一種捷聯慣性導航系統的旋轉控制機構設計技術

董 旭，董建樹，王 惠，嚴宗睿

(1.北京機電工程研究所，北京 100074；2.北京振興計量測試研究所，北京 100074; 3.海軍指揮學院，南京 210016)

0 引言

當前，國外高精度光纖陀螺旋轉調制慣導系統正在逐漸替代價格昂貴的靜電陀螺慣導系統，為艦船提供高精度、低成本、長航時的慣性導航系統。為了在現有光纖陀螺精度基礎上進一步提高捷聯慣性導航系統的導航精度，采用誤差自補償的旋轉調制技術勢在必行[1-2]。

旋轉調制型捷聯慣性導航系統的旋轉方式可以分為兩類：一是慣性元器件所在的殼體旋轉，二是整個慣性測量組件所在的臺體旋轉。旋轉調制型捷聯慣性導航系統的旋轉方式眾多，旋轉調制型慣導系統根據轉軸數目可分為單軸系統、雙軸系統、三軸系統，每種類型有不同的轉動方案，可分為連續往復轉動、間斷型多位置轉停等轉動方案[3-4]。

當前, 連續旋轉對準方式成為光纖陀螺慣導系統實現高精度對準的一種有效技術手段。采用單軸旋轉光纖陀螺捷聯慣性導航系統的連續旋轉方案，研究單軸連續旋轉控制機構的設計技術，通過光纖陀螺慣性測量組件(IMU)繞旋轉軸作有規律的運動，對慣性器件的誤差在旋轉周期內進行調制, 補償慣性器件的漂移誤差，控制導航誤差隨時間延長的增長，從而大幅提升系統對準精度和對準收斂速度, 成為工程應用研究的熱點之一。

1 工作原理和設計方案

慣導系統單軸旋轉調制技術的實現方法是將慣性測量單元(IMU)安裝在單軸旋轉機構上，旋轉機構帶動 IMU 按照事先設定的轉動規律繞旋轉軸相對載體轉動。為了實現方便，轉臺的旋轉軸與載體水平面垂直。在普通的往復旋轉控制方式下，旋轉機構以單軸測角裝置的360°范圍值為依據，帶動慣性測量單元以設定的速率進行從光碼盤的0°運動到360°，然后從360°運動到0°的往復旋轉。往復旋轉運動的理想效果是：旋轉機構圍繞載體坐標系的基準角，作勻速的往復旋轉。

航向解藕往復旋轉模式是航向追蹤運動與往復旋轉運動的兩種矢量疊加。假設載體靜止，IMU 會相對導航系按照設定的規律轉動。但是在工程實際中，載體總是進行各種各樣的運動，載體的角運動與 IMU 的轉動耦合。在載體航向運動的影響下，IMU 再按原來設定的方案旋轉時，相對導航系并不是按照理想設定的規律旋轉，影響到旋轉調制的效果。在導航系中，等效陀螺漂移與載體的航向角幅度、角頻率、載體航向的發生時刻、航向角運動時間長短和 IMU 相對載體的轉動時刻相關。由于載體的航向運動，IMU 在導航系中的運動沒有規律，在一個旋轉周期內，器件誤差積分不為零，即載體航向運動抵消了 IMU 旋轉的調制效果。如果載體航向運動的角度始終與 IMU 相對載體旋轉的角度大小相等方向相反，那么在導航系中的器件測量誤差沒有發生變化，載體航向運動就完全抵消了旋轉調制的效果。理想情況下，利用計算的載體姿態數據和設定的旋轉調制規律驅動 IMU 轉臺相對載體轉動，可以有效消除載體航向運動的影響，使系統與載體的航向運動相隔離，以便 IMU 相對于導航系進行有規律地轉動。INS與IMU之間的位置慣性如圖1所示[5-6]。

圖1 INS與IMU之間的位置關系示意圖

航向解藕往復旋轉模式以地理坐標系為基準坐標系，以解調后的初始航向角為零位，根據解調后的航向角和角速度，能夠在0～360°之間以指令角速率恒速往復運動。航向解耦的理想效果是：無論載體(INS)航向如何變化，旋轉機構都圍繞地理坐標系的基準角，作勻速的往復旋轉[7-8]。

旋轉機構的設計方案集電子、自控、軟件、機械于一體，工作原理如下：慣導中的慣性測量單元置于旋轉機構上，直流電機通過變速箱軸承驅動旋轉機構轉動，通過測角裝置上傳角位置，旋轉機構返回零位置，等待導航計算機發送的指令，旋轉機構帶動慣性測量單元以設定的速率和旋轉方式進行旋轉，或者接收導航計算機發送的位置指令，以固定的速率轉到要求位置，并在該位置穩定。同時，通過串口將旋轉機構實時信息傳遞至外部的導航計算機[9]。

