（电气工程专业论文）全自动陀螺经纬仪的研究及实现.pdf

a b s t r a c t g y r o t h e o d o l i t ei s ak i n do fp h y s i c a ld i r e c t i o ni n d i c a t i n gi n s t r u m e n t ，w h i c hi s a l l w e a t h e ra n dc a nd e t e r m i n et r u en o r t hd i r e c t i o nw i t h o u t d e p e n d i n g o no t h e r e q u i p m e n t s 。i ti sm a i n l yu s e d t o g i v et h ea c c u r a t eo r i e n t a t i o nb e n c h m a r kf o rt h e w e a p o ns y s t e m sc o l l i m a t i o no rl a r g ep r o j e c t s c o n s t r u c t i o ns u c h a sm i n ea n dr a i l w a y 。 f om e e tt h e r e q u i r e m e n to ff a s t a n da c c u r a t ed i r e c t i o n i n d i c a t i o n ， w ed e v e l o p e d a u t o m a t i cg y r o t h e o d o l i t ew h i c hh a sm o r ea u t o m a t i z a t i o n c a p a b i l i t y 。 t h i s p a p e rh a s s i x p a r t s t od e s c r i b ei nd e t a i l 。t h ef i r s t c h a p t e r i n t r o d u c e s g y r o t h e o d o l i t e l sd e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n 。t h es e c o n dc h a p t e r i st h eb a s i c p r i n c i p l eo fg y r o t h e o d o l i t e 。t h et h i r dc h a p t e rg i v e st h ea u t o m a t i cg y r o - t h e o d o l i t e s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g ni d e a sa n di m p l e m e n tm e t h o d s ，t h i sp a r ti st h ew h o l e w o r k se m p h a s e s 。t h ef o r t hc h a p t e ri st h ea u t o m a t i cg y r o t h e o d o l i t e sd a t ap r o c e s s i n g m e t h o d t h ef i f t hc h a p t e rg i v e st h ea u t o m a t i cg y r o t h e o d o l i t e sp r e c i s i o na n a l y s i sa n d t h ei d e ao f t h e p r e c i s i o ni m p r o v e m e n t 。i n t h ee n d ，t h i s p a p e r h a sas u m m a r i z a t i o na n d g i v e s a n i m p e r s o n a lp r o s p e c t f o rt h ea u t o m a t i c g y r o t h e o d o l i t e s t e c h n i c a l d e v e l o p m e n t 。 t h ea u t h o ru n d e r t o o kc e n t r a l d e s i g na s s i g n m e n t a n d c o l l e c t i v i t y s c h e m e s a m e l i o r a t i o n 。a n dd i dt h ep r a c t i c a ls t u d yi ns i g n a lp r o c e s s i n g ，f o l l o w m o v i n gc o n t r o l a n d d a m p i n gp r o j e c t ，a c h i e v e de x p e c t a n te f f e c t 。 