自適應(yīng)導(dǎo)航姿態(tài)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

楊傳順，王學(xué)萬(wàn)，徐 僖

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇連云港222006)

0 引言

作為角度測(cè)量的傳感器自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、雷達(dá)、火炮、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等軍民用系統(tǒng)或裝備中，這些領(lǐng)域都需要高精度、高分辨率的角度測(cè)量控制系統(tǒng)。

以船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)為例，中央陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集船舶的縱搖和橫搖軸角模擬量信息，陀螺航向指示器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集船舶航行時(shí)的首向軸角模擬量信息、計(jì)程儀負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集船舶的航速軸角模擬量信息。而整個(gè)船舶中有很多電子設(shè)備需要該類導(dǎo)航信息，例如雷達(dá)、光電、火炮、導(dǎo)彈以及航行控制中心等，并且不同的電子設(shè)備對(duì)該類信息的需求參數(shù)也可能不同，有的需要自整角機(jī)信號(hào)，有的需要旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào);有的需要粗精雙通道數(shù)據(jù)，有的只需要粗通道數(shù)據(jù)即可;除此外，在信號(hào)的參考電壓和參考頻率、跟蹤速率以及轉(zhuǎn)換精度方面等也可能存在不同的需求。這就需要設(shè)計(jì)出具有自適應(yīng)功能的高精度導(dǎo)航姿態(tài)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換裝置，以滿足整個(gè)船舶系統(tǒng)的不同電子設(shè)備的導(dǎo)航姿態(tài)信息需求。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中導(dǎo)航設(shè)備實(shí)時(shí)采集的模擬量軸角姿態(tài)信息 (縱搖、橫搖、航向、航速等)輸入到SDC(自整角機(jī)-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)或RDC(旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器)中，具體是SDC還是RDC模塊由模擬量姿態(tài)信息是自整角機(jī)形式還是旋轉(zhuǎn)變壓器形式?jīng)Q定。經(jīng)過SDC或RDC模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量姿態(tài)信息，常見的轉(zhuǎn)換精度可以是12位、14位、16位、18位或者20位，這由所選軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊的具體轉(zhuǎn)換精度決定。然后把轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量姿態(tài)信息一路分多路輸入到DSC(數(shù)字-自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器)或DRC(數(shù)字-旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)換器)中，具體是DSC還是DRC模塊由需要該模擬量姿態(tài)信息的模擬接口設(shè)備是需要軸角形式的還是需要旋轉(zhuǎn)變壓器形式的決定，在DSC或DRC中根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)需要該軸角姿態(tài)信息的各個(gè)電子設(shè)備的具體需求轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量姿態(tài)信息發(fā)送出去，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航姿態(tài)信息的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和分配，在進(jìn)行高精度轉(zhuǎn)換的同時(shí)，滿足了各個(gè)電子設(shè)備的模擬量姿態(tài)信息的不同接口需求，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航姿態(tài)信息的自適應(yīng)轉(zhuǎn)換，起到了接口適配器的作用。當(dāng)然，如果是數(shù)字接口設(shè)備則直接接收DSC或DRC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量姿態(tài)信息即可。

總之，該系統(tǒng)的接口自適應(yīng)的功能，主要體現(xiàn)在:

1)輸入/輸出模擬量信息為自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器的自適應(yīng);取決于模擬量信息是自整角機(jī)形式還是旋轉(zhuǎn)變壓器形式;

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

2)輸入/輸出信號(hào)的單速或雙速轉(zhuǎn)換能力的自適應(yīng)，取決于轉(zhuǎn)換模塊選擇雙速還是單速，當(dāng)然雙速的可以只使用粗通道從而作為單速使用;

3)輸入/輸出信號(hào)的不同速比自適應(yīng)，可以通過更改SDC或RDC的固件程序改變速比;

4)轉(zhuǎn)換精度的自適應(yīng)，取決于SDC或RDC模塊的轉(zhuǎn)換精度(位數(shù))，但需要滿足DSC或DRC模塊的數(shù)字量處理精度(位數(shù))不小于SDC或RDC模塊數(shù)字量輸出精度(位數(shù));否則會(huì)造成轉(zhuǎn)換精度下降或者轉(zhuǎn)換出的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(最高位的有用信息丟失)。

5)輸出信號(hào)的不同設(shè)備的模擬量需求接口自適應(yīng);這由接口需求設(shè)備提供的激磁信號(hào)的參考電壓和參考頻率決定。

2 軸角轉(zhuǎn)換技術(shù)