旋轉機構主要實現兩種功能，一是能夠接收導航計算機發送的速率指令，以設定的速率和旋轉方式進行旋轉；二是能夠接收導航計算機發送的位置指令，以固定的速率轉到要求位置，并在該位置穩定。另外，旋轉機構還必須具有上電自檢和工作過程中進行巡檢的功能，并將檢測結果通過狀態字發送給慣導。旋轉機構工作過程中若發現“失速”等非硬件損壞性故障，在旋轉控制電路的處理器還能與慣導正常通訊的情況下，在慣導發送復位命令后，旋轉機構應能復位，控制程序重新開始執行[10]。

為滿足功能和性能要求，旋轉機構的設計方案綜合考慮系統級實際工作要求，將傳感器、處理器、控制器融合在一個機械結構體內。旋轉機構主要由旋轉控制電路、旋轉控制軟件、單軸測角裝置、直流電機等分部件組成，旋轉機構組成及配套關系如圖2所示。其中，旋轉控制電路及其控制軟件負責完成采集測角信息，實現對電機的速度驅動，并完成與慣導的通訊。外部的導航計算機向旋轉控制電路和測角裝置發送同一個同步信號，旋轉控制電路和導航計算機同時接收測角裝置發送的測角數據。小型直流電機負責執行旋轉控制電路的旋轉功能。

圖2 旋轉機構系統框圖

2 硬件設計

2.1 控制電路的設計

旋轉控制電路負責完成采集測角信息，實現對電機的速度驅動，并完成與慣導的通訊，接收指令和發送數據及狀態[11-12]。旋轉控制電路定時獲得準確的測角裝置角度，控制系統通過數模轉換器和運放驅動直流電機，利用它與處理器、電機和測角裝置構成一個完整的運動控制系統。旋轉控制電路的原理如圖3所示。

圖3 旋轉控制電路的原理圖

旋轉控制電路的3D如圖4所示。

圖4 旋轉控制電路的3D圖

2.2 單軸測角裝置的選型

單軸測角裝置主要應用于旋轉機構角度測量系統。旋轉機構根據單軸測角裝置輸出角度信號對IMU進行運動控制，包括角位置控制和角速度控制。旋轉機構選用長春光機所的單軸測角裝置(光碼盤)，分辨率優于2.5″；同步信號響應延時不大于5 μs(單軸測角裝置在同步信號的下降沿后5 μs之內進行角度采樣)；完成數據輸出(從接收同步信號開始)小于100 μs；功耗不大于1 W；允許最高機械轉速不小于20 rpm。

單軸測角裝置的工作方式如圖5所示，測角裝置以中斷方式響應同步信號的下降沿，觸發角度采樣，然后輸出角度數據，從接收到同步信號開始到完成數據輸出小于100 μs[13]。

圖5 單軸測角裝置工作方式

單軸測角裝置通過導航計算機向旋轉控制電路和測角裝置發送同一個同步信號，旋轉控制電路和導航計算機同時接收測角裝置發送的測角數據，如圖6所示。具體實現為:導航軟件進入1 ms定時中斷程序，陀螺選通時將同步信號發出，測角裝置接收到同步信號后最大采樣延時為5 μs[14]。

圖6 旋轉機構數據同步原理示意圖

單軸測角裝置的數字量與角秒之間的換算關系為：

(1)

反過來，1角分代表的單軸測角裝置數字量為：

(2)

在旋轉過程中，假設角速度為5(°/s)，則由于軟件延時5 ms形成的角誤差為：

(3)

該式表明調節精度為90″。

2.3 電機的選型

根據前期對4.5 kg旋轉體的需要的驅動轉矩的測量和計算，所需轉矩如下：

1)克服摩擦力矩所需轉矩：摩擦轉矩包括單軸測角裝置軸承、力矩電機軸承、力矩電機電刷的摩擦轉矩、潤滑脂對軸承摩擦轉矩的影響以及由于系統裝配不完全同軸所帶來的負載的增加部分等等。由于不易通過計算得到準確值，因此用掛砝碼的方法對單軸測角裝置的摩擦力矩進行測量，砝碼重量為0.104 kg，力臂約為12.5 mm，結果為：

0.104×9.8×0.0125=0.01225 Nm(P=mgL)

(4)

電機總的摩擦轉矩，根據0.6 V的起動電壓，估算為：

(0.7～0.8)×0.6/24=(0.0175～0.02)Nm

(5)