k e yw o r d s ：g y r o t h e o d o l i t e a u t o m a t i c s i g n a lp r o c e s s i n gp r e c i s i o na n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育l j t 杉, j 的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 弓长藩至、 签字日期：o 弓年2 月，r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼太堂有关部保留、使用学位论文的规定。 特授权丞洼太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数摒库进行榆 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：拐善茄岔 狮魏挫乳 签字f 1 期：z 口口害年2 月1 1f 1 签字同期：dmj 年p 月i fn 第一章绪论 第一章绪论 陀螺经纬仪，是陀螺仪和经纬仪通过连接机构结合一体，用以测定真北方位角的仪器。 它是利用陀螺仪本身的物理特j 生( 定轴性和进动性) ，采用金属带悬挂萤心下移的陀螺灵敏 部来敏感地球自转角速度水平分量，在重力的作用下，产生一个向北进动的力矩，使陀螺 仪主轴围绕地球子午面往复摆动。它能够在纬度7 0 0 s 7 0 n 以内的任何地方迅速给出真北 方向或任意目标的方位角。这种不依赖大地测量点的自主式寻北仪器广泛用于矿山、铁道、 森林、建筑、海洋和测绘等部门，还可应用于炮兵侦察，为雷达、导弹发射装置提供方位 基准及为导弹发射赋予初始射向、其它导航设备的安装标校、隧i 馘等。 陀螺经纬仪可以精确地测定地面和井- f 巷道任意测站( 除南、北极以外) 的真子午线 位置，或任意测线的地理方位角，然后加入子午线收敛角可求出坐标方位角。在矿山测量 中，最重要的是确定矿山地面控制网和井下控制网任意测线的方位角。用传统的几何定向 法，定向一次需要1 0 1 5 人，工作8 1 0 小时，而且定向精度低，工作难度大。用陀螺经 纬仪定向，只需2 3 人协同作业，一次定向只需2 0 分钟左右，陀螺经纬仪可以在井下巷 道任何地点定向，定向精度不受井深影响。 陀螺经纬仪广泛应用于现代军事中，它和准直经纬仪通过机减联接组成陀螺罗盘，在 没有大地测量点的无依托情况下确定导弹的弹e 棱镜相对于北向的精确方位角，并通2 t t t 定的设备将方位角传递给测发控系统，以完成瞄准的功能。在炮兵侦察、作战中，可以j 陕 速、准确定向，增加部队的快反能力，准确打击目标。 陀螺经纬仪由陀螺仪和经纬仪两部分组成。经纬仪1 7 3 0 年英国人发明，经过金属经纬 仪的漫长过程，2 0 世纪2 0 年代发展成为光学经纬仪，6 0 年代后期以来进 电子经纬仪阶 段，进而成为电子速测仪，现已相当先进，并向智自眦方向发展。陀螺仪是陀螺经纬仪的 主体，主导着整机的发展进程。陀螺仪的原理由法国物理学家拂科( f o u c a l t ) 1 8 5 2 年提 出，1 9 0 6 年德国人安休茨制成航海陀螺罗盘，1 9 1 1 年美国人史帕瑞完成了类似的工作，从 而为测量陀螺仪的出现奠定了基础。1 9 2 0 年德国人舒勒试制测量陀螺仪。 第一章绪论 经过二战后的技术发展，1 9 4 9 年德国研制出与经纬仪连成体的子午线指示仪m w l ， 继而又制成了m w 2 、m w 3 、m w 4 a ，这些早期的陀螺经纬仪定向时间长，操作不方便，不久就 被淘汰。 现代陀螺经纬仪，按定向精度分为1 0 ”以外的工程级和1 0 ”以内的精密级两档，定向 原理除英美曾用速度式外觳都为摆式，陀螺仪与经纬仪使用，结合方式有下挂式和上架 式两类。下挂式仪器是在材料科学和电子技术进步的基础上于5 0 年代末发展起来的，至今 儿乎所有精密级仪器和自动化程度较高的仪器均属此类。上架式起随着陀螺马达的小型 化也在这一时期发展起来，工程仪器多属此类。 陀螺经纬仪的主要技术指标是一次定向的精度和时间，军用仪器强调陕速和抗振并追 求轻巧和可靠。l 空j 立5 0 多年的发展，这些要求已能基本满足。德国的k 厂一直走在这一 技术的前列，推出过m w 、k r 、t k 等系列产品和g y r o m a t 仪器，德国的b g t 厂也拥有自动化 的( 系列产品。匈牙利的m o m 厂从6 0 年代开始生产陀螺经纬仪，瑞士和同本也拥有陛能 很好的批产仪器。我国这方面的工作始于1 9 5 6 年，有型号j t r l 5 、肝卜i i 、j t 9 1 2 0 0 型， 英国、美国、苏联和加拿大都拥有自己的型号产品。 美国陆军导弹研究与发展司令部和利尔西格勒公司共同开发、研制的“主方位基准 校准标准”的设备寻北精度小于2 弧秒( 1 盯) ，对准时问约1 0 分钟。该设备利用悬挂的陀 螺摆在无阻尼条件下绕子午线摆动的特性在精确定时的四分之摆动周期内将仪器从初始 位置( 1 5 。范围之内) 快速粗略定位于北向，精寻北主要原理是基于力反馈法，通过对陀 螺灵敏部施加阻尼力矩，使动量矩轴逐渐静l e 在子午面来完成，一旦阻尼电流小于规定限 值并稳定一段时间后，伺服系统关闭，发出对、准f 言号。真北方位通过陀螺灵敏部上的反光 镜传递出去。