一种混合式惯性平台系统的制作方法

本发明涉及一种混合式惯性平台系统，尤其涉及一种适应载体全姿态机动运行、多信息融合控制的惯性平台系统，可适用于要求全姿态的弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，属于惯性测量技术领域。

背景技术：

在弹道导弹或战斗机等要求大机动的载体上，高精度惯性平台系统的陀螺仪目前主要采用液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪、三浮陀螺仪和动力调谐陀螺仪等，平台框架结构为两框架三轴形式或三框架四轴形式。

在中国宇航出版社《惯性器件》公开的平台方案中，平台全部采用3个单自由度积分陀螺仪方案或2个两自由度动力调谐陀螺仪方案，框架结构为两框架三轴形式或三框架四轴形式，这些方案的优点是仪表配置简单，结构不复杂，但其缺点是不能满足载体的全姿态运动，比如，两框架三轴平台在内框架角度工作于90°时或三框架四轴平台的外框架角度工作于90°时，都会引起框架“失锁”，从而导致台体相对惯性空间发生转动。

为避免框架“失锁”的发生，目前的解决方案是限制载体的运动轨迹，比如，弹道式导弹的轨迹为抛物线，其偏航角变化不大，因此，可使两框架三轴平台的内框架角敏感载体的偏航角。但是，这种限制载体轨迹的方案越来越不能满足大机动、快速响应的发展趋势。

不仅如此，随着现代战争对惯性平台精度及可靠性的要求越来越高，以往惯性平台在控制方式、运动信息获取及利用等方面较为单一。譬如，平台系统信息测量为台体角位置，通过对其微分得到角速度，数据噪声相对较大，影响控制精度；平台框架及基座角运动信息无法获取，控制回路可用信息较少等。

为此，需要研究惯性平台不受载体运动影响的全姿态方案，并增加平台系统各部分角运动信息的测量手段，满足未来惯性平台全姿态、多信息融合控制的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种混合式惯性平台系统，该惯性平台系统具有全姿态、大机动、高精度的优点，满足未来惯性平台全姿态、多信息融合控制的需求。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种混合式惯性平台系统，包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，所述陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和3个正交安装的单自由度mems陀螺仪，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪控制台体的轴端电机，使台体稳定在惯性空间，所述3个正交安装的单自由度mems陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。

在上述惯性平台系统中，所述惯性平台系统的各框架及基座上，均分别安装有3个正交的单自由度mems陀螺仪，用于测量惯性平台系统各框架及基座的角运动信息。

在上述惯性平台系统中，所述台体上还包括加速度计组合，所述加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计在所述加速度计输入轴坐标系中斜置安装；所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系oxyz重合。

在上述惯性平台系统中，所述第4个斜置安装的石英加速度计的输入轴与其他3个石英加速度计的输入轴的夹角相同。

在上述惯性平台系统中，所述夹角的余弦值的绝对值为

在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪，其中1个陀螺仪的输入轴与台体坐标系oxyz中的台体轴z平行，另外2个陀螺仪的输入轴分别与台体轴z垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。

在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度mems陀螺仪，其中一个mems陀螺仪的输入轴与台体坐标系oxyz中的台体轴z平行，另外2个mems陀螺仪的输入轴分别与台体轴z垂直且二者相互垂直，构成mems陀螺仪组合输入轴坐标系。

在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度mems陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态的具体方法如下：

(1)给出四元数的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)台体稳定在惯性空间时，有台体相对惯性空间转动时，有和由单自由度mems陀螺仪测量得出；

其中：为台体坐标系oxyz中台体z轴的角速度，为台体坐标系oxyz中台体x轴的角速度，为台体坐标系oxyz中台体y轴的角速度；

(3)由如下姿态更新方程得到一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根据所述一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵具体如下：

(5)下一导航时刻，将步骤(3)得到的一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作为四元数的初值，重新返回步骤(2)，依此循环，直至导航任务结束。

在上述惯性平台系统中，所述台体上的4个石英加速度计，当其中任意一个石英加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量。

在上述惯性平台系统中，所述3个正交安装的单自由度积分陀螺仪为液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪。

本发明与现有技术方案相比的优点如下：

(1)本发明混合式惯性平台系统陀螺仪组合采用3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和3个正交安装的单自由度mems陀螺仪(含再平衡回路)的混合工作方式；此外在惯性平台各框架及基座上，均分别安装有3个正交的mems陀螺仪，用以对平台各部分姿态角运动全信息的测量，本发明采用不同类型陀螺仪的混合式工作方式，实现了对惯性平台台体、框架、基座角速率的测量，有效统一了平台系统与捷联系统的工作方式，可满足载体的全姿态运动和高可靠性的使用要求，并为平台系统多信息融合控制提供了测试手段与数据支持；

(2)本发明针对惯性平台系统，通过引入mems陀螺仪，实时测得载体转速，并计算台体相对惯性空间的姿态，在平台框架“失锁”时，利用mems陀螺仪，将平台工作在捷联方式，从根本上解决了平台的全姿态控制问题，满足载体全姿态的要求；

