激光陀螺速率偏频系统的分析研究

针对速率偏频激光陀螺的应用,从系统角度对激光陀螺速率偏频系统中存在的特有问题,诸如速率偏频三轴激光陀螺输出的调制方程、角速率解调的条件方程以及有关参量的精度、偏频速率的选择、偏频台回转加速度的确定、偏频台回转定位等方面进行了研究探讨,并通过比较提出了“偏频台导航系统”的方法,利用此方案能降低系统设计要求,提高系统导航精度。     

转速平稳性对速率偏频激光IMU影响研究

转位机构转动速率平稳性是影响速率偏频激光IMU初始对准精度的重要因素。从速率偏频激光IMU的工作原理和结构特点出发，理论分析了转位机构转动速率平稳性和初始对准航向角精度的关系，初始对准航向角误差和转位机构的转速相对误差呈三角函数关系，和转位机构的转速呈反比，转位机构的转速越大，转速不平稳导致的影响越小。提出了高精度速率偏频激光IMU的转速平稳性要求：要达到高精度的初始对准航向角，转位机构的转速相对误差需要控制在0.005以内，转速控制在18(°)/s以上。通过仿真分析和速率偏频激光IMU进行了试验验证，结果表明同等情况下，满足转速平稳性要求的速率偏频激光IMU的初始对准航向角误差带相对于不满足要求的减少了10"，这对进一步提高速率偏频激光IMU的初始对准精度具有重要的理论和工程实践意义。     

基于陀螺系的速率偏频惯性测量组合标定方法

激光陀螺速率偏频技术既解决了激光陀螺锁区的问题，避免了机抖偏频频繁过死区而产生的随机游走等误差，同时结合了旋转调制技术积分平均对消惯性器件常值零偏的优点。在工程实际中发现，由于速率偏频系统独有的倾斜安装方式，常规标定方案无法实现对激光陀螺标度因数的精确标定。提出了一种新的基于陀螺系的标定方法，相比于常用的以加速度计敏感轴为基准的标定方法，激光陀螺敏感轴具有相对较低的温度敏感性，既能够提高长时间工作条件下空间姿态基准的稳定性，又能保证激光陀螺安装角和标度因数的逐次标定精度。最后，通过试验数据分析简单阐明了常规标定方法存在的问题，利用7个月内的4次标定试验验证了所提出的标定方法的有效性。结果表明，激光陀螺安装角标定重复性优于4.3″，标定因数重复性优于4×10-6。     

基于空间三轴激光陀螺的恒速偏频寻北技术

激光陀螺特有的闭锁效应使得其在应用中必须采取偏频去锁的方法,速率偏频技术可以有效降低激光陀螺随机游走误差,提高测量精度。基于空间三轴激光陀螺自身特有的三轴正交斜置特性,采用恒速偏频方法,通过建立新的系统误差方程,引入刻度系数误差状态量,采用卡尔曼滤波方法实现了系统的高精度寻北。这种初始对准方法对准速度快,对准精度也有较大提高,5min寻北精度能达到90″(3σ)。     

恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统半实物仿真

提出一种恒速偏频/机抖激光陀螺惯导系统方案。用一个不随偏频机构旋转 的机抖激光陀螺,改善恒速偏频激光陀螺惯导系统在偏频旋转轴方向的载体角速度测量 精度。给出了偏频旋转轴方向等效陀螺采样值的计算方法和关键结构参数标校方法;分 析了纯惯导的系统误差特性,在初始对准卡尔曼滤波模型中,增加了偏频旋转轴方向的 陀螺漂移以及耦合偏差造成的等效北向陀螺漂移作为误差状态。恒速偏频/机抖激光陀 螺惯导系统的半实物仿真实验结果表明：在静基座条件下,初始对准10min 后,方位角收 敛到10″ （1σ） 内; 初始对准20min 后, 纯惯导4h, 北向和东向位置误差最大值均小于 200m。     

激光陀螺的闭锁阈值及抖动偏频

本文介绍了激光陀螺中两咱反向传播行波之间的模式耦合及其向量分析方法,给出了闭锁阈值的工程计算公式。针对我国研制ＲＬＧ的需要,尤其是对引进的俄罗ＲＬＧ,文瞌 偏频机构,并采用数字信号处理技术以减小随机噪声。     