该系统的特点是动态寻北，测量精度完全取决于测量时间，导至测量误差的 中间环节较少，但需要较复杂的传动和伺服系统和相当稳定的吊丝和馈电系统。 国外代表静态寻北的德国d m t 公司的g y r o m a t 2 0 0 0 型陀螺经纬仪，为下挂式仪器，在 j f f ”1 7 7 型基础e 改为自动测法而成。采用小角动量直流陀螺马达，集成电路驱动，蓄哇抛装 在敏感元件组k ，消除了供电系统扭力矩对自摆零位的影响。吊带刚度系数高，截面大， 零位重复指示偏差制动时为0 7 1 ”，不制动时为0 3 0 7 ”。其测量原理是在一个完整 的摆动周期内自动积分确定摆动周期，信号由光电装置检测并用微处理器处理，以数字方 式读取参考方向的方位角。仪器实测精度为3 ”，检测的常数随测战纬度变化不明显。 通常公认为g y r o m a t 代表着当今陀螺仪的最高水平。目前国际e 主流陀螺经纬仪越来越向 着全自动、高精度、快速找北的方向发展。 国内目前开发研制同类陀螺经纬仅的主要有航天科技集团1 5 所和总参西安 测绘研究所。根据目前了解的情况，1 5 所采用的方案类似美国利尔西格勒公司 公司开发的h t a t c s 摆式陀螺罗盘。其5 分钟内寻北精度可达到3 0 ”，但离便携化 要求尚有距离。 第一章绪论 陀螺仪的最高水平。目前国际上主流陀螺经纬仪越来越向着全自动、高精度、快 速找北的方向发展。 国内目前开发研制同类陀螺经纬仪的主要有航天科技集团1 5 所和总参西安 测绘研究所。根据目前了解的情况，1 5 所采用的方案类似美国利尔西格勒公司 公司开发的m a r c s 摆式陀螺罗盘。其5 分钟内寻北精度可达到3 0 ”，但离便携化 要求尚有距离。 1 3 本课题的研究方向及目的 我单位从事陀螺经纬仪产品的研制、生产己1 0 余年，先后生产了j t 9 1 2 0 0 型炮兵陀螺经纬仪、g t 3 d 便携式快速定位定向装置和g t 3 系列陀螺经纬仪。后两 者集成化程度更高、操作更加简单、精度也有所提高，并且配套的经纬仪是电子 经纬仪，操作和读数更加方便，但它们都属于半自动陀螺经纬仪，操作者必须经 过培训才能使用仪器。 随着科学技术、经济建设和国防建设的迅速发展，对陀螺经纬仪定向技术的 要求愈来愈高，尤其要满足快速、精密定向的需要。 本课题的研究目的主要是为了满足炮兵对测地作业的新要求，研制自动化程 度更高、操作简单、定向时间短、精度高的陀螺经纬仪。 全自动陀螺经纬仪的电磁阻尼、位置随动、机电锁放等用控制手段代替了人 ： 操作的绝大部分工作，并且与人工控制相比具有更高的效率和控制精度。而微 电子和光电技术的应用彻底代替了常规的凭借视觉观测的高强度工作，测量精度 显著提高。以8 0 c 5 5 2 为核心的微机控制系统具有速度快，可靠性高的特点。在全 自动陀螺经纬仪的开发过程中，本人该项目的开发过程中承担主要的线路设计任 务和总体方案的改进工作。对其中的信号处理、随动控制和阻尼方案等技术开展 了具体研究工作，取得了预期效果，从方案确定到关键问题的解决都起到了重要 的作用，并为总体性能的进一步改进和提高做好了相应的技术储备。 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 2 1 陀螺力学有关的数学和力学基本知识 2 1 1 欧拉角坐标系 图2 1 中，o x y z 是固定的直角坐标系，首先绕o z 轴转。角得到o x i y l z l ，再 绕o y i 轴转b 角得o x 2 y 2 2 2 ，最后绕0 x 2 轴转y 角得o x 3 y 3 2 3 ，用a 、1 3 、y 做 为广义坐标来描述固定在o x 3 y 3 2 3 上的物体相对o x y z 的位置，称为欧拉角坐标 系，a 、b 、y 称为欧拉角。 设i ，、，、k ，是沿着固定坐标系o x 、o y 、及o z 轴的单位向量，一i 、j 、i - 是沿着动坐标系o x 3 、o y 3 、o z 3 轴的单位向量，则r 、j 、一k 与i t 、i 、一k l 之 间的关系为： x 图2 ，1 ：sinazcosfl；-sinfly摇sin s i n f l s i n c o s c o s f l s i n s i n s i n f l c o s y c o s ( zs i n c o s f l c o s r 口 ，+ c o s a 丑 yj | 7 口一 y li y 3 y 、y 12 y ( 2 一i ) y y 菪m 口 口移洫湖 | 耋卜” 口洒 宝 s s c 卢步 n n s s 口 口 一 卜 = ，_1_，r-_i rr一一 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 2 1 2 苛氏转动坐标定理 如图2 2 ，i x y z 是固定坐标系，o x y z 是动坐标系。动坐标系的原点0 在i x y z 坐标系中的位置固定不变，但动坐标系本身绕通过原点o 的轴线o o7 转动。则 d 衷酊 一一 百2 瓦怕” ( 2 2 ) 式中： 辈代表质点对于固定坐标系的绝对速度； 宰代表质点对于动坐标系的相对速度； 西i 代表由动坐标系的转动运动而产生的牵连速度。 将两个坐标系的原点i 和。