張 娜，趙軍虎，余貞宇

一種基于三框架四軸慣性平臺的飛轉(zhuǎn)判斷算法

張 娜，趙軍虎，余貞宇

（北京航天控制儀器研究所，北京，100039）

針對三框架四軸平臺系統(tǒng)的飛轉(zhuǎn)判斷算法進(jìn)行了研究，詳細(xì)分析了平臺系統(tǒng)產(chǎn)生飛轉(zhuǎn)的基本原理，并根據(jù)三框架四軸平臺特點(diǎn)設(shè)計了基于軟件實(shí)現(xiàn)的飛轉(zhuǎn)判斷算法。當(dāng)慣性平臺系統(tǒng)出現(xiàn)框架超速時，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)飛轉(zhuǎn)的快速判斷，同時還能有效降低飛轉(zhuǎn)判斷的虛警率，有效預(yù)防由于平臺飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，對于提高平臺的可靠性有重要意義。

慣性平臺系統(tǒng)；三框架四軸；飛轉(zhuǎn)判斷

0 引 言

慣性平臺是導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭等飛行器中制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的核心部件，主要是為相關(guān)飛行器建立慣性空間的方位和姿態(tài)角基準(zhǔn)，包括陀螺儀、加速度計和伺服回路。陀螺儀測量飛行器相對慣性空間的角度、角速度，加速度計測量飛行器相對慣性空間的速度和加速度。陀螺儀、加速度計能否正常工作直接關(guān)系著飛行器的可靠性。

慣性平臺失穩(wěn)倒臺是慣性平臺測試和正常工作中應(yīng)重點(diǎn)防范的故障。當(dāng)外部環(huán)境過載或穩(wěn)定回路的某一環(huán)節(jié)發(fā)生故障時，可能導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定發(fā)散或開環(huán)，引起環(huán)架伺服電機(jī)單向驅(qū)動，造成平臺環(huán)架從原來的穩(wěn)定位置向某一邊快速轉(zhuǎn)動倒下，由于慣性平臺上環(huán)架和陀螺具有交耦性，在高速率的情況下，會引發(fā)其它各環(huán)架伺服回路的同時倒環(huán)，這就是所謂的慣性平臺失穩(wěn)倒臺。如果不及時切斷電源，會對慣性平臺上的慣性器件造成致命性損傷[5]。

為防止慣性平臺倒臺造成的巨大損失，利用平臺彈（箭）上軟件系統(tǒng)進(jìn)行防飛算法實(shí)現(xiàn)，使慣性平臺系統(tǒng)對飛轉(zhuǎn)的判斷更加全面、有效地預(yù)防了由于平臺飛轉(zhuǎn)造成的巨大損失，同時降低了平臺飛轉(zhuǎn)判斷的虛警率，具有較高的可靠性。

1 三框架四軸慣性平臺

三框架四軸平臺是在原來的三軸平臺的基礎(chǔ)上，通過在最外面增加一個隨動框架構(gòu)成的。原來的三軸平臺的外框架軸通過軸承安裝在隨動框架軸上，而隨動框架軸通過軸承安裝在彈（箭）上。這樣，平臺共有4個自由度，因一般相對于慣性空間的的穩(wěn)定平臺只需要3個自由度，因此就有一個多余的自由度，可以用來避免“框架鎖定”現(xiàn)象。這種四軸平臺在彈（箭）作大姿態(tài)角飛行時，里面的3個框架軸能始終保持相互垂直狀態(tài)，因此稱為全姿態(tài)穩(wěn)定平臺[1]，圖1示出了這種平臺的結(jié)構(gòu)原理，其中ppp為平臺坐標(biāo)系，F(xiàn)FFYF為平臺本體框架軸系。

圖1 平臺系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意

2 三框架四軸平臺伺服回路

慣性平臺是提供空間慣性坐標(biāo)系的基準(zhǔn), 是通過平臺穩(wěn)定回路實(shí)現(xiàn)的。穩(wěn)定回路原理如圖2所示。以平臺軸為例，軸受干擾力矩時，臺體偏離軸慣性基準(zhǔn)。此時陀螺敏感臺體偏離角度，輸出電信號，經(jīng)前置放大器（簡稱“前放”）、變換放大器等電子線路，傳遞為直流信號輸入到軸平臺力矩電機(jī)。力矩電機(jī)產(chǎn)生電磁力矩，抵消干擾力矩, 使臺體穩(wěn)定在慣性空間。

