本發(fā)明涉及一種混合式慣性平臺系統(tǒng)，尤其涉及一種適應(yīng)載體全姿態(tài)機(jī)動運(yùn)行、多信息融合控制的慣性平臺系統(tǒng)，可適用于要求全姿態(tài)的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等，屬于慣性測量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在彈道導(dǎo)彈或戰(zhàn)斗機(jī)等要求大機(jī)動的載體上，高精度慣性平臺系統(tǒng)的陀螺儀目前主要采用液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀、三浮陀螺儀和動力調(diào)諧陀螺儀等，平臺框架結(jié)構(gòu)為兩框架三軸形式或三框架四軸形式。

在中國宇航出版社《慣性器件》公開的平臺方案中，平臺全部采用3個單自由度積分陀螺儀方案或2個兩自由度動力調(diào)諧陀螺儀方案，框架結(jié)構(gòu)為兩框架三軸形式或三框架四軸形式，這些方案的優(yōu)點(diǎn)是儀表配置簡單，結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，但其缺點(diǎn)是不能滿足載體的全姿態(tài)運(yùn)動，比如，兩框架三軸平臺在內(nèi)框架角度工作于90°時或三框架四軸平臺的外框架角度工作于90°時，都會引起框架“失鎖”，從而導(dǎo)致臺體相對慣性空間發(fā)生轉(zhuǎn)動。

為避免框架“失鎖”的發(fā)生，目前的解決方案是限制載體的運(yùn)動軌跡，比如，彈道式導(dǎo)彈的軌跡為拋物線，其偏航角變化不大，因此，可使兩框架三軸平臺的內(nèi)框架角敏感載體的偏航角。但是，這種限制載體軌跡的方案越來越不能滿足大機(jī)動、快速響應(yīng)的發(fā)展趨勢。

不僅如此，隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對慣性平臺精度及可靠性的要求越來越高，以往慣性平臺在控制方式、運(yùn)動信息獲取及利用等方面較為單一。譬如，平臺系統(tǒng)信息測量為臺體角位置，通過對其微分得到角速度，數(shù)據(jù)噪聲相對較大，影響控制精度；平臺框架及基座角運(yùn)動信息無法獲取，控制回路可用信息較少等。

為此，需要研究慣性平臺不受載體運(yùn)動影響的全姿態(tài)方案，并增加平臺系統(tǒng)各部分角運(yùn)動信息的測量手段，滿足未來慣性平臺全姿態(tài)、多信息融合控制的需求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種混合式慣性平臺系統(tǒng)，該慣性平臺系統(tǒng)具有全姿態(tài)、大機(jī)動、高精度的優(yōu)點(diǎn)，滿足未來慣性平臺全姿態(tài)、多信息融合控制的需求。

本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的：

一種混合式慣性平臺系統(tǒng)，包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，所述陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀控制臺體的軸端電機(jī)，使臺體穩(wěn)定在慣性空間，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述慣性平臺系統(tǒng)的各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的單自由度mems陀螺儀，用于測量慣性平臺系統(tǒng)各框架及基座的角運(yùn)動信息。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述臺體上還包括加速度計組合，所述加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計正交安裝構(gòu)成加速度計輸入軸坐標(biāo)系，第4個石英加速度計在所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系中斜置安裝；所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系與臺體坐標(biāo)系oxyz重合。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述第4個斜置安裝的石英加速度計的輸入軸與其他3個石英加速度計的輸入軸的夾角相同。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述夾角的余弦值的絕對值為

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀，其中1個陀螺儀的輸入軸與臺體坐標(biāo)系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個陀螺儀的輸入軸分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構(gòu)成陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，其中一個mems陀螺儀的輸入軸與臺體坐標(biāo)系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個mems陀螺儀的輸入軸分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構(gòu)成mems陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)的具體方法如下：

(1)給出四元數(shù)的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，有臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動時，有和由單自由度mems陀螺儀測量得出；

其中：為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體z軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體x軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體y軸的角速度；

(3)由如下姿態(tài)更新方程得到一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據(jù)所述一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣具體如下：

(5)下一導(dǎo)航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數(shù)的初值，重新返回步驟(2)，依此循環(huán)，直至導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述臺體上的4個石英加速度計，當(dāng)其中任意一個石英加速度計出現(xiàn)故障時，其余3個石英加速度計配合實現(xiàn)臺體相對慣性空間的視加速度的測量。

