一种两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法与流程

本发明涉及一种两轴陀螺加速度计及伺服控制方法，尤其涉及一种惯性稳定平台用的加速度计，属于用于高精度视加速度测量的航空、航天领域。

背景技术：

在高精度惯性稳定平台中，目前主要采用石英挠性加速度计和摆式积分陀螺加速度计，二者都为单自由度加速度计，每个加速度计都是敏感一个方向的视加速度。

以摆式积分陀螺加速度计(piga)为例，是一种利用陀螺力矩进行反馈的摆式加速度计，其工作原理见下。图中，ox1y1z1为与框架相固连的坐标系，ox1为输入轴；oxyz为莱差坐标系，oz轴与转子轴重合；分别为框架相对仪表基座和台体相对框架的角速度；ax1为仪表沿框架轴输入的视加速度；ml为仪表沿台体轴的摆性；h为仪表的角动量；mx1为绕框架轴的各种干扰力矩之和；md为电机力矩。图1中包括：1——角度传感器，2——放大器，3——力矩电机，4——输出装置。

由图可知，这种陀螺加速度计在结构上与二自由度陀螺仪类似：有高速旋转的陀螺转子，有台体、框架。台体轴的一端装有角度传感器，框架轴的上下端分别装有输出装置和力矩电机。沿转子轴oz有一偏心质量m，其质心离台体轴的距离为l，因而绕台体轴形成摆性ml。

当仪表沿框架轴ox1方向有视加速度ax时，在台体轴上产生与该视加速度成正比的惯性力矩mlax。在理想情况下，即沿台体轴、框架轴没有任何干扰力矩的情况下，按陀螺进动原理，转子将带动台体、框架一起绕ox1轴进动，其进动角速度为由于进动的结果，台体轴上产生陀螺反作用力矩在稳态条件下，惯性力矩mlax1将精确地被陀螺力矩所平衡，因此有或者在零初始条件下，有输出值如下，图2所示。

同时，为了保证h与框架轴ox1的垂直，陀螺加速度计还增加了一个伺服回路，当受到干扰力矩mx1的影响，台体角度β不为0时，角度传感器就会输出相应的电压信号，经过放大和变换后，馈向力矩电机，使其产生一个电机力矩mdx以抵消mx1。

从以上工作过程可以看出，基于上述工作原理的陀螺加速度计为单轴加速度计，敏感的是ox1方向的视加速度ax，输出值为ox1方向的角度值α。在系统应用时，惯性稳定平台系统至少需要3个该型陀螺加速度计来敏感弹体相对惯性空间的视加速度。

另外，采用上述方案时，仪表输出还存在多种由干扰力矩引起的误差。首先，仪表的动力学方程为

式中，jx、jy分别为框架和台体的转动惯量；cx、cy分别为框架和台体的阻尼系数；mx、my分别为框架和框架的干扰力矩；φx1、φy1分别为基座绕框架轴和框架轴的转动角度。

设a(s)＝jxs²+cxs，b(s)＝hs，c(s)＝jys²+cys，则工作流程见图2。

由图2可求得传递函数为

从式中可以看出，输出角速度除了与输入加速度ax、干扰力矩my和基座角速度有关外，还与干扰力矩mx、输入加速度ay和基座角速度有关。而干扰力矩mx、输入加速度ay和基座角速度都会引起陀螺加速度计的测量误差，从而会影响仪表的使用精度。

为进一步提高精度，同时提高陀螺加速度计的输出维数，在原陀螺加速度计的方案基础上，本发明专利提出了一种新型的两轴一体陀螺加速度计，具备敏感两个方向的视加速度能力。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种新型的两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法，本发明由原一条伺服回路增加到两条伺服回路以使框架角α和台体角β都保持在零位，同时，在两条伺服回路中分别通过测量控制电机的电流值求出ox1和oy1方向的加速度值。

本发明的技术解决方案：一种两轴一体的陀螺加速度计包括：表头、伺服控制回路、输出装置及壳体四个部分组成。

表头部分，包括附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴。附加偏心质量的陀螺转子安装在台体轴上，台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。在没有外界扰动的状态下，偏心质量的陀螺转子高速转动，稳定在零位状态。

