一種混合式慣性平臺系統的製作方法

2023-10-09 01:30:24 2

本發明涉及一種混合式慣性平臺系統，尤其涉及一種適應載體全姿態機動運行、多信息融合控制的慣性平臺系統，可適用於要求全姿態的彈道飛彈、巡航飛彈、戰鬥機等，屬於慣性測量技術領域。

背景技術：

在彈道飛彈或戰鬥機等要求大機動的載體上，高精度慣性平臺系統的陀螺儀目前主要採用液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀、三浮陀螺儀和動力調諧陀螺儀等，平臺框架結構為兩框架三軸形式或三框架四軸形式。

在中國宇航出版社《慣性器件》公開的平臺方案中，平臺全部採用3個單自由度積分陀螺儀方案或2個兩自由度動力調諧陀螺儀方案，框架結構為兩框架三軸形式或三框架四軸形式，這些方案的優點是儀表配置簡單，結構不複雜，但其缺點是不能滿足載體的全姿態運動，比如，兩框架三軸平臺在內框架角度工作於90°時或三框架四軸平臺的外框架角度工作於90°時，都會引起框架「失鎖」，從而導致臺體相對慣性空間發生轉動。

為避免框架「失鎖」的發生，目前的解決方案是限制載體的運動軌跡，比如，彈道式飛彈的軌跡為拋物線，其偏航角變化不大，因此，可使兩框架三軸平臺的內框架角敏感載體的偏航角。但是，這種限制載體軌跡的方案越來越不能滿足大機動、快速響應的發展趨勢。

不僅如此，隨著現代戰爭對慣性平臺精度及可靠性的要求越來越高，以往慣性平臺在控制方式、運動信息獲取及利用等方面較為單一。譬如，平臺系統信息測量為臺體角位置，通過對其微分得到角速度，數據噪聲相對較大，影響控制精度；平臺框架及基座角運動信息無法獲取，控制迴路可用信息較少等。

為此，需要研究慣性平臺不受載體運動影響的全姿態方案，並增加平臺系統各部分角運動信息的測量手段，滿足未來慣性平臺全姿態、多信息融合控制的需求。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術的上述缺陷，提供一種混合式慣性平臺系統，該慣性平臺系統具有全姿態、大機動、高精度的優點，滿足未來慣性平臺全姿態、多信息融合控制的需求。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的：

一種混合式慣性平臺系統，包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，所述陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀控制臺體的軸端電機，使臺體穩定在慣性空間，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經過姿態更新後實時給出臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣。

在上述慣性平臺系統中，所述慣性平臺系統的各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的單自由度mems陀螺儀，用於測量慣性平臺系統各框架及基座的角運動信息。

在上述慣性平臺系統中，所述臺體上還包括加速度計組合，所述加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計正交安裝構成加速度計輸入軸坐標系，第4個石英加速度計在所述加速度計輸入軸坐標系中斜置安裝；所述加速度計輸入軸坐標系與臺體坐標系oxyz重合。

在上述慣性平臺系統中，所述第4個斜置安裝的石英加速度計的輸入軸與其他3個石英加速度計的輸入軸的夾角相同。

在上述慣性平臺系統中，所述夾角的餘弦值的絕對值為

在上述慣性平臺系統中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀，其中1個陀螺儀的輸入軸與臺體坐標系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個陀螺儀的輸入軸分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構成陀螺儀組合輸入軸坐標系。

在上述慣性平臺系統中，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，其中一個mems陀螺儀的輸入軸與臺體坐標系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個mems陀螺儀的輸入軸分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構成mems陀螺儀組合輸入軸坐標系。

在上述慣性平臺系統中，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經過姿態更新後實時給出臺體相對慣性空間的姿態的具體方法如下：

(1)給出四元數的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩定在慣性空間時，有臺體相對慣性空間轉動時，有和由單自由度mems陀螺儀測量得出；

其中：為臺體坐標系oxyz中臺體z軸的角速度，為臺體坐標系oxyz中臺體x軸的角速度，為臺體坐標系oxyz中臺體y軸的角速度；

(3)由如下姿態更新方程得到一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據所述一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣具體如下：

(5)下一導航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數的初值，重新返回步驟(2)，依此循環，直至導航任務結束。

在上述慣性平臺系統中，所述臺體上的4個石英加速度計，當其中任意一個石英加速度計出現故障時，其餘3個石英加速度計配合實現臺體相對慣性空間的視加速度的測量。

在上述慣性平臺系統中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

本發明與現有技術方案相比的優點如下：

(1)本發明混合式慣性平臺系統陀螺儀組合採用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(含再平衡迴路)的混合工作方式；此外在慣性平臺各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的mems陀螺儀，用以對平臺各部分姿態角運動全信息的測量，本發明採用不同類型陀螺儀的混合式工作方式，實現了對慣性平臺臺體、框架、基座角速率的測量，有效統一了平臺系統與捷聯繫統的工作方式，可滿足載體的全姿態運動和高可靠性的使用要求，並為平臺系統多信息融合控制提供了測試手段與數據支持；