自整角機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器都是按照電磁感應(yīng)原理輸出模擬電信號(hào)的元件，基本的電磁結(jié)構(gòu)是定子、轉(zhuǎn)子上都有線圈繞組，彼此耦合聯(lián)系，都屬于微特電機(jī)［1］。自整角機(jī)一般采用三相繞組方式，轉(zhuǎn)子上放置單相激磁繞組。3個(gè)定子繞組成Y型排列，兩兩之間的夾角為120°。旋轉(zhuǎn)變壓器采用正交的兩相繞組。定子繞組為變壓器的原邊，通過固定在殼體上的接線柱引出軸角信號(hào)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)由定子繞組輸出。轉(zhuǎn)子繞組為變壓器的副邊，激磁電壓接到轉(zhuǎn)子繞組上。

無(wú)論是自整角機(jī)還是旋轉(zhuǎn)變壓器都主要實(shí)現(xiàn)2種功能:一是將輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，二是將輸入的電信號(hào)按照指定函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換為機(jī)械轉(zhuǎn)角信號(hào)。這2種功能都經(jīng)常應(yīng)用在同步伺服系統(tǒng)中，使遠(yuǎn)距離的多個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)軸能夠精確的保持相同的轉(zhuǎn)角變化或同步變化，實(shí)現(xiàn)角度位置的遠(yuǎn)距離傳輸和轉(zhuǎn)換［2］。

將自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器的軸角模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，或者數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為軸角模擬量信號(hào)，常見的是采用專用的轉(zhuǎn)換器。

2.1 軸角模擬量-數(shù)字轉(zhuǎn)換器

ZSZ型系列轉(zhuǎn)換器是一種小型化、具有連續(xù)跟蹤轉(zhuǎn)換技術(shù)的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，采用II階伺服回路設(shè)計(jì)。它接收三線自整角機(jī)信號(hào)和參考信號(hào)或者四線旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)和參考信號(hào)，輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)三態(tài)鎖存器緩沖后轉(zhuǎn)為16位并行自然二進(jìn)制碼數(shù)字量，通過控制信號(hào)，既可以輸出1個(gè)16位的數(shù)字全角量，又可以以2個(gè)字節(jié)輸出［3］。原理圖見圖2所示。

圖2 軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of rotary to digital converter

如果輸入的模擬軸角量是自整角機(jī)信號(hào)，則自整角機(jī)的三線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3端;如果輸入的模擬軸角量是旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，則旋轉(zhuǎn)變壓器的四線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2，S3和S4端。輸入的軸角信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的微型Scott變壓器，進(jìn)行信號(hào)隔離和變壓后，將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換成正、余弦形式，即

式中，θ為自整角機(jī)信號(hào)輸入的軸角量。

假設(shè)加/減計(jì)數(shù)器(又稱可逆計(jì)數(shù)器)的當(dāng)前字狀態(tài)為φ，那么把φ輸入到高速正余弦乘法器中，V1乘以cosφ、V2乘以sinφ分別變?yōu)?

這2個(gè)信號(hào)經(jīng)誤差放大器相減，即得

該交流信號(hào)經(jīng)過同頻同相位的參考信號(hào)相敏調(diào)節(jié)器、積分器、壓控振蕩器 (VCO)和加/減計(jì)數(shù)器等組成的一個(gè)閉環(huán)回路，直至使

2.2 數(shù)字-軸角模擬量轉(zhuǎn)換器

SZZ系列轉(zhuǎn)換器是一種全電子的自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬輸出裝置，其功能是將輸入的數(shù)字全角量轉(zhuǎn)換成自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器形式的模擬電壓輸出。

SZZ系列轉(zhuǎn)換器的原理圖見圖3所示［4］。輸入的參考信號(hào)經(jīng)電子變壓器隔離降壓，給正余弦乘法器提供給參考信號(hào);數(shù)字角度量輸入，經(jīng)數(shù)字鎖存器把低12位或14位數(shù)字量送到正余弦乘法器，把高兩位數(shù)字量連接到象限選擇開關(guān)，以形成全角量的正、余弦模擬信號(hào)，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大，最后由輸出變壓器升壓隔離形成三線自整角機(jī)信號(hào)輸出或者四線二相的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)輸出。同時(shí)，轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中增加了電流限制電路，防止由于過載或者由于輸出波形畸變而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器拉偏某一電源，大大提高了可靠性能。

圖3 數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換器原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of digital to rotary converter

假設(shè)輸入的參考電壓為:Vref=E0sinωt，E0為參考電壓的幅值，則輸出的自整角機(jī)信號(hào)為:

輸出的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)為:

