一種捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

董 旭，董建樹，王 惠，嚴(yán)宗睿

(1.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074；2.北京振興計(jì)量測(cè)試研究所，北京 100074; 3.海軍指揮學(xué)院，南京 210016)

0 引言

當(dāng)前，國(guó)外高精度光纖陀螺旋轉(zhuǎn)調(diào)制慣導(dǎo)系統(tǒng)正在逐漸替代價(jià)格昂貴的靜電陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)，為艦船提供高精度、低成本、長(zhǎng)航時(shí)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。為了在現(xiàn)有光纖陀螺精度基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度，采用誤差自補(bǔ)償?shù)男D(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)勢(shì)在必行[1-2]。

旋轉(zhuǎn)調(diào)制型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方式可以分為兩類：一是慣性元器件所在的殼體旋轉(zhuǎn)，二是整個(gè)慣性測(cè)量組件所在的臺(tái)體旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)調(diào)制型捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)方式眾多，旋轉(zhuǎn)調(diào)制型慣導(dǎo)系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)軸數(shù)目可分為單軸系統(tǒng)、雙軸系統(tǒng)、三軸系統(tǒng)，每種類型有不同的轉(zhuǎn)動(dòng)方案，可分為連續(xù)往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)、間斷型多位置轉(zhuǎn)停等轉(zhuǎn)動(dòng)方案[3-4]。

當(dāng)前, 連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)方式成為光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)的一種有效技術(shù)手段。采用單軸旋轉(zhuǎn)光纖陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案，研究單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)控制機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)光纖陀螺慣性測(cè)量組件(IMU)繞旋轉(zhuǎn)軸作有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)，對(duì)慣性器件的誤差在旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)進(jìn)行調(diào)制, 補(bǔ)償慣性器件的漂移誤差，控制導(dǎo)航誤差隨時(shí)間延長(zhǎng)的增長(zhǎng)，從而大幅提升系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)精度和對(duì)準(zhǔn)收斂速度, 成為工程應(yīng)用研究的熱點(diǎn)之一。

1 工作原理和設(shè)計(jì)方案

慣導(dǎo)系統(tǒng)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法是將慣性測(cè)量單元(IMU)安裝在單軸旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng) IMU 按照事先設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律繞旋轉(zhuǎn)軸相對(duì)載體轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)方便，轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸與載體水平面垂直。在普通的往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制方式下，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以單軸測(cè)角裝置的360°范圍值為依據(jù)，帶動(dòng)慣性測(cè)量單元以設(shè)定的速率進(jìn)行從光碼盤的0°運(yùn)動(dòng)到360°，然后從360°運(yùn)動(dòng)到0°的往復(fù)旋轉(zhuǎn)。往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想效果是：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圍繞載體坐標(biāo)系的基準(zhǔn)角，作勻速的往復(fù)旋轉(zhuǎn)。