(2)本發明針對慣性平臺系統，通過引入mems陀螺儀，實時測得載體轉速，並計算臺體相對慣性空間的姿態，在平臺框架「失鎖」時，利用mems陀螺儀，將平臺工作在捷聯方式，從根本上解決了平臺的全姿態控制問題，滿足載體全姿態的要求；

(3)本發明利用框架及基座上的mems陀螺，實現了對各框架及基座的角運動信息測量，所測數據既可作為平臺運動狀態的分析與監測依據，也可用於實現平臺系統多信息融合控制，提高了慣性平臺精度及可靠性。

(4)本發明採用石英加速度計冗餘方法，在原有三個加速度計的基礎上，增加一個斜置安裝的加速度計，當其中任意1個加速度計出現故障時，其餘3個石英加速度計重構配合實現臺體相對慣性空間的視加速度的測量，該方法實現了石英加速度計故障診斷與容錯處理，提高了系統的可靠性水平，此外本發明還給出了斜置加速度計的最佳安裝方式，進一步提高了平臺系統的性能和可靠性。

(5)本發明儀表冗餘慣性平臺系統，可適用於要求全姿態的彈道飛彈、巡航飛彈、戰鬥機等，具有廣闊的應用領域和應用前景。

附圖說明

圖1為本發明混合式慣性平臺系統組成示意圖；

圖2為本發明慣性平臺臺體各陀螺儀、加速度計極性配置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳細的描述：

如圖1所示為本發明混合式慣性平臺系統組成示意圖，本發明混合式慣性平臺系統包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(包含再平衡迴路)。如圖1所示，3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz，臺體上還安裝了3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，即mems。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀作為慣性平臺系統伺服迴路的臺體角運動敏感元件，控制臺體的軸端電機，在穩定迴路工作時使臺體穩定在慣性空間。3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經過姿態更新後實時給出臺體相對慣性空間的姿態，即臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀可以為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

如圖2所示為本發明慣性平臺臺體各陀螺儀、加速度計極性配置示意圖。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz，其中1個陀螺儀gz的輸入軸iz與臺體坐標系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個陀螺儀gx、gy的輸入軸ix、iy分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構成陀螺儀組合輸入軸坐標系。該3個單自由度積分陀螺儀的輸出經過解耦控制環節作用於平臺的軸端電機構成平臺系統伺服迴路。單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz的輸出軸分別為ox、oy和oz。臺體坐標系oxyz中的oz軸與臺體的旋轉軸重合。

3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀的輸入軸定義與3個單自由度積分陀螺儀一致。即3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，其中一個mems陀螺儀的輸入軸iz'與臺體坐標系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個mems陀螺儀的輸入軸ix'、iy'分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構成mems陀螺儀組合輸入軸坐標系。mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經過姿態更新後實時給出臺體相對慣性空間的姿態，即給出臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣，具體方法如下：

(1)給出四元數的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩定在慣性空間時，有臺體相對慣性空間轉動時，有和由單自由度mems陀螺儀測量得出；

其中：為臺體坐標系oxyz中臺體z軸的角速度，為臺體坐標系oxyz中臺體x軸的角速度，為臺體坐標系oxyz中臺體y軸的角速度；

(3)由如下姿態更新方程得到一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據所述一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣具體如下：

(5)下一導航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數的初值，重新返回步驟(2)，即重複步驟(2)～(4)，得到又一組新的四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，進一步得到下一導航時刻臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣之後再返回步驟(2)，依此循環，直到導航任務結束，得到導航任務過程中不同導航時刻臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣。

若上述步驟(2)臺體穩定在慣性空間時，有則循環計算過程中四元數ρ0、ρ1、ρ2、ρ3始終為設定的初值，即所有導航時刻，ρ0、ρ1、ρ2、ρ3為設定初值不變，臺體相對於慣性坐標系的坐標變化矩陣rip唯一確定。

如圖1所述，混合式慣性平臺系統包括臺體、各框架及基座。慣性平臺的各框架及基座上均分別安裝有3個正交的單自由度mems陀螺儀，用於測量慣性平臺系統各框架及基座的角運動信息，本發明實施例中在3個框架和1個基座上均分別安裝3個正交的單自由度mems陀螺儀，即四組正交的單自由度mems陀螺儀。其工作方式與臺體上的一組mems陀螺儀相似，通過再平衡迴路，分別對各框架及基座的角運動信息進行測量，所測數據傳至平臺主控電路板，既可作為平臺運動狀態的分析與監測依據，同時也可以作為控制迴路輸入與補償，實現平臺系統多信息融合控制。

臺體上還包括加速度計組合，加速度計組合用於測量臺體的加速度信息，本發明中加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計ax、ay和az正交安裝構成加速度計輸入軸坐標系，第4個石英加速度計ad在該加速度計輸入軸坐標系中斜置安裝，如圖1所示。所述加速度計輸入軸坐標系與臺體坐標系oxyz重合。斜置安裝的石英加速度計ad可實現監測功能，當正交安裝的加速度計存在故障時，及時判斷出故障現象並利用斜置安裝的石英加速度計ad代替故障加速度計輸出比力信息，保證載體導航信息的持續穩定輸出。如圖2所示，3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸分別為ix、iy、iz，輸出軸分別為ox、oy、oz，擺軸分別為px、py、pz，石英加速度計ad的輸入軸、輸出軸和擺軸分別為ir、or、pr。