重合，式( 2 2 ) 改写为： d 严a 尹 一一 西a f ( 2 3 ) 同理，当研究任何一个用向量后表示的运动参数随时间变化的情形时( 向 量雷可以是速度、加速度、角速度、动量矩等) ，可得到关系式： d b勰 一： = + b 础西 ( 2 4 ) 式中：掣表示向量雪对固定坐标系随时间的变化率； 以f 詈表示向量百对动坐标系的变化率； 西豆表示由动坐标系的转动带动向量五一起转动形成的牵连运动而引 起向量雪的变化率。 如果式( 2 _ 4 ) 中的向量后代表物体运动时对于固定坐标系的动量矩疗，那么 掣：掣+ 西疗( 2 - 5 ) ma t 式( 2 - 5 ) 是研究陀螺运动的一个基本公式。 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 2 2 刚体的转动惯量、力矩、动量矩和动量矩定理 如图2 3 ，刚体上所有质元对转动轴线0 0 的转动惯量为 i ，= ，2 刚体上的力对转动轴线0 0 的总力矩为： m = j g 剐体的动量矩为： a = j 西 刚体绕固定轴线转动的动量矩定理为： 塑：砺 出 2 3 陀螺仪的基本特性及进动规律 图23 ( 2 6 ) 凡是绕定点高速旋转的物体，或绕自身回转轴高速旋转的刚体( 物体) 都称为 陀螺。 如图2 4 ，设o x y z 是固定在刚体上的动坐标系，0 3 ，、0 2 ，、：是刚体的角速度 沿着o x y z 各轴的分量，若满足下列条件： 伪x mu 讲j 国： 街，q 。 这种类型的刚体统称为陀螺。 陀螺仪具有两个非常重要的特性，既定轴性和 进动性。 1 ) 定轴性 高速旋转的陀螺仪，其转子轴指向惯性空间某 一方向，在没有任何外加力矩的作用下，不管装有 陀螺仪的运载体如何运动，陀螺仪的转子轴将稳定 地保持在惯性空间初始的方向。 图2 4 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 由公式( 2 6 ) 可知，当厨：o 时，掣：0 ，则霄= c o n s f 。 d f 即动量矩矢量的方向在空间保持不变。 2 ) 进动性及其规律 如图2 5 ，当加一常值力矩于高速旋转着的陀螺自转轴上，陀螺自转轴的运动 并不发生在外加力矩的作用平面内，而是垂直于其作用平面转动，这一重要效应 称为陀螺仪的进动。进动的角速度为： 西：坚( 2 7 ) h 式中：m 为外加力矩： h 为陀螺的动量矩。 “ 进动的方向是动量矩h 的方向沿最短路径倒向外 加力矩m 的方向。 2 4 摆式陀螺仪寻北原理 幽2 5 m 一般的陀螺仪在地球自转的作用下，其主轴的高度角和方位角在不停地变化， 但不能指示地理方位。陀螺经纬仪中的陀螺仪是采用悬挂且重心下移的摆式陀螺 仪，利用地球特性和敏感地球自转角速度的水平分量，使其主轴跟踪地理子午面， 从而测量出真北。 1 ) 如图2 6 ，将陀螺仪用弹性吊带悬挂于o 点，当陀螺主轴x 水平时，重力p 的方向通过重心o ，也通过陀螺仪的支点o ，重力矩为零，对陀螺仪不发生作用， 陀螺不产生进动。 2 ) 但当地球白转了b 角之后，陀螺仪主 轴相对地平面a b 升高了b 角，这时陀螺仪 重力p 的方向不再通过重心o ，因而产生 力臂为i s i n j 的重力矩m p ， 即 m p = p ，s i n 3 重力矩m p 的方向指向纸里，陀螺主轴便开 始向子午面方向迸动，抬高角随着地球自转 逐渐增大，其进动角速度为： 图2 6 摆式陀螺仪受重力作用的情况 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 ：丝：旦s i n 口 ph h 3 ) 当陀螺仪主轴迸动到子午面时；抬高角达最大，进动速度也最大，陀螺仪 主轴继续向西进动。 4 ) 当陀螺仪主轴指向偏西方向时，由于地球自转，抬高角逐渐减小，进动速 度随之减慢。当抬高角b 减小到零时，重力矩也为零，向西的进动也就停止( 此 点称之为逆转点) 。 5 ) 由于地球继续自转，陀螺仪主轴相对地平面a b 降低了b 角，重力矩m p 的方向仍指向纸里，于是陀螺仪主轴开始返回向东朝子午面方向进动。 陀螺仪主轴就围绕子午面做往复摆动，其摆动的中心位置，即通常所称的 陀螺北。陀螺北与真北理论上能做到一致，但实际上由于加工、装配等原因使两 者不能重合。陀螺北与真北之差称为仪器常数，只要事先测得仪器常数，就可知 道真北。 也就是在地球自转有效分量。和重力矩m p 综合作用下，使陀螺主轴总是向 子面方向进动的效应。造成这种效应的力矩称为指向力矩，其大小为 m h = h c o 。= h c o c o s ( o s i n 口 ( 2 氇) 式中： ，为地球自转角速度； h 为陀螺自转的动量矩； 口为测站的地理纬度； 口为陀螺自转轴与、子午线的水平夹角。 指向力矩m 。表示将陀螺主轴进动至子午面的力矩大小。在赤道上f o = 0 0 ， c o s q ，= l ，陀螺进动的指向力矩m h 最大，而在南、北极妒= 9 0 。，c o s q a = 0 ，m = 0 ， 因此，陀螺仪放在两极，无指向力矩，无法定向。一般当妒7 5 0 后，陀螺经纬仪 便失去了定向能力。 