兩軸光電平臺(tái)陀螺配置及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

兩軸光電平臺(tái)陀螺配置及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究【摘要】兩軸陀螺穩(wěn)定是動(dòng)載體作戰(zhàn)平臺(tái)保持瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定常采用的一種方式。陀螺安裝的方式不同，則載體姿態(tài)的角速度補(bǔ)償量表達(dá)式和伺服控制系統(tǒng)的構(gòu)建也不同。從穩(wěn)定和測姿原理上建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，歸納出陀螺安裝三種不同方法及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過比較得出動(dòng)載體兩軸光電平臺(tái)陀螺最佳配置方案。

【關(guān)鍵詞】光電偵察；兩軸系統(tǒng)；瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定；陀螺穩(wěn)定；陀螺安裝；速度耦合

引言

以電視、紅外和激光等為代表的光電技術(shù)是現(xiàn)代軍事裝備技術(shù)變革的方向之一，各類探測器廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船和車輛等載體上，完成戰(zhàn)場偵察和目標(biāo)跟蹤等任務(wù)。在探測器成像周期內(nèi)的載體振動(dòng)和機(jī)動(dòng)等將使圖像產(chǎn)生抖動(dòng)，嚴(yán)重影響圖像清晰度和分辨率等性能，因此人們引入了慣性穩(wěn)定技術(shù)，用以隔離載體擾動(dòng)，使得圖像或光軸在慣性空間保持穩(wěn)定。目前，在艦載、車載和機(jī)載光電跟瞄系統(tǒng)中，普遍采用了兩軸制陀螺穩(wěn)定方式，即采用速率陀螺測量載體姿態(tài)，將測量信息通過一定的計(jì)算再引入到伺服回路作為擾動(dòng)補(bǔ)償量進(jìn)行控制，用以消除載體運(yùn)動(dòng)對瞄準(zhǔn)線的擾動(dòng)。本文就速率陀螺安裝與補(bǔ)償量之間關(guān)系進(jìn)行分析和探討。

一、幾個(gè)坐標(biāo)系的規(guī)定

在進(jìn)行推導(dǎo)前，必須首先規(guī)定各個(gè)坐標(biāo)系和船搖姿態(tài)角的符號(hào)及正方向。為了推導(dǎo)公式方便，我們假定，除特別指明的以外，所有坐標(biāo)系的原點(diǎn)都是重合的，均在各自的轉(zhuǎn)軸處。下面是幾個(gè)常用坐標(biāo)系。

1.載體直角坐標(biāo)系：又稱動(dòng)坐標(biāo)系，如圖1所示。軸與載體前進(jìn)方向垂直，并與其在同一平面上，載體前進(jìn)方向右側(cè)為正；軸載體縱軸重合，載體前進(jìn)方向?yàn)檎狠S與載體平面垂直，向上為正。坐標(biāo)系符合右手定則。

圖1載體直角坐標(biāo)系示意圖

2.方位直角坐標(biāo)系：初始位置與載體直角坐標(biāo)系重合，未搖擺時(shí)光電平臺(tái)傳感器瞄準(zhǔn)線對準(zhǔn)載體前進(jìn)方向水平物體。如果載體有搖擺時(shí)，為實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定，在載體直角坐標(biāo)系內(nèi)繞-軸傳感器旋轉(zhuǎn)角，得方位直角坐標(biāo)系，再在方位直角坐標(biāo)系內(nèi)繞軸傳感器旋轉(zhuǎn)角，得俯仰直角坐標(biāo)系。這樣傳感器的視軸就對準(zhǔn)目標(biāo)了，實(shí)現(xiàn)了瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定。為甲板方位角，是目標(biāo)視線在甲板平面的投影與艦船艏艉線的夾角，順時(shí)針為正；為甲板俯仰角，是目標(biāo)視線在甲板平面的投影與目標(biāo)視線的夾角，向上為正。

圖2傳感器直角坐標(biāo)系示意圖

3.幾個(gè)角速度的符號(hào)及正方向。為附加傳感器方位角速度，因方位角是以順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正，故按右手定則，方位角速度的正方向與甲板坐標(biāo)系的軸反向；為附加傳感器俯仰角速度，因俯仰角是以視軸向?yàn)檎?，故按右手定則，俯仰角速度的正方向與傳感器直角坐標(biāo)系的軸同向。

二、速度耦合法求解速度穩(wěn)定方程

先考慮方位、俯仰伺服回路不工作的情況，當(dāng)載體有角速度時(shí)，將通過平臺(tái)安裝軸的幾何約束和摩擦約束向方位臺(tái)體耦合。對的耦合分解到方位直角坐標(biāo)軸系角速度分量為：