本發明中第4個斜置安裝的石英加速度計ad的輸入軸與其他3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸的夾角相同，優選該夾角的餘弦值的絕對值為

如圖1所示，為保持臺體相對慣性空間穩定，需要利用3個單自由度積分陀螺儀的輸出信息、各框架角度信息以及框架和基座上的mems測量信息進行信號分解，使系統由多變量交鏈耦合系統變為獨立的單輸入輸出迴路並實現動態誤差的補償，解耦後的控制器作用到各框架軸端的力矩電機。但在框架鎖定時，臺體相對慣性空間轉動，動力調諧陀螺儀敏感到轉動的角速度根據本發明專利就可求得臺體相對慣性坐標系的坐標變換矩陣，進一步由坐標變換矩陣可求得三個姿態角。同時，4個石英加速度計測量的比力經容錯與轉換後得到臺體坐標系的三維正交的視加速度值，經坐標變換後可得導航系的速度和位置參數，用於飛彈武器的制導。

本發明混合式慣性平臺系統，陀螺儀組合採用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀(液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀)和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(含再平衡迴路)的混合工作方式；此外，在平臺各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的mems陀螺儀，用以對平臺各部分姿態角運動全信息的測量。

臺體3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀中，1個陀螺儀的輸入軸與臺體軸平行，另外2個輸入軸分別與臺體軸垂直且二者相互垂直，構成陀螺儀組合輸入軸坐標系。3個單自由度積分陀螺儀的輸出經過解耦控制環節作用於平臺的軸端電機，構成平臺系統穩定迴路，當平臺未「失鎖」時，保持平臺臺體在慣性空間穩定。

臺體3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀的輸入軸定義與3個單自由度積分陀螺儀一致，每個mems陀螺儀設置有一條再平衡迴路，與mems陀螺儀共同作用，實時輸出臺體相對慣性空間的角速度，並經過姿態更新後實時給出臺體相對慣性空間的姿態。當平臺處於「失鎖」狀態時，將平臺工作於捷聯方式，使其臺體隨載體一起轉動，同時利用mems陀螺輸出及姿態更新結果，由計算機解算獲得慣性坐標系方位，直至平臺退出「失鎖」狀態。

為了滿足慣性平臺多信息融合控制的需要，提高慣性平臺精度及可靠性，在平臺各框架及基座上分別正交安裝3個mems陀螺儀，其工作方式與臺體上陀螺儀相似，通過再平衡迴路，分別對各框架及基座的角運動信息進行測量，所測數據既可作為平臺運動狀態的分析與監測依據，同時也可以作為控制迴路輸入與補償，實現平臺系統多信息融合控制。

本發明為了實現平臺系統全姿態控制的功能，從根本上解決大機動、全姿態帶來的平臺框架「失鎖」現象，對平臺系統控制方案作如下改進：

(1)臺體3個單自由度積分陀螺儀的輸出經過解耦控制環節作用於平臺的軸端電機，構成平臺系統穩定迴路。為了實現平臺的全姿態控制，在內框架與外框架穩定迴路間設計全姿態信號分解器，採用數字電路設計，其作用是將臺體上x、y向單自由度陀螺儀敏感到的臺體轉動準確投影至內環軸與外環軸上。當平臺未「失鎖」時，平臺工作在慣性穩定方式，由單自由度陀螺儀與穩定迴路共同作用，保持平臺臺體在慣性空間穩定。

(2)臺體3個mems陀螺儀各自設置有一條再平衡迴路。再平衡迴路與mems陀螺儀共同作用，實時輸出臺體相對慣性空間的角速度，並經過姿態更新後實時給出臺體相對慣性空間的姿態。當平臺處於「失鎖」狀態時，失鎖方向穩定迴路不再工作，將平臺工作於捷聯方式，使臺體隨載體一起轉動，同時利用mems陀螺輸出及姿態更新結果，由計算機解算獲得慣性坐標系方位，直至平臺退出「失鎖」狀態。

平臺姿態更新採用四元數算法：首先通過平臺初始對準，給出四元數初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，之後利用臺體轉速和四元數更新方程

對描述臺體相對慣性空間運動的四元數進行實時解算。

mems陀螺在整個飛行過程中一直處於工作狀態，因此姿態更新一直進行。當臺體穩定在慣性空間時，有而當臺體相對慣性空間轉動時，有而和不為零，由mems陀螺儀測量得出，最終得到臺體相對慣性坐標系的坐標變化矩陣為

(3)當平臺退出「失鎖」狀態後，平臺恢復慣性穩定工作方式，以退出「失鎖」狀態前最後時刻臺體各向指向為新的坐標系基準，並保持在慣性空間穩定；利用此前mems陀螺測得的臺體轉動信息，得到當前臺體相對慣性空間的方位，並進行導航。

以上所述，僅為本發明一個具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

本發明未詳細說明部分屬於本領域技術人員公知常識。