(3)本发明利用框架及基座上的mems陀螺，实现了对各框架及基座的角运动信息测量，所测数据既可作为平台运动状态的分析与监测依据，也可用于实现平台系统多信息融合控制，提高了惯性平台精度及可靠性。

(4)本发明采用石英加速度计冗余方法，在原有三个加速度计的基础上，增加一个斜置安装的加速度计，当其中任意1个加速度计出现故障时，其余3个石英加速度计重构配合实现台体相对惯性空间的视加速度的测量，该方法实现了石英加速度计故障诊断与容错处理，提高了系统的可靠性水平，此外本发明还给出了斜置加速度计的最佳安装方式，进一步提高了平台系统的性能和可靠性。

(5)本发明仪表冗余惯性平台系统，可适用于要求全姿态的弹道导弹、巡航导弹、战斗机等，具有广阔的应用领域和应用前景。

附图说明

图1为本发明混合式惯性平台系统组成示意图；

图2为本发明惯性平台台体各陀螺仪、加速度计极性配置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为本发明混合式惯性平台系统组成示意图，本发明混合式惯性平台系统包括台体和台体上安装的陀螺仪组合，陀螺仪组合包括3个正交安装的单自由度积分陀螺仪和3个正交安装的单自由度mems陀螺仪(包含再平衡回路)。如图1所示，3个正交安装的单自由度积分陀螺仪gx、gy和gz，台体上还安装了3个正交安装的单自由度mems陀螺仪，即mems。3个正交安装的单自由度积分陀螺仪作为惯性平台系统伺服回路的台体角运动敏感元件，控制台体的轴端电机，在稳定回路工作时使台体稳定在惯性空间。3个正交安装的单自由度mems陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态，即台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。3个正交安装的单自由度积分陀螺仪可以为液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪。

如图2所示为本发明惯性平台台体各陀螺仪、加速度计极性配置示意图。3个正交安装的单自由度积分陀螺仪gx、gy和gz，其中1个陀螺仪gz的输入轴iz与台体坐标系oxyz中的台体轴z平行，另外2个陀螺仪gx、gy的输入轴ix、iy分别与台体轴z垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。该3个单自由度积分陀螺仪的输出经过解耦控制环节作用于平台的轴端电机构成平台系统伺服回路。单自由度积分陀螺仪gx、gy和gz的输出轴分别为ox、oy和oz。台体坐标系oxyz中的oz轴与台体的旋转轴重合。

3个正交安装的单自由度mems陀螺仪的输入轴定义与3个单自由度积分陀螺仪一致。即3个正交安装的单自由度mems陀螺仪，其中一个mems陀螺仪的输入轴iz'与台体坐标系oxyz中的台体轴z平行，另外2个mems陀螺仪的输入轴ix'、iy'分别与台体轴z垂直且二者相互垂直，构成mems陀螺仪组合输入轴坐标系。mems陀螺仪测量台体相对惯性空间的角速度，经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态，即给出台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵，具体方法如下：

(1)给出四元数的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)台体稳定在惯性空间时，有台体相对惯性空间转动时，有和由单自由度mems陀螺仪测量得出；

其中：为台体坐标系oxyz中台体z轴的角速度，为台体坐标系oxyz中台体x轴的角速度，为台体坐标系oxyz中台体y轴的角速度；

(3)由如下姿态更新方程得到一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根据所述一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵具体如下：

(5)下一导航时刻，将步骤(3)得到的一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作为四元数的初值，重新返回步骤(2)，即重复步骤(2)～(4)，得到又一组新的四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，进一步得到下一导航时刻台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵之后再返回步骤(2)，依此循环，直到导航任务结束，得到导航任务过程中不同导航时刻台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵。

若上述步骤(2)台体稳定在惯性空间时，有则循环计算过程中四元数ρ0、ρ1、ρ2、ρ3始终为设定的初值，即所有导航时刻，ρ0、ρ1、ρ2、ρ3为设定初值不变，台体相对于惯性坐标系的坐标变化矩阵ri^p唯一确定。

如图1所述，混合式惯性平台系统包括台体、各框架及基座。惯性平台的各框架及基座上均分别安装有3个正交的单自由度mems陀螺仪，用于测量惯性平台系统各框架及基座的角运动信息，本发明实施例中在3个框架和1个基座上均分别安装3个正交的单自由度mems陀螺仪，即四组正交的单自由度mems陀螺仪。其工作方式与台体上的一组mems陀螺仪相似，通过再平衡回路，分别对各框架及基座的角运动信息进行测量，所测数据传至平台主控电路板，既可作为平台运动状态的分析与监测依据，同时也可以作为控制回路输入与补偿，实现平台系统多信息融合控制。

台体上还包括加速度计组合，加速度计组合用于测量台体的加速度信息，本发明中加速度计组合包括4个石英加速度计，其中3个石英加速度计ax、ay和az正交安装构成加速度计输入轴坐标系，第4个石英加速度计ad在该加速度计输入轴坐标系中斜置安装，如图1所示。所述加速度计输入轴坐标系与台体坐标系oxyz重合。斜置安装的石英加速度计ad可实现监测功能，当正交安装的加速度计存在故障时，及时判断出故障现象并利用斜置安装的石英加速度计ad代替故障加速度计输出比力信息，保证载体导航信息的持续稳定输出。如图2所示，3个石英加速度计ax、ay和az的输入轴分别为ix、iy、iz，输出轴分别为ox、oy、oz，摆轴分别为px、py、pz，石英加速度计ad的输入轴、输出轴和摆轴分别为ir、or、pr。