圖2 平臺穩(wěn)定回路原理[1]

為了實(shí)現(xiàn)彈體全姿態(tài)飛行以及避免在特定角度時平臺丟失自由度，三框架四軸平臺增加了隨動環(huán)，因此相對于三軸平臺增加了隨動環(huán)的控制功能。全姿態(tài)隨動環(huán)控制方案，包括隨動模式、當(dāng)前位置鎖定模式，隨動環(huán)90°翻滾模式。隨動模式時，隨動框架跟隨內(nèi)框架運(yùn)動，內(nèi)框架與外框架固連，此時平臺等效為由隨動軸-外環(huán)軸-臺體軸組成的三軸平臺；當(dāng)前位置鎖定模式時隨動框架被鎖定而與基座固連，此時平臺等效為由外環(huán)軸-內(nèi)轉(zhuǎn)軸-臺體軸組成的三軸平臺。在當(dāng)前位置鎖定模式下，由內(nèi)環(huán)敏感載體在該方向上的運(yùn)動；當(dāng)內(nèi)環(huán)角度超出預(yù)先設(shè)定的門限值后，隨動環(huán)控制器進(jìn)入90°翻轉(zhuǎn)模式，通過將隨動環(huán)翻轉(zhuǎn)90°的方式將平臺內(nèi)環(huán)和外環(huán)敏感載體運(yùn)動的方向進(jìn)行調(diào)換，能夠使外環(huán)離開90°，同時能使內(nèi)環(huán)回到零位附近，此時，隨動環(huán)控制器可重新切換到隨動工作模式。

3 平臺飛轉(zhuǎn)原理

通過故障模式分析，可知引起平臺穩(wěn)定軸飛轉(zhuǎn)的故障主要有：穩(wěn)定/隨動回路故障，動壓馬達(dá)未正常啟動，陀螺儀輸出異常，前放/解調(diào)電路故障，異常干擾力矩等。每種故障模式對應(yīng)的平臺穩(wěn)定軸飛轉(zhuǎn)情況有一定差異，其中導(dǎo)致飛轉(zhuǎn)角加速度最大的情況為穩(wěn)定或隨動回路功率級輸出飽和，使得彈（箭）上28 V直接加到力矩電機(jī)上，力矩電機(jī)帶動平臺軸加速轉(zhuǎn)動。

對于平臺框架：

陀螺力矩相對力矩電機(jī)力矩可忽略，主要考慮摩擦力矩和力矩電機(jī)力矩引起的平臺框架快速轉(zhuǎn)動，并依據(jù)其進(jìn)行防飛轉(zhuǎn)算法的設(shè)計。

4 防飛轉(zhuǎn)算法設(shè)計

對于隨動回路工作在隨動模式、當(dāng)前位置鎖定模式的四軸平臺，采用傳統(tǒng)的防飛轉(zhuǎn)原理進(jìn)行設(shè)計，即對姿態(tài)角進(jìn)行實(shí)時檢測，判斷短時間內(nèi)姿態(tài)角的變化率，即角速度是否超過設(shè)定的閾值。若超出，則輸出保護(hù)信號。該方法的關(guān)鍵設(shè)計指標(biāo)即為輸出姿態(tài)角超速信號到判斷平臺飛轉(zhuǎn)的時間特性。依據(jù)第3節(jié)內(nèi)容，可知框架最大角加速度為

