機(jī)電慣性器件的特性，針對(duì)性設(shè)計(jì)合理的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，確定轉(zhuǎn)停方式、轉(zhuǎn)動(dòng)次序和轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)導(dǎo)航精度。

TCP協(xié)議的通信過(guò)程為：服務(wù)器端必須首先通過(guò)指定IP地址以及端口名建立偵聽(tīng)，等待客戶端響應(yīng)連接；然后客戶端向?qū)?yīng)的服務(wù)器所設(shè)定的IP地址和端口發(fā)出連接請(qǐng)求；待服務(wù)器與客戶端成功建立連接后，雙方方可通過(guò)讀寫函數(shù)控件收發(fā)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需先從客戶端斷開(kāi)連接后服務(wù)器才能斷開(kāi)連接。

4)高精度角測(cè)量裝置是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)調(diào)制的關(guān)鍵，微機(jī)電慣性系統(tǒng)體積小，如何有效利用空間實(shí)現(xiàn)高精度角測(cè)量是關(guān)鍵問(wèn)題。