航向解藕往復(fù)旋轉(zhuǎn)模式是航向追蹤運(yùn)動(dòng)與往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的兩種矢量疊加。假設(shè)載體靜止，IMU 會(huì)相對(duì)導(dǎo)航系按照設(shè)定的規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng)。但是在工程實(shí)際中，載體總是進(jìn)行各種各樣的運(yùn)動(dòng)，載體的角運(yùn)動(dòng)與 IMU 的轉(zhuǎn)動(dòng)耦合。在載體航向運(yùn)動(dòng)的影響下，IMU 再按原來(lái)設(shè)定的方案旋轉(zhuǎn)時(shí)，相對(duì)導(dǎo)航系并不是按照理想設(shè)定的規(guī)律旋轉(zhuǎn)，影響到旋轉(zhuǎn)調(diào)制的效果。在導(dǎo)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(fā)生時(shí)刻、航向角運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短和 IMU 相對(duì)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刻相關(guān)。由于載體的航向運(yùn)動(dòng)，IMU 在導(dǎo)航系中的運(yùn)動(dòng)沒(méi)有規(guī)律，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，器件誤差積分不為零，即載體航向運(yùn)動(dòng)抵消了 IMU 旋轉(zhuǎn)的調(diào)制效果。如果載體航向運(yùn)動(dòng)的角度始終與 IMU 相對(duì)載體旋轉(zhuǎn)的角度大小相等方向相反，那么在導(dǎo)航系中的器件測(cè)量誤差沒(méi)有發(fā)生變化，載體航向運(yùn)動(dòng)就完全抵消了旋轉(zhuǎn)調(diào)制的效果。理想情況下，利用計(jì)算的載體姿態(tài)數(shù)據(jù)和設(shè)定的旋轉(zhuǎn)調(diào)制規(guī)律驅(qū)動(dòng) IMU 轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)載體轉(zhuǎn)動(dòng)，可以有效消除載體航向運(yùn)動(dòng)的影響，使系統(tǒng)與載體的航向運(yùn)動(dòng)相隔離，以便 IMU 相對(duì)于導(dǎo)航系進(jìn)行有規(guī)律地轉(zhuǎn)動(dòng)。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(guān)系示意圖

航向解藕往復(fù)旋轉(zhuǎn)模式以地理坐標(biāo)系為基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以解調(diào)后的初始航向角為零位，根據(jù)解調(diào)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(fù)運(yùn)動(dòng)。航向解耦的理想效果是：無(wú)論載體(INS)航向如何變化，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)都圍繞地理坐標(biāo)系的基準(zhǔn)角，作勻速的往復(fù)旋轉(zhuǎn)[7-8]。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案集電子、自控、軟件、機(jī)械于一體，工作原理如下：慣導(dǎo)中的慣性測(cè)量單元置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，直流電機(jī)通過(guò)變速箱軸承驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)測(cè)角裝置上傳角位置，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)返回零位置，等待導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的指令，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)慣性測(cè)量單元以設(shè)定的速率和旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，或者接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的位置指令，以固定的速率轉(zhuǎn)到要求位置，并在該位置穩(wěn)定。同時(shí)，通過(guò)串口將旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)信息傳遞至外部的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)[9]。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)兩種功能，一是能夠接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的速率指令，以設(shè)定的速率和旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；二是能夠接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的位置指令，以固定的速率轉(zhuǎn)到要求位置，并在該位置穩(wěn)定。另外，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)還必須具有上電自檢和工作過(guò)程中進(jìn)行巡檢的功能，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)狀態(tài)字發(fā)送給慣導(dǎo)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)“失速”等非硬件損壞性故障，在旋轉(zhuǎn)控制電路的處理器還能與慣導(dǎo)正常通訊的情況下，在慣導(dǎo)發(fā)送復(fù)位命令后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)應(yīng)能復(fù)位，控制程序重新開(kāi)始執(zhí)行[10]。

為滿足功能和性能要求，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案綜合考慮系統(tǒng)級(jí)實(shí)際工作要求，將傳感器、處理器、控制器融合在一個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)體內(nèi)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要由旋轉(zhuǎn)控制電路、旋轉(zhuǎn)控制軟件、單軸測(cè)角裝置、直流電機(jī)等分部件組成，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成及配套關(guān)系如圖2所示。其中，旋轉(zhuǎn)控制電路及其控制軟件負(fù)責(zé)完成采集測(cè)角信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度驅(qū)動(dòng)，并完成與慣導(dǎo)的通訊。外部的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)向旋轉(zhuǎn)控制電路和測(cè)角裝置發(fā)送同一個(gè)同步信號(hào)，旋轉(zhuǎn)控制電路和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)同時(shí)接收測(cè)角裝置發(fā)送的測(cè)角數(shù)據(jù)。小型直流電機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)控制電路的旋轉(zhuǎn)功能。

