陀螺寻北仪的软硬件改进技术研究

中国人民解放军第一〇〇一工厂 张 翠 王 川 宋建鹏

人们都会习惯性的选择摆式陀螺，摆式陀螺以其工程上的优势深受人们的喜爱，所以要针对摆式陀螺的软硬件设备进行研究剖析，并应用到陀螺寻北仪中。目前市场上的寻北仪大部分都是蓄电式，无法长期工作，采用的力矩器的矩能力也不够，补偿装置上也有很多不足。本文针对陀螺寻北仪的这些不足之处，对它的软硬件提出了改进技术研究，具体改进技术研究如下。

1 陀螺寻北仪的硬件改进

1.1 马达供电装置的设计

传统的摆式陀螺寻北仪需要定期更换电池，并且内部含有多个导流丝，如果具备马达供电装置就可以大量减少陀螺内部的导流丝并实现快速充电快速使用。针对这个问题，设计了一个马达供电装置，在对这个硬件部分进行改进时要保证陀螺寻北仪的电力充足直到精确定位天文北，整个装置中所采用的各个机械零件的设计和加工要符合相应的加工精度标准和加工工艺要求，保障它们的位置和运动的精准性。整个设计中，采用性能优越的超级电容和一对式触动方案。超级电容可以实现瞬间充满电，充分保存电力，一对式触动可以实现陀螺寻北仪的快速启动并在启动瞬间完成充电，无需单独安排每次数小时的充电时间。这样一来就可以保证在任何需要使用寻北仪的时刻都能够使用它。

（1）力矩器设计

力矩器的主要作用就是将陀螺房方位转速信号变换为速度阻尼力矩。为提高寻北仪的寻北时间，增大它的矩能力，在力矩器中安装一个精密磁芯轴连装置，其中精密磁芯轴装置都采用分秒级的细密珠轴作为连接，磁芯轴系精度主要需要机械加工和装备进行维持。内轴和外轴之间的间隙要小于0.05mm，平面和直线蹦跳距要小于0.0006mm，同时要确保内、外轴之间的转动平滑流畅，有条不紊。整个磁芯轴系机组中的主要零件的尺寸都要进行配磨，从而保证整个机组的精准性。在对内、外轴进行精加工前，要把内外轴的表面进行物化学氧化处理，各个小的零部件也要进行对应的校时处理，达到提高整个机组稳定性的目的。力矩器采用步伐距角度为0.453的用电机，也可作348精密步伐的用电机，采用三悬五挂的工作方法，一个单件机控制并带动陀螺和快速运动计件机组相对于基地座按照规律转动，在实现增大力矩器刻度的同时也让陀螺可以实现双位置寻北，还可以增大力矩器的矩能力，从而达到提高寻北时间的目的。

（2）自动数字偏置补偿设计

自动数字偏置补偿机组主要由微模仿处理器、步伐启电机及其电力驱动电路、光驱编码器及其破译密码电路构成。采用最高分辨率60的显示器。采用绝对式驱光电编码器作为步伐启电机位置监测的反馈机构，形成一个闭合的位置反馈控制系统。用9位单片机来实现对整个控制器的实时数字转换，实时检测，一旦发现步伐启电机的位置有偏差，就会及时进行调整并补充。分部式光电打码器，可以将码盘、轴承和底座进行一体化联接设计。让码盘直接连接内部内轴承并进行固连，一起随着内轴进行旋转，用两个dty连同照明系统进行照明采光、并固定住支架让它和底座紧紧相连，成为一体化部件。采用特殊装配技术，进行装调，让整个码盘的回转中心与轴承中心的的同轴旋转度差别不超过0.0056mm，两个dty的中心轴线和码盘的回转中心左右对称误差不超过0.0018mm。为了减小对dty进行调装时它的轴心和轴系发生一定程度的摇晃对后期测量边角距的影响，还采用了对轴读数互相运算的方法。整个硬件设备采用核转步法闭合监测控制技术来保证转台的精确转位，也就是利用光驱编电码器的输出光电信号，然后再利用电机微公式计算出步伐电机的累积微模拟步数，当光驱步伐电机的微模拟步数等于原始的模拟步数时，光驱步伐电机就停止工作，可以保证摆动位置的精准性。