本发明中第4个斜置安装的石英加速度计ad的输入轴与其他3个石英加速度计ax、ay和az的输入轴的夹角相同，优选该夹角的余弦值的绝对值为

如图1所示，为保持台体相对惯性空间稳定，需要利用3个单自由度积分陀螺仪的输出信息、各框架角度信息以及框架和基座上的mems测量信息进行信号分解，使系统由多变量交链耦合系统变为独立的单输入输出回路并实现动态误差的补偿，解耦后的控制器作用到各框架轴端的力矩电机。但在框架锁定时，台体相对惯性空间转动，动力调谐陀螺仪敏感到转动的角速度根据本发明专利就可求得台体相对惯性坐标系的坐标变换矩阵，进一步由坐标变换矩阵可求得三个姿态角。同时，4个石英加速度计测量的比力经容错与转换后得到台体坐标系的三维正交的视加速度值，经坐标变换后可得导航系的速度和位置参数，用于导弹武器的制导。

本发明混合式惯性平台系统，陀螺仪组合采用3个正交安装的单自由度积分陀螺仪(液浮陀螺仪、静压液浮陀螺仪或三浮陀螺仪)和3个正交安装的单自由度mems陀螺仪(含再平衡回路)的混合工作方式；此外，在平台各框架及基座上，均分别安装有3个正交的mems陀螺仪，用以对平台各部分姿态角运动全信息的测量。

台体3个正交安装的单自由度积分陀螺仪中，1个陀螺仪的输入轴与台体轴平行，另外2个输入轴分别与台体轴垂直且二者相互垂直，构成陀螺仪组合输入轴坐标系。3个单自由度积分陀螺仪的输出经过解耦控制环节作用于平台的轴端电机，构成平台系统稳定回路，当平台未“失锁”时，保持平台台体在惯性空间稳定。

台体3个正交安装的单自由度mems陀螺仪的输入轴定义与3个单自由度积分陀螺仪一致，每个mems陀螺仪设置有一条再平衡回路，与mems陀螺仪共同作用，实时输出台体相对惯性空间的角速度，并经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态。当平台处于“失锁”状态时，将平台工作于捷联方式，使其台体随载体一起转动，同时利用mems陀螺输出及姿态更新结果，由计算机解算获得惯性坐标系方位，直至平台退出“失锁”状态。

为了满足惯性平台多信息融合控制的需要，提高惯性平台精度及可靠性，在平台各框架及基座上分别正交安装3个mems陀螺仪，其工作方式与台体上陀螺仪相似，通过再平衡回路，分别对各框架及基座的角运动信息进行测量，所测数据既可作为平台运动状态的分析与监测依据，同时也可以作为控制回路输入与补偿，实现平台系统多信息融合控制。

本发明为了实现平台系统全姿态控制的功能，从根本上解决大机动、全姿态带来的平台框架“失锁”现象，对平台系统控制方案作如下改进：

(1)台体3个单自由度积分陀螺仪的输出经过解耦控制环节作用于平台的轴端电机，构成平台系统稳定回路。为了实现平台的全姿态控制，在内框架与外框架稳定回路间设计全姿态信号分解器，采用数字电路设计，其作用是将台体上x、y向单自由度陀螺仪敏感到的台体转动准确投影至内环轴与外环轴上。当平台未“失锁”时，平台工作在惯性稳定方式，由单自由度陀螺仪与稳定回路共同作用，保持平台台体在惯性空间稳定。

(2)台体3个mems陀螺仪各自设置有一条再平衡回路。再平衡回路与mems陀螺仪共同作用，实时输出台体相对惯性空间的角速度，并经过姿态更新后实时给出台体相对惯性空间的姿态。当平台处于“失锁”状态时，失锁方向稳定回路不再工作，将平台工作于捷联方式，使台体随载体一起转动，同时利用mems陀螺输出及姿态更新结果，由计算机解算获得惯性坐标系方位，直至平台退出“失锁”状态。

平台姿态更新采用四元数算法：首先通过平台初始对准，给出四元数初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，之后利用台体转速和四元数更新方程

对描述台体相对惯性空间运动的四元数进行实时解算。

mems陀螺在整个飞行过程中一直处于工作状态，因此姿态更新一直进行。当台体稳定在惯性空间时，有而当台体相对惯性空间转动时，有而和不为零，由mems陀螺仪测量得出，最终得到台体相对惯性坐标系的坐标变化矩阵为

(3)当平台退出“失锁”状态后，平台恢复惯性稳定工作方式，以退出“失锁”状态前最后时刻台体各向指向为新的坐标系基准，并保持在惯性空间稳定；利用此前mems陀螺测得的台体转动信息，得到当前台体相对惯性空间的方位，并进行导航。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。