在上述慣性平臺系統(tǒng)中，所述3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)方案相比的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)本發(fā)明混合式慣性平臺系統(tǒng)陀螺儀組合采用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(含再平衡回路)的混合工作方式；此外在慣性平臺各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的mems陀螺儀，用以對平臺各部分姿態(tài)角運(yùn)動全信息的測量，本發(fā)明采用不同類型陀螺儀的混合式工作方式，實現(xiàn)了對慣性平臺臺體、框架、基座角速率的測量，有效統(tǒng)一了平臺系統(tǒng)與捷聯(lián)系統(tǒng)的工作方式，可滿足載體的全姿態(tài)運(yùn)動和高可靠性的使用要求，并為平臺系統(tǒng)多信息融合控制提供了測試手段與數(shù)據(jù)支持；

(2)本發(fā)明針對慣性平臺系統(tǒng)，通過引入mems陀螺儀，實時測得載體轉(zhuǎn)速，并計算臺體相對慣性空間的姿態(tài)，在平臺框架“失鎖”時，利用mems陀螺儀，將平臺工作在捷聯(lián)方式，從根本上解決了平臺的全姿態(tài)控制問題，滿足載體全姿態(tài)的要求；

(3)本發(fā)明利用框架及基座上的mems陀螺，實現(xiàn)了對各框架及基座的角運(yùn)動信息測量，所測數(shù)據(jù)既可作為平臺運(yùn)動狀態(tài)的分析與監(jiān)測依據(jù)，也可用于實現(xiàn)平臺系統(tǒng)多信息融合控制，提高了慣性平臺精度及可靠性。

(4)本發(fā)明采用石英加速度計冗余方法，在原有三個加速度計的基礎(chǔ)上，增加一個斜置安裝的加速度計，當(dāng)其中任意1個加速度計出現(xiàn)故障時，其余3個石英加速度計重構(gòu)配合實現(xiàn)臺體相對慣性空間的視加速度的測量，該方法實現(xiàn)了石英加速度計故障診斷與容錯處理，提高了系統(tǒng)的可靠性水平，此外本發(fā)明還給出了斜置加速度計的最佳安裝方式，進(jìn)一步提高了平臺系統(tǒng)的性能和可靠性。

(5)本發(fā)明儀表冗余慣性平臺系統(tǒng)，可適用于要求全姿態(tài)的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機(jī)等，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)明混合式慣性平臺系統(tǒng)組成示意圖；

圖2為本發(fā)明慣性平臺臺體各陀螺儀、加速度計極性配置示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述：

如圖1所示為本發(fā)明混合式慣性平臺系統(tǒng)組成示意圖，本發(fā)明混合式慣性平臺系統(tǒng)包括臺體和臺體上安裝的陀螺儀組合，陀螺儀組合包括3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(包含再平衡回路)。如圖1所示，3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz，臺體上還安裝了3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，即mems。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀作為慣性平臺系統(tǒng)伺服回路的臺體角運(yùn)動敏感元件，控制臺體的軸端電機(jī)，在穩(wěn)定回路工作時使臺體穩(wěn)定在慣性空間。3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)，即臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀可以為液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀。

如圖2所示為本發(fā)明慣性平臺臺體各陀螺儀、加速度計極性配置示意圖。3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz，其中1個陀螺儀gz的輸入軸iz與臺體坐標(biāo)系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個陀螺儀gx、gy的輸入軸ix、iy分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構(gòu)成陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。該3個單自由度積分陀螺儀的輸出經(jīng)過解耦控制環(huán)節(jié)作用于平臺的軸端電機(jī)構(gòu)成平臺系統(tǒng)伺服回路。單自由度積分陀螺儀gx、gy和gz的輸出軸分別為ox、oy和oz。臺體坐標(biāo)系oxyz中的oz軸與臺體的旋轉(zhuǎn)軸重合。

3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀的輸入軸定義與3個單自由度積分陀螺儀一致。即3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀，其中一個mems陀螺儀的輸入軸iz'與臺體坐標(biāo)系oxyz中的臺體軸z平行，另外2個mems陀螺儀的輸入軸ix'、iy'分別與臺體軸z垂直且二者相互垂直，構(gòu)成mems陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。mems陀螺儀測量臺體相對慣性空間的角速度，經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)，即給出臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣，具體方法如下：

(1)給出四元數(shù)的初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3；

(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，有臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動時，有和由單自由度mems陀螺儀測量得出；

其中：為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體z軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體x軸的角速度，為臺體坐標(biāo)系oxyz中臺體y軸的角速度；

(3)由如下姿態(tài)更新方程得到一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3：

(4)根據(jù)所述一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3得到臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣具體如下：

(5)下一導(dǎo)航時刻，將步驟(3)得到的一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3作為四元數(shù)的初值，重新返回步驟(2)，即重復(fù)步驟(2)～(4)，得到又一組新的四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，進(jìn)一步得到下一導(dǎo)航時刻臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣之后再返回步驟(2)，依此循環(huán)，直到導(dǎo)航任務(wù)結(jié)束，得到導(dǎo)航任務(wù)過程中不同導(dǎo)航時刻臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣。

