中國人民解放軍第一〇〇一工廠 張 翠 王 川 宋建鵬

人們都會習慣性的選擇擺式陀螺，擺式陀螺以其工程上的優(yōu)勢深受人們的喜愛，所以要針對擺式陀螺的軟硬件設備進行研究剖析，并應用到陀螺尋北儀中。目前市場上的尋北儀大部分都是蓄電式，無法長期工作，采用的力矩器的矩能力也不夠，補償裝置上也有很多不足。本文針對陀螺尋北儀的這些不足之處，對它的軟硬件提出了改進技術研究，具體改進技術研究如下。

1 陀螺尋北儀的硬件改進

1.1 馬達供電裝置的設計

傳統(tǒng)的擺式陀螺尋北儀需要定期更換電池，并且內部含有多個導流絲，如果具備馬達供電裝置就可以大量減少陀螺內部的導流絲并實現(xiàn)快速充電快速使用。針對這個問題，設計了一個馬達供電裝置，在對這個硬件部分進行改進時要保證陀螺尋北儀的電力充足直到精確定位天文北，整個裝置中所采用的各個機械零件的設計和加工要符合相應的加工精度標準和加工工藝要求，保障它們的位置和運動的精準性。整個設計中，采用性能優(yōu)越的超級電容和一對式觸動方案。超級電容可以實現(xiàn)瞬間充滿電，充分保存電力，一對式觸動可以實現(xiàn)陀螺尋北儀的快速啟動并在啟動瞬間完成充電，無需單獨安排每次數(shù)小時的充電時間。這樣一來就可以保證在任何需要使用尋北儀的時刻都能夠使用它。

（1）力矩器設計

力矩器的主要作用就是將陀螺房方位轉速信號變換為速度阻尼力矩。為提高尋北儀的尋北時間，增大它的矩能力，在力矩器中安裝一個精密磁芯軸連裝置，其中精密磁芯軸裝置都采用分秒級的細密珠軸作為連接，磁芯軸系精度主要需要機械加工和裝備進行維持。內軸和外軸之間的間隙要小于0.05mm，平面和直線蹦跳距要小于0.0006mm，同時要確保內、外軸之間的轉動平滑流暢，有條不紊。整個磁芯軸系機組中的主要零件的尺寸都要進行配磨，從而保證整個機組的精準性。在對內、外軸進行精加工前，要把內外軸的表面進行物化學氧化處理，各個小的零部件也要進行對應的校時處理，達到提高整個機組穩(wěn)定性的目的。力矩器采用步伐距角度為0.453的用電機，也可作348精密步伐的用電機，采用三懸五掛的工作方法，一個單件機控制并帶動陀螺和快速運動計件機組相對于基地座按照規(guī)律轉動，在實現(xiàn)增大力矩器刻度的同時也讓陀螺可以實現(xiàn)雙位置尋北，還可以增大力矩器的矩能力，從而達到提高尋北時間的目的。

（2）自動數(shù)字偏置補償設計

自動數(shù)字偏置補償機組主要由微模仿處理器、步伐啟電機及其電力驅動電路、光驅編碼器及其破譯密碼電路構成。采用最高分辨率60的顯示器。采用絕對式驅光電編碼器作為步伐啟電機位置監(jiān)測的反饋機構，形成一個閉合的位置反饋控制系統(tǒng)。用9位單片機來實現(xiàn)對整個控制器的實時數(shù)字轉換，實時檢測，一旦發(fā)現(xiàn)步伐啟電機的位置有偏差，就會及時進行調整并補充。分部式光電打碼器，可以將碼盤、軸承和底座進行一體化聯(lián)接設計。讓碼盤直接連接內部內軸承并進行固連，一起隨著內軸進行旋轉，用兩個dty連同照明系統(tǒng)進行照明采光、并固定住支架讓它和底座緊緊相連，成為一體化部件。采用特殊裝配技術，進行裝調，讓整個碼盤的回轉中心與軸承中心的的同軸旋轉度差別不超過0.0056mm，兩個dty的中心軸線和碼盤的回轉中心左右對稱誤差不超過0.0018mm。為了減小對dty進行調裝時它的軸心和軸系發(fā)生一定程度的搖晃對后期測量邊角距的影響，還采用了對軸讀數(shù)互相運算的方法。整個硬件設備采用核轉步法閉合監(jiān)測控制技術來保證轉臺的精確轉位，也就是利用光驅編電碼器的輸出光電信號，然后再利用電機微公式計算出步伐電機的累積微模擬步數(shù)，當光驅步伐電機的微模擬步數(shù)等于原始的模擬步數(shù)時，光驅步伐電機就停止工作，可以保證擺動位置的精準性。

