两轴陀螺稳定系统中陀螺安装的几种方法

! 陀螺的安装方法
（ ） 式给出了速率陀螺视轴稳定系统角速度补 > ［ ］ ! 偿的一般表达式 。可以通过该式归纳出三种陀 螺安装方法 （下面所指的速率陀螺均为单自由度速 率陀螺） ： 方案一采用三个陀螺， 分别安装在车体上 （沿车 分别测量车体运动 体坐标系& "， & & $ 方向安装） #， 再直接通过 （ ） 式计 、! 的三个角速度 ! ! > ! ( "、 ! ( ( $% # ! ( ( 算伺服系统的应该补偿量" ，#% "" 方案二仍旧采用三个陀螺。航向陀螺安装在车 体上与车体坐标 & 测量车体 $ ( 平行用来测量 ! ! ( $； 横滚的陀螺安装在方位环上， 测量轴与方位环 & # # 轴平行用来测量 ! ； 测量车体纵摇的陀螺也安装 ! # # 在方位环上， 其测量轴平行于俯仰轴用来测量 ! ! "% # 由 （ ） 式可知 8 ， ! ! ( ) 0 " 6! 0 % , " ! "5 ! ( " ! ( # # # #
［ ］ ! 稳定原理和数学模型 !"#
图"表示了一个双轴稳定跟踪平台的结构原理 ： 轴垂直于 示意图。定义载体坐标系为! " $ $ # 2 2 2! 2 载体平面， 向上为正； 载体 ! # 2 轴与载体纵轴重合， 前进方向为正； ! " 2 轴在载体平面内与载体横轴重 ， 载体前进方向右侧为正。定义方 合， 且垂直于! # 2 ， 轴与载体坐标系的 ! 位环 3坐标系 ! " $ $ $ # 2 3 3 3! 3 轴重合， 坐标系绕! ! " $ $ # 2 轴的转角定义为方位 3 3 3 俯仰框 4 坐标系 ! 角! ， 轴和 ! % " $ " " $ # # 3 4 4 4! 4 3 3 3 的! 轴重合， 坐标系绕 ! 轴的转角为 " ! " $ " # 3 4 4 4 3 被稳定对象安装在俯仰框上， 俯仰角 （或高低角） ! % 4 其瞄准线和! 轴平行。瞄准线 ! 在! " $ # # # 2 2 2中 4 4 和! 确定。 的位置唯一地由! 3 4 先考虑方位、 俯仰伺服回路不工作的情况， 当载 体有角速度 " 时， 将通过平台安装轴的几何约束和 & 2 、& 摩擦约束向台体耦合。设 " " & 2 "、 & 2 2 $ 为载体角 # " 速度沿! " $ 2系、 3系和4系 # 2 2 2 三个坐标轴的分量， 三个坐标系间的相对位置关系如图 ( 和图 % （ ! " $） # 所示。
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第E ;卷
速度为 （ ） (
号进行数值积分并按 （ ） 式计算结果作为两轴角度 ; 补偿量。针对微机电速率陀螺零位漂移， 建立陀螺 零偏稳定性模型， 采用 < 2 8 1 2 : 滤波算法对其进行 实时估计。同时为了克服陀螺测量的漂移， 还使用 了电平自动跟踪技术， 即控制极化轴作特定小范围 扫描搜索运动， 通过判断电平信号的强弱实现天线 的指向稳定。从实验结果来看， 跟踪效果较好， 稳定 精度在= > ? @ ! A > = @ -
! ( ) 0 " 6! 0 % , " ! # !! ! " ! ( " ! ( # # # ##
） ! ! 0 % , " 6! ( ) 0 " 8 ! ! ( " ! ( # # 5 7 # # # % （ " $ " $ ! ! ! $ ! ( $ # 与此同理， 将通过& 轴的摩擦约束和几何 ! " ! # " 约束耦合给俯仰环， 即! 、! ! ! "、 ! $分解到俯仰环 # # # ! # 各坐标轴的角速度分量为
（ ） ?