因此常溫條件下，旋轉機構的摩擦轉矩約為0.03 Nm(疊加)。考慮低溫摩擦力矩增大，取摩擦力矩0.1 Nm；

2)旋轉機構加速運動所需轉矩：正常工作狀態下，由轉動慣量產生的負載最大值發生在換向加速結束時，此時按系統要求旋轉機構的最大角速度達到100°/s(17 rpm)，因此所需轉矩為：

Tj1=Jdω1/dt=0.01969×100/57.3=0.034 Nm

(6)

3)跟蹤載體加速旋轉所需轉矩：根據某型慣導試驗數據，瞬間角加速度不大于 1500 °/s2，則為保證旋轉機構平穩旋轉的轉矩為：

Tj2=Jdω2/dt=0.01969×1500/57.3=0.515 Nm

(7)

4)旋轉部分偏心在沖擊條件(15 g/11 ms)下產生的轉矩：根據復算結果，旋轉部分偏心距為0.23 mm，旋轉體重量為4.6 kg，考慮機構放大1.8倍(總體提供數據)，實際加速度達到27 g,因此旋轉體偏心受沖擊影響，產生的轉矩為:

Tp=Mal=4.6×27× 9.8 ×0.23×10-3=0.28 Nm

(8)

綜上，在極端條件下電機所需要提供的轉矩為上述轉矩的合力，即:

T=0.1+0.034+0.515+0.28=0.929 Nm

(9)

考慮到極端條件(例如載體1 500°/s2)出現幾率較小，按極端條件的50%計，對旋轉體進行配重調平降低偏心距，降低沖擊產生的50%轉矩，因此電機所需提供的力矩為:

T=0.1+0.034+0.2575+0.15=0.54 Nm

(10)

按目前對系統的架構設想，內環旋轉體上僅有加速度計和陀螺組合，重量應在3.5 kg左右，為了對慣性器件進行有效的磁屏蔽，設計還將要在旋轉體外部用磁屏蔽材料做一個外罩，因此旋轉負載體的重量應在5 kg左右。所以以上述計算的力矩選擇電機。

5)單軸測角裝置與電機之間傳動的計算：單軸測角裝置的轉速與控制電機速度的電壓量之間的關系式為：

Vtarget=K·N

(11)

其中：Vtarget表示控制電機速度的電壓(V);K表示電機變速箱和齒輪等共同作用形成的轉速比例系數;N表示光碼盤的轉速(rpm)。

單位rpm與單位(0.00001 °/s)之間的換算關系式為：

N·360°/60 s=ω/105(°)/s

(12)