1.2 抗干擾控制電路設計

雙軸石英快速擺動計時器的兩端輸出的電流信號都十分微弱，為了能檢測到快速旋轉計時器所發(fā)出的微弱電流信號，發(fā)現(xiàn)對它所產生的干擾信號，首先要對電流信號進行ALL IN轉換。經過轉換后的微弱電壓信號可以得到數(shù)萬倍放大，并且可以直接入精密電路濾波器中對電信號進行變化檢測，再經過幅度和調整連鎖步驟接入A／V轉換芯片的釋放端，值得注意的是要選用美國AV公司的32位字符串A／V轉換芯片AV6425來完成整個A／V轉換。選取AV6425的具體參數(shù)為：釋放數(shù)據(jù)更新頻率：45Hz；系統(tǒng)增收：26；主時鐘：有LT--6752.7831MHz。AV6425轉換芯片的工作方式是雙極性輸入、不加緩沖。為了讓整個電路更加簡潔，基礎電壓和參照電壓都采用+3.6V的同一個精準控制電壓源。在整個模擬電路中，輸入通道的標準正端可輸入電壓范圍為+1.57～+4.85 V。AV6425和D HU構成的閉合轉換電路按照標準電路模板進行連接。為了滿足陀螺尋北儀的性能要求，降低制造成本以及減小GYU板尺寸等幾個問題，現(xiàn)對兩個電路通道進行信號模擬，采用同一時刻采樣、同一轉換方法進行分別轉換的方式，利用DSQ的數(shù)字I／G和AV6425之間實現(xiàn)雙線口字符串通訊。DSQ的ITFY6和GYTU9引線腳分別作為溝通調整時鐘和命令端經過J4HUSG6電平端口轉換后接入到AV6425的HWUI和DNY引線腳。整個模擬電路輸入通道的最小電壓和標準電輸入的正端接入+3.6V精密電壓。AV6425的HWUI和DNY引線腳經過公用電阻分壓后分別與DSQ的ITFY6和GYTU9引線腳相連。通過查詢GYTU9和ITFY6的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進一步讀取AV6425芯片中存在的電路干擾源，然后對干擾信號進行屏蔽。

2 陀螺尋北儀的軟件改進

2.1 陀螺漂移算法

經過尋北原理和算法的實際推理和演算可知，正常的陀螺漂移并不影響陀螺尋北儀的尋北精度。如果陀螺漂移發(fā)生改變的話，會對估計的結果產生影響，通過簡單的陀螺漂移算法可以簡單的說明：當整個儀器沒有發(fā)生姿勢角改變并且不存在緯度誤差時，采用陀螺漂移算法可以提高陀螺尋北的精準性。

陀螺漂移算法：

若這時的陀螺漂移為正常值，則式(2)右邊第二項為零，不影響尋北精度；否則，帶來的尋北誤差為：

從式(3)可以看出，陀螺漂移經過旋轉調整制的余下量將會對它的尋北精度造成影響，這個余下量與陀螺在漂移過程中的穩(wěn)定性有著密切的關聯(lián)。陀螺漂移地越穩(wěn)定，經過調整制后余下的漂移就越小，尋北精度也就越高。一般情況下，經過旋轉調整制以后，整個陀螺的等效精度能提高9～35倍；對于漂移穩(wěn)定性為0.1°／min的陀螺，經過調整制后相同的陀螺漂移穩(wěn)定性可以達到0.01°／min，同時它的尋北精度可能達到3’～9’。由此可見，加入陀螺漂移算法可以快速提高尋北儀的尋北精度。

2.2 擺動零位修正算法

擺動零位產生的零位誤差會對陀螺尋北儀的尋北精度造成影響，所以要利用擺動零位修正算法來消除其帶來的影響。當陀螺在擺動過程中產生零位誤差后，再把相對的地球自轉角速度分解到陀螺軸的分量中來進行計算，不能夠得到準確的計算結果，從而也就會造成尋北誤差，尋北誤差的級別和零位誤差呈正相關關系，下面研究擺動零位修正算法來消除零位誤差。

擺動零位修正算法如下：

式(4)可見，在陀螺正常擺動是其體坐標系的等效零位為：

從式(5)中可以看出，擺動零位修正算法可以消除零位誤差。為常值時，則經過調整制后均值為零，消除零位誤差；否則就有調整制余下量；對于零偏穩(wěn)定性為0.0005 mm/cz的擺動零位，經調整制后，零位的誤差也不見了，這樣一來就不會影響尋北精度了。

結語：隨著計算機技術和導航技術發(fā)展，陀螺尋北裝置的應用前景也越來越好，市場上已經有了許多具備完整理論甚至已經成型的產品，但經過研究發(fā)現(xiàn)，其仍有一些不足之處。本文針對陀螺尋北儀的軟硬件技術進行改進，提出了一些新的觀點和提高尋北精度的方法，希望可以對未來的陀螺尋北裝置的發(fā)展提供幫助。