圖2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制電路的設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)控制電路負(fù)責(zé)完成采集測(cè)角信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的速度驅(qū)動(dòng)，并完成與慣導(dǎo)的通訊，接收指令和發(fā)送數(shù)據(jù)及狀態(tài)[11-12]。旋轉(zhuǎn)控制電路定時(shí)獲得準(zhǔn)確的測(cè)角裝置角度，控制系統(tǒng)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)放驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，利用它與處理器、電機(jī)和測(cè)角裝置構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)控制電路的原理如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)控制電路的原理圖

旋轉(zhuǎn)控制電路的3D如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)控制電路的3D圖

2.2 單軸測(cè)角裝置的選型

單軸測(cè)角裝置主要應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)角度測(cè)量系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)單軸測(cè)角裝置輸出角度信號(hào)對(duì)IMU進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，包括角位置控制和角速度控制。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用長(zhǎng)春光機(jī)所的單軸測(cè)角裝置(光碼盤)，分辨率優(yōu)于2.5″；同步信號(hào)響應(yīng)延時(shí)不大于5 μs(單軸測(cè)角裝置在同步信號(hào)的下降沿后5 μs之內(nèi)進(jìn)行角度采樣)；完成數(shù)據(jù)輸出(從接收同步信號(hào)開(kāi)始)小于100 μs；功耗不大于1 W；允許最高機(jī)械轉(zhuǎn)速不小于20 rpm。

單軸測(cè)角裝置的工作方式如圖5所示，測(cè)角裝置以中斷方式響應(yīng)同步信號(hào)的下降沿，觸發(fā)角度采樣，然后輸出角度數(shù)據(jù)，從接收到同步信號(hào)開(kāi)始到完成數(shù)據(jù)輸出小于100 μs[13]。

圖5 單軸測(cè)角裝置工作方式

單軸測(cè)角裝置通過(guò)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)向旋轉(zhuǎn)控制電路和測(cè)角裝置發(fā)送同一個(gè)同步信號(hào)，旋轉(zhuǎn)控制電路和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)同時(shí)接收測(cè)角裝置發(fā)送的測(cè)角數(shù)據(jù)，如圖6所示。具體實(shí)現(xiàn)為:導(dǎo)航軟件進(jìn)入1 ms定時(shí)中斷程序，陀螺選通時(shí)將同步信號(hào)發(fā)出，測(cè)角裝置接收到同步信號(hào)后最大采樣延時(shí)為5 μs[14]。

圖6 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)同步原理示意圖

單軸測(cè)角裝置的數(shù)字量與角秒之間的換算關(guān)系為：

(1)

反過(guò)來(lái)，1角分代表的單軸測(cè)角裝置數(shù)字量為：

(2)

在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，假設(shè)角速度為5(°/s)，則由于軟件延時(shí)5 ms形成的角誤差為：

(3)

該式表明調(diào)節(jié)精度為90″。

2.3 電機(jī)的選型

根據(jù)前期對(duì)4.5 kg旋轉(zhuǎn)體的需要的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的測(cè)量和計(jì)算，所需轉(zhuǎn)矩如下：

1)克服摩擦力矩所需轉(zhuǎn)矩：摩擦轉(zhuǎn)矩包括單軸測(cè)角裝置軸承、力矩電機(jī)軸承、力矩電機(jī)電刷的摩擦轉(zhuǎn)矩、潤(rùn)滑脂對(duì)軸承摩擦轉(zhuǎn)矩的影響以及由于系統(tǒng)裝配不完全同軸所帶來(lái)的負(fù)載的增加部分等等。由于不易通過(guò)計(jì)算得到準(zhǔn)確值，因此用掛砝碼的方法對(duì)單軸測(cè)角裝置的摩擦力矩進(jìn)行測(cè)量，砝碼重量為0.104 kg，力臂約為12.5 mm，結(jié)果為：

0.104×9.8×0.0125=0.01225 Nm(P=mgL)

(4)

電機(jī)總的摩擦轉(zhuǎn)矩，根據(jù)0.6 V的起動(dòng)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的摩擦轉(zhuǎn)矩約為0.03 Nm(疊加)?？紤]低溫摩擦力矩增大，取摩擦力矩0.1 Nm；

