旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機電慣性系統(tǒng)方案研究

邱麗玲，楊小軍,徐海剛，李海軍，孫 偉，鄧 亮，劉 沖

(1.北京自動化控制設(shè)備研究所，北京 100074; 2. 駐沈陽地區(qū)第四軍事代表室，沈陽 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，微機電慣性系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量小、功耗低的突出特點[1-3]，在制導(dǎo)彈藥、無人機、機器人等領(lǐng)域中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[4-6]，但現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的微機電慣性系統(tǒng)精度仍在消費級與戰(zhàn)術(shù)級之間，誤差隨時間累積而快速增加，并不具備高精度特性。一般可以通過器件層面和系統(tǒng)層面來提高慣導(dǎo)系統(tǒng)精度。器件層面是對現(xiàn)有技術(shù)進行攻關(guān)，開發(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，開發(fā)周期性長，耗資巨大，技術(shù)難度大，前景未知；系統(tǒng)層面可以通過旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，借助旋轉(zhuǎn)機構(gòu)使慣性器件的常值漂移能夠自動抵消導(dǎo)航產(chǎn)生的誤差，以此來減小系統(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電慣性系統(tǒng)精度的方式。

隨著微機電陀螺精度的不斷突破與提高，國內(nèi)微機電陀螺零偏穩(wěn)定性已經(jīng)優(yōu)于1(°)/h，具備開展旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣性系統(tǒng)的基礎(chǔ)。同時，可以通過微加工和微組裝的方式，采用芯片化、高集成的轉(zhuǎn)動機構(gòu)和角測量裝置，實現(xiàn)慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)臺體的高精度旋轉(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)電機后系統(tǒng)的實現(xiàn)方式；最后，利用已研制的捷聯(lián)式微機電慣性系統(tǒng)開展旋轉(zhuǎn)調(diào)制試驗，進一步驗證了旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機電慣性系統(tǒng)方案的可行性，以及該型系統(tǒng)在旋轉(zhuǎn)調(diào)制條件下能達到的極限精度，并對了比捷聯(lián)式微機電慣性系統(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]

(1)

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闌尾炎是一種在臨床上常見的炎癥，屬于外科急腹病的一種常見類型[4]。闌尾炎的成因幾乎都源于細菌感染，同時由于闌尾發(fā)生阻礙而導(dǎo)致闌尾炎的現(xiàn)象也很常見。在闌尾發(fā)生阻礙的情況中，糞石阻礙是一個重要因素，往往會導(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，自知再無法閃躲。他的表情冷得可怕，空洞的雙目，閃過了一道紅芒。而后，他雙足重重一踏天葬臺，大力之下，竟陷入了青玉臺面半尺多深，他將天葬刀橫在胸前，右手握著刀柄，左手抵著刀面，張開骷髏一般黑洞洞的大口，發(fā)出了一聲嘶啞的號叫。

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

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

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19世紀德國著名的民主主義教育家第斯多惠曾說過：“教育的藝術(shù)不在于傳授本領(lǐng)，而在善于激勵、喚醒和鼓舞。一個壞的教師奉送真理，一個好的教師則教人發(fā)現(xiàn)真理?！蔽覉孕牛凇靶抡n標、新理念”的指導(dǎo)下，我們不斷地學(xué)習、領(lǐng)悟課標內(nèi)涵，在教學(xué)實踐中不斷反思，一定能為實現(xiàn)《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》強調(diào)的“促進德育、智育、體育、美育有機融合，提高學(xué)生綜合素質(zhì)，使學(xué)生成為德智體美全面發(fā)展的社會主義建設(shè)者和接班人”這宏偉而遠大的教學(xué)目標添上一道美麗的彩虹。因此，只有領(lǐng)悟“新課標”對教學(xué)的要求，才能開辟出那片屬于孩子們理想中的綠洲，彰顯真語文。

(4)

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

(5)

(6)

由式(4)和式(6)可以看出，通過旋轉(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)可以有效提高微機電慣性系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的實現(xiàn)需要借助于旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和角測量裝置，而微機電慣性儀表體積小，封裝后尺寸為 11.0mm×11.0mm×1.5mm左右(如圖1所示)，需要采用芯片級電機驅(qū)動微機電系統(tǒng)進行周期性旋轉(zhuǎn)，以自動抵消微機電慣性儀表的誤差，提高微機電慣性系統(tǒng)精度。

同理，對于加速度計

圖1 微機電慣性儀表 Fig.1 MEMS inertial instrument

現(xiàn)階段隨著微小型高精度電機技術(shù)的突破，可以在微機電慣性系統(tǒng)高密度集成的基礎(chǔ)上，開展小型化旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)應(yīng)用。通過PCB電機電磁驅(qū)動技術(shù)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)平臺[12-13]，采用基于旋轉(zhuǎn)調(diào)制的誤差抑制算法，實現(xiàn)基于微機電旋轉(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 Fig.2 The scheme design of rotating modulation