其中：ω表示單軸測角裝置的角速度，單位：0.00001 °/s。1 rpm=6 °/s。

3 軟件設計

3.1 旋轉機構的軟件功能

旋轉機構采用以單片機為核心的數字控制系統，因此旋轉機構的控制策略通過旋轉控制軟件設計來實現，其工作內容包括：

1)單片機各寄存器和變量的初始化；

2)與導航計算機通信，接收導航計算機運動控制命令，并向導航計算機反饋旋轉機構狀態；

3)產生單軸測角裝置同步信號，并接收單軸測角裝置輸出角度信號；

4)對電機進行控制，實現導航計算機發送的運動控制命令；

5)旋轉機構相應的保護功能。旋轉控制軟件由主程序和中斷服務子程序兩大部分組成，按功能將軟件分為三部分：系統初始化、中斷服務和執行導航計算機命令[15-16]。

主要軟件部件內部接口控制流如圖7所示。

圖7 軟件內部接口示意圖

旋轉控制軟件的流程主要包括如下步驟：

1)實現中央處理器的初始化功能。對旋轉機構的中央處理器各寄存器和變量的初始化；

2)對旋轉機構進行自檢活動尋零，確保旋轉機構開機后的位置處于起始零位；

3)循環解讀導航命令，并執行相應動作；

4)隨時響應CPU定時中斷和外部中斷申請，執行相應的中斷服務子程序。

導航計算機從外部向旋轉機構下達各種導航命令，這些命令產生的條件分別為：

1)當旋轉機構工作異常需要糾正時，外部發出命令復位；

2)當需要旋轉機構正常工作時，外部發出命令往復旋轉控制；

3)當需要旋轉機構在某個角度靜止時，外部發出命令絕對位置控制；

4)當需要旋轉機構以指定的速度旋轉時，外部發出命令速度控制；

5)當需要旋轉機構相對于某個固定角度作旋轉并在另一個相關角度靜止時，外部發出命令相對位置控制；

6)當需要旋轉機構根據慣導的要求一次性連續單向旋轉多圈時，外部發出命令在線標定控制；

7)當需要旋轉機構根據慣導的要求一次性旋轉到指定角度時，外部發出命令初始標定控制；

8)當需要旋轉機構需要實時跟蹤載體外部的航向與航速變化，從而實現相對地理坐標系的往復旋轉時，外部發出命令航向解耦往復旋轉控制。

在上述步驟的過程中任何時刻，響應不同的中斷源并保存新命令。待前一個命令的動作完成后，再執行最新命令的動作[17-18]。

各種中斷源如下所示：

1)中斷源(1 優先級最高)REST：復位中斷；

2)中斷源(2 優先級高)INT0：外部同步信號請求中斷；

3)中斷源(3 優先級次高)TIMER0 OVF：定時器0中斷，允許中斷嵌套；

4)中斷源(4 優先級中)USART1 RX：通訊串口1收結束的中斷；

5)中斷源(5 優先級低)USART1 TX：通訊串口1發結束中斷；

中斷源(6 優先級最低)USART2 RX：通訊串口2收結束的中斷。

3.2 旋轉裝置控制方法和工作模式

旋轉裝置控制方法的流程包括如下步驟：

1)實現中央處理器的初始化功能。對旋轉裝置的中央處理器各寄存器和變量的初始化。

2)對旋轉裝置進行自檢尋零，確保旋轉裝置開機后的位置在起始零位；

3)解讀導航命令，并執行相應動作；

外部計算機向雙軸旋轉裝置下達各種導航命令，這些命令產生的條件分別為：

當旋轉裝置工作異常需要糾正時，外部發出命令復位；

當需要旋轉裝置正常工作時，外部發出命令往復旋轉控制；

當需要旋轉裝置在某個角度靜止時，外部發出命令絕對位置控制；

當需要旋轉裝置需要實時跟蹤載體外部的航向與航速變化，從而實現相對地理坐標系的往復旋轉時，外部發出命令航向解耦往復旋轉控制。

在上述步驟的過程中任何時刻，響應不同的中斷源并執行相應命令。

旋轉機構能夠提供8種工作模式：絕對位置控制模式、相對位置控制模式、速度控制模式、往復旋轉暫停控制模式、普通往復旋轉控制模式、航向解耦往復旋轉控制模式、在線標定控制模式、初始標定控制模式[18-20]。

一般情況下，旋轉機構工作在絕對位置控制、普通往復運動控制、航向解耦往復旋轉控制3種工作模式。各種工作模式的功能、有效參數見表2。

表2 旋轉機構工作模式表

旋轉控制軟件在旋轉機構通電復位后開始運行，是單獨運行的程序。每次通電后，旋轉控制軟件首先進行系統的初始化，包括了CPU相關寄存器的設置、變量賦初值和旋轉機構的尋零操作[21]。

系統初始化完畢之后，旋轉機構進入正常工作狀態。旋轉控制軟件將根據接收到的導航計算機控制指令進行相應的運動控制，包括絕對位置控制、往復運動控制、航向解耦、在線標定等8種控制模式。同時，旋轉控制軟件響應同步信號中斷，向導航計算機返回旋轉機構的狀態信息，包括計算同步時刻旋轉機構的角度和角速度信息、旋轉機構控制狀態信息和故障巡檢結果[22]。

當旋轉機構在運動過程中出現直流電機停轉以及連續長時間未能正常接收到單軸測角裝置角位置信息時，旋轉機構將進入故障保護模式，關閉直流電機驅動輸出，旋轉機構處于自由狀態，直至故障消除。

3.3 程序設計

旋轉控制軟件的主程序工作流程如圖8所示。在主程序中，單片機各寄存器和變量的初始化，上電自檢和工作過程中進行巡檢，解讀導航計算機發送的運動控制命令，對電機進行控制。電路軟件能夠實現的思路如下：

圖8 旋轉控制軟件主程序流程圖

1)能夠接收慣導發送的速率指令，以設定的速率和旋轉方式進行旋轉；

2)能夠接收慣導發送的位置指令，以固定的速率轉到要求位置，并在該位置穩定；

3)能夠執行上電自檢和工作過程中進行巡檢的功能，并將檢測結果通過狀態字發送給慣導。

在定時中斷子程序中，單片機定時產生單軸測角裝置同步信號，并接收單軸測角裝置輸出角度信號，解算角位置和角速度，向導航計算機反饋旋轉機構狀態。在外部串口通訊中斷子程序中，單片機與導航計算機通信，接受導航計算機運動控制命令。

