一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于測量和定位定向技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法。本發(fā)明包括陀螺電機內(nèi)部的定子上以120°間隔有3個霍爾元件1，在轉(zhuǎn)軸的一周均勻分布著K個磁鋼2，用來檢測陀螺電機轉(zhuǎn)速；當(dāng)霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同；當(dāng)每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖。本發(fā)明由霍爾元件能夠精確的測量陀螺儀轉(zhuǎn)子的實時轉(zhuǎn)速，通過實時的轉(zhuǎn)子速度與預(yù)期轉(zhuǎn)子的速度差及速度差的變化率為輸入，保證陀螺轉(zhuǎn)子的速度能夠得到相應(yīng)的補償，有效抑制陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速波動，達到提高陀螺尋北裝置的尋北精度。
【專利說明】
一種陀螺定向儀角動量檢測及補償方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于測量和定位定向技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種陀螺定向儀角動量檢測及補 償方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 陀螺電機是為定向儀提供動量矩并使之具有陀螺效應(yīng)的重要元件和敏感元件，轉(zhuǎn) 速的大小變化直接影響陀螺電機的角動量，影響尋北定向精度，是影響磁懸浮定向儀精度 的重要因素。很多因素會導(dǎo)致無刷直流電機轉(zhuǎn)速波動，引入尋北測量誤差，包括電機自身結(jié) 構(gòu)引起的齒槽轉(zhuǎn)矩影響、控制電流的非理想方波變化、電源的穩(wěn)定性，都會導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩的 隨機波動，從而引起轉(zhuǎn)速的隨機波動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種在對陀螺定向儀進行測量補償驗證的基礎(chǔ)上，通過對 測量數(shù)據(jù)的分析提高穩(wěn)速精度的陀螺定向儀角動量檢測及補償方法。
[0004] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：
[0005] (1)陀螺電機內(nèi)部的定子上以120°間隔有3個霍爾元件1，在轉(zhuǎn)軸的一周均勻分布 著K個磁鋼2,用來檢測陀螺電機轉(zhuǎn)速;當(dāng)霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致 垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同； 當(dāng)每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖，采用Μ/T法對霍爾元件輸出的脈 沖信號進行測量，得到陀螺電機轉(zhuǎn)速；由霍爾元件輸出電壓的大小確定當(dāng)前的陀螺電機轉(zhuǎn) 速;得到精確的陀螺電機轉(zhuǎn)速的誤差A(yù)n，然后進行速度補償控制，
[0006] !P陀螺電機的角動量補償；
[0007] 利用頭W將速，得到實施轉(zhuǎn)速誤差Δη，實時補償陀螺角動量，采用模糊控制和 PID控制相結(jié)合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器為三維模糊控制器，輸入分別 為轉(zhuǎn)速誤差，轉(zhuǎn)速變化率，轉(zhuǎn)速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù)變化率detkp， detki，detkd;
[0008] (3)將補償后的角動量進行尋北；陀螺定向儀有陀螺電機、測角裝置、力矩器和磁 懸浮支撐組成
[0009]
[0010] H:陀螺角動量，H = Jco =23Tf = 23TPn/60，n:轉(zhuǎn)速；coie:地球漂移角速率 15.041Γ 1ι);Φ:地理煒度;α北:陀螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;KT:陀螺力矩系數(shù)；
[0011] (4)當(dāng)陀螺電機的轉(zhuǎn)速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉(zhuǎn)速誤差所帶來的定 向誤差；
[0012]
[0013] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0014] 本發(fā)明由霍爾元件能夠精確的測量陀螺儀轉(zhuǎn)子的實時轉(zhuǎn)速，通過實時的轉(zhuǎn)子速度 與預(yù)期轉(zhuǎn)子的速度差及速度差的變化率為輸入，通過模糊PID控制方法，使得力矩器做出相 應(yīng)的動作，保證陀螺轉(zhuǎn)子的速度能夠得到相應(yīng)的補償，即補償陀螺轉(zhuǎn)子的角動量，使得陀螺 轉(zhuǎn)子能維持穩(wěn)定的高速轉(zhuǎn)動，有效抑制陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速波動，達到提高陀螺尋北裝置的尋 北精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明專利陀螺電機結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖2為霍爾元件實測轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)圖。
[0017]圖3為本發(fā)明專利定向儀陀螺運動模型圖。
[0018] 圖4為本發(fā)明流程圖。
【具體實施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步描述。