1.2 抗干扰控制电路设计

双轴石英快速摆动计时器的两端输出的电流信号都十分微弱，为了能检测到快速旋转计时器所发出的微弱电流信号，发现对它所产生的干扰信号，首先要对电流信号进行ALL IN转换。经过转换后的微弱电压信号可以得到数万倍放大，并且可以直接入精密电路滤波器中对电信号进行变化检测，再经过幅度和调整连锁步骤接入A／V转换芯片的释放端，值得注意的是要选用美国AV公司的32位字符串A／V转换芯片AV6425来完成整个A／V转换。选取AV6425的具体参数为：释放数据更新频率：45Hz；系统增收：26；主时钟：有LT--6752.7831MHz。AV6425转换芯片的工作方式是双极性输入、不加缓冲。为了让整个电路更加简洁，基础电压和参照电压都采用+3.6V的同一个精准控制电压源。在整个模拟电路中，输入通道的标准正端可输入电压范围为+1.57～+4.85 V。AV6425和D HU构成的闭合转换电路按照标准电路模板进行连接。为了满足陀螺寻北仪的性能要求，降低制造成本以及减小GYU板尺寸等几个问题，现对两个电路通道进行信号模拟，采用同一时刻采样、同一转换方法进行分别转换的方式，利用DSQ的数字I／G和AV6425之间实现双线口字符串通讯。DSQ的ITFY6和GYTU9引线脚分别作为沟通调整时钟和命令端经过J4HUSG6电平端口转换后接入到AV6425的HWUI和DNY引线脚。整个模拟电路输入通道的最小电压和标准电输入的正端接入+3.6V精密电压。AV6425的HWUI和DNY引线脚经过公用电阻分压后分别与DSQ的ITFY6和GYTU9引线脚相连。通过查询GYTU9和ITFY6的状态数据，进一步读取AV6425芯片中存在的电路干扰源，然后对干扰信号进行屏蔽。

2 陀螺寻北仪的软件改进

2.1 陀螺漂移算法

经过寻北原理和算法的实际推理和演算可知，正常的陀螺漂移并不影响陀螺寻北仪的寻北精度。如果陀螺漂移发生改变的话，会对估计的结果产生影响，通过简单的陀螺漂移算法可以简单的说明：当整个仪器没有发生姿势角改变并且不存在纬度误差时，采用陀螺漂移算法可以提高陀螺寻北的精准性。

陀螺漂移算法：

若这时的陀螺漂移为正常值，则式(2)右边第二项为零，不影响寻北精度；否则，带来的寻北误差为：

从式(3)可以看出，陀螺漂移经过旋转调整制的余下量将会对它的寻北精度造成影响，这个余下量与陀螺在漂移过程中的稳定性有着密切的关联。陀螺漂移地越稳定，经过调整制后余下的漂移就越小，寻北精度也就越高。一般情况下，经过旋转调整制以后，整个陀螺的等效精度能提高9～35倍；对于漂移稳定性为0.1°／min的陀螺，经过调整制后相同的陀螺漂移稳定性可以达到0.01°／min，同时它的寻北精度可能达到3’～9’。由此可见，加入陀螺漂移算法可以快速提高寻北仪的寻北精度。

2.2 摆动零位修正算法

摆动零位产生的零位误差会对陀螺寻北仪的寻北精度造成影响，所以要利用摆动零位修正算法来消除其带来的影响。当陀螺在摆动过程中产生零位误差后，再把相对的地球自转角速度分解到陀螺轴的分量中来进行计算，不能够得到准确的计算结果，从而也就会造成寻北误差，寻北误差的级别和零位误差呈正相关关系，下面研究摆动零位修正算法来消除零位误差。

摆动零位修正算法如下：

式(4)可见，在陀螺正常摆动是其体坐标系的等效零位为：

从式(5)中可以看出，摆动零位修正算法可以消除零位误差。为常值时，则经过调整制后均值为零，消除零位误差；否则就有调整制余下量；对于零偏稳定性为0.0005 mm/cz的摆动零位，经调整制后，零位的误差也不见了，这样一来就不会影响寻北精度了。

结语：随着计算机技术和导航技术发展，陀螺寻北装置的应用前景也越来越好，市场上已经有了许多具备完整理论甚至已经成型的产品，但经过研究发现，其仍有一些不足之处。本文针对陀螺寻北仪的软硬件技术进行改进，提出了一些新的观点和提高寻北精度的方法，希望可以对未来的陀螺寻北装置的发展提供帮助。