首先，利用基于PCB電機的電磁驅(qū)動設(shè)計、基于微球溝槽的平臺支撐、PCB電機高功率驅(qū)動環(huán)路設(shè)計以及電機矢量控制算法設(shè)計等技術(shù)，根據(jù)實際應(yīng)用需求，建立基于權(quán)重系數(shù)的多目標優(yōu)化函數(shù)。采用混合粒子群算法對PCB電機的極對數(shù)、磁鋼數(shù)、間隙等設(shè)計參數(shù)進行仿真與優(yōu)化，提高轉(zhuǎn)矩密度，實現(xiàn)基于PCB電機的旋轉(zhuǎn)平臺的設(shè)計。

國內(nèi)外學(xué)者對盾構(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[1]通過對大量實測數(shù)據(jù)進行分析，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)驗公式。文獻[2]基于PECK公式，提出采用超幾何方法計算雙線平行盾構(gòu)施工引起的地面沉降。文獻[3]對上海軟粘地層中盾構(gòu)試驗段進行了計算分析，提出了考慮固結(jié)因素的修正Peck公式。文獻[4]在Peck公式的基礎(chǔ)上提出了負地層損失的估算公式。但因各地的地質(zhì)條件千差萬別，施工方法和盾構(gòu)類型亦有所差異，因此對其研究鮮有概括性結(jié)論。

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

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

再次，采用面向微平臺的微小型角位移傳感器，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)平臺的閉環(huán)控制(如圖3所示)。通過研究微小型角位移傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、基于微機電慣性系統(tǒng)工藝的角位移傳感器加工制造、基于數(shù)?；旌蠁纹傻牡凸膶Ｓ眉呻娐吩O(shè)計、微角位移傳感器誤差辨識與抑制，完成微小型角位移傳感器的研制，為PCB電機矢量控制提供角度信息，實現(xiàn)小型化旋轉(zhuǎn)平臺的高精度控制[14-15]。

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

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

中軸對稱，功能分區(qū)，主次鮮明等帶有濃郁社會倫理關(guān)系的建筑觀念，是傳統(tǒng)教育建筑設(shè)計的核心思想[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)計的影響，帶有了鮮明的工業(yè)化、模數(shù)化特點。而如今現(xiàn)在城市中，緊湊型用地讓校園集約格局開始崛起。我們通過分析傳統(tǒng)校園格局、現(xiàn)代校園特點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(表1） 。

在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，對微機電陀螺引起的誤差進行積分，可以得到微機電慣性系統(tǒng)的失準角為

3 旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案試驗驗證

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

表1 微機電陀螺性能指標

表2 微機電加速度計性能指標

3.1 尋北試驗驗證

采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，理論上尋北精度只受隨機游走噪聲影響。本次試驗設(shè)計采用連續(xù)正反轉(zhuǎn)方案進行旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)速為10(°)/s的條件下,進行6條次5 min單位置尋北試驗。利用卡爾曼濾波方法對離線數(shù)據(jù)進行處理可以發(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)計結(jié)果對比。

表3 尋北統(tǒng)計結(jié)果

3.2 導(dǎo)航試驗驗證

為進一步驗證單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機電慣性系統(tǒng)導(dǎo)航性能，在轉(zhuǎn)速為10(°)/s的條件下進行6條次單軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航試驗。在對準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)在對準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)本文針對微機電慣性系統(tǒng)，提出了微旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案以提高微機電慣性系統(tǒng)的精度，并開展了單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制試驗進行驗證。在單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案下，尋北精度約為0.3°(1σ)；在對準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小型化電機的方案，具體研究中的系統(tǒng)集成了陀螺、加速度計、旋轉(zhuǎn)平臺、電源、電路、滑環(huán)、角測量裝置等多種器件，后續(xù)需要進一步考慮系統(tǒng)熱、磁對微機電慣性器件的影響。

3)后續(xù)研究中需要根據(jù)微機電慣性器件的特性，針對性設(shè)計合理的旋轉(zhuǎn)調(diào)制方案，確定轉(zhuǎn)停方式、轉(zhuǎn)動次序和轉(zhuǎn)動速度，以實現(xiàn)最優(yōu)導(dǎo)航精度。

TCP協(xié)議的通信過程為：服務(wù)器端必須首先通過指定IP地址以及端口名建立偵聽，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)出連接請求；待服務(wù)器與客戶端成功建立連接后，雙方方可通過讀寫函數(shù)控件收發(fā)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)傳輸時，需先從客戶端斷開連接后服務(wù)器才能斷開連接。

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