張 娜，趙軍虎，余貞宇

一種基于三框架四軸慣性平臺(tái)的飛轉(zhuǎn)判斷算法

張 娜，趙軍虎，余貞宇

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

針對(duì)三框架四軸平臺(tái)系統(tǒng)的飛轉(zhuǎn)判斷算法進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了平臺(tái)系統(tǒng)產(chǎn)生飛轉(zhuǎn)的基本原理，并根據(jù)三框架四軸平臺(tái)特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于軟件實(shí)現(xiàn)的飛轉(zhuǎn)判斷算法。當(dāng)慣性平臺(tái)系統(tǒng)出現(xiàn)框架超速時(shí)，通過(guò)該方法可以實(shí)現(xiàn)飛轉(zhuǎn)的快速判斷，同時(shí)還能有效降低飛轉(zhuǎn)判斷的虛警率，有效預(yù)防由于平臺(tái)飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，對(duì)于提高平臺(tái)的可靠性有重要意義。

慣性平臺(tái)系統(tǒng)；三框架四軸；飛轉(zhuǎn)判斷

0 引 言

慣性平臺(tái)是導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等飛行器中制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件，主要是為相關(guān)飛行器建立慣性空間的方位和姿態(tài)角基準(zhǔn)，包括陀螺儀、加速度計(jì)和伺服回路。陀螺儀測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間的角度、角速度，加速度計(jì)測(cè)量飛行器相對(duì)慣性空間的速度和加速度。陀螺儀、加速度計(jì)能否正常工作直接關(guān)系著飛行器的可靠性。

慣性平臺(tái)失穩(wěn)倒臺(tái)是慣性平臺(tái)測(cè)試和正常工作中應(yīng)重點(diǎn)防范的故障。當(dāng)外部環(huán)境過(guò)載或穩(wěn)定回路的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時(shí)，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定發(fā)散或開(kāi)環(huán)，引起環(huán)架伺服電機(jī)單向驅(qū)動(dòng)，造成平臺(tái)環(huán)架從原來(lái)的穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動(dòng)倒下，由于慣性平臺(tái)上環(huán)架和陀螺具有交耦性，在高速率的情況下，會(huì)引發(fā)其它各環(huán)架伺服回路的同時(shí)倒環(huán)，這就是所謂的慣性平臺(tái)失穩(wěn)倒臺(tái)。如果不及時(shí)切斷電源，會(huì)對(duì)慣性平臺(tái)上的慣性器件造成致命性損傷[5]。

為防止慣性平臺(tái)倒臺(tái)造成的巨大損失，利用平臺(tái)彈（箭）上軟件系統(tǒng)進(jìn)行防飛算法實(shí)現(xiàn)，使慣性平臺(tái)系統(tǒng)對(duì)飛轉(zhuǎn)的判斷更加全面、有效地預(yù)防了由于平臺(tái)飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，同時(shí)降低了平臺(tái)飛轉(zhuǎn)判斷的虛警率，具有較高的可靠性。

1 三框架四軸慣性平臺(tái)

三框架四軸平臺(tái)是在原來(lái)的三軸平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在最外面增加一個(gè)隨動(dòng)框架構(gòu)成的。原來(lái)的三軸平臺(tái)的外框架軸通過(guò)軸承安裝在隨動(dòng)框架軸上，而隨動(dòng)框架軸通過(guò)軸承安裝在彈（箭）上。這樣，平臺(tái)共有4個(gè)自由度，因一般相對(duì)于慣性空間的的穩(wěn)定平臺(tái)只需要3個(gè)自由度，因此就有一個(gè)多余的自由度，可以用來(lái)避免“框架鎖定”現(xiàn)象。這種四軸平臺(tái)在彈（箭）作大姿態(tài)角飛行時(shí)，里面的3個(gè)框架軸能始終保持相互垂直狀態(tài)，因此稱為全姿態(tài)穩(wěn)定平臺(tái)[1]，圖1示出了這種平臺(tái)的結(jié)構(gòu)原理，其中ppp為平臺(tái)坐標(biāo)系，F(xiàn)FFYF為平臺(tái)本體框架軸系。