若上述步驟(2)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，有則循環(huán)計算過程中四元數(shù)ρ0、ρ1、ρ2、ρ3始終為設(shè)定的初值，即所有導(dǎo)航時刻，ρ0、ρ1、ρ2、ρ3為設(shè)定初值不變，臺體相對于慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣ri^p唯一確定。

如圖1所述，混合式慣性平臺系統(tǒng)包括臺體、各框架及基座。慣性平臺的各框架及基座上均分別安裝有3個正交的單自由度mems陀螺儀，用于測量慣性平臺系統(tǒng)各框架及基座的角運(yùn)動信息，本發(fā)明實施例中在3個框架和1個基座上均分別安裝3個正交的單自由度mems陀螺儀，即四組正交的單自由度mems陀螺儀。其工作方式與臺體上的一組mems陀螺儀相似，通過再平衡回路，分別對各框架及基座的角運(yùn)動信息進(jìn)行測量，所測數(shù)據(jù)傳至平臺主控電路板，既可作為平臺運(yùn)動狀態(tài)的分析與監(jiān)測依據(jù)，同時也可以作為控制回路輸入與補(bǔ)償，實現(xiàn)平臺系統(tǒng)多信息融合控制。

臺體上還包括加速度計組合，加速度計組合用于測量臺體的加速度信息，本發(fā)明中加速度計組合包括4個石英加速度計，其中3個石英加速度計ax、ay和az正交安裝構(gòu)成加速度計輸入軸坐標(biāo)系，第4個石英加速度計ad在該加速度計輸入軸坐標(biāo)系中斜置安裝，如圖1所示。所述加速度計輸入軸坐標(biāo)系與臺體坐標(biāo)系oxyz重合。斜置安裝的石英加速度計ad可實現(xiàn)監(jiān)測功能，當(dāng)正交安裝的加速度計存在故障時，及時判斷出故障現(xiàn)象并利用斜置安裝的石英加速度計ad代替故障加速度計輸出比力信息，保證載體導(dǎo)航信息的持續(xù)穩(wěn)定輸出。如圖2所示，3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸分別為ix、iy、iz，輸出軸分別為ox、oy、oz，擺軸分別為px、py、pz，石英加速度計ad的輸入軸、輸出軸和擺軸分別為ir、or、pr。

本發(fā)明中第4個斜置安裝的石英加速度計ad的輸入軸與其他3個石英加速度計ax、ay和az的輸入軸的夾角相同，優(yōu)選該夾角的余弦值的絕對值為

如圖1所示，為保持臺體相對慣性空間穩(wěn)定，需要利用3個單自由度積分陀螺儀的輸出信息、各框架角度信息以及框架和基座上的mems測量信息進(jìn)行信號分解，使系統(tǒng)由多變量交鏈耦合系統(tǒng)變?yōu)楠?dú)立的單輸入輸出回路并實現(xiàn)動態(tài)誤差的補(bǔ)償，解耦后的控制器作用到各框架軸端的力矩電機(jī)。但在框架鎖定時，臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動，動力調(diào)諧陀螺儀敏感到轉(zhuǎn)動的角速度根據(jù)本發(fā)明專利就可求得臺體相對慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換矩陣，進(jìn)一步由坐標(biāo)變換矩陣可求得三個姿態(tài)角。同時，4個石英加速度計測量的比力經(jīng)容錯與轉(zhuǎn)換后得到臺體坐標(biāo)系的三維正交的視加速度值，經(jīng)坐標(biāo)變換后可得導(dǎo)航系的速度和位置參數(shù)，用于導(dǎo)彈武器的制導(dǎo)。

本發(fā)明混合式慣性平臺系統(tǒng)，陀螺儀組合采用3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀(液浮陀螺儀、靜壓液浮陀螺儀或三浮陀螺儀)和3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀(含再平衡回路)的混合工作方式；此外，在平臺各框架及基座上，均分別安裝有3個正交的mems陀螺儀，用以對平臺各部分姿態(tài)角運(yùn)動全信息的測量。

臺體3個正交安裝的單自由度積分陀螺儀中，1個陀螺儀的輸入軸與臺體軸平行，另外2個輸入軸分別與臺體軸垂直且二者相互垂直，構(gòu)成陀螺儀組合輸入軸坐標(biāo)系。3個單自由度積分陀螺儀的輸出經(jīng)過解耦控制環(huán)節(jié)作用于平臺的軸端電機(jī)，構(gòu)成平臺系統(tǒng)穩(wěn)定回路，當(dāng)平臺未“失鎖”時，保持平臺臺體在慣性空間穩(wěn)定。