双闭环兰姆凹陷激光稳频方法

兰姆凹陷稳频激光器环境适应能力较差、在环境温度变化时容易失锁的问题,主要是由于环境温度波动导致的激光器腔长变化超出了压电陶瓷的调整范围。本文提出将兰姆凹陷稳频技术与热稳频技术相结合的方法,利用附加的温度控制系统补偿环境变化造成的激光器管壁温度变化,使工作过程中激光器腔长基本保持稳定,从而保证激光器谐振腔长变化不超出压电陶瓷的补偿范围。试验表明,所用方法解决了兰姆凹陷稳频激光器容易失锁的问题,提高了激光器的环境温度适应性,为兰姆凹陷稳频技术在工业现场的应用创造了条件。     

速率积分半球谐振陀螺测试方法探讨

针对速率积分半球谐振陀螺测试精度与使用精度不一致的问题,深入研究了速率积分模式下半球谐振陀螺误差的基本特性,指出造成上述问题的主要原因为现有测试方法仅考虑了振动驻波在固定工作点时陀螺零偏的稳定性,而未考虑驻波在不同工作点时陀螺零偏的一致性。进一步提出,应基于“如何用,即如何测”的思想,采用全周向的方式考核速率积分半球谐振陀螺的零偏和标度因数性能,提出了相应的测试方法或思路并进行了验证。     

多速率数字飞行控制系统

 本文针对数字飞行控制系统的多速率特点,分析了等效变换的方法及变换成单速率系统的过程,并由此讨论了多速率系统的性能及其设计方法。     

窄频差硅基环形陀螺检测闭环控制系统设计

针对窄频差硅基环形波动陀螺动态性能差的问题，提出了一种基于比例积分微分-惯性环节（proportion integral differential-inertial element，PID-IE）的串联式相位校正检测闭环系统控制器。以硅微机械陀螺仪结构运动方程为基础建立了理想的窄频差U 形弹性梁硅基环形波动陀螺仪的系统模型。通过对环形陀螺开环工作状态下的系统模型及其外围电路的传递函数和波特图分析，设计了一种基于PID-IE的检测闭环系统控制器。通过对其系统模型及外围电路时域仿真，验证了该检测闭环控制系统的可行性，通过仿真发现，加入该控制器后的陀螺输出稳定时间减少了50%，陀螺检测位移输出减小了2个数量级，基本实现了该陀螺的检测位移抑制。在模拟电路中实现了该检测闭环控制系统后，通过实验测试了陀螺检测闭环控制前后的各项性能指标。通过实验测试发现，实现闭环控制后，陀螺输出稳定时间约为0.15 s，陀螺检测位移在闭环工作状态下比开环工作状态减小了97%，陀螺的标度因数比检测开环提高了10倍,零偏及零偏不稳定性与检测开环相比分别提升了3倍和8倍，且闭环控制系统的工作带宽比开环工作带宽提高了30倍。     

半球谐振陀螺全角模式控制技术研究

介绍了半球谐振陀螺全角模式的工作机理及其技术特点。对全角模式下振型的控制进行了理论分析,采用乘法相干解调对陀螺振型参数进行提取,并采用参数激励方法对谐振子进行驱动和控制。设计了数字电路进行实验,结果表明该全角模式控制技术实现了半球谐振陀螺的角速率积分功能,能够0°～360°全角度敏感输出,测得的角速度测量值超过300(°)/s,角度测量线性度优于10~(-4),与传统的力平衡模式相比,半球谐振陀螺的动态特性得到大幅提升。     

基于Labview的谐振式微光学陀螺锁频环路设计

谐振式微光学陀螺(RMOG) 是通过检测基于Sagnac效应产生的谐振频率差来测量旋转角速度的一种新型光学传感器。针对RMOG检测电路信号质量差、功能单一,无法兼容不同光路结构的问题,提出了基于虚拟仪器的RMOG数字控制方案,利用Labview编程的灵活性,完成了锁频环路的设计并进行了实验验证,实验结果表明1h陀螺锁频精度为0.03 °/s。1 h的输出精度为1.4 °/s。     

激光陀螺四位置寻北仪提高精度方法

为消除激光陀螺零偏和常值漂移的影响,采用四位置方案来实现高精度寻北。本文简述了单轴激光陀螺四位置寻北方案,给出了陀螺敏感轴与机体系前向偏差角标定方法,研究了寻北仪在倾斜基座下数据补偿算法。本文研究了由于在四个位置上电机转动不到位所引起的误差补偿算法。通过对寻北仪系统测试,采用电机转动不到位补偿后数据标准差降低了0.02º,激光陀螺寻北仪系统达到了高精度快速寻北的要求。     

Inertial System Platform Rotation

Differential error equations are derived for the navigation errors of a local level undamped pure inertial platform that continuously rotates in azimuth. From these, the time response equations for the vector position error produced by a constant level gyro drift error, as a function of platform rotation rate, are computed and evaluated. It is shown that platform rotation attenuates the system position error due to level gyro bias and that this attenuation is a nonlinear function of rotation rate.     