2)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)加速運(yùn)動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩：正常工作狀態(tài)下，由轉(zhuǎn)動(dòng)慣量產(chǎn)生的負(fù)載最大值發(fā)生在換向加速結(jié)束時(shí)，此時(shí)按系統(tǒng)要求旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的最大角速度達(dá)到100°/s(17 rpm)，因此所需轉(zhuǎn)矩為：

Tj1=Jdω1/dt=0.01969×100/57.3=0.034 Nm

(6)

3)跟蹤載體加速旋轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩：根據(jù)某型慣導(dǎo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，瞬間角加速度不大于 1500 °/s2，則為保證旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩為：

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

(7)

4)旋轉(zhuǎn)部分偏心在沖擊條件(15 g/11 ms)下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩：根據(jù)復(fù)算結(jié)果，旋轉(zhuǎn)部分偏心距為0.23 mm，旋轉(zhuǎn)體重量為4.6 kg，考慮機(jī)構(gòu)放大1.8倍(總體提供數(shù)據(jù))，實(shí)際加速度達(dá)到27 g,因此旋轉(zhuǎn)體偏心受沖擊影響，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(jī)所需要提供的轉(zhuǎn)矩為上述轉(zhuǎn)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(xiàn)幾率較小，按極端條件的50%計(jì)，對(duì)旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行配重調(diào)平降低偏心距，降低沖擊產(chǎn)生的50%轉(zhuǎn)矩，因此電機(jī)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(duì)系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)想，內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn)體上僅有加速度計(jì)和陀螺組合，重量應(yīng)在3.5 kg左右，為了對(duì)慣性器件進(jìn)行有效的磁屏蔽，設(shè)計(jì)還將要在旋轉(zhuǎn)體外部用磁屏蔽材料做一個(gè)外罩，因此旋轉(zhuǎn)負(fù)載體的重量應(yīng)在5 kg左右。所以以上述計(jì)算的力矩選擇電機(jī)。

5)單軸測(cè)角裝置與電機(jī)之間傳動(dòng)的計(jì)算：?jiǎn)屋S測(cè)角裝置的轉(zhuǎn)速與控制電機(jī)速度的電壓量之間的關(guān)系式為：

Vtarget=K·N

(11)

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

單位rpm與單位(0.00001 °/s)之間的換算關(guān)系式為：

N·360°/60 s=ω/105(°)/s

(12)

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

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的軟件功能

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)采用以單片機(jī)為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)，因此旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的控制策略通過(guò)旋轉(zhuǎn)控制軟件設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其工作內(nèi)容包括：

1)單片機(jī)各寄存器和變量的初始化；

2)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通信，接收導(dǎo)航計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制命令，并向?qū)Ш接?jì)算機(jī)反饋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)狀態(tài)；

3)產(chǎn)生單軸測(cè)角裝置同步信號(hào)，并接收單軸測(cè)角裝置輸出角度信號(hào)；

4)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令；

5)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相應(yīng)的保護(hù)功能。旋轉(zhuǎn)控制軟件由主程序和中斷服務(wù)子程序兩大部分組成，按功能將軟件分為三部分：系統(tǒng)初始化、中斷服務(wù)和執(zhí)行導(dǎo)航計(jì)算機(jī)命令[15-16]。

主要軟件部件內(nèi)部接口控制流如圖7所示。

圖7 軟件內(nèi)部接口示意圖

旋轉(zhuǎn)控制軟件的流程主要包括如下步驟：

1)實(shí)現(xiàn)中央處理器的初始化功能。對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中央處理器各寄存器和變量的初始化；

2)對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行自檢活動(dòng)尋零，確保旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)機(jī)后的位置處于起始零位；