伺服控制回路包括台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机。在陀螺加速度计所安装的载体发生运动时，偏心质量的陀螺转子在偏离零位状态，台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机，通过实时测量偏离零位状态的角度，实时确定回转力矩，在回转力矩作用下，使偏心质量的陀螺转子回复零位状态。

输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出，通过电流值可以确定回转力矩的大小，并根据回转力矩与陀螺加速度计所安装的载体发生运动产生的加速度的关系，确定载体运动的加速度。

表头、伺服控制回路和输出装置位于壳体内。

表头部分，包括：附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；附加偏心质量的陀螺转子安装在台体轴上，台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。

伺服回路，包括：台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；

台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机。

输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出。

在一种两轴一体的陀螺加速度计的结构基础上，工作流程如下：

(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的角动量方向,并且偏心质量的陀螺转子中心指向质心的方向与角动量方向相同,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m，偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离为l；

(2)建立三维正交坐标系o-x1y1z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，ox1方向沿框架轴方向，oy1方向沿台体轴方向，右手定则确定oz1方向；

(3)沿ox1轴有一个正向的加速度ax时，则在oy1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在ox1轴产生一个进动角速度通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流iy，作用到oy1轴负向的电机，产生的电机力矩mdy＝ktiy用来平衡mlax。在平衡状态下，有iy＝mlax/kt；

(4)沿oy1轴有一个正向的加速度ay时，则在ox1轴的正向产生一个惯性力矩mlay，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在oy1轴产生一个进动角速度通过台体轴上的角度传感器检测角度β，并确定放大器比例系数kt′对应的驱动电流ix作用到ox1轴负向的电机，产生的电机力矩mdx＝kt′ix用来平衡mlay。在平衡状态下，有ix＝mlay/kt′。

(5)输出装置根据电流值iy、ix或力矩值mdy、mdx，分别计算出o-x1y1z1坐标系下沿ox1轴和oy1轴的视加速度值ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml并输出。

根据电流值iy、ix或力矩值mdy、mdx，分别计算出o-x1y1z1坐标系下沿ox1轴和oy1轴的视加速度值ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml。

偏心质量的陀螺转子可以采用动压气浮、液浮支撑这些方式实现，偏性摆性结构可以由偏心式摆结构、移轴式摆结构等方式实现。

陀螺加速度计用于测量两个正交方向的加速度，测量的载体为飞机、轮船、机动车辆、导弹。

陀螺加速度计所安装的载体两个方向运动产生的加速度由电机力矩控制电流或回转力矩表征，加速度与电机力矩控制电流或回转力矩的关系分别为ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml。

力矩电机工作角度在±90°的范围内，输出力矩需能够带动框架和转子转动，输出力矩相对于输入电流的线性度高，干扰力矩的稳定性高，电机种类包括：感应式、电磁式、电动式、永磁式。

角度传感器工作范围在±90°之间，灵敏度高，干扰力矩小。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，相比于普通摆式加速度计具有测量精度高、动态量程大、能够自动积分的优点。

(2)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，可以实现2维的视加速度测量，在系统应用时只需2个加速度计就可实现载体运动的加速度测量，且有一个为冗余信息。而采用传统的单轴陀螺加速度计，则需要3个才能完成载体运动的加速度测量。因此，本发明有利于减小惯性平台系统的体积。

(3)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，使台体和框架角度都保持在零位，克服了传统陀螺加速度计框架角度在旋转过程中的测量误差，有利于提高仪表的输出精度。

(4)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，克服了传统的单轴摆式积分陀螺加速度计非敏感轴方向加速度的扰动的影响。对于传统的单轴摆式积分陀螺加速度计，当载体垂直于陀螺转子角动量的非敏感轴方向存在加速度时，陀螺转子将产生偏转，并引起微小的加速度输出，因而产生误差；本发明设计的两轴一体陀螺加速度计可以测量垂直于陀螺转子角动量任意方向的加速度，有效地提高了加速度计的输出精度。

(5)本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，可以通过台体轴和框架轴的转动实现陀螺转子的转位，利用不同位置加速度计的输出可以实现加速度计误差的自标定。传统的单轴摆式积分陀螺加速度计的标定仅能通过将加速度计置于转台上转位来实现，本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计不需要利用转台实现，有利用工程应用。