2 5 陀螺马达转子旋转时陀螺运动的欧拉方程及其解 2 5 1 陀螺灵敏部相对于惯性空间的角速度 如图2 7 ，设陀螺经纬仪架在纬度为币的某点上，0 是陀螺房与悬带的接点， 过0 作固定在地球上的动坐标系，o x 沿水平方向指向北，o y 沿水平方向指向西， o z 轴垂直向上，则地球自转角速度在该坐标系上的投影为： 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 0 3 e = 0 3 慢- c o s o i i + o j l + f e s i n o k 1 ( 2 9 ) 另设一个动坐标系o x y z 固定在陀螺房上。原的原点仍为o 点，o x 轴与 陀螺轴平行，从0 看过去陀螺马达顺时针旋转：o y 轴向左，o z 轴垂直向上。如图 2 8 所示，设开始瞬间o x y z 与 一 o x y z 重合，首先o x y z 绕o z 轴转 ： y a 角得到o x y z ，再绕o y u ， 轴转b 角得o x ”y ”z ”，最后绕 一一l o x ”轴转y 角得o x y z ，转角均按 逆时针方向为正。设沿着o x 、o y 、 o z 各轴的单位向量为i 、j 、k 。 则动坐标系o x y z 相对o x y z 转动的 角速度为： x d y d r 1 3 d r y 、r 图z8 石= ；( 鲁一警s i n ) + j ( 警c 。s 厂+ 警c 。s 删n ， + 乏( 警c 。s c 。s ，一警s i n y ( 2 - 1 0 ) 由于陀螺房相对地球运动的实际情况是陀螺房重心在陀螺轴之下，重力迫使陀螺 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 轴力图保持在水平位置，所以b 角很小，y 角受悬带约束就更小了；同时塑、 a t d _ 斫f f 也是小量，略去含有筹、鲁与s i n 或s i n 7 2 _ n i 拘n ，且c 。s ，。1 ， d t d t d t 17 1 。? 1 c o s p “1 ，则上式化简为： 瓦= ；警+ 了警十云等 利用( 2 - 1 ) 式，将面m 投影到。x y z 各轴上，因为面。很小，化简，舍掉含有出。与 s i n 、s i n y 之积的项目，则 埘i e = 甜腰+ c o s 妒+ i l 一( o t gc o s ( a s i n ( z - ，+ 腰- s i n 妒k ， ( 2 1 1 ) 台并( 2 一l o ) 与( 2 1 1 ) 式，得到动坐标系相对惯性空间的角速度为： 西= 而m + 而l = ( 警+ 彩m c o s 蛳+ ( 警一。c 。s 删n 吵歹+ 百d r 2 + 。s i 。们f ( 2 - 1 2 ) 2 5 2 动量矩 设陀螺房绕o 。轴的转动惯量为j x ( 不包括陀螺马达转子) ，绕oy 、o z 轴的转 动惯量分别为j y 、j z ( 均包括陀螺马达转子) ： 陀螺马达转子高速旋转沿着陀螺 轴方向的动量矩为h 。，则 厅= i ( g + ，) + 弘y 国，+ 丘，：；( 2 1 3 ) 将( 2 1 2 ) 代入上式中，则 厅= ( h o + j x 百d y + 以c o m c o s q ，) “( 以警一国。c 唧s i n 吵了+ 鲁+ 止。s i n 后 利用( 2 u 5 腻警= 詈协厅并将含饥2 佩_ 与d 出o t 、警、鲁勰 以及鲁塑d t 、d _ 出a a d _ 疵z 、望d t 警的各项都略去，则 譬以鲁坝。d 出2 f l ：+ 即一却讽乌d t + 舭_ 否d z z h 。郾- d + h v c o ，e c o s ( p s i n a ) ( 2 - 1 4 ) 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 2 5 3 外力矩 整个陀螺房系统所受外力矩有重力矩、空气摩擦阻力矩、及悬带系扭力矩等。 1 ) 重力矩 如图，重力户沿o z 轴之反方向，重力臂l 沿0z 之反方向，利用( 2 1 ) 式， 近似认为s i n 卢z 卢、s i n ，“y 、c o s 1 、c o s g “l 得： f f = ( 一m g l y ) i + ( 一m g l f l ) j + ( o ) ( 2 1 5 ) 2 ) 空气摩擦阻力矩 空气摩擦阻力矩与睾成正比，方向沿0 z 轴之反方向，略去辈、塑在。、 a t d td t o y 轴的分量，则 府d 咿+ ( o ”+ ( _ n 争后 3 ) 悬带系扭矩 悬带零位为口，悬带系扭矩为： m 扭= 一d 日( a a ( z ) k 总之，整个陀螺房系统所受外力矩为： 廊= ( 埘h 屯办歹十卜警一d b ( a - a a ) f 式中：m h = m g l 。 2 5 4 欧拉方程及其解 由2 - 1 5 和2 - 1 9 ，得到欧拉方程的分项表达式为： d ， 屯i 州扩o j y 。d n 2 l f l 一+ h g i e s i n f o + h g + m p = o 以d z 矿d 2 0 c 一警+ h 。珊。c 。s p 口+ 一百d o t + d b ( 口一d ) = 。 解微分方稗并化筒舍 ( 2 一1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 。