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北京保力馬測(cè)控技術(shù)有限公司
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更新時(shí)間：2024-03-19 13:26:19瀏覽次數(shù)：105次
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技術(shù)要求尋北時(shí)間：180s~300s
尋北時(shí)間：180s~300s。
尋北精度：0.1°~0.3°（均方差）。
外形尺寸：120×120×130。
供電：DC24V±4V（產(chǎn)品額定電流≤500mA）。
工作方式：加電后開始自動(dòng)尋北（或受機(jī)控制），發(fā)送尋北結(jié)果。
（6）環(huán)境要求：
工作溫度：-40℃～+55℃；
存儲(chǔ)溫度：-55℃～+70℃；
海拔高度：在海拔4000m時(shí)能正常工作；
防潮、防鹽霧、防腐蝕、防輻射等應(yīng)符合GJB74A-1998的相關(guān)要求；
安全性等符合GJB74-1998的相關(guān)要求；
電磁兼容性等符合GJB1389A-2005的要求；
振動(dòng)與跑車試驗(yàn)等符合GJB74A-1988的要求。
原理
尋北采用四位置尋北方法。第1位置定在0°，依次是90°、180°和270°位置。位置定位使用4個(gè)光電開關(guān)。在0°和270°之間設(shè)計(jì)止擋，防止陀螺360°轉(zhuǎn)動(dòng)，扭斷線纜。
使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪，經(jīng)過傳動(dòng)比10：1的齒輪，驅(qū)動(dòng)方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
機(jī)箱由機(jī)座和上蓋構(gòu)成。機(jī)座上安裝方位軸系、轉(zhuǎn)臺(tái)和步進(jìn)電機(jī)等，插座安裝在機(jī)座下部，機(jī)座底面作為水平安裝基準(zhǔn)面，側(cè)面可以作為方位基準(zhǔn)面。
軟件設(shè)計(jì)算法考慮傾斜尋北。
功率分配：工作電壓24V設(shè)計(jì)。正常電流0.5A，允許0.8A。光纖陀螺及控制電路消耗電流0.25A。步進(jìn)電機(jī)耗電0.2A。合計(jì)0.45A，滿足用戶要求。
（1）微型一體化設(shè)計(jì)
? 小體積42.3 mm ×42.3 mm×16.4 mm （長×寬×高）
? 與電機(jī)一體化設(shè)計(jì)，亦可分立工作
? 全鋁精鑄外殼，堅(jiān)固耐用，散熱性能好
（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)特性
? 寬電壓輸入12 ～40VDC
? 電流輸出2A/4A/8A峰值可調(diào)相電流
? 微步1/2/4/8/16細(xì)分
? H橋雙極恒流，在線可控脫機(jī)/使能
? 輸入信號(hào)光電隔離
? 自動(dòng)電流減半
? 整步頻率12KHz；16細(xì)分頻率200KHz
配套低溫步進(jìn)電機(jī)，主要參數(shù)：
驅(qū)動(dòng)器選擇16細(xì)分。相電流設(shè)置在1A。
工作溫度：-40℃～+55℃；
存儲(chǔ)溫度：-50℃～+65℃；
工作電壓：24V
工作電流：小于0.17A
啟動(dòng)電流：小于0.5A
加速度計(jì)算：
在0.25秒內(nèi)，從0加速到100RPM，相當(dāng)于40rad/s2的角加速度。臺(tái)體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估計(jì)值0.0032kgm2，加速力矩為0.128Nm。該42步進(jìn)電機(jī)的力矩為0.45Nm，滿足要求。
驅(qū)動(dòng)器不配編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，施行開環(huán)控制。另有位置指令，到位后，發(fā)出停止轉(zhuǎn)動(dòng)指令，步進(jìn)電機(jī)立刻停止，不要出現(xiàn)慣性過沖。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速在200rpm以下，屬于低速運(yùn)行。停止后應(yīng)留有必要的保持力矩。