附图说明

图1为本发明设计的两轴一体陀螺加速度计的原理示意图；

图2为原单轴输出的陀螺加速度计原理示意图；

图3为原单轴输出的陀螺加速度计伺服回路流程图；

图4为本发明设计的两轴一体陀螺加速度计伺服回路流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种两轴一体陀螺加速度计及伺服控制方法，两轴一体陀螺加速度计由表头部分、伺服回路部分、输出部分和壳体组成。表头部分包括偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架和框架轴，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机。伺服回路部分包括台体轴角度经放大器作用到框架力矩电机的一条回路，以及框架轴角度传感器经放大器作用到台体力矩电机的另一条回路。输出部分包括作用到两个电机的电流值，该电流值通过采集给弹上计算机。采用本发明实现了一个加速度计测量两个方向的视加速度。

本发明一种两轴一体的陀螺加速度计包括：表头、伺服控制回路、输出装置及壳体四个部分组成。表头部分，包括附加偏心质量的陀螺转子、台体、台体轴、框架、框架轴；附加偏心质量的陀螺转子安装在台体上，台体通过台体轴与框架相连,台体轴能够转动的安装在框架上，台体轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架轴的一端装有角度传感器、另一端装有力矩电机，框架通过框架轴与壳体相连，在没有外界扰动的状态下，偏心质量的陀螺转子高速转动，稳定在零位状态。

伺服控制回路包括台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机。在陀螺加速度计所安装的载体发生运动时，偏心质量的陀螺转子在偏离零位状态，台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机，通过实时测量偏离零位状态的角度，实时确定回转力矩，在回转力矩作用下，使偏心质量的陀螺转子回复零位状态。输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出，通过电流值可以确定回转力矩的大小，并根据回转力矩与陀螺加速度计所安装的载体发生运动产生的加速度的关系，确定载体运动的加速度。

表头、伺服控制回路和输出装置位于壳体内。

台体轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；框架轴上安装的角度传感器、放大器和力矩电机；台体轴上的角度传感器测量得到的台体轴转角经放大器产生电流值作用到框架轴上的力矩电机，框架轴上的角度传感器测量得到的框架轴转角经放大器产生电流值作用到台体轴上的力矩电机。输出装置，采集作用到台体轴上的和框架轴上的力矩电机的电流值，将该电流值输出。

如图4所示，为本发明设计的两轴一体陀螺加速度计伺服回路流程图，伺服回路工作过程为：

(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的角动量方向,并且偏心质量的陀螺转子中心指向质心的方向与角动量方向相同,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m，偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离为l；

(2)建立三维正交坐标系o-x1y1z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，ox1方向沿框架轴方向，oy1方向沿台体轴方向，右手定则确定oz1方向；

(3)沿ox1轴有一个正向的加速度ax时，则在oy1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在ox1轴产生一个进动角速度通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流iy，作用到oy1轴负向的电机，产生的电机力矩mdy＝ktiy用来平衡mlax。在平衡状态下，有iy＝mlax/kt；

(4)沿oy1轴有一个正向的加速度ay时，则在ox1轴的正向产生一个惯性力矩mlay，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在oy1轴产生一个进动角速度通过台体轴上的角度传感器检测角度β，并确定放大器比例系数kt′对应的驱动电流ix作用到ox1轴负向的电机，产生的电机力矩mdx＝kt′ix用来平衡mlay。在平衡状态下，有ix＝mlay/kt′。

输出装置工作过程为：根据电流值iy、ix或力矩值mdy、mdx，分别计算出o-x1y1z1坐标系下沿ox1轴和oy1轴的视加速度值ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml。

偏心质量的陀螺转子采用动压气浮、液浮支撑这些方式实现，偏性摆性结构由偏心式摆结构、移轴式摆结构方式实现。

陀螺加速度计用于测量两个正交方向的加速度，测量的载体为飞机、轮船、机动车辆、导弹。

在一种两轴一体的陀螺加速度计的结构基础上，工作流程如下：

(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的中心指向质心,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m，偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离为l；

(2)建立三维正交坐标系o-x1y1z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，ox1方向沿框架轴方向，oy1方向沿台体轴方向，右手定则确定oz1方向；

(3)沿ox1轴有一个正向的加速度ax时，则在oy1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在ox1轴产生一个进动角速度通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流iy，作用到oy1轴负向的电机，产生的电机力矩mdy＝ktiy用来平衡mlax。在平衡状态下，有iy＝mlax/kt；