==（1）

與此同理，將通過軸的摩擦約束和幾何約束耦合給俯仰環(huán)，對的耦合分解到俯仰直角坐標(biāo)系的角速度分量為：

==（2）

將（1）式代入（2）式，得（3）

=（3）

此時(shí)再考慮方位、俯仰伺服回路工作時(shí)的情況，方位、俯仰伺服系統(tǒng)所產(chǎn)生的角速度也向俯仰直角坐標(biāo)系耦合，耦合到俯仰直角坐標(biāo)系中的角速度分量由下式定義：

+=（4）

為實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定，對比（3）、（4）式，實(shí)現(xiàn)方位軸、俯仰穩(wěn)定有

+=（5）

即=（6）

將（2）式代入（6）式，得（7）

=（7）

將（3）式代入（6）式，得（8）

=（8）

三、陀螺的安裝方法及控制系統(tǒng)方案

（6）、（7）、（8）式給出了速率陀螺瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定系統(tǒng)角速度補(bǔ)償?shù)囊话惚磉_(dá)式。可以通過該式歸納出三種陀螺安裝方法（下面所指的速率陀螺均為單自由度速率陀螺）。

方案一采用三個(gè)陀螺，分別安裝在載體上，沿載體坐標(biāo)系，，方向安裝，分別測量車體運(yùn)動(dòng)的三個(gè)角速度、、，再直接通過（8）式計(jì)算，捷聯(lián)解算構(gòu)建數(shù)字穩(wěn)定平臺(tái)，應(yīng)該補(bǔ)償量分別對方位俯仰軸進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)線的慣性穩(wěn)定。

方案二仍舊采用三個(gè)陀螺。分別安裝在方位環(huán)上，沿方位直角坐標(biāo)系，，方向安裝，分別測量方位環(huán)運(yùn)動(dòng)的三個(gè)角速度、、，再直接通過（7）式計(jì)算得出方位俯仰軸應(yīng)該補(bǔ)償量。其兩軸控制原理框圖如圖3所示。

（a）俯仰軸

（b）方位軸

圖3慣性測量元件在方位環(huán)時(shí)伺服系統(tǒng)控制框圖

方案三采用兩個(gè)陀螺。分別安裝在俯仰環(huán)上，沿俯仰直角坐標(biāo)系，方向安裝，分別測量俯仰環(huán)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)角速度、，再直接通過（6）式計(jì)算得出方位俯仰軸應(yīng)該補(bǔ)償量。其兩軸控制原理框圖如圖4所示。

（a）俯仰軸

（b）方位軸

圖4慣性測量元件在俯仰環(huán)時(shí)伺服系統(tǒng)控制框圖

四、分析與結(jié)論

方案一捷聯(lián)穩(wěn)定是將三軸慣性測量單元（慣組）固連于載體上，通過獲取載體慣性速度、方位框架相對載體的角度、俯仰框架相對方位框架的角度，由計(jì)算機(jī)根據(jù)（8）式計(jì)算光軸的慣性向量，由該慣量信號(hào)作為伺服控制的反饋信號(hào)，完成光軸的慣性穩(wěn)定控制。捷聯(lián)穩(wěn)定的慣性測量單元一般為載體用于慣性導(dǎo)航的imu，能夠降低系統(tǒng)成本，但是imu數(shù)據(jù)刷新率一般較低，慣性速度信號(hào)精度不高，難以滿足高精度穩(wěn)定需求；而且，采用捷聯(lián)穩(wěn)定的光電平臺(tái)穩(wěn)定工作時(shí)需要載體慣性測量的imu性能完好且處于工作狀態(tài)，降低了光電平臺(tái)的可工作時(shí)機(jī)及光電系統(tǒng)的可靠性。隨著電子技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展，慣性測量單元價(jià)格降低，性能提高，小型化、輕量化、精度高，光電平臺(tái)自帶慣性測量單元的自主穩(wěn)定系統(tǒng)成為趨勢。

方案三需兩個(gè)陀螺，與方案二所需的三個(gè)陀螺方案相比較，減少了一個(gè)陀螺，成本更低，重量更輕，慣量更小，體積更??；方案三中的俯仰軸伺服控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制，相較于方案二中的開環(huán)控制，精度更高；方案三中的方位軸伺服控制系統(tǒng)相較于方案二，該方式減少了一個(gè)運(yùn)算變量，對精度有益處。因此，除一些特殊的個(gè)例外，兩軸光電平臺(tái)陀螺配置及控制系統(tǒng)均采用方案三。

方位伺服控制系統(tǒng)控制量中，含有的倒數(shù)項(xiàng)，當(dāng)增大時(shí)，附加方位角速度增大，像旋轉(zhuǎn)角速度增大，可能大到物理系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn)的程度。故此種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高度角有限，不能實(shí)現(xiàn)全空域穩(wěn)定，有天頂盲區(qū)。

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