K為輸出變壓器的變化，RH和RL為參考信號(hào)的輸入端，RH為高端，RL為低端。ENL和ENM為數(shù)字鎖存器的控制端，ENM控制高字節(jié)數(shù)字量，ENL控制低字節(jié)數(shù)字量。當(dāng)ENL和ENM為邏輯高電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出跟隨數(shù)字輸入量變化;當(dāng)ENL和ENM為邏輯低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出將被鎖存為下降沿的時(shí)刻的輸入數(shù)據(jù)，并保持不變。

3 姿態(tài)信息實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和分配

3.1 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和分配

實(shí)際實(shí)現(xiàn)的姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采取軸角模擬量-數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字-軸角模擬量轉(zhuǎn)換的2個(gè)功能單元邏輯上獨(dú)立，圖4為軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換邏輯單元的功能示意圖，圖5為數(shù)字-軸角轉(zhuǎn)換邏輯單元的功能示意圖。物理上位于系統(tǒng)內(nèi)同一個(gè)電子設(shè)備內(nèi)，共用同一塊底板，通過底板的走線連接2個(gè)功能單元，實(shí)時(shí)的傳送數(shù)據(jù);并把轉(zhuǎn)換后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)發(fā)送到需要數(shù)據(jù)的各電子設(shè)備中。該轉(zhuǎn)換通道不受其他設(shè)備的運(yùn)行影響，避免了傳統(tǒng)的處理方式導(dǎo)致的軟件處理和硬件傳輸?shù)臅r(shí)間延遲，使系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和可靠性得到了進(jìn)一步加強(qiáng)［5］。

3.2 數(shù)值解碼

數(shù)值解碼就是把輸入的角度模擬量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度數(shù)字量，或者是把輸入的角度數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度模擬量，這2個(gè)轉(zhuǎn)換過程相反，原理類似。下面以角度模擬量轉(zhuǎn)換為角度數(shù)字量為例說(shuō)明數(shù)值解碼過程［6］。

對(duì)于圖4中所示的軸角-數(shù)字轉(zhuǎn)換邏輯單元，為了提高軸角轉(zhuǎn)換的精度，通常采用粗、精組合的雙通道技術(shù)。粗通道和精通道通過速比 (1∶N)聯(lián)系。假設(shè)圖4中的N=32，即速比為1∶32，若粗通道轉(zhuǎn)一周代表360°，則精通道轉(zhuǎn)一周代表360°/32=11.25°。

這樣精通道就有9位的權(quán)值和粗通道重合，則粗、精數(shù)據(jù)組合時(shí)，取粗通道的前5位，然后取精通道的全部，組成19位數(shù)，即輸出的數(shù)字量為C1，C2，C3，C4，C5，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，…，F(xiàn)14。其中C1為最高位 (MSB)，代表 180°;F14為最低位(LSB)，代表 0.0006866°。

4 精度測(cè)試和分析

對(duì)姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度測(cè)試示意圖如圖6所示，采用自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器向轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸入自整角機(jī)信號(hào)或旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的自整角機(jī)信號(hào)或旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)輸出到JWZ548A雙速角度位置指示器中［7］，同時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)經(jīng)由SDC或RDC轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量軸角信息通過接口轉(zhuǎn)換插件直接在顯示器中顯示出來(lái)。這樣就可以對(duì)如下的轉(zhuǎn)換精度做統(tǒng)計(jì)分析:

1)由自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器的輸入值對(duì)比雙速角度位置指示器的數(shù)值可以得到整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

2)由自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器模擬器的輸入值對(duì)比顯示器的顯示值可以得到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中SDC或RDC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度;

3)由顯示器的顯示值對(duì)比雙速角度位置指示器的數(shù)值可以得到轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中DSC或DRC的粗通道、精通道、粗精通道疊加的精度。

圖6 實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度測(cè)試示意圖Fig.6 Accuracy test schematic diagram of real-time conversion system

轉(zhuǎn)換模塊的本身的數(shù)字量輸入或輸出位數(shù)多少會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度，粗精通道的速比值，以及經(jīng)過雙速處理器處理后的數(shù)字量位數(shù)多少也會(huì)影響轉(zhuǎn)換精度。表1為轉(zhuǎn)換位數(shù)的精度對(duì)應(yīng)表［8］，且這些誤差的疊加不會(huì)超過表1中精度值的2倍。

這樣，就得到了整個(gè)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)的實(shí)際轉(zhuǎn)換精度主要和轉(zhuǎn)換模塊 (SDC，RDC，DSC或DRC)的固有精度指標(biāo)相關(guān)。從系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也可以分析出，轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸入和輸出之間通過底板的走線連接起來(lái)，并且傳輸?shù)男盘?hào)全部是數(shù)字信號(hào)，不存在傳輸差錯(cuò)的問題 (采用校驗(yàn)方式)，并且如果20位或以上的雙速處理器，疊加到系統(tǒng)上的誤差不會(huì)超過0.0007°，即0.004'，這個(gè)誤差對(duì)系統(tǒng)的影響基本可以忽略不計(jì)。因此需要根據(jù)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換精度要求，調(diào)整轉(zhuǎn)換模塊的型號(hào);通過選擇合適精度的轉(zhuǎn)換模塊，以滿足整個(gè)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的精度指標(biāo)要求［9］。