圖1 平臺(tái)系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意

2 三框架四軸平臺(tái)伺服回路

慣性平臺(tái)是提供空間慣性坐標(biāo)系的基準(zhǔn), 是通過(guò)平臺(tái)穩(wěn)定回路實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)定回路原理如圖2所示。以平臺(tái)軸為例，軸受干擾力矩時(shí)，臺(tái)體偏離軸慣性基準(zhǔn)。此時(shí)陀螺敏感臺(tái)體偏離角度，輸出電信號(hào)，經(jīng)前置放大器（簡(jiǎn)稱“前放”）、變換放大器等電子線路，傳遞為直流信號(hào)輸入到軸平臺(tái)力矩電機(jī)。力矩電機(jī)產(chǎn)生電磁力矩，抵消干擾力矩, 使臺(tái)體穩(wěn)定在慣性空間。

圖2 平臺(tái)穩(wěn)定回路原理[1]

為了實(shí)現(xiàn)彈體全姿態(tài)飛行以及避免在特定角度時(shí)平臺(tái)丟失自由度，三框架四軸平臺(tái)增加了隨動(dòng)環(huán)，因此相對(duì)于三軸平臺(tái)增加了隨動(dòng)環(huán)的控制功能。全姿態(tài)隨動(dòng)環(huán)控制方案，包括隨動(dòng)模式、當(dāng)前位置鎖定模式，隨動(dòng)環(huán)90°翻滾模式。隨動(dòng)模式時(shí)，隨動(dòng)框架跟隨內(nèi)框架運(yùn)動(dòng)，內(nèi)框架與外框架固連，此時(shí)平臺(tái)等效為由隨動(dòng)軸-外環(huán)軸-臺(tái)體軸組成的三軸平臺(tái)；當(dāng)前位置鎖定模式時(shí)隨動(dòng)框架被鎖定而與基座固連，此時(shí)平臺(tái)等效為由外環(huán)軸-內(nèi)轉(zhuǎn)軸-臺(tái)體軸組成的三軸平臺(tái)。在當(dāng)前位置鎖定模式下，由內(nèi)環(huán)敏感載體在該方向上的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)內(nèi)環(huán)角度超出預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值后，隨動(dòng)環(huán)控制器進(jìn)入90°翻轉(zhuǎn)模式，通過(guò)將隨動(dòng)環(huán)翻轉(zhuǎn)90°的方式將平臺(tái)內(nèi)環(huán)和外環(huán)敏感載體運(yùn)動(dòng)的方向進(jìn)行調(diào)換，能夠使外環(huán)離開(kāi)90°，同時(shí)能使內(nèi)環(huán)回到零位附近，此時(shí)，隨動(dòng)環(huán)控制器可重新切換到隨動(dòng)工作模式。

3 平臺(tái)飛轉(zhuǎn)原理

通過(guò)故障模式分析，可知引起平臺(tái)穩(wěn)定軸飛轉(zhuǎn)的故障主要有：穩(wěn)定/隨動(dòng)回路故障，動(dòng)壓馬達(dá)未正常啟動(dòng)，陀螺儀輸出異常，前放/解調(diào)電路故障，異常干擾力矩等。每種故障模式對(duì)應(yīng)的平臺(tái)穩(wěn)定軸飛轉(zhuǎn)情況有一定差異，其中導(dǎo)致飛轉(zhuǎn)角加速度最大的情況為穩(wěn)定或隨動(dòng)回路功率級(jí)輸出飽和，使得彈（箭）上28 V直接加到力矩電機(jī)上，力矩電機(jī)帶動(dòng)平臺(tái)軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)。

對(duì)于平臺(tái)框架：

陀螺力矩相對(duì)力矩電機(jī)力矩可忽略，主要考慮摩擦力矩和力矩電機(jī)力矩引起的平臺(tái)框架快速轉(zhuǎn)動(dòng)，并依據(jù)其進(jìn)行防飛轉(zhuǎn)算法的設(shè)計(jì)。

4 防飛轉(zhuǎn)算法設(shè)計(jì)

對(duì)于隨動(dòng)回路工作在隨動(dòng)模式、當(dāng)前位置鎖定模式的四軸平臺(tái)，采用傳統(tǒng)的防飛轉(zhuǎn)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即對(duì)姿態(tài)角進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，判斷短時(shí)間內(nèi)姿態(tài)角的變化率，即角速度是否超過(guò)設(shè)定的閾值。若超出，則輸出保護(hù)信號(hào)。該方法的關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)即為輸出姿態(tài)角超速信號(hào)到判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)的時(shí)間特性。依據(jù)第3節(jié)內(nèi)容，可知框架最大角加速度為

