陀螺尋北儀的軟硬件改進(jìn)技術(shù)研究

中國人民解放軍第一〇〇一工廠 張 翠 王 川 宋建鵬

人們都會(huì)習(xí)慣性的選擇擺式陀螺，擺式陀螺以其工程上的優(yōu)勢(shì)深受人們的喜愛，所以要針對(duì)擺式陀螺的軟硬件設(shè)備進(jìn)行研究剖析，并應(yīng)用到陀螺尋北儀中。目前市場(chǎng)上的尋北儀大部分都是蓄電式，無法長期工作，采用的力矩器的矩能力也不夠，補(bǔ)償裝置上也有很多不足。本文針對(duì)陀螺尋北儀的這些不足之處，對(duì)它的軟硬件提出了改進(jìn)技術(shù)研究，具體改進(jìn)技術(shù)研究如下。

1 陀螺尋北儀的硬件改進(jìn)

1.1 馬達(dá)供電裝置的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的擺式陀螺尋北儀需要定期更換電池，并且內(nèi)部含有多個(gè)導(dǎo)流絲，如果具備馬達(dá)供電裝置就可以大量減少陀螺內(nèi)部的導(dǎo)流絲并實(shí)現(xiàn)快速充電快速使用。針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)馬達(dá)供電裝置，在對(duì)這個(gè)硬件部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)要保證陀螺尋北儀的電力充足直到精確定位天文北，整個(gè)裝置中所采用的各個(gè)機(jī)械零件的設(shè)計(jì)和加工要符合相應(yīng)的加工精度標(biāo)準(zhǔn)和加工工藝要求，保障它們的位置和運(yùn)動(dòng)的精準(zhǔn)性。整個(gè)設(shè)計(jì)中，采用性能優(yōu)越的超級(jí)電容和一對(duì)式觸動(dòng)方案。超級(jí)電容可以實(shí)現(xiàn)瞬間充滿電，充分保存電力，一對(duì)式觸動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)陀螺尋北儀的快速啟動(dòng)并在啟動(dòng)瞬間完成充電，無需單獨(dú)安排每次數(shù)小時(shí)的充電時(shí)間。這樣一來就可以保證在任何需要使用尋北儀的時(shí)刻都能夠使用它。

（1）力矩器設(shè)計(jì)

力矩器的主要作用就是將陀螺房方位轉(zhuǎn)速信號(hào)變換為速度阻尼力矩。為提高尋北儀的尋北時(shí)間，增大它的矩能力，在力矩器中安裝一個(gè)精密磁芯軸連裝置，其中精密磁芯軸裝置都采用分秒級(jí)的細(xì)密珠軸作為連接，磁芯軸系精度主要需要機(jī)械加工和裝備進(jìn)行維持。內(nèi)軸和外軸之間的間隙要小于0.05mm，平面和直線蹦跳距要小于0.0006mm，同時(shí)要確保內(nèi)、外軸之間的轉(zhuǎn)動(dòng)平滑流暢，有條不紊。整個(gè)磁芯軸系機(jī)組中的主要零件的尺寸都要進(jìn)行配磨，從而保證整個(gè)機(jī)組的精準(zhǔn)性。在對(duì)內(nèi)、外軸進(jìn)行精加工前，要把內(nèi)外軸的表面進(jìn)行物化學(xué)氧化處理，各個(gè)小的零部件也要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的校時(shí)處理，達(dá)到提高整個(gè)機(jī)組穩(wěn)定性的目的。力矩器采用步伐距角度為0.453的用電機(jī)，也可作348精密步伐的用電機(jī)，采用三懸五掛的工作方法，一個(gè)單件機(jī)控制并帶動(dòng)陀螺和快速運(yùn)動(dòng)計(jì)件機(jī)組相對(duì)于基地座按照規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)，在實(shí)現(xiàn)增大力矩器刻度的同時(shí)也讓陀螺可以實(shí)現(xiàn)雙位置尋北，還可以增大力矩器的矩能力，從而達(dá)到提高尋北時(shí)間的目的。

（2）自動(dòng)數(shù)字偏置補(bǔ)償設(shè)計(jì)