(4)沿oy1轴有一个正向的加速度ay时，则在ox1轴的正向产生一个惯性力矩mlay，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在oy1轴产生一个进动角速度通过台体轴上的角度传感器检测角度β，并确定放大器比例系数kt′对应的驱动电流ix作用到ox1轴负向的电机，产生的电机力矩mdx＝kt′ix用来平衡mlay。在平衡状态下，有ix＝mlay/kt′。

(5)输出装置根据电流值iy、ix或力矩值mdy、mdx，分别计算出o-x1y1z1坐标系下沿ox1轴和oy1轴的视加速度值ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml并输出。

陀螺加速度计所安装的载体两个方向运动产生的加速度由电机力矩控制电流或回转力矩表征，加速度与电机力矩控制电流或回转力矩的关系分别为ax＝ktiy/ml＝mdy/ml和ay＝ixkt′/ml＝mdx/ml。

力矩电机工作角度在±90°的范围内，输出力矩需能够带动框架和转子转动，输出力矩相对于输入电流的线性度高，干扰力矩的稳定性高，电机种类包括：感应式、电磁式、电动式、永磁式。

角度传感器工作范围在±90°之间，灵敏度高，干扰力矩小。

一种两轴一体的陀螺加速度计的伺服控制方法，相比于普通摆式加速度计具有测量精度高、动态量程大、能够自动积分的优点，步骤如下：

(1)建立三维正交坐标系o-xyz，附加偏心质量的陀螺转子的中心作为原点o，oz方向为偏心质量的陀螺转子的角动量方向,并且偏心质量的陀螺转子中心指向质心的方向与角动量方向相同,oy方向沿台体轴方向；右手定则确定ox方向；附加偏心质量的陀螺转子沿oz方向的质量偏心为m；偏心距离即质心偏离附加偏心质量的陀螺转子中心的距离优选为l。

(2)建立三维正交坐标系o-x1y1z1，原点位置与坐标系o-xyz原点位置相同，即附加偏心质量的陀螺转子的中心，ox1方向沿框架轴方向，oy1方向沿台体轴方向，右手定则确定oz1方向；

(3)沿ox1轴有一个正向的加速度ax时，则在oy1轴的负向产生一个惯性力矩mlax，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在ox1轴产生一个进动角速度通过框架轴上的角度传感器检测角度α，并确定放大器比例系数kt对应的驱动电流iy，作用到oy1轴负向的电机，产生的电机力矩mdy＝ktiy用来平衡mlax。在平衡状态下，有iy＝mlax/kt；

(4)沿oy1轴有一个正向的加速度ay时，则在ox1轴的正向产生一个惯性力矩mlay，根据偏心质量的陀螺转子的进动特性，该惯性力矩会在oy1轴产生一个进动角速度通过台体轴上的角度传感器检测角度β，并确定放大器比例系数kt′对应的驱动电流ix作用到ox1轴负向的电机，产生的电机力矩mdx＝kt′ix用来平衡mlay。在平衡状态下，有ix＝mlay/kt′。

本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，可以实现2维的视加速度测量，在系统应用时只需2个加速度计就可实现载体运动的加速度测量，且有一个为冗余信息。而采用传统的单轴陀螺加速度计，则需要3个才能完成载体运动的加速度测量。因此，本发明有利于减小惯性平台系统的体积。本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，使台体和框架角度都保持在零位，克服了传统陀螺加速度计框架角度在旋转过程中的测量误差，有利于提高仪表的输出精度。

本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计，克服了传统的单轴摆式积分陀螺加速度计非敏感轴方向加速度的扰动的影响。对于传统的单轴摆式积分陀螺加速度计，当载体垂直于陀螺转子角动量的非敏感轴方向存在加速度时，陀螺转子将产生偏转，并引起微小的加速度输出，因而产生误差；本发明设计的两轴一体陀螺加速度计可以测量垂直于陀螺转子角动量任意方向的加速度，有效地提高了加速度计的输出精度。本发明能够通过台体轴和框架轴的转动实现陀螺转子的转位，利用不同位置加速度计的输出可以实现加速度计误差的自标定。传统的单轴摆式积分陀螺加速度计的标定仅能通过将加速度计置于转台上转位来实现，本发明设计的一种两轴一体陀螺加速度计不需要利用转台实现，有利用工程应用。

本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。