3)循環(huán)解讀導(dǎo)航命令，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；

4)隨時(shí)響應(yīng)CPU定時(shí)中斷和外部中斷申請(qǐng)，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)從外部向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下達(dá)各種導(dǎo)航命令，這些命令產(chǎn)生的條件分別為：

1)當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作異常需要糾正時(shí)，外部發(fā)出命令復(fù)位；

2)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)，外部發(fā)出命令往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制；

3)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在某個(gè)角度靜止時(shí)，外部發(fā)出命令絕對(duì)位置控制；

4)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)以指定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，外部發(fā)出命令速度控制；

5)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相對(duì)于某個(gè)固定角度作旋轉(zhuǎn)并在另一個(gè)相關(guān)角度靜止時(shí)，外部發(fā)出命令相對(duì)位置控制；

6)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)慣導(dǎo)的要求一次性連續(xù)單向旋轉(zhuǎn)多圈時(shí)，外部發(fā)出命令在線標(biāo)定控制；

7)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)根據(jù)慣導(dǎo)的要求一次性旋轉(zhuǎn)到指定角度時(shí)，外部發(fā)出命令初始標(biāo)定控制；

8)當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要實(shí)時(shí)跟蹤載體外部的航向與航速變化，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)地理坐標(biāo)系的往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，外部發(fā)出命令航向解耦往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制。

在上述步驟的過(guò)程中任何時(shí)刻，響應(yīng)不同的中斷源并保存新命令。待前一個(gè)命令的動(dòng)作完成后，再執(zhí)行最新命令的動(dòng)作[17-18]。

各種中斷源如下所示：

1)中斷源(1 優(yōu)先級(jí)最高)REST：復(fù)位中斷；

2)中斷源(2 優(yōu)先級(jí)高)INT0：外部同步信號(hào)請(qǐng)求中斷；

3)中斷源(3 優(yōu)先級(jí)次高)TIMER0 OVF：定時(shí)器0中斷，允許中斷嵌套；

4)中斷源(4 優(yōu)先級(jí)中)USART1 RX：通訊串口1收結(jié)束的中斷；

5)中斷源(5 優(yōu)先級(jí)低)USART1 TX：通訊串口1發(fā)結(jié)束中斷；

中斷源(6 優(yōu)先級(jí)最低)USART2 RX：通訊串口2收結(jié)束的中斷。

3.2 旋轉(zhuǎn)裝置控制方法和工作模式

旋轉(zhuǎn)裝置控制方法的流程包括如下步驟：

1)實(shí)現(xiàn)中央處理器的初始化功能。對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置的中央處理器各寄存器和變量的初始化。

2)對(duì)旋轉(zhuǎn)裝置進(jìn)行自檢尋零，確保旋轉(zhuǎn)裝置開(kāi)機(jī)后的位置在起始零位；

3)解讀導(dǎo)航命令，并執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作；

外部計(jì)算機(jī)向雙軸旋轉(zhuǎn)裝置下達(dá)各種導(dǎo)航命令，這些命令產(chǎn)生的條件分別為：

當(dāng)旋轉(zhuǎn)裝置工作異常需要糾正時(shí)，外部發(fā)出命令復(fù)位；

當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)裝置正常工作時(shí)，外部發(fā)出命令往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制；

當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)裝置在某個(gè)角度靜止時(shí)，外部發(fā)出命令絕對(duì)位置控制；

當(dāng)需要旋轉(zhuǎn)裝置需要實(shí)時(shí)跟蹤載體外部的航向與航速變化，從而實(shí)現(xiàn)相對(duì)地理坐標(biāo)系的往復(fù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，外部發(fā)出命令航向解耦往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制。

在上述步驟的過(guò)程中任何時(shí)刻，響應(yīng)不同的中斷源并執(zhí)行相應(yīng)命令。

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)能夠提供8種工作模式：絕對(duì)位置控制模式、相對(duì)位置控制模式、速度控制模式、往復(fù)旋轉(zhuǎn)暫?？刂颇Ｊ?、普通往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制模式、航向解耦往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制模式、在線標(biāo)定控制模式、初始標(biāo)定控制模式[18-20]。