防飛設(shè)計相關(guān)參數(shù)包括：

a）耐回轉(zhuǎn)角速度：陀螺儀動壓馬達(dá)耐回轉(zhuǎn)角速度達(dá)360（°）/s；

b）轉(zhuǎn)動慣量：臺體軸轉(zhuǎn)動慣量為0.024 kg/m2，內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動慣量為0.091 kg/m2，外環(huán)軸轉(zhuǎn)動慣量為 0.183 kg/m2，隨動軸轉(zhuǎn)動慣量為0.218 kg/m2；

c）最大干擾力矩：臺體軸、內(nèi)環(huán)軸最大干擾力矩不大于100 （mN·m），外環(huán)軸、隨動軸大干擾力矩不大于150 （mN·m）；

依據(jù)上述參數(shù)，并考慮軟件計算周期，計算各種延時條件下各軸的最大飛轉(zhuǎn)角速度如表1所示。

表1 四軸最大飛轉(zhuǎn)角速度

Tab.1 The Maximum Angular Velocity of Four-axis

軸名稱角加速度rad/s220ms角速度(°)/s160ms角速度(°)/s200ms角速度(°)/s 臺體軸31.21 35.76 286.0874357.61 內(nèi)環(huán)軸8.23 9.43 75.4516394.31 外環(huán)軸6.92 7.93 63.41179.26 隨動軸5.81 6.65 53.2303366.54

從表1看出，由于臺體軸轉(zhuǎn)動慣量較小，因此在200 ms延時條件下，角速度接近陀螺的耐回轉(zhuǎn)角速度，為保證飛轉(zhuǎn)判斷有不小于20%余量，從輸出臺體軸姿態(tài)角超速信號到判斷平臺飛轉(zhuǎn)時間最大不能超過160 ms，其它各軸的時間特性設(shè)定為200 ms即能滿足要求。

飛轉(zhuǎn)判據(jù)中若僅考慮框架角變化率容易導(dǎo)致飛轉(zhuǎn)虛警，因此將力矩電機(jī)電流融合到飛轉(zhuǎn)判據(jù)里進(jìn)行綜合判斷，僅當(dāng)框架角變化率達(dá)到門限值，同時力矩電機(jī)電流也同樣達(dá)到最大力矩電流的80%時，判斷為飛轉(zhuǎn)，因此飛轉(zhuǎn)判據(jù)可描述為：當(dāng)隨動回路工作在隨動模式、當(dāng)前位置鎖定模式時，實(shí)時對平臺臺體軸、內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸、隨動軸角速率超速信號進(jìn)行判斷，當(dāng)有任意一個軸的角速率監(jiān)測信號出現(xiàn)超速標(biāo)識，且對應(yīng)的力矩電機(jī)電流大于等于80%或小于等于-80%，臺體軸連續(xù)160 ms，且內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動軸連續(xù) 200 ms滿足該條件時，則判斷平臺飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號。

a）當(dāng)臺體軸角速率監(jiān)測信號出現(xiàn)超速標(biāo)識，且外環(huán)在Ⅰ、Ⅱ象限，臺體飛轉(zhuǎn)方向與隨動軸相反但隨動軸框架角超出目標(biāo)角度45°或臺體飛轉(zhuǎn)方向與隨動軸相同時，若連續(xù)60 ms滿足該條件，則判斷平臺飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號；

b）當(dāng)臺體軸角速率監(jiān)測信號出現(xiàn)超速標(biāo)識，且外環(huán)在Ⅲ、Ⅳ象限，臺體飛轉(zhuǎn)方向與隨動軸相同但隨動軸框架角超出目標(biāo)角度45°或臺體飛轉(zhuǎn)方向與隨動軸相反時，若連續(xù)60 ms滿足該條件，則判斷平臺飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號；

c）當(dāng)臺體軸角速率監(jiān)測信號出現(xiàn)超速標(biāo)識，且力矩電機(jī)電流大于等于80%或小于等于-80%，若連續(xù)160 ms滿足該條件，則判斷平臺飛轉(zhuǎn)，發(fā)送飛轉(zhuǎn)信號。

5 軟件設(shè)計實(shí)現(xiàn)

根據(jù)第4節(jié)設(shè)計的防飛轉(zhuǎn)算法進(jìn)行軟件程序的實(shí)現(xiàn)，軟件判斷周期為1 ms，其中臺體軸飛轉(zhuǎn)160 ms連續(xù)判斷算法如圖3所示。