1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 第二章陀螺经纬仪测量真北原理 d k = h g c o s ，d k 一般称为陀螺力矩。 = 甍 则： 口：安aa+bexp|d k + d 日 。 h 。z o 圳, u 2 一 “ c 。s 1 1 m h ( d ，k 。+ d b ) p 2 一 忽略空气阻尼的影响，由( 2 2 0 ) 和( 2 - 2 1 ) 解得： 口一p o = b 其中p o = 由( 2 1 9 ) 周 t 导“n v 鞲h 2 a t + yl( 2 2 5 ) r 2 2 6 ) 因为，( ( m 。，所以l 一般很小，约为0 1 秒左右。y 角 的运动就是一般所说的陀螺房的章动运动。 由( 2 2 2 ) 式可知零位改正为： 口。2 丽d b 口 设无： 生 。d k + d b 则： g o = 如a c t 一般称为零位改正系数。 t + yl ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) i f + ，i ( 2 2 4 ) j 无 扭 力 影 响 指 向 图2 9 妒 n ： m 得 解 6 一 ， h m 式 再二，。水辱 万， 日 ， 也 “ 期 | f 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 3 1 系统组成和工作过程 3 1 1 系统的组成 系统由陀螺仪、经纬仪、三 脚架组成。系统的结构原理如图 3 1 所示。 3 1 11 陀螺仪 陀螺仪是系统的核心。该陀 螺仪主要由陀螺灵敏部、电磁屏 蔽、吊丝和导流丝、方位回转伺 服驱动装置、电磁阻尼装置、惯 性敏感部锁紧装置、支撑和调平 装置和框架、光电测角传感器、 控制及显示操作部分以及电源 等组成。 陀螺灵敏部内有以恒定转 速旋转的陀螺电机，该陀螺电机 由吊丝悬挂于陀螺仪框架并由 导流丝供电。 陀螺灵敏部锁紧装置是为 了在运输状态下保证陀螺灵敏 部安全，将惯性敏感部与框架锁 紧固连。 电磁阻尼装置是为衰减陀 螺灵敏部在释放后的摆动幅度， 使其摆动状态满足寻北要求，最 终可达到克服北向进动力矩使 电子经纬仪 经纬仪过零传感器 吊丝 光栅码盘及方位轴系 方位驱动电机及减速器 光电角度传感器 导电游丝 陀螺灵敏部 电磁阻尼嚣 锁紧机构 锁紧电机 电池组 图3 1结构原理图 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 陀螺灵敏部相对稳定于惯性空间一固定方位。 方位回转伺服驱动系统可实现陀螺仪的方位回转并提供回转力矩和稳定的传 动。 1 支撑和调平装置可实现经纬仪与陀螺仪之间的机械和光学对接、整套仪器的调 平以及各部件组件的安装固连。 光电测角传感器包括检测惯性敏感部摆动角度的光电角度传感器、检测陀螺仪 方位回转角度的光栅码盘系统。 电磁屏蔽系统主要是为了屏蔽内外磁场对陀螺寻北的干扰。 控制及显示操作部分主要是以单片机为核心，通过传感器采集信号和状态，并 对这些信号进行处理，完成对包括陀螺敏感部锁紧释放、阻尼控制、方位随动系 统、通讯、键盘操作等控制并解算、发送和显示真北方位角等测量结果。 3 1 1 2 经纬仪 经纬仪为系统的方位引出装置，也可通过瞄准被测目标测量出目标地理方位角 或坐标方位角。经纬仪带有自准直功能，便于测量和标校作业。经纬仪带有r s 2 3 2 标准串行通讯接口，可实现与陀螺仪和指挥系统的串行数据通讯。 3 1 1 3 三脚架 三脚架提供陀螺经纬仪的支撑。 3 1 2 工作过程 陀螺仪寻北分为粗寻北和精寻北两个步骤。其中粗寻北又分为数字罗盘粗寻 北和陀螺仪粗寻北两种方式。之所以在方案中加入数字罗盘粗寻北，主要是为了 满足陀螺仪大角度范围( 超过距北向4 - 3 0 。范围) 粗寻北的要求。粗寻北完成后， 应使陀螺仪零位方位满足精寻北要求。 陀螺马达启动后，进入寻北测量程序，数字罗盘工作，测出陀螺仪零位与磁北 之间的方位角，并将数据通过数字罗盘的串行端口通讯到单片机控制系统，电机 驱动电路驱动方位电机来带动陀螺仪使其零位位置转到磁北方向。 数字罗盘粗寻北完成后，系统进入陀螺粗寻北阶段，此时陀螺灵敏部锁放机构 工作，释放陀螺灵敏部，使其处于悬吊状态。为克服锁放机构工作造成的对陀螺 灵敏部的干扰力矩带来的影响，此时单片机控制系统根据采样反映陀螺灵敏部摆 动状况的c c d ( 光电耦合器件) 信号，控制电阻尼器使其对陀螺灵敏部施加阻尼力 矩，使陀螺灵敏部摆动的一个逆转点位于光电传感器测量范围之内，然后采样c c d 信号，并解算出相对于仪器零位的粗北方位角度。控制陀螺灵敏部锁放机构将陀 螺灵敏部锁紧，并转动陀螺仪使其零位位于粗北方向。在陀螺仪零位位于真北 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 3 0 。范围内，一次粗寻北精度可控制在1 5 之内。 陀螺粗寻北完成后，系统进入精寻北阶段。陀螺灵敏部锁放机构工作，释放陀 螺灵敏部，使其处于悬吊状态。为克服锁放机构工作造成的对陀螺灵敏部的干扰 力矩带来的影响，此时单片机控制系统根据c c d 信号，控制电阻尼器对陀螺灵敏 部施加阻尼力矩，使陀螺灵敏部摆动幅度控制在8 07 1 0 0 之间。