一般情況下，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作在絕對(duì)位置控制、普通往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制、航向解耦往復(fù)旋轉(zhuǎn)控制3種工作模式。各種工作模式的功能、有效參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)工作模式表

旋轉(zhuǎn)控制軟件在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通電復(fù)位后開(kāi)始運(yùn)行，是單獨(dú)運(yùn)行的程序。每次通電后，旋轉(zhuǎn)控制軟件首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，包括了CPU相關(guān)寄存器的設(shè)置、變量賦初值和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的尋零操作[21]。

系統(tǒng)初始化完畢之后，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)控制軟件將根據(jù)接收到的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)控制指令進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制，包括絕對(duì)位置控制、往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制、航向解耦、在線標(biāo)定等8種控制模式。同時(shí)，旋轉(zhuǎn)控制軟件響應(yīng)同步信號(hào)中斷，向?qū)Ш接?jì)算機(jī)返回旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的狀態(tài)信息，包括計(jì)算同步時(shí)刻旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度和角速度信息、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)控制狀態(tài)信息和故障巡檢結(jié)果[22]。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)直流電機(jī)停轉(zhuǎn)以及連續(xù)長(zhǎng)時(shí)間未能正常接收到單軸測(cè)角裝置角位置信息時(shí)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將進(jìn)入故障保護(hù)模式，關(guān)閉直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)輸出，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)處于自由狀態(tài)，直至故障消除。

3.3 程序設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)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(jī)各寄存器和變量的初始化，上電自檢和工作過(guò)程中進(jìn)行巡檢，解讀導(dǎo)航計(jì)算機(jī)發(fā)送的運(yùn)動(dòng)控制命令，對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。電路軟件能夠?qū)崿F(xiàn)的思路如下：

圖8 旋轉(zhuǎn)控制軟件主程序流程圖

1)能夠接收慣導(dǎo)發(fā)送的速率指令，以設(shè)定的速率和旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行旋轉(zhuǎn)；

2)能夠接收慣導(dǎo)發(fā)送的位置指令，以固定的速率轉(zhuǎn)到要求位置，并在該位置穩(wěn)定；

3)能夠執(zhí)行上電自檢和工作過(guò)程中進(jìn)行巡檢的功能，并將檢測(cè)結(jié)果通過(guò)狀態(tài)字發(fā)送給慣導(dǎo)。

在定時(shí)中斷子程序中，單片機(jī)定時(shí)產(chǎn)生單軸測(cè)角裝置同步信號(hào)，并接收單軸測(cè)角裝置輸出角度信號(hào)，解算角位置和角速度，向?qū)Ш接?jì)算機(jī)反饋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)狀態(tài)。在外部串口通訊中斷子程序中，單片機(jī)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)通信，接受導(dǎo)航計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)控制命令。

3.4 PID算法

在增量式速度PID算法子程序中，通過(guò)參數(shù)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(jié)構(gòu)如圖9所示，仿真結(jié)果如圖10所示。

圖9 增量式PID控制結(jié)構(gòu)

圖10 PID控制響應(yīng)曲線

3.5 電機(jī)控制

典型的電機(jī)轉(zhuǎn)向切換過(guò)程包括：?jiǎn)?dòng)加速、運(yùn)動(dòng)勻速和制動(dòng)減速3個(gè)階段。

快速啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)距的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很重要，可以提供高于正常速度的模擬電壓來(lái)改善轉(zhuǎn)速的上升特性。無(wú)刷直流電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)距與啟動(dòng)電流、轉(zhuǎn)子相對(duì)于電樞繞組的位置有關(guān)。電機(jī)的電樞啟動(dòng)電流計(jì)算公式如下：

(14)

其中:U為調(diào)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(yàn)與結(jié)果分析

4.1 角位置定位試驗(yàn)