自動(dòng)數(shù)字偏置補(bǔ)償機(jī)組主要由微模仿處理器、步伐啟電機(jī)及其電力驅(qū)動(dòng)電路、光驅(qū)編碼器及其破譯密碼電路構(gòu)成。采用最高分辨率60的顯示器。采用絕對(duì)式驅(qū)光電編碼器作為步伐啟電機(jī)位置監(jiān)測(cè)的反饋機(jī)構(gòu)，形成一個(gè)閉合的位置反饋控制系統(tǒng)。用9位單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制器的實(shí)時(shí)數(shù)字轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)步伐啟電機(jī)的位置有偏差，就會(huì)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整并補(bǔ)充。分部式光電打碼器，可以將碼盤、軸承和底座進(jìn)行一體化聯(lián)接設(shè)計(jì)。讓碼盤直接連接內(nèi)部內(nèi)軸承并進(jìn)行固連，一起隨著內(nèi)軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，用兩個(gè)dty連同照明系統(tǒng)進(jìn)行照明采光、并固定住支架讓它和底座緊緊相連，成為一體化部件。采用特殊裝配技術(shù)，進(jìn)行裝調(diào)，讓整個(gè)碼盤的回轉(zhuǎn)中心與軸承中心的的同軸旋轉(zhuǎn)度差別不超過0.0056mm，兩個(gè)dty的中心軸線和碼盤的回轉(zhuǎn)中心左右對(duì)稱誤差不超過0.0018mm。為了減小對(duì)dty進(jìn)行調(diào)裝時(shí)它的軸心和軸系發(fā)生一定程度的搖晃對(duì)后期測(cè)量邊角距的影響，還采用了對(duì)軸讀數(shù)互相運(yùn)算的方法。整個(gè)硬件設(shè)備采用核轉(zhuǎn)步法閉合監(jiān)測(cè)控制技術(shù)來保證轉(zhuǎn)臺(tái)的精確轉(zhuǎn)位，也就是利用光驅(qū)編電碼器的輸出光電信號(hào)，然后再利用電機(jī)微公式計(jì)算出步伐電機(jī)的累積微模擬步數(shù)，當(dāng)光驅(qū)步伐電機(jī)的微模擬步數(shù)等于原始的模擬步數(shù)時(shí)，光驅(qū)步伐電機(jī)就停止工作，可以保證擺動(dòng)位置的精準(zhǔn)性。

1.2 抗干擾控制電路設(shè)計(jì)

雙軸石英快速擺動(dòng)計(jì)時(shí)器的兩端輸出的電流信號(hào)都十分微弱，為了能檢測(cè)到快速旋轉(zhuǎn)計(jì)時(shí)器所發(fā)出的微弱電流信號(hào)，發(fā)現(xiàn)對(duì)它所產(chǎn)生的干擾信號(hào)，首先要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行ALL IN轉(zhuǎn)換。經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的微弱電壓信號(hào)可以得到數(shù)萬倍放大，并且可以直接入精密電路濾波器中對(duì)電信號(hào)進(jìn)行變化檢測(cè)，再經(jīng)過幅度和調(diào)整連鎖步驟接入A／V轉(zhuǎn)換芯片的釋放端，值得注意的是要選用美國AV公司的32位字符串A／V轉(zhuǎn)換芯片AV6425來完成整個(gè)A／V轉(zhuǎn)換。選取AV6425的具體參數(shù)為：釋放數(shù)據(jù)更新頻率：45Hz；系統(tǒng)增收：26；主時(shí)鐘：有LT--6752.7831MHz。AV6425轉(zhuǎn)換芯片的工作方式是雙極性輸入、不加緩沖。為了讓整個(gè)電路更加簡潔，基礎(chǔ)電壓和參照電壓都采用+3.6V的同一個(gè)精準(zhǔn)控制電壓源。在整個(gè)模擬電路中，輸入通道的標(biāo)準(zhǔn)正端可輸入電壓范圍為+1.57～+4.85 V。AV6425和D HU構(gòu)成的閉合轉(zhuǎn)換電路按照標(biāo)準(zhǔn)電路模板進(jìn)行連接。為了滿足陀螺尋北儀的性能要求，降低制造成本以及減小GYU板尺寸等幾個(gè)問題，現(xiàn)對(duì)兩個(gè)電路通道進(jìn)行信號(hào)模擬，采用同一時(shí)刻采樣、同一轉(zhuǎn)換方法進(jìn)行分別轉(zhuǎn)換的方式，利用DSQ的數(shù)字I／G和AV6425之間實(shí)現(xiàn)雙線口字符串通訊。DSQ的ITFY6和GYTU9引線腳分別作為溝通調(diào)整時(shí)鐘和命令端經(jīng)過J4HUSG6電平端口轉(zhuǎn)換后接入到AV6425的HWUI和DNY引線腳。整個(gè)模擬電路輸入通道的最小電壓和標(biāo)準(zhǔn)電輸入的正端接入+3.6V精密電壓。AV6425的HWUI和DNY引線腳經(jīng)過公用電阻分壓后分別與DSQ的ITFY6和GYTU9引線腳相連。通過查詢GYTU9和ITFY6的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步讀取AV6425芯片中存在的電路干擾源，然后對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行屏蔽。

