摆式陀螺寻北仪等速积分寻北

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1、关于摆式寻北仪等速积分测量方法前言我所摆式陀螺寻北仪的研制工作已经走过了30多年的历程，从简单的60分钟的手动跟踪测量、20分钟的自动积分测量到10分钟自动循环阻尼测量；从外协少量生产到自行批量生产；从一两个研制人员到目前的十几个人的工程组并且在国内一直保持着领先的地位。随着市场需求的扩大和行业竞争的加剧，我所的领先地位越来越显示危机状态。其主要原因是技术上未能做到不断创新，不断跟踪国外先进技术。就目前使用的循环阻尼寻北方法是来说，这是20年前参考美国1960年资料的研究成果（严格的说，又远未达到1

2、960年美国的水平）。而在此期间，国外相继出现了多种更新的测量方法而我们却基本上停留在原来的测量方法上虽然车载寻北仪的出现改变了摆式寻北仪在寻北技术领域内的独占地位但是由于两类寻北仪的市场基本上不相互重叠，因此在中高精度寻北仪市场中，摆式寻北仪仍然占有优势地位，在可预期时间内仍然具有相当大的生命力。根据本人对多年来参与摆式寻北仪的研制工作所积累的经验和收集的国外有关资料的分析，建议开展一些新测量方法的研究课题为研制新一代摆式寻北仪做准备。基本思想是○从运动状态测量转为加矩测量；○突破以往寻北时间受陀

3、螺摆动周期限制的技术障碍，达到快速寻北的目的○消除悬带零位，即零偏的影响1.等速过零寻北方法悬吊摆式陀螺寻北仪(下称摆式寻北仪)的测量方法可简单分为摆动状态测量法和力矩测量法。前者是通过各种手段测定陀螺转子轴(或称H轴)的运动状态。如位置、速度或通过某个方位角的时间等，来求得H轴的平衡位置，并以此计算真北方位。而后者则是通过测定陀螺指北力矩来推算真北方位。根据寻北测量过程中悬带受扭状态，可分为受扭和不受扭测量方法。当然还可以按其他方法分类。采用摆动状态测量法时，测量时间将受到摆动周期的限制，而减小摆

4、动周期又受到结构和测量地点纬度的限制。为了减少寻北时间，出现了静态扭矩测量方法，这种方法在寻北时不再受摆动周期的限制，但是由于需要粗寻北过程，而多数粗寻北方法仍与摆动周期有关，因而仍然无法进一步加快寻北过程。为了实现快速寻北，必须从原理上突破上述限制寻找新的方法。等速寻北方法(或称为等速过零寻北法)的寻北时间与摆系统固有摆动周期无关，从而为摆式寻北仪实现快速寻北开辟了一个新的途径。1972年,德国学者BARON和WARREN提出一种等速寻北方法。其基本思想是：当寻北仪的随动架驱动上悬带夹绕铅垂方向转

5、动时，为了使陀螺H轴与上悬带夹一起同步转动(即H轴进动)，必须通过力矩器对摆施加某控制力矩来平衡陀螺的指北力矩、悬带扭矩、空气阻尼力矩、陀螺摆的惯性力矩以及陀螺摆等效惯性（即）力矩。当陀螺房的外阻尼筒和随动架一起同步转动时，空气阻尼力矩11和悬带扭矩可以忽略。而当陀螺房与外阻尼筒和随动架一起等速同步转动时则惯性力矩为零，力矩器的控制力矩只用来平衡指北力矩并且此平衡力矩与速度大小无关。从原理上讲，上述控制力矩应该在水平面内且与H轴垂直。但是由于摆式陀螺寻北仪为重心下移的特殊结构和运动特性，在构成新的闭

6、环控制系统后，上述控制力矩也可以绕铅垂方向作用(这就是目前普遍使用的加矩方法)。其小参数线性化控制过程可用图1表示。图1中的第一个环节W1(S)为角度传感器的变换系数和P.I控制器。通过P.I.控制器，给系统引入一个积分环节并构成一个二阶无差度系统，用以消除寻北系统在等速输入下可能出现的稳态误差（注意！这是必须的）。*为给定速度值(通常为电压或数字量)，a为随动架的方位转角。为位置传感器－放大器－力矩器的变换系数，其物理意义是：对应传感器每单位转角差力矩器产生的力矩值或称为电弹簧的刚度。由系统框图可

7、得系统的闭环传递函数：(1)此时系统的摆动周期为(2)而原始系统的摆动周期为2(3)当时则，而且系统的动态特性基本上与测量地点的纬度无关。从(1)还可以得出,在过渡过程完成之后有(4)为了计算寻北过程中力矩器所施加的力矩与陀螺指北力矩的关系，根据系统框图可得:(5)同样，在过渡过程完成之后有：11(6)将(4)代入(6)可得:(7)从框图又得到(8)这就是说,在过渡过程完成后，力矩器的输出力矩正好等于陀螺的指北力矩。为了使H轴绕铅垂方向进行等速方位转动，在开环条件下通常必须沿水平方向对陀螺施加力矩。

8、而为了利用摆动控制力矩器沿垂直方向的输出力矩来控制陀螺方位转动必须通过闭环系统实现。根据闭环系统框图推导出的结果指出，此时闭环系统沿垂直方向的力矩和沿水平方向的力矩是等效的，即为：(9)上式指出，当H轴进动达到北向的瞬时，即，陀螺的指北力矩为零，力矩器的加矩电流也等于零。因此通过记录力矩器加矩电流为零时刻随动机构(或方位度盘)零位的方位角即可实现寻北。显然这种寻北方法不需要纬度输入。显然，只要力矩器有足够大的加矩能力，就可以用足够短的时间使陀螺摆从静止状态或随机干扰运