CN110488853B - 一种降低转轴涡动影响的混合式惯导系统稳定控制指令的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低转轴涡动影响的混合式惯导系统稳定控制指令的计算方法，通过该方法可将混合式惯导系统的台体稳定在地理坐标系，同时可对惯性器件进行旋转调制。该方法的优点，在于计算内框电机稳定控制指令时，针对转轴涡动与旋转调制角速度耦合对系统姿态误差的影响，将旋转角速度施加于台体坐标系z轴方向，提高了台体的稳定精度，降低了系统姿态误差。

Description

一种降低转轴涡动影响的混合式惯导系统稳定控制指令的计 算方法

技术领域

本发明涉及一种提高台体稳定精度、降低系统姿态误差的稳定控制指令计算方法，适用于对系统姿态精度有较高要求、需要稳定在地理坐标系的惯性导航系统，属于伺服控制领域。

技术背景

惯导系统被广泛应用于军用、民用领域的多种运载器。传统的捷联式惯导系统和平台式惯导系统，导航精度的提升主要依靠提高惯性器件的性能。混合式惯导系统不仅可以隔离载体角运动，也可以对惯性器件进行旋转调制，从而在使用同等精度的惯性器件的条件下，显著提高导航精度。

为了达到隔离载体运动的目的，一般以陀螺输出为反馈量，计算稳定指令。但是对于双轴或三轴混合式惯导系统，旋转调制会造成陀螺敏感轴与电机轴不重合。因此，需要根据载体的不同运动、不同旋转策略，将陀螺输出折算到电机轴方向，得到沿电机轴方向的稳定指令。

同时，应该注意旋转调制引入的误差对混合式惯导系统姿态输出精度的影响。例如，对于绕内框轴长时间旋转调制的混合式惯导系统，由于内框轴的涡动，平台坐标系的z轴指向不固定。此时如果将旋转调制角速度施加到地理坐标系的天向，会导致平台坐标系的水平陀螺敏感到旋转调制角速度的投影，这会导致稳定指令计算错误，系统俯仰角和横滚角出现震荡。

因此，需要为混合式惯导系统设计一套稳定指令计算方法，使得旋转机构快速、平稳、准确地跟踪导航坐标系，尽量减小旋转调制角速度与转轴涡动的耦合误差。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对混合式惯导系统台体需稳定于地理坐标系以及隔离载体角运动的需求，减少涡动误差对系统姿态的影响，提出一种稳定控制指令的计算方法，在隔离载体角运动的同时提高系统姿态的精度。

本发明的技术解决方案是：一种降低转轴涡动影响的混合式惯导系统稳定控制指令的计算方法，实现步骤如下：

(1)进行姿态解算，计算平台坐标系(p系)相对于导航坐标系(n系)的旋转角速度

(2)在平台坐标系内，

扣除旋转调制角速度分量，得到稳定指令角速度

(3)对稳定指令角速度积分，得到稳定指令角度

(4)将稳定指令角度折算到电机轴上，得到电机稳定指令。

所述步骤(2)稳定指令角速度的计算公式如下：

式中，ΔR_rx、ΔR_ry、ΔR_rz分别为当前周期的中框、外框、内框的电机旋转指令。dt为控制周期。

所述步骤(3)稳定指令角度的计算公式如下：

本发明的原理是：

从陀螺输出中可以提取台体相对地理坐标系的角运动信息，以此为反馈，可以计算出电机轴的稳定指令，电机带动框架旋转，实现台体快速、准确地跟踪地理坐标系。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明适用于不同载体角运动、不同旋转策略下的稳定指令计算。由于载体运动、框架旋转会影响电机轴的正交关系以及陀螺敏感轴与电机轴的空间角度关系，需要将陀螺输出折算到电机轴方向，才能得到正确的稳定指令计算方法。本发明利用陀螺输出、系统姿态角、IMU姿态角等数据，给出了稳定指令计算方法。