表1 轉(zhuǎn)換位數(shù)精度對(duì)應(yīng)表Tab.1 Corresponding accuracy table of conversion bit

5 結(jié)語(yǔ)

該姿態(tài)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)因其在輸入(SDC或RDC)和輸出(DSC或DRC)之間有4種不同的信號(hào)轉(zhuǎn)換組合方式，輸入和輸出的速比也可以由軟件控制，可以同時(shí)滿足粗精雙通道的轉(zhuǎn)換方式，對(duì)不同電子設(shè)備的導(dǎo)航姿態(tài)信息接口具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性。并且由于轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，轉(zhuǎn)換通道不受外界影響，強(qiáng)實(shí)時(shí)、低延遲的轉(zhuǎn)換和分配等優(yōu)點(diǎn)，已裝備于多個(gè)艦船的導(dǎo)航控制系統(tǒng)和武器控制系統(tǒng)中，應(yīng)用效果良好，同時(shí)也增強(qiáng)了不同系統(tǒng)之間不同設(shè)備的互操作性和互換性，提高了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

［1］任春華，李墨，潘英俊，等.激光捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)姿態(tài)誤差分析與補(bǔ)償研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2011(11):2376-2380.REN Chun-hua，LI Mo，PAN Ying-jun，et al.Study on compensation and analysis of LINS's dynamic attitude errors［J］.Journal of System Simulation，2011(11):2376-2380.

［2］李傳江，郭延寧，張永合，等.基于時(shí)頻域分析的輪控航天器姿態(tài)控制規(guī)律參數(shù)整定［J］.宇航學(xué)報(bào)，2011(11):2319-2325.LI Chuan-jiang，GUO Yan-ning，ZHANG Yong-he，et al.Parameter tuning for the attitude control algorithm of wheel controlled spacecraft based on time and frequency domain analysis［J］.Journal of Astronautics，2011(11):2319-2325.

［3］徐大林，黃慶安.數(shù)字式自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器變換技術(shù)發(fā)展綜述［J］.微電機(jī)，2006(3):81-85.XU Da-lin，HUANG Qing-an.The technology and development of digital to synchro/resolver conversion［J］.Micromotors Servo Technique，2006(3):81-85.

［4］徐大林，陳建華.自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器—數(shù)字變換技術(shù)及發(fā)展［J］.測(cè)控技術(shù)，2005(10):1-6，10.XU Da-lin，CHEN Jian-hua.Technology and development of synchro/resolver to digital conversion［J］.Measurement ＆Control Technology，2005(10):1-6，10.

［5］謝榮，魯海燕.基于四元數(shù)的船舶運(yùn)動(dòng)姿態(tài)仿真研究［J］.中國(guó)造船，2011(4):147-152.XIE Rong，LU Hai-yan.Simulation research of ship motion gestures based on quaternion［J］.Shipbuilding of China，2011(4):147-152.

［6］凡永華，岳小飛，于云峰，等.基于模糊控制的高空飛艇姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測(cè)控技術(shù)，2011(12):45-48.FAN Yong-hua，YUE Xiao-fei，YU Yun-feng，et al.Design of attitude control system for a high altitude airship using fuzzy control［J］.Measurement＆ Control Technology，2011(12):45-48.

［7］談林霞，張福學(xué).高精度動(dòng)態(tài)水平姿態(tài)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.壓電與聲光，2011(6):910-914.TAN Lin-xia，ZHANG Fu-xue.The system design for highprecision dynamic level attitude sensor［J］.Piezoelectrics ＆Acoustooptics，2011(6):910-914.

［8］于旭東，高娜，龍興武，等.高精度單軸旋轉(zhuǎn)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)研究［J］.應(yīng)用光學(xué)，2010(6):980-983.YU Xu-dong，GAO Na，LONG Xing-wu，et al.High precision single-axial rotation attitude measurement system［J］.Journal of Applied Optics，2010(6):980-983.

［9］胡佩達(dá)，高鐘毓，吳秋平，等.船用慣導(dǎo)系統(tǒng)姿態(tài)角微分估計(jì)算法［J］.中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2011(3):273-276.HU Pei-da，GAO Zhong-yu，WU Qiu-ping，et al.Attitude differential estimation for shipborne inertial navigation system［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2011(3):273-276.