啟動(dòng)和停止時(shí)，電流不應(yīng)過大。
在位置1和位置4之間設(shè)置止擋，止擋的作用是避免360度連續(xù)旋轉(zhuǎn)。在O位置和1位置之間增設(shè)1個(gè)光電開關(guān)，避免位置陷阱。
光電開關(guān)SG211V的參數(shù)設(shè)計(jì)
光電流與發(fā)射二極管電流成比例，光電流設(shè)計(jì)為1mA，對(duì)應(yīng)IF=12mA。
經(jīng)查暗電流（以70度）為0.0001mA，不予考慮。
5V電源，發(fā)射二極管壓降1.2V，分壓電阻330上壓降5-1.2=3.8V，驅(qū)動(dòng)電流設(shè)計(jì)約為12mA。
采樣電阻設(shè)計(jì)為5.1k。
使用1只回轉(zhuǎn)軸承，支撐旋轉(zhuǎn)體及被測(cè)物體?？蛰d啟動(dòng)摩擦力矩0.2Nm左右。
要求：轉(zhuǎn)臺(tái)承受的載荷不大于2kg。
方位旋轉(zhuǎn)軸系包含大齒輪、支撐軸承等。安裝在機(jī)座上，由步進(jìn)電機(jī)和小齒輪驅(qū)動(dòng)。
旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)必須配平，重心設(shè)計(jì)在軸上，避免偏擺影響。
設(shè)計(jì)0°刻度位置，作為方位基準(zhǔn)。
上蓋和機(jī)座采用鋁材制造而成，上蓋扣在機(jī)座上，形成組合件。組合件的蓋子上設(shè)計(jì)有窗口，裝亞克力片涂膠密封，加金屬絲網(wǎng)，有蓋板蓋住此窗口。撥起蓋板，通過此窗口能看見3位數(shù)碼管顯示的尋北值。蓋板放下，靠重力作用，自然下垂蓋住窗口。
24V直流輸入，通過金升陽的電源模塊轉(zhuǎn)換成+5V和-5V源，給光纖陀螺和數(shù)字電路供電。步進(jìn)電機(jī)使用24V轉(zhuǎn)24V的電源模塊供電。
24V電源入口處設(shè)計(jì)濾波器罩，使用穿心電容器、磁環(huán)等作必要的處理，提高電磁兼容性。
控制電路主要由1塊電路板承擔(dān)。
步進(jìn)電機(jī)自帶驅(qū)動(dòng)器，不再設(shè)計(jì)電路板。
設(shè)計(jì)1塊數(shù)碼管顯示板，編號(hào)02#。獨(dú)立安裝在上部，撥開上蓋的窗口可以看見內(nèi)部的顯示內(nèi)容。
步進(jìn)電機(jī)的走線有獨(dú)立的過孔，可以從機(jī)座上部貫穿到下部。
光纖陀螺的走線從轉(zhuǎn)臺(tái)的中空軸穿過，到機(jī)座下部的電氣艙室。
步進(jìn)電機(jī)選擇低溫步進(jìn)電機(jī)，避免低溫凍結(jié)。
大小齒輪、軸承使用低溫油脂。減少方位旋轉(zhuǎn)總摩擦力矩，避免轉(zhuǎn)臺(tái)低溫凍結(jié)。
插件型號(hào)：
端子定義：
X24K26P端子定義
端子號(hào) | 電氣符號(hào) |
1 | +24V |
2 | 24VGND |
3 | TX |
4 | RX |
5 | GND |
6 | 備用 |
7 | 備用 |
數(shù)字輸出：RS232
波特率：9600
數(shù)據(jù)格式：1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，無奇偶校驗(yàn)位。
數(shù)據(jù)幀格式：
AA XH XL YH YL HH HL SUM ST EN
幀字頭 X斜角（橫向斜角） Y斜角（縱向斜角） 方位角 校驗(yàn)和 抖動(dòng)狀態(tài) 有效標(biāo)志
幀數(shù)據(jù)共9個(gè)字節(jié)
幀字頭：十六進(jìn)制數(shù)AA
X橫傾角：雙字節(jié)，高字節(jié)在前，16位補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，1bit=0.01°
Y縱傾角：雙字節(jié)，高字節(jié)在前，16位補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，1bit=0.01°
X方位角：雙字節(jié)，高字節(jié)在前，16位補(bǔ)碼數(shù)據(jù)，1bit=0.01°