(2)本发明减小了绕内框轴旋转调制时的系统姿态误差。绕内框轴旋转调制时，如果旋转调制角速度施加在地理坐标系天向，内框转轴涡动与旋转调制角速度耦合，会造成系统姿态误差。针对这一问题，本发明更改了稳定指令计算方法，将旋转调制角速度施加在平台坐标系z轴方向，可以减小系统姿态误差。

附图说明

图1为本发明所指的稳定指令计算方法流程图。图2为摘要附图。

具体实施方式

下面以一种三轴混合式惯性导航系统为例来阐述本发明的具体实施过程。

该惯导系统可以隔离载体角运动，三轴旋转机构的内框轴、中框轴、外框轴分别指向系统的方位、俯仰、横滚，三个框架各配一个增量式光电码盘。IMU安装于该旋转机构上。

根据图1所示的流程，电机稳定指令计算方法如下：

1.姿态解算，得到姿态矩阵

2.计算

更新地球自转以及地理系相对于地球系的角速率：

式中，ω_ie为地球自转角速度；L为当地地理纬度；v_E、v_N为上一周期计算出的东向速度、北向速度；R_M、R_N为当前周期计算出的地球曲率半径。

经过上一时刻的

转化到地理系得到

设陀螺输出为

扣除

得到

补偿圆锥误差后，可以用来计算稳定指令。

3.计算电机稳定指令。

光栅角为零时，x、y、z陀螺敏感轴基本指向中框轴、外框轴、内框轴。但是当载体存在俯仰运动时，三个电机轴之间不正交；当IMU绕某个电机轴进行旋转时，陀螺敏感轴与电机轴不重合；当载体俯仰角达到90°或者惯导系统绕中框轴旋转调制时，将无法隔离载体的航向运动。因此需要根据系统姿态以及不同旋转策略计算电机稳定指令。

(1)电机绕内框轴旋转时的稳定指令的计算公式如下：

式中，R_sx、R_sy、R_sz分别为中框、外框、内框的电机稳定指令；ψ_b为系统航向角，R(-ψ_b)是由-ψ_b构成的旋转矩阵；ΔR_rx、ΔR_ry、ΔR_rz分别为当前周期的中框、外框、内框的电机旋转指令；

为当前时刻的姿态矩阵。θ_b为系统俯仰角。

式(8)、式(9)适用于内框轴指天情况。

对于绕中框轴或者外框轴旋转180°，使内框轴指地旋转的情况，稳定指令计算公式如下：

式中，

由式(8)计算得到。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

最后所应说明的是：以上实施实例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，所有的不脱离本发明的精神和范围的修改或局部替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种混合式惯导系统稳定控制指令的计算方法，其特征在于实现步骤如下，

(1)进行姿态解算，计算平台坐标系相对于导航坐标系的旋转角速度

，

所述步骤1旋转角速度

的计算公式如下，

式中，ω_ie为地球自转角速度；L为当地地理纬度；v_E、v_N为上一周期计算出的东向速度、北向速度；R_M、R_N为当前周期计算出的地球曲率半径；

为上一时刻的姿态矩阵；

为当前时刻的陀螺输出，

(2)在平台坐标系内，

扣除旋转调制角速度分量，得到稳定指令角速度

，

所述步骤2稳定指令角速度的计算公式如下，

式中，ΔR_rx、ΔR_ry、ΔR_rz分别为当前周期的中框、外框、内框的电机旋转指令，dt为控制周期，

(3)对稳定指令角速度积分，得到稳定指令角度

，

(4)将稳定指令角度折算到电机轴上，得到电机稳定指令，

当内框轴指天，电机绕内框轴旋转时的稳定指令的计算公式如下，

式中，R_sx、R_sy、R_sz分别为中框、外框、内框的电机稳定指令；ψ_b为系统航向角，R(-ψ_b)是由-ψ_b构成的旋转矩阵；

为当前时刻的姿态矩阵， θ_b为系统俯仰角，

对于绕中框轴或者外框轴旋转180°，使内框轴指地旋转的情况，稳定指令计算公式如下，

。

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