基于稳定奇异值的惯性平台全姿态控制方法

在载体大机动飞行的背景下,要求惯性平台具备全姿态的功能。传统的认知中,三轴平台因为内框架角不能工作在接近于±90°的大角度而不具备全姿态功能,为此在内框架增加了限位装置以限制内框架角的工作范围。在三轴平台的基础上发展出了四轴平台以使内部三个轴始终处于正交状态,从而实现全姿态功能,但外框架角却在工作于±90°时不能保证内框架角处于零位。本文提出了一种基于稳定奇异值的惯性平台全姿态控制方法,验证了三轴平台在框架锁定时通过主动控制可具备自解锁功能,从而具备全姿态能力,颠覆了传统参考资料中对三轴平台的认知。相对于四轴平台,三轴平台少了一个框架,体积和质量都可减小。因此,在高精度惯性导航的工程应用中,将会从四轴平台又回归到三个框架角都具备±180°回转能力的三轴平台。     

一种提升空间三轴激光陀螺性能的谐振腔方案研究

针对现有空间三轴机抖激光陀螺因通道间放电耦合引入了零偏误差导致陀螺性能损失的问题,提出了一种高精度空间三轴谐振腔改进设计实现方案.该方案从空间三轴激光陀螺与单轴激光陀螺放电系统的差异出发,分析了空间三轴激光陀螺不同放电状态引入零偏误差的机理,明确了高精度空间三轴激光陀螺各通道的放电电流控制需求.同时,分析结果表明,减小通道间的放电耦合可降低该型陀螺的零偏耦合误差项,因此需对空间三轴谐振腔进行放电结构的去耦合优化设计.最后,针对提出的空间三轴谐振腔改进设计方案,开展了陀螺性能试验验证,试验结果表明,空间三轴机抖激光陀螺的精度提升了5.7％以上.     

基于ADRC迭代学习控制的四旋翼无人机姿态控制

针对农用无人机超低空表型遥感和喷药精准悬停易受地效扰动问题，提出了一种自适应ADRC姿态控制器。首先设计了基于ADRC的姿态控制器，结合四旋翼无人机平台在0.9~1.1、1.1~1.3、1.4~1.6、2.0~2.4、2.5~2.9、3.3~3.6 m/s侧向水平风、0.9~1.1 m/s （11°）、1.1~1.3 m/s （13°）、1.4~1.6 m/s （18°）、1.8~2.0 m/s （18°）、2.1~2.5 m/s （18°）前俯向风和侧俯向风下进行干扰的预测和控制量的补偿实验。实验结果显示使用ADRC姿态控制器后无人机抗风性能有较大提升。然而在存在初始误差时，ADRC固定带宽无法满足要求，进一步设计了自适应ADRC姿态控制器（ILC-ADRC）。通过迭代学习控制在线优化自抗扰控制器带宽，实现了不同增益观测器的自适应整定。实验结合四旋翼无人机平台分别进行了机头实际方向与期望方向偏离55°、90°、180°，水平风速1.1~1.3、1.4~1.6、2.0~2.4、2.5~2.9 m/s下使用ADRC和ILC-ADRC的对比。实验结果显示采用ILC-ADRC姿态控制器，在150次控制周期内，偏航角误差均在-15°~15°之间，满足四旋翼无人机偏航角控制精度要求，同时调节时间分别缩短了40%，16.67%，12.5%，53.33%，10.34%，13.95%，27.27%，58.66%，11.86%。     

基于惯性系的光纤寻北仪双位置寻北算法

由低精度光纤陀螺(Fiber Optical Gyroscope,FOG)组成的寻北仪具有结构简单、成本低的优点,但易受地磁和车上复杂外部环境的影响.针对低精度FOG存在地磁零位,寻北仪对外部晃动敏感的缺陷,通过对陀螺进行地磁零位补偿保证陀螺零偏稳定性,在此基础上提出了基于惯性系的双位置寻北算法.算法分别在两个对位进行惯性系寻北,利用双位置对消原理获得不受陀螺固定零偏影响的方位角并完成水平陀螺固定零偏的估计.实验结果表明,陀螺零偏稳定性0.15(°)/h,加速度计零偏稳定性150μg的惯性器件精度下,车上寻北误差1倍标准差小于4.5mil、极差小于10mil、对准时间小于5min.与传统双位置算法相比,所提算法在晃动基座条件下具有对准精度高,环境适应性强的优点.