4.1.1 角位置試驗(yàn)方法

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)初始化完成后，采用絕對(duì)位置控制模式使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依次旋轉(zhuǎn)到要求驗(yàn)證的定位位置(0°、90°、180°和270°)，并記錄旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位后的角度穩(wěn)定值，每個(gè)位置定位至少7次。

4.1.2 角位置精度、穩(wěn)定性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

按如下公式計(jì)算每個(gè)定位角度的精度eθ，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的定位精度由其中最大的eθ值來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

(15)

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

角位置定位穩(wěn)定性按如下方法評(píng)定：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)初始化完成后，采用絕對(duì)位置控制模式使旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依次旋轉(zhuǎn)到要求驗(yàn)證的定位位置(0°、90°、180°和270°)，定位時(shí)間不小于60秒，記錄旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)定位后的角度穩(wěn)定值。角位置定位穩(wěn)定性的計(jì)算公式如下所示，由其中最大的σθ值來(lái)進(jìn)行評(píng)定：

(16)

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

4.2 角速率精度試驗(yàn)

4.2.1 角速率精度試驗(yàn)方法

表3 普通往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)設(shè)定值

旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)初始化完成后，采用光碼盤普通往復(fù)旋轉(zhuǎn)模式，按照上表設(shè)定往復(fù)運(yùn)動(dòng)的角度幅值和角速率后啟動(dòng)選擇旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。如果缺乏導(dǎo)航計(jì)算機(jī)，可以用工控機(jī)代替導(dǎo)航計(jì)算機(jī)向旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)發(fā)送虛擬命令開(kāi)展試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中數(shù)據(jù)由旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)監(jiān)控軟件進(jìn)行記錄。

4.2.2 角速率精度評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)每個(gè)給定速率條件下速率穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)采用定時(shí)測(cè)角法進(jìn)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(zhuǎn)控制電路定時(shí)反饋。角速率樣本數(shù)不少于10。

按下列公式計(jì)算每個(gè)設(shè)定角速率條件下的角速率精度eω，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角速率精度由各個(gè)速率命令計(jì)算的最大誤差eω值來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

(17)

按照下列公式計(jì)算每個(gè)角速率命令條件下角速率平穩(wěn)性σω，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角速率平穩(wěn)性由其中最大的σω來(lái)進(jìn)行評(píng)定。

(18)

式中，ω0為角速率目標(biāo)值(°/s)；ωref為第i個(gè)角速率樣本值(°/s)；n為角速率樣本數(shù)，至少大于6。

角速率的計(jì)算處理公式為：

V1s計(jì)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(shí)際測(cè)量誤差；θTb，θTb-1s分別為當(dāng)前與1 s之前的光碼盤角度值。當(dāng)V1s真為10°/s時(shí)，ΔVb一般不超過(guò)0.3°/s，數(shù)值很小。另外，周期為1 s的角速率統(tǒng)計(jì)平均值能夠很好地被控制調(diào)節(jié)。

4.3 結(jié)果分析

根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)的環(huán)境應(yīng)力篩選工作安排，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)隨捷聯(lián)慣導(dǎo)依次完成靜態(tài)、振動(dòng)、沖擊、高低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，產(chǎn)品功能和性能指標(biāo)滿足任務(wù)要求。某批次的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角速率和角度曲線圖分別如圖11～13所示，技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表見(jiàn)表4。

表4 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)技術(shù)指標(biāo)對(duì)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(jié)束語(yǔ)

連續(xù)旋轉(zhuǎn)對(duì)準(zhǔn)方式成為光纖陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)的一種有效技術(shù)手段。這里提出一種實(shí)現(xiàn)單軸旋轉(zhuǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)的低功耗、低成本、中精度旋轉(zhuǎn)控制方案，試驗(yàn)結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的功能和性能均滿足技術(shù)要求，為更好地發(fā)揮單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制光纖陀螺捷聯(lián)慣導(dǎo)產(chǎn)品的導(dǎo)航能力提供了有力的支持。