方案三采用两个陀螺。一个陀螺安装在俯仰框 上， 测量轴与俯仰轴垂直， 并与& 轴平行用来测量 $ " 另一个陀螺也安装在俯仰框上， 其测量轴平行 ! ! $； " 由 （ ） 式和 （ ） 式可知 于俯仰轴用来测量 ! 8 9 ! "% #
! ! 0 % , " 0 % , " 7! ( ) 0 " 0 % , " 6! ( ) 0 " ! $5 ! ( " ! ( ! ( $ " # " # # " " ! ! ( ) 0 " 6! 0 % , " % ! "5 ! ( " ! ( # # # # 再代入 （ ） 式可得方位、 俯仰伺服回路应该补偿的角 >
"! 0 % , " 0 % , " 6 ! ( ) 0 " 0 % , " 6 ! ( ) 0 " ! ( " ! ( ! ( $ # " # # " "$ 此时再考虑方位、 俯仰伺服回路工作时的情况， 方位、 俯仰伺服系统所产生的角速度也向 "系耦合， 耦合到 "系中的角速度由下式定义：
( ( ! ! # ! : # ! " " ’ " " # " # ! " ( ( ） 0 % , " ! 0 % , " ; # " 6 : 5 " ’ " # 5 " # " %（ ( ( " $ " ( ) 0 " " $ " $ : " $ " ! ( ) 0 " # " $ ’ " # " ( ( ， 分别为方位、 俯仰伺服系统所产生的角 " #" " 速度， 为方位、 俯仰伺服系统耦合到俯仰坐标系 ! ’ " 上所产生的角速度。 "系最终的角速度等于载体耦合到 "系的角速 度和方位、 俯仰伺服系统耦合到 "系的角速度叠加， 即 !< ! ! ! # ! # ! # ! " " " ’ " ! ! # 5 ! " # 6 ! ’ " # 5
( " ! ( ) 0 " 6 ! 0 % , " 6 ! ( " ! ( # # # "
( ， " ! 5! ( ) 0 " 6! 0 % , " 6 5 : < ! ( " ! ( # # # " ! 5! 0 % , " 0 % , " 7! ( ) 0 " 0 % , " 6 = ! ( " ! ( # " # # " ( ! ( ) 0 " 6 ( ) 0 " 5 : % " ! ( $ " # "
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! ! 0 % , " 6! ( ) 0 " % ! ! ( " ! ( # #57 # # # 代入到 （ ） 式， 可得到方位、 俯仰伺服回路应该补偿 >
的角速度为
( & " 57! ! "， " # % ( 5! . " 7! " & ’ ! ! ( $% # # # "
图! "系和 #系的相对位置和角速度 $ % ’ ! " ( ) ) * + % , . / 0 0 . / 1, +# ( ) ) * + % , . / 0 0 . / 1 & # # * / 2 . % 3 / 0 % . 4 . % ) ,, +, 4 2 * 3 / 2 ) ( % . & #
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" $ "7! $ ! 0 % , " 6! ( ) 0 " ! $ ! ! $ " # # " # " 将 （ ） 式代入 （ ） 式， 得 8 9
第( 0卷第%期 (##/年/月
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P A F 8 ( 0+ A 8 % # # / M = 3(
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收稿日期： ( # # ! 1 # $ 1 ( %
图" 两轴稳定结构示意图 5 6 8 " 9 2 : ; < = > 6 2 ? 6 = @ = <A B ( . = C 6 D D > = E 6 F 6 G ; ? D > @ H 2 > H @ ; 7 7
图( 3系和2系的相对位置和角速度 5 6 8 ( 3 2 A A @ ? 6 I = > ; D D > ; <= I ? 2 2 A A @ ? 6 I = > ; D D > ; < 7 3 3 @ ; F = > 6 J ; D 6 > H = > 6 A I= I ?= I H F = @ J ; F A 2 6 > 7 3
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两轴陀螺稳定系统中陀螺安装的几种方法
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所以可以得出方位、 俯仰伺服回路应该补偿的 角速度为 ( （! ） ， 57 ( ) 0 " 6! 0 % , " " & ! ( " ! ( " # # # ( （! ） " 57 0 % , " 0 % , " 7! ( ) 0 " 0 % , " 6（ % > ! ( " ! ( # # " # # " ’ ） ／) % ! ( ) 0 " " 0 ! ( $ " ( "
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文献标志码： -
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视轴稳定是运动作战平台实现行进间跟瞄的关 键技术。目前， 在舰载、 车载和机载雷达光电跟瞄系 统中， 普遍采用了两轴制陀螺稳定方式， 即采用速率 陀螺测量载体姿态， 将测量信息通过一定的计算再 引入到伺服回路作为扰动补偿量进行控制， 用以消 除载体运动对瞄准线的扰动。本文就速率陀螺安装 与补偿量之间关系进行分析和探讨。
两轴陀螺稳定系统中陀螺安装的几种方法
罗护，范大鹏，张智勇，吴正洪
（国防科技大学 机电工程与自动化学院， 湖南 长沙 ! ） " # # $ %
摘要：两轴陀螺稳定是移动作战平台保持瞄准具、 火炮、 雷达或通信天线等稳定常采用的一种方 式。陀螺安装的方式不同， 则载体姿态的角速度补偿量也不同。从稳定和测姿原理上建立了系统的 数学模型， 归纳出陀螺安装三种不同方法。通过移动载体卫星电视接收系统实例说明了安装方法的 应用。 关键词：机械学；视轴稳定；稳定原理；陀螺安装；移动通讯
［ ］ 郭富强， 等陀螺稳定装置及其应用 ［B］ 西北工业大学 A -西安： 出版社， ： A C C ? A = A # A = D ［ ］ 王继东移动载体稳定跟踪平台测控关键技术研究 ［F］ 长沙： E 国防科技大学研究生院， ： E = = DA ? # A G ［ ］ 王文清等压电速率陀螺瞄稳系统工程实践中若干问题分析与 D ］ 火力与指挥控制， ， （ ） ： 探讨 ［ H A C C ; E ) E ? C # ; A ［ ］ 王文清陀螺稳定跟踪系统几个问题的探讨 ［ ］ 兵工学报： 武 ) H 器分册， ： A C C A A ( # A C ［ ］ 邹东明， 等舰载光电跟踪设备视轴稳定分析 ［ ］ 兵工自动化， ? H ， （ ） ： E = = DE EA A ? # A C -
! 应用实例
移动载体卫星电视接收系统是一典型陀螺稳定 系统 （系统总体结构如图 ) ） 。在实际中， 采用第三 种安装方式， 即采用两个单自由度微机电速率陀螺 分别测量俯仰轴和俯仰框横滚轴， 对采集的陀螺信
" 结论
上述三种陀螺安装方式由于速率陀螺直接安装 在测量轴方向上， 可直接测量因载体姿态变化产生 的附加速度分量， 因而无需用计算机进行复杂的坐 标变换。这种方式结构简单， 实现容易。此外， 上述 关于角速度补偿一般原理同样也适合角加速度分 析。 参考文献