单片机控制系 统采样c c d 信号，采用六点时差法，解算出相对于仪器零位的北向方位角度。此 时陀螺灵敏部锁放机构将陀螺灵敏部锁紧。 精测结束后，陀螺仪将综合北向偏角和仪器常数等因素，将北向角度数据传给 经纬仪，经纬仪将水平度盘的0 。0 0 ”角度位置置为北向。此时经纬仪望远镜瞄 准被测目标，水平度盘角度读数即为目标方位角。 3 2 全自动陀螺经纬仪的的硬件部分 系统的硬件部分是控制的基础，如果这部分设计不合理，将对下面的工作产 生非常重大的影响，甚至导致本课题的失败。这部分采用模块化设计，降低了风 险，加快了速度。 3 2 1 硬件电路的原理框图及其分析 图3 2 为硬件部分的原理框图。它由以下部分组成：单片机系统、电机驱动电 路、阻尼器驱动电路、通讯接口电路、光电传感器电路、键盘、显示电路、电源 电路、陀螺电机控制电路。 i 陀螺皇婴控制1 卜 光电传感器电 一键盘、显示电路 l电路l 路 阻尼器驱动 一 l 单片机系统l 17 - l电子罗盘 电路j 1 |ij i 一经纬仪 电机驱动电路 一电源电路 l 图3 2 硬件电路原理框图 硬件电路以单片机系统为中心，在陀螺电机同步状态下，采集反映陀螺摆动状 态的c c d 信号，单片机计算出陀螺灵敏部摆动的状态和位置，控制电磁阻尼器使 陀螺灵敏部摆动在所要求的范围内，并将陀螺灵敏部摆动的位置通过通讯接口送 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 至键盘、显示控制电路进行显示。同时单片机系统解算出粗北的位置，用步进电 机带动方位回转伺服驱动系统，将陀螺仪转至该位置，之后进行精寻北过程，通 过采集c c d 信号，解算出北向值并传送给经纬仪，此时，经纬仪水平度盘显示的 数值就是经纬仪光轴和真北的夹角。下面分别说明各组成模块电路。 1 1 单片机系统电路 单片机系统电路主要是由p h i l i p s 公司生产的8 0 c 5 5 2 单片机、复位电路、振 荡电路和外围扩展芯片组成。其原理图如图3 3 所示。8 0 c 5 5 2 单片机是以8 0 c 5 l 为核心发展起来的高性能兼容性单片机，速度快、功耗低，可扩展6 4 k 的程序存 储器和数据存储器，具有2 个标准的1 6 位定时器计数器t o 、t l ，特别是它有一 个附加的1 6 位定时器计数器t 2 ，具有捕捉功能，对c c d 信号进行采集、定位非 常方便、可靠。它还具有8 路输入的l o 位a d 转换器、可以实时监测电源电压、 温度和阻尼器工作过程中的电流和驱动电机工作过程中的电流，如有异常及时报 警，以保证系统可靠工作。8 0 c 5 5 2 具有全双工串行通讯i o 口，同数字罗盘、经 纬仪和键盘、显示电路进行数据传递。 为了满足编程和数据存储的需要，扩展了一片3 2 k 的程序存储器和一片3 2 k 的数据存储器。因为要存储和修改参数，所以在系统中必须加入一片掉电可以保 存数据的芯片e e p r o m ，该器件有并行与串行之分，并行e e p r o m 读写的时间 比串行的短，功耗比串行的高，数据的擦除、存储的时间相同。本系统的数据读 写是在系统初始化时或标校时进行的，没有过份的时间要求，而且不过多地占用 i o 接口，所以我们选用串行的带1 2 c 总线接口的2 4 l c 2 5 6 。8 0 c 5 5 2 中的p 1 6 和 p 1 7 扩展了1 2 cb u s 引脚，因为数据的传送方式为1 2 c 格式，所以数据出错、受干 扰的可能性较小。 8 0 c 5 5 2 的定时器t 2 具有捕捉功能，它连接4 个1 6 位捕捉寄存器c t 0 c t 3 相连，当输入因脚c t o i c t 0 3 i ( 即p 1 o p 1 3 ) 中的一个发生跳变时，相应的一 个捕捉寄存器立刻捕捉定时器t 2 的内容，并置相应的中断标志位c t l 0 c t l 3 。 置位t m 2 c o n 寄存器中的t 2 e r 位，允许外部复位定时器t 2 ，则r t 2 ( p 1 5 ) 的 上升沿复位t 2 ，t m 2 c o n 寄存器的t 2 m s 0 和t 2 m s l 置成1 1 ，则选择t 2 引脚( p 1 4 ) 计数脉冲为时钟源。因此将c c d 信号接到p 1 3 引脚，将光电传感器电路的记数脉 冲信号和光积分信号s h 分别接到p 1 4 和p 1 5 引脚，t 2 通过预分频器对p i 4 的 脉冲计数，当c c d 信号的上升沿来到，产生中断，t 2 寄存器的读数乘以一当量 即为光信号在c c d 上的位置，s h 信号的上升沿将t 2 清零。因此单片机以s h 信号的周期为采样周期对c c d 信号进行采样，快速、可靠，中断服务程序很短。 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 图3 3 单片机系统原理图 l m l 3 6 和电阻等组成电路提供+ 5 v 参考电压，输入电压分压后连到8 0 c 5 5 2 的模拟输入端口p 5 2 ，进行a d 转换，检测输入电压。 a d 5 9 0 温度传感器和7 4 1 运放等组成温度检测电路，其输出连到8 0 c 5 5 2 的模 拟输入端口p 5 3 ，检测温度。 