兩軸光電平臺陀螺配置及控制系統(tǒng)設(shè)計研究

兩軸光電平臺陀螺配置及控制系統(tǒng)設(shè)計研究【摘要】兩軸陀螺穩(wěn)定是動載體作戰(zhàn)平臺保持瞄準線穩(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)的角速度補償量表達式和伺服控制系統(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。通過比較得出動載體兩軸光電平臺陀螺最佳配置方案。

【關(guān)鍵詞】光電偵察；兩軸系統(tǒng)；瞄準線穩(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、艦船和車輛等載體上，完成戰(zhàn)場偵察和目標跟蹤等任務(wù)。在探測器成像周期內(nèi)的載體振動和機動等將使圖像產(chǎn)生抖動，嚴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，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算再引入到伺服回路作為擾動補償量進行控制，用以消除載體運動對瞄準線的擾動。本文就速率陀螺安裝與補償量之間關(guān)系進行分析和探討。

一、幾個坐標系的規(guī)定

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

1.載體直角坐標系：又稱動坐標系，如圖1所示。軸與載體前進方向垂直，并與其在同一平面上，載體前進方向右側(cè)為正；軸載體縱軸重合，載體前進方向為正：軸與載體平面垂直，向上為正。坐標系符合右手定則。

圖1載體直角坐標系示意圖

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

圖2傳感器直角坐標系示意圖

3.幾個角速度的符號及正方向。為附加傳感器方位角速度，因方位角是以順時針旋轉(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為正，故按右手定則，俯仰角速度的正方向與傳感器直角坐標系的軸同向。

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，當載體有角速度時，將通過平臺安裝軸的幾何約束和摩擦約束向方位臺體耦合。對的耦合分解到方位直角坐標軸系角速度分量為：

==（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系的角速度分量為：

==（2）

將（1）式代入（2）式，得（3）

=（3）

此時再考慮方位、俯仰伺服回路工作時的情況，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系耦合，耦合到俯仰直角坐標系中的角速度分量由下式定義：

+=（4）

為實現(xiàn)瞄準線穩(wěn)定，對比（3）、（4）式，實現(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線穩(wěn)定系統(tǒng)角速度補償?shù)囊话惚磉_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）。

方案一采用三個陀螺，分別安裝在載體上，沿載體坐標系，，方向安裝，分別測量車體運動的三個角速度、、，再直接通過（8）式計算，捷聯(lián)解算構(gòu)建數(shù)字穩(wěn)定平臺，應(yīng)該補償量分別對方位俯仰軸進行補償，實現(xiàn)瞄準線的慣性穩(wěn)定。

方案二仍舊采用三個陀螺。分別安裝在方位環(huán)上，沿方位直角坐標系，，方向安裝，分別測量方位環(huán)運動的三個角速度、、，再直接通過（7）式計算得出方位俯仰軸應(yīng)該補償量。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)時伺服系統(tǒng)控制框圖

方案三采用兩個陀螺。分別安裝在俯仰環(huán)上，沿俯仰直角坐標系，方向安裝，分別測量俯仰環(huán)運動的兩個角速度、，再直接通過（6）式計算得出方位俯仰軸應(yīng)該補償量。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，由計算機根據(jù)（8）式計算光軸的慣性向量，由該慣量信號作為伺服控制的反饋信號，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)定的光電平臺穩(wěn)定工作時需要載體慣性測量的imu性能完好且處于工作狀態(tài)，降低了光電平臺的可工作時機及光電系統(tǒng)的可靠性。隨著電子技術(shù)和工藝技術(shù)的發(fā)展，慣性測量單元價格降低，性能提高，小型化、輕量化、精度高，光電平臺自帶慣性測量單元的自主穩(wěn)定系統(tǒng)成為趨勢。

方案三需兩個陀螺，與方案二所需的三個陀螺方案相比較，減少了一個陀螺，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，該方式減少了一個運算變量，對精度有益處。因此，除一些特殊的個例外，兩軸光電平臺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，當增大時，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)不能實現(xiàn)的程度。故此種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的可實現(xiàn)穩(wěn)定的高度角有限，不能實現(xiàn)全空域穩(wěn)定，有天頂盲區(qū)。

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