防飛設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)包括：

a）耐回轉(zhuǎn)角速度：陀螺儀動(dòng)壓馬達(dá)耐回轉(zhuǎn)角速度達(dá)360（°）/s；

b）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：臺(tái)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.024 kg/m2，內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.091 kg/m2，外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.183 kg/m2，隨動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.218 kg/m2；

c）最大干擾力矩：臺(tái)體軸、內(nèi)環(huán)軸最大干擾力矩不大于100 （mN·m），外環(huán)軸、隨動(dòng)軸大干擾力矩不大于150 （mN·m）；

依據(jù)上述參數(shù)，并考慮軟件計(jì)算周期，計(jì)算各種延時(shí)條件下各軸的最大飛轉(zhuǎn)角速度如表1所示。

表1 四軸最大飛轉(zhuǎn)角速度

Tab.1 The Maximum Angular Velocity of Four-axis

軸名稱角加速度rad/s220ms角速度(°)/s160ms角速度(°)/s200ms角速度(°)/s 臺(tái)體軸31.21 35.76 286.0874357.61 內(nèi)環(huán)軸8.23 9.43 75.4516394.31 外環(huán)軸6.92 7.93 63.41179.26 隨動(dòng)軸5.81 6.65 53.2303366.54

從表1看出，由于臺(tái)體軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，因此在200 ms延時(shí)條件下，角速度接近陀螺的耐回轉(zhuǎn)角速度，為保證飛轉(zhuǎn)判斷有不小于20%余量，從輸出臺(tái)體軸姿態(tài)角超速信號(hào)到判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)時(shí)間最大不能超過(guò)160 ms，其它各軸的時(shí)間特性設(shè)定為200 ms即能滿足要求。

飛轉(zhuǎn)判據(jù)中若僅考慮框架角變化率容易導(dǎo)致飛轉(zhuǎn)虛警，因此將力矩電機(jī)電流融合到飛轉(zhuǎn)判據(jù)里進(jìn)行綜合判斷，僅當(dāng)框架角變化率達(dá)到門(mén)限值，同時(shí)力矩電機(jī)電流也同樣達(dá)到最大力矩電流的80%時(shí)，判斷為飛轉(zhuǎn)，因此飛轉(zhuǎn)判據(jù)可描述為：當(dāng)隨動(dòng)回路工作在隨動(dòng)模式、當(dāng)前位置鎖定模式時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)平臺(tái)臺(tái)體軸、內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸、隨動(dòng)軸角速率超速信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)有任意一個(gè)軸的角速率監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超速標(biāo)識(shí)，且對(duì)應(yīng)的力矩電機(jī)電流大于等于80%或小于等于-80%，臺(tái)體軸連續(xù)160 ms，且內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動(dòng)軸連續(xù) 200 ms滿足該條件時(shí)，則判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號(hào)。

a）當(dāng)臺(tái)體軸角速率監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超速標(biāo)識(shí)，且外環(huán)在Ⅰ、Ⅱ象限，臺(tái)體飛轉(zhuǎn)方向與隨動(dòng)軸相反但隨動(dòng)軸框架角超出目標(biāo)角度45°或臺(tái)體飛轉(zhuǎn)方向與隨動(dòng)軸相同時(shí)，若連續(xù)60 ms滿足該條件，則判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號(hào)；

b）當(dāng)臺(tái)體軸角速率監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超速標(biāo)識(shí)，且外環(huán)在Ⅲ、Ⅳ象限，臺(tái)體飛轉(zhuǎn)方向與隨動(dòng)軸相同但隨動(dòng)軸框架角超出目標(biāo)角度45°或臺(tái)體飛轉(zhuǎn)方向與隨動(dòng)軸相反時(shí)，若連續(xù)60 ms滿足該條件，則判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號(hào)；

c）當(dāng)臺(tái)體軸角速率監(jiān)測(cè)信號(hào)出現(xiàn)超速標(biāo)識(shí)，且力矩電機(jī)電流大于等于80%或小于等于-80%，若連續(xù)160 ms滿足該條件，則判斷平臺(tái)飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號(hào)。

5 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)第4節(jié)設(shè)計(jì)的防飛轉(zhuǎn)算法進(jìn)行軟件程序的實(shí)現(xiàn)，軟件判斷周期為1 ms，其中臺(tái)體軸飛轉(zhuǎn)160 ms連續(xù)判斷算法如圖3所示。