2 陀螺尋北儀的軟件改進(jìn)

2.1 陀螺漂移算法

經(jīng)過尋北原理和算法的實(shí)際推理和演算可知，正常的陀螺漂移并不影響陀螺尋北儀的尋北精度。如果陀螺漂移發(fā)生改變的話，會(huì)對(duì)估計(jì)的結(jié)果產(chǎn)生影響，通過簡單的陀螺漂移算法可以簡單的說明：當(dāng)整個(gè)儀器沒有發(fā)生姿勢(shì)角改變并且不存在緯度誤差時(shí)，采用陀螺漂移算法可以提高陀螺尋北的精準(zhǔn)性。

陀螺漂移算法：

若這時(shí)的陀螺漂移為正常值，則式(2)右邊第二項(xiàng)為零，不影響尋北精度；否則，帶來的尋北誤差為：

從式(3)可以看出，陀螺漂移經(jīng)過旋轉(zhuǎn)調(diào)整制的余下量將會(huì)對(duì)它的尋北精度造成影響，這個(gè)余下量與陀螺在漂移過程中的穩(wěn)定性有著密切的關(guān)聯(lián)。陀螺漂移地越穩(wěn)定，經(jīng)過調(diào)整制后余下的漂移就越小，尋北精度也就越高。一般情況下，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)調(diào)整制以后，整個(gè)陀螺的等效精度能提高9～35倍；對(duì)于漂移穩(wěn)定性為0.1°／min的陀螺，經(jīng)過調(diào)整制后相同的陀螺漂移穩(wěn)定性可以達(dá)到0.01°／min，同時(shí)它的尋北精度可能達(dá)到3’～9’。由此可見，加入陀螺漂移算法可以快速提高尋北儀的尋北精度。

2.2 擺動(dòng)零位修正算法

擺動(dòng)零位產(chǎn)生的零位誤差會(huì)對(duì)陀螺尋北儀的尋北精度造成影響，所以要利用擺動(dòng)零位修正算法來消除其帶來的影響。當(dāng)陀螺在擺動(dòng)過程中產(chǎn)生零位誤差后，再把相對(duì)的地球自轉(zhuǎn)角速度分解到陀螺軸的分量中來進(jìn)行計(jì)算，不能夠得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，從而也就會(huì)造成尋北誤差，尋北誤差的級(jí)別和零位誤差呈正相關(guān)關(guān)系，下面研究擺動(dòng)零位修正算法來消除零位誤差。

擺動(dòng)零位修正算法如下：

式(4)可見，在陀螺正常擺動(dòng)是其體坐標(biāo)系的等效零位為：

從式(5)中可以看出，擺動(dòng)零位修正算法可以消除零位誤差。為常值時(shí)，則經(jīng)過調(diào)整制后均值為零，消除零位誤差；否則就有調(diào)整制余下量；對(duì)于零偏穩(wěn)定性為0.0005 mm/cz的擺動(dòng)零位，經(jīng)調(diào)整制后，零位的誤差也不見了，這樣一來就不會(huì)影響尋北精度了。

結(jié)語：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展，陀螺尋北裝置的應(yīng)用前景也越來越好，市場(chǎng)上已經(jīng)有了許多具備完整理論甚至已經(jīng)成型的產(chǎn)品，但經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，其仍有一些不足之處。本文針對(duì)陀螺尋北儀的軟硬件技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出了一些新的觀點(diǎn)和提高尋北精度的方法，希望可以對(duì)未來的陀螺尋北裝置的發(fā)展提供幫助。