单片机同码盘、数字罗盘和键盘、显示电路的通讯采用r s 2 3 2 半双工异步 串行通讯，波特率为9 6 0 0 ，c d 4 0 5 2 两路四选一模拟开关选择通讯对象， m a x 2 3 2 e 芯片将+ 5 v 变换成产生r s 一2 3 2 输出电平所需的1 0 v 电压。 单片机系统还对阻尼器驱动电路、电机驱动电路、和陀螺电机的启、停进行 控制。 2 ) 阻尼器驱动电路 阻尼器工作原理框图如图3 4 所示，8 0 c 5 5 2 单片机具有2 路8 位分辨率的脉 冲宽度调制输出通道p w m 0 、p w m l ，它们分别产生频率相同而宽度( 占空比) 分别可调的脉冲，经隔离功率放大后驱动阻尼器，可以有效地控制阻尼器的激磁 电压以达到控制陀螺摆动的目的。 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 图3 4 阻尼器上作原理框图 功率放大器组成如图35 所示，它采用复合管电压跟随器，由两个n p n 型b j t 组成，其等效电流放人系数是两管放大系数的乘积，既 8 * d 、o l 其等效输入电阻为： r b 。= r b 。i 十1 。2 阻尼控制是以c c d 信号为检测 信息，s h 信号每1 0 m s 使8 0 c 5 5 2 的定时器t 2 产生一次中断，同时读 墩寄存器的数据可确定灵敏部的 位置，并且单位时间内的位置变化 就是陀螺摆动的速度。阻尼控制以 速度和和位置为判据，根据某位置 图3 5 阻尼器功率放大电路 的速度可估算出所需激磁电压的大小并输出脉宽调制信号，经过功率放大，最终 使灵敏部在一定范围内摆动。 3 ) 电机驱动电路 方位回转系统的转动是由两相步进电机带动，p 4 2 、p 4 - 3i o 口控制a 相绕组， p 44 、p 4 5i o 口控制b 相绕组，采用8 拍控制，每步为o 8 度，控制信号经过功 率放大驱动步进电机。同时为了消除由空回和失步造成的误差，系统安装了光栅 码盘系统，该系统将陀螺仪实际转过的角度通过串行通讯口传递给单片机，如步 进电机转动有误差，单片机会控制步进电机继续转动直到转到所要求的位置。方 位回转系统的工作框图如图3 6 所示。 图3 7 为步进电机和锁放电机的功率放大电路，以a 项绕组为例，s i n a 0 接 p 4 2 ，s i n a l 接p 4 3 ，当p 4 2 为“l ”，p 4 - 3 为0 时，三极管q 7 0 2 、q 7 0 4 、 q 7 0 6 导通，s o u t a 0 为高位，s o u t a l 为低电位，则a + 导通，当p 4 2 为“0 ”，p 4 3 为“1 ”时，三极管q 7 0 l 、q 7 0 3 、q 7 0 5 导通，s o u t a 0 为低位，s o u t a l 为高电位， 则a 。导通，按照控制时序为a + 一a + b + 一b 干一b + a 一a 一a b 一一b 一一b a + ，步进 电机证转，反之，则反转。 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 图3 6 方位回转系统工作框图 图3 7 步进电机、锁放电机功率放大电路 图3 8 锁放电机工作框图 陀螺灵敏部的锁放是由一直流电机驱动，其工作原理框图如图3 8 所示。直流 电机是山2 路i o 口p 4 0 和p 4 1 控制其转向和转速并由功率放大电路进行驱动。 定州器t 2 具有与t 2 时间或数值比较功能，它和3 个1 6 位比较寄存器c m 0 、c m l 、 c m 2 相连，可在预定的时间间隔( 设罨在c m 0 、c m l 、c m 2 ) 内置位、复位或触 发p 4 口的相应的输出引脚。因此能够控制p 4 0 和p 4 1 输出宽度可调的高、低电 平，以达到改变输出电压，控制直流电机的转速。同时还对驱动电流进行采样并 送至a d 转换输入口p 5l ，经a d 变换后，单片机可判断陀螺灵敏部是否锁紧或 放下。锁放电机的功率放大电路同步进电机相似。 第三章全自动陀螺经纬仪的设计实现 4 ) 陀螺电机控制电路 陀螺电机控制电路由启动、驱动、反电势过零检测、时钟发生器、施矩时序和 锁相环等组成。 初始阶段电机一般处于静止状态，不会产生过零反电势信号，于是不能按正常 的方式进i i - 闭王；1 _ ：施矩控制。对于两相制电机来说还要考虑克服启动死点的问题。 启动电路就是给绕组旋加力矩，让电机摆动起来，产生过零反电势信号，经过一 段t l , l 问延迟靠继电器切换到闭环施矩控制。 反电势过零检测电路是将两相相差9 0 。的反电势信号变成脉冲信号( 如图3 9 ， 以一相绕组为例) ，作为施矩时序电路的原始输入信号。 5 a 。 压 u 辫 y - - j 。一 一 、 j 7 i 、一 过零检测 一 7 厂 图3 1 0 施矩时序图 施矩时序和锁相环电路产生电机从加速到同步的施矩时序，在电机未同步时， 需要施加大力矩，使电机加速运转，尽快达到同步转速，当电机达到时钟发生器 发定的转速后，电机同步，施加力矩只需克服摩擦阻力矩，电机进入相位锁定阶 段，相位信息实际上是角速度信息的积分量，即角位置信息。因此当相位误差吲 定时，理论上电机的频率误差为零，此时电机达到了真正的相位和频率双同步状 态。施矩叫序为a + 一b + 一a 一b ，施矩脉冲如图3 1 0 所示，n l 和n 3 控制a 相 b