圖3 隨動(dòng)及隨鎖模式下臺(tái)體軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

隨動(dòng)環(huán)90°翻滾模式時(shí)臺(tái)體軸飛轉(zhuǎn)判斷算法如圖4所示。內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動(dòng)軸飛轉(zhuǎn)判斷算法相同，如圖5所示。飛轉(zhuǎn)判斷算法的總流程如圖6所示。

圖4 隨動(dòng)環(huán)90°翻滾模式下臺(tái)體軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

圖5 內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動(dòng)軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

圖6 飛轉(zhuǎn)判斷算法流程

6 實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

將以上設(shè)計(jì)的飛轉(zhuǎn)判斷方法在某型號(hào)慣性平臺(tái)系統(tǒng)伺服回路控制軟件上進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。由RDC板通過(guò)485總線發(fā)送姿態(tài)角信息和各軸的超速信號(hào)，由伺服回路控制軟件通過(guò)回路控制率計(jì)算出力矩電機(jī)電流以驅(qū)動(dòng)力矩電機(jī)，并根據(jù)防飛轉(zhuǎn)算法進(jìn)行飛轉(zhuǎn)判斷，將飛轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)傳遞至控制系統(tǒng)，以及時(shí)切斷回路及電源，伺服回路控制軟件外部接口如圖7所示。

圖7 伺服回路控制軟件外部接口圖

圖8為平臺(tái)飛轉(zhuǎn)過(guò)程中內(nèi)環(huán)框架角和隨動(dòng)環(huán)框架角的變化情況，內(nèi)環(huán)和隨動(dòng)環(huán)分別在2 ms內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)了11.24°和11.3°，此時(shí)輸出的超速標(biāo)識(shí)及飛轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)結(jié)果如表2所示。

圖8 飛轉(zhuǎn)過(guò)程中框架角變化

表2 超速飛轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí)

Tab.2 The Output Flag in Runaway Situation

時(shí)間/ms隨動(dòng)環(huán)控制模式內(nèi)環(huán)軸超速標(biāo)識(shí)隨動(dòng)軸超速標(biāo)識(shí)飛轉(zhuǎn)標(biāo)識(shí) 0隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 20隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 40隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 60隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 80隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 100隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 120隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 140隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 160隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 180隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 200隨動(dòng)負(fù)向超速正向超速飛轉(zhuǎn)

在上述過(guò)程中，平臺(tái)外環(huán)軸和臺(tái)體軸均未超速，從表2可以看出，算法能夠準(zhǔn)確地判斷出平臺(tái)飛轉(zhuǎn)狀態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié) 論

三框架四軸平臺(tái)系統(tǒng)飛轉(zhuǎn)判斷算法在前期飛轉(zhuǎn)判斷基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的整合與優(yōu)化，結(jié)合穩(wěn)定和隨動(dòng)回路數(shù)字控制原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)三框架四軸平臺(tái)系統(tǒng)飛轉(zhuǎn)彈上自主判斷方案。該方法經(jīng)過(guò)實(shí)際平臺(tái)系統(tǒng)驗(yàn)證，能夠有效地對(duì)飛轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷并降低虛警率，且算法結(jié)構(gòu)靈活，適應(yīng)于復(fù)雜控制流程的要求。

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A Runaway Judgment Method for Three-frame and Four-axis Inertial Platform

Zhang Na, Zhao Jun-hu, Yu Zhen-yu

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing, 100039)

The runaway judgment method for three-frame and four-axis inertial platform is studied, the basic principle of platform runaway situation is analysed, and according to the four-axis platform characteristics the runaway judgment method is designed using software to implement this function. When the frame of inertial platform exceed the speed threshold, it can make quick runaway judgment using this method, at the same time can reduce the incidence of error. This method can make effective prevention of huge losses because of the inertial platform runaway. It is meaningful for improving the inertial platform’s reliability.

inertial platform system; three-frame and four-axis; runaway judgment

V448

A

1004-7182(2020)01-0067-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200112

2018-03-22；

2018-05-28

張 娜（1981-），女，研究員，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制及嵌入式軟件設(shè)計(jì)。

趙軍虎（1985-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制及硬件電路設(shè)計(jì)。

余貞宇（1972-），女，研究員，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。