圖3 隨動及隨鎖模式下臺體軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

隨動環(huán)90°翻滾模式時臺體軸飛轉(zhuǎn)判斷算法如圖4所示。內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動軸飛轉(zhuǎn)判斷算法相同，如圖5所示。飛轉(zhuǎn)判斷算法的總流程如圖6所示。

圖4 隨動環(huán)90°翻滾模式下臺體軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

圖5 內(nèi)環(huán)軸、外環(huán)軸和隨動軸飛轉(zhuǎn)判斷流程

圖6 飛轉(zhuǎn)判斷算法流程

6 實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

將以上設(shè)計的飛轉(zhuǎn)判斷方法在某型號慣性平臺系統(tǒng)伺服回路控制軟件上進(jìn)行設(shè)計實(shí)現(xiàn)。由RDC板通過485總線發(fā)送姿態(tài)角信息和各軸的超速信號，由伺服回路控制軟件通過回路控制率計算出力矩電機(jī)電流以驅(qū)動力矩電機(jī)，并根據(jù)防飛轉(zhuǎn)算法進(jìn)行飛轉(zhuǎn)判斷，將飛轉(zhuǎn)標(biāo)識傳遞至控制系統(tǒng)，以及時切斷回路及電源，伺服回路控制軟件外部接口如圖7所示。

圖7 伺服回路控制軟件外部接口圖

圖8為平臺飛轉(zhuǎn)過程中內(nèi)環(huán)框架角和隨動環(huán)框架角的變化情況，內(nèi)環(huán)和隨動環(huán)分別在2 ms內(nèi)轉(zhuǎn)動了11.24°和11.3°，此時輸出的超速標(biāo)識及飛轉(zhuǎn)標(biāo)識結(jié)果如表2所示。

圖8 飛轉(zhuǎn)過程中框架角變化

表2 超速飛轉(zhuǎn)標(biāo)識

Tab.2 The Output Flag in Runaway Situation

時間/ms隨動環(huán)控制模式內(nèi)環(huán)軸超速標(biāo)識隨動軸超速標(biāo)識飛轉(zhuǎn)標(biāo)識 0隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 20隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 40隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 60隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 80隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 100隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 120隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 140隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 160隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 180隨動負(fù)向超速正向超速不飛轉(zhuǎn) 200隨動負(fù)向超速正向超速飛轉(zhuǎn)

在上述過程中，平臺外環(huán)軸和臺體軸均未超速，從表2可以看出，算法能夠準(zhǔn)確地判斷出平臺飛轉(zhuǎn)狀態(tài)，滿足設(shè)計要求。

7 結(jié) 論

三框架四軸平臺系統(tǒng)飛轉(zhuǎn)判斷算法在前期飛轉(zhuǎn)判斷基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面的整合與優(yōu)化，結(jié)合穩(wěn)定和隨動回路數(shù)字控制原理實(shí)現(xiàn)了對三框架四軸平臺系統(tǒng)飛轉(zhuǎn)彈上自主判斷方案。該方法經(jīng)過實(shí)際平臺系統(tǒng)驗(yàn)證，能夠有效地對飛轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行判斷并降低虛警率，且算法結(jié)構(gòu)靈活，適應(yīng)于復(fù)雜控制流程的要求。

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A Runaway Judgment Method for Three-frame and Four-axis Inertial Platform

Zhang Na, Zhao Jun-hu, Yu Zhen-yu

(Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing, 100039)

The runaway judgment method for three-frame and four-axis inertial platform is studied, the basic principle of platform runaway situation is analysed, and according to the four-axis platform characteristics the runaway judgment method is designed using software to implement this function. When the frame of inertial platform exceed the speed threshold, it can make quick runaway judgment using this method, at the same time can reduce the incidence of error. This method can make effective prevention of huge losses because of the inertial platform runaway. It is meaningful for improving the inertial platform’s reliability.

inertial platform system; three-frame and four-axis; runaway judgment

V448

A

1004-7182(2020)01-0067-05

10.7654/j.issn.1004-7182.20200112

2018-03-22；

2018-05-28

張 娜（1981-），女，研究員，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制及嵌入式軟件設(shè)計。

趙軍虎（1985-），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制及硬件電路設(shè)計。

余貞宇（1972-），女，研究員，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航、制導(dǎo)與控制。