[0020] 本發(fā)明公開了一種陀螺定向儀陀螺角動量檢測及補償方法，能夠完成陀螺電機轉(zhuǎn) 速測量并實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速引起陀螺角動量的補償，從而實現(xiàn)陀螺角動量穩(wěn)，提高了陀螺定 向儀精度。利用陀螺電機內(nèi)部的霍爾元件測量陀螺電機轉(zhuǎn)速，利用測得的實時轉(zhuǎn)速對陀螺 角動量進行實時補償，角動量參與定向?qū)け庇嬎?，補償由于轉(zhuǎn)速誤差所帶來的定向誤差。本 發(fā)明能夠完成陀螺電機轉(zhuǎn)速測量，能滿足陀螺定向儀快速高精度定向的需求。本發(fā)明通過 確定一種陀螺定向儀陀螺電機轉(zhuǎn)速檢測及補償方法，能夠完成陀螺電機轉(zhuǎn)速測量并實現(xiàn)對 電機轉(zhuǎn)速引起陀螺角動量的補償，從而實現(xiàn)陀螺角動量穩(wěn)定。利用陀螺電機內(nèi)部的霍爾元 件測量陀螺電機轉(zhuǎn)速。利用Μ/T算法進行電壓信號到實時轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換。采用模糊控制和PID 控制相結(jié)合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器設(shè)計為三維模糊控制器。將補償 后的角動量進行尋北，由尋北公式可知，當(dāng)角動量波動較小時，尋北角度精度才更高，補償 由于轉(zhuǎn)速誤差所帶來的定向誤差。
[0021] 陀螺定向儀尋北原理公式可知尋北定向精度與轉(zhuǎn)速η相關(guān)。轉(zhuǎn)速恒定則陀螺角動 直穩(wěn)走。
[0022 ] 通過對磁懸浮定向儀進行原理性敘述，確定磁懸浮定向儀中陀螺電機轉(zhuǎn)速是引起 定向誤差的一個誤差源，同時它又是磁懸浮定向儀滿足環(huán)境適應(yīng)性的主要創(chuàng)新點，通過對 磁懸浮分系統(tǒng)的理論分析，確定其檢測、控制及誤差補償策略，控制精度對磁懸浮定向儀系 統(tǒng)的精度影響，進行具有針對性的檢測控制及補償研究。
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。Stepl:陀螺電機內(nèi)部的定子上以120°間隔有 3個霍爾元件1，在轉(zhuǎn)軸的一周均勻分布著K個磁鋼2，用來檢測陀螺電機轉(zhuǎn)速。當(dāng)霍爾片上的 電流恒定不變時，電機轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致垂直于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場 強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同。當(dāng)每個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一 個脈沖，這里采用Μ/T法對霍爾元件輸出的脈沖信號進行測量，得到陀螺電機轉(zhuǎn)速。由霍爾 元件輸出電壓的大小便可以知道當(dāng)前的陀螺電機轉(zhuǎn)速。從而得到精確的陀螺電機轉(zhuǎn)速的誤 差A(yù)n，然后進行速度補償控制
〃即陀螺電機的角動量補償。
[0024] Step2:利用實時轉(zhuǎn)速，得到實施轉(zhuǎn)速誤差Δη，實時補償陀螺角動量，這里采用模 糊控制和PID控制相結(jié)合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器設(shè)計為三維模糊控 制器，輸入分別為轉(zhuǎn)速誤差，轉(zhuǎn)速變化率，轉(zhuǎn)速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù) 變化率detkp，detki，detkd，這種設(shè)計能夠使得轉(zhuǎn)速補償更為精確和快速。
[0025] Step3:將補償后的角動量進行尋北。陀螺定向儀有陀螺電機3、測角裝置4、力矩器 5和磁懸浮支撐6組成。由尋北公式可知，當(dāng)角動量波動較小時，尋北角度精度才更高。
[0026]
[0027] 注:Η:陀螺角動量，H = J ω = 2對=2JiPn/60，η:轉(zhuǎn)速；ω ie:地球漂移角速率15 · 041 (°1ι);Φ:地理煒度;α北:陀螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;Κτ:陀螺力矩系數(shù)。
[0028] Step4:當(dāng)陀螺電機的轉(zhuǎn)速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉(zhuǎn)速誤差所帶來的 定向誤差。
[0029]
[0030]當(dāng)轉(zhuǎn)速得到補償?shù)臅r候，detn變小，detH變小，alpa的變化更小，及尋北穩(wěn)定精度 得到提高。
【主權(quán)項】
1. 一種巧螺定向儀角動量檢測及補償方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 巧螺電機內(nèi)部的定子上W120°間隔有3個霍爾元件1，在轉(zhuǎn)軸的一周均勻分布著K個 磁鋼2,用來檢測巧螺電機轉(zhuǎn)速；當(dāng)霍爾片上的電流恒定不變時，電機轉(zhuǎn)速的變化導(dǎo)致垂直 于電流方向的磁場強度發(fā)生變化，不同的磁場強度會使得霍爾元件的輸出電壓不同；當(dāng)每 個磁鋼經(jīng)過霍爾傳感器時，霍爾元件便輸出一個脈沖，采用M/T法對霍爾元件輸出的脈沖信 號進行測量，得到巧螺電機轉(zhuǎn)速；由霍爾元件輸出電壓的大小確定當(dāng)前的巧螺電機轉(zhuǎn)速;得 到精確的巧螺電機轉(zhuǎn)速的誤差A(yù) n，然后進行速度補償控制，即巧螺電機的角動量補償； (2) 利用實時轉(zhuǎn)速，得到實施轉(zhuǎn)速誤差Δη,實時補償巧螺角動量，采用模糊控制和PID 控制相結(jié)合的控制方法來對角動量進行補償，模糊控制器為Ξ維模糊控制器，輸入分別為 轉(zhuǎn)速誤差，轉(zhuǎn)速變化率，轉(zhuǎn)速誤差變化的變化率，輸出為PID控制器的參數(shù)變化率detkp， detki,detkd; (3) 將補償后的角動量進行尋北；巧螺定向儀有巧螺電機、測角裝置、力矩器和磁懸浮 支撐組成 曰= arc(sin(時I好I樹)/Ηω iecos Φ ) Η:巧螺角動量，H=Jw=2時二化pn/60，n:轉(zhuǎn)速；wie:地球漂移角速率15.041(°h); Φ : 地理締度;啡:巧螺電機軸與北向夾角；I:力反饋電流;時:蛇螺力矩系數(shù)； (4) 當(dāng)巧螺電機的轉(zhuǎn)速得到補償后送入測角裝置，補償由于轉(zhuǎn)速誤差所帶來的定向誤 差；
【文檔編號】G01C25/00GK105973270SQ201610532457
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月7日
【發(fā)明人】李光春, 賈盈盈, 王旭剛, 光星星, 魏延輝, 王連增, 劉曉晴, 杜世通, 柁旭東, 張佩
【申請人】哈爾濱工程大學(xué)