3.4 PID算法

在增量式速度PID算法子程序中，通過參數整定獲得最佳效果，從小到大順序查；先是比例后積分，最后再把微分加。增量式PID控制結構如圖9所示，仿真結果如圖10所示。

圖9 增量式PID控制結構

圖10 PID控制響應曲線

3.5 電機控制

典型的電機轉向切換過程包括：啟動加速、運動勻速和制動減速3個階段。

快速啟動時，轉速與轉距的動態響應很重要，可以提供高于正常速度的模擬電壓來改善轉速的上升特性。無刷直流電機的啟動轉距與啟動電流、轉子相對于電樞繞組的位置有關。電機的電樞啟動電流計算公式如下：

(14)

其中:U為調試速度電壓(V),ΔU為功率管飽和壓降，racp為繞組平均電阻。

4 試驗與結果分析

4.1 角位置定位試驗

4.1.1 角位置試驗方法

旋轉機構初始化完成后，采用絕對位置控制模式使旋轉機構依次旋轉到要求驗證的定位位置(0°、90°、180°和270°)，并記錄旋轉機構定位后的角度穩定值，每個位置定位至少7次。

4.1.2 角位置精度、穩定性評定標準

按如下公式計算每個定位角度的精度eθ，旋轉機構的定位精度由其中最大的eθ值來進行評定。

(15)

式中,θi為第i個角度樣本值(°/s)；θref為目標角度(°/s)；n為角度樣本數，至少大于6。

角位置定位穩定性按如下方法評定：旋轉機構初始化完成后，采用絕對位置控制模式使旋轉機構依次旋轉到要求驗證的定位位置(0°、90°、180°和270°)，定位時間不小于60秒，記錄旋轉機構定位后的角度穩定值。角位置定位穩定性的計算公式如下所示，由其中最大的σθ值來進行評定：

(16)

式中,θi為第i次定位角度值(°)；θref為設定定位角度值(°)；n為角度樣本數，至少大于6。

4.2 角速率精度試驗

4.2.1 角速率精度試驗方法

表3 普通往復運動控制參數設定值

旋轉機構初始化完成后，采用光碼盤普通往復旋轉模式，按照上表設定往復運動的角度幅值和角速率后啟動選擇旋轉機構。如果缺乏導航計算機，可以用工控機代替導航計算機向旋轉機構發送虛擬命令開展試驗。旋轉機構運動過程中數據由旋轉機構監控軟件進行記錄。

4.2.2 角速率精度評定標準

對每個給定速率條件下速率穩定后的數據采用定時測角法進行處理，角速率等于相鄰采樣角度差值Δθ與采樣周期T的比值。角度值由旋轉控制電路定時反饋。角速率樣本數不少于10。

按下列公式計算每個設定角速率條件下的角速率精度eω，旋轉機構的角速率精度由各個速率命令計算的最大誤差eω值來進行評定。

(17)

按照下列公式計算每個角速率命令條件下角速率平穩性σω，旋轉機構的角速率平穩性由其中最大的σω來進行評定。

(18)

式中，ω0為角速率目標值(°/s)；ωref為第i個角速率樣本值(°/s)；n為角速率樣本數，至少大于6。

角速率的計算處理公式為：

V1s計算b=V1s真+ΔVb=θTb-θTb-1s

(19)

式中，V1s真，ΔVb分別為間隔周期為1 s的理論角速率真值和實際測量誤差；θTb，θTb-1s分別為當前與1 s之前的光碼盤角度值。當V1s真為10°/s時，ΔVb一般不超過0.3°/s，數值很小。另外，周期為1 s的角速率統計平均值能夠很好地被控制調節。

4.3 結果分析

根據捷聯慣導的環境應力篩選工作安排，旋轉機構隨捷聯慣導依次完成靜態、振動、沖擊、高低溫試驗，試驗結果表明，產品功能和性能指標滿足任務要求。某批次的旋轉機構的角速率和角度曲線圖分別如圖11～13所示，技術指標對照表見表4。

表4 旋轉機構技術指標對照表

圖12 角速率(5°/s)曲線圖

圖13 角度(0°，90°，180°，270°)曲線圖

5 結束語

連續旋轉對準方式成為光纖陀螺慣導系統實現高精度對準的一種有效技術手段。這里提出一種實現單軸旋轉導航系統的低功耗、低成本、中精度旋轉控制方案，試驗結果表明，旋轉機構的功能和性能均滿足技術要求，為更好地發揮單軸旋轉調制光纖陀螺捷聯慣導產品的導航能力提供了有力的支持。