臺體3個正交安裝的單自由度mems陀螺儀的輸入軸定義與3個單自由度積分陀螺儀一致，每個mems陀螺儀設(shè)置有一條再平衡回路，與mems陀螺儀共同作用，實時輸出臺體相對慣性空間的角速度，并經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)。當(dāng)平臺處于“失鎖”狀態(tài)時，將平臺工作于捷聯(lián)方式，使其臺體隨載體一起轉(zhuǎn)動，同時利用mems陀螺輸出及姿態(tài)更新結(jié)果，由計算機(jī)解算獲得慣性坐標(biāo)系方位，直至平臺退出“失鎖”狀態(tài)。

為了滿足慣性平臺多信息融合控制的需要，提高慣性平臺精度及可靠性，在平臺各框架及基座上分別正交安裝3個mems陀螺儀，其工作方式與臺體上陀螺儀相似，通過再平衡回路，分別對各框架及基座的角運(yùn)動信息進(jìn)行測量，所測數(shù)據(jù)既可作為平臺運(yùn)動狀態(tài)的分析與監(jiān)測依據(jù)，同時也可以作為控制回路輸入與補(bǔ)償，實現(xiàn)平臺系統(tǒng)多信息融合控制。

本發(fā)明為了實現(xiàn)平臺系統(tǒng)全姿態(tài)控制的功能，從根本上解決大機(jī)動、全姿態(tài)帶來的平臺框架“失鎖”現(xiàn)象，對平臺系統(tǒng)控制方案作如下改進(jìn)：

(1)臺體3個單自由度積分陀螺儀的輸出經(jīng)過解耦控制環(huán)節(jié)作用于平臺的軸端電機(jī)，構(gòu)成平臺系統(tǒng)穩(wěn)定回路。為了實現(xiàn)平臺的全姿態(tài)控制，在內(nèi)框架與外框架穩(wěn)定回路間設(shè)計全姿態(tài)信號分解器，采用數(shù)字電路設(shè)計，其作用是將臺體上x、y向單自由度陀螺儀敏感到的臺體轉(zhuǎn)動準(zhǔn)確投影至內(nèi)環(huán)軸與外環(huán)軸上。當(dāng)平臺未“失鎖”時，平臺工作在慣性穩(wěn)定方式，由單自由度陀螺儀與穩(wěn)定回路共同作用，保持平臺臺體在慣性空間穩(wěn)定。

(2)臺體3個mems陀螺儀各自設(shè)置有一條再平衡回路。再平衡回路與mems陀螺儀共同作用，實時輸出臺體相對慣性空間的角速度，并經(jīng)過姿態(tài)更新后實時給出臺體相對慣性空間的姿態(tài)。當(dāng)平臺處于“失鎖”狀態(tài)時，失鎖方向穩(wěn)定回路不再工作，將平臺工作于捷聯(lián)方式，使臺體隨載體一起轉(zhuǎn)動，同時利用mems陀螺輸出及姿態(tài)更新結(jié)果，由計算機(jī)解算獲得慣性坐標(biāo)系方位，直至平臺退出“失鎖”狀態(tài)。

平臺姿態(tài)更新采用四元數(shù)算法：首先通過平臺初始對準(zhǔn)，給出四元數(shù)初值ρ0、ρ1、ρ2、ρ3，之后利用臺體轉(zhuǎn)速和四元數(shù)更新方程

對描述臺體相對慣性空間運(yùn)動的四元數(shù)進(jìn)行實時解算。

mems陀螺在整個飛行過程中一直處于工作狀態(tài)，因此姿態(tài)更新一直進(jìn)行。當(dāng)臺體穩(wěn)定在慣性空間時，有而當(dāng)臺體相對慣性空間轉(zhuǎn)動時，有而和不為零，由mems陀螺儀測量得出，最終得到臺體相對慣性坐標(biāo)系的坐標(biāo)變化矩陣為

(3)當(dāng)平臺退出“失鎖”狀態(tài)后，平臺恢復(fù)慣性穩(wěn)定工作方式，以退出“失鎖”狀態(tài)前最后時刻臺體各向指向為新的坐標(biāo)系基準(zhǔn)，并保持在慣性空間穩(wěn)定；利用此前mems陀螺測得的臺體轉(zhuǎn)動信息，得到當(dāng)前臺體相對慣性空間的方位，并進(jìn)行導(dǎo)航。

以上所述，僅為本發(fā)明一個具體實施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

本發(fā)明未詳細(xì)說明部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員公知常識。