校驗(yàn)和：?jiǎn)巫止?jié)，它是第2-7字節(jié)相加后取低于8位的結(jié)果
抖動(dòng)狀態(tài)：尋北過程中如果機(jī)座抖動(dòng)較大輸出1，否則輸出0
有效標(biāo)志：數(shù)據(jù)有效時(shí)輸出1，否則輸出0。
角速度顯示，用5位數(shù)碼管顯示；位置顯示，用5位數(shù)碼管顯示。小數(shù)點(diǎn)位置固定在第三位數(shù)碼管后。
0.28英寸紅色普亮四位共陰數(shù)碼管
坐標(biāo)系定義
1-3位置的地球自轉(zhuǎn)角速度，1-3位置的傾斜角；
2-4位置的地球自轉(zhuǎn)角速度，2-4位置的傾斜角。
開始，
轉(zhuǎn)動(dòng)速度參數(shù)設(shè)置：每秒2000脈沖，驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為16細(xì)分，電流設(shè)置在1.5A（映射電壓1.5V），停止時(shí)電流不減半。
舌片寬度5mm，回轉(zhuǎn)半徑35mm，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)角=8°。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速按100°/s設(shè)計(jì)，80ms就會(huì)轉(zhuǎn)過去。
要求步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速=100rpm，相當(dāng)于600°/s。驅(qū)動(dòng)器細(xì)分1.8°/16。驅(qū)動(dòng)脈沖頻率=600/（1.8/16）=5333Hz。對(duì)光電開關(guān)的檢測(cè)時(shí)間應(yīng)快，應(yīng)200微秒內(nèi)檢測(cè)出來，否則檢測(cè)就慢了。DSP解算周期按200微秒設(shè)計(jì)。
摩擦力矩影響轉(zhuǎn)臺(tái)低速轉(zhuǎn)動(dòng)。
使用傾角計(jì)SCA103T-D05，量程±30°，測(cè)量.11°，.29°。
轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為90°/s，即15rpm。考慮減速比設(shè)計(jì)為5：1，因此步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為75rpm。按100RPM設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
工作時(shí)段 | 說明 | 占用時(shí)間（秒） |
轉(zhuǎn)回位置1 | 含1秒穩(wěn)定時(shí)間 | 4 |
在位置1 |
| 10 |
1-2轉(zhuǎn)位 | 含1秒穩(wěn)定時(shí)間 | 2 |
在位置2 |
| 10 |
2-3轉(zhuǎn)位 | 含1秒穩(wěn)定時(shí)間 | 2 |
在位置3 |
| 10 |
3-4轉(zhuǎn)位 | 含1秒穩(wěn)定時(shí)間 | 2 |
在位置4 |
| 10 |
| 在有電的情況下，計(jì)算尋北結(jié)果的同時(shí)應(yīng)返回第1位置后，再結(jié)束。 |
|
|
|
|
合計(jì)時(shí)間 | 50 | |
傾斜狀態(tài)下尋北算法
一般尋北儀工作在傾斜情況下，因此本算法具有普實(shí)性。
A1 坐標(biāo)系定義
本尋北儀按東北天坐標(biāo)系定義：
指北角H定義：0°～360°，北向?yàn)?/span>0°，北偏東為正；
俯仰角
定義：±90°，
正向抬高為正；
橫滾角
定義：±90°，繞
軸，
正向降低為正。
A2 地球自轉(zhuǎn)角速度
在陀螺上的投影
地球自轉(zhuǎn)角速度
投影到各個(gè)陀螺上，
，L是緯度 （1）
式中
（2）
A3 重力加速度在各個(gè)加速度計(jì)上的投影
與前面提到的轉(zhuǎn)動(dòng)相同，那么重力加速度在各個(gè)加速度計(jì)上的投影是
（3）
式中
與（2）式相同。
A4 求解傾角
（4）
式中
由加速度計(jì)得到，
（5）
（6）
A5 求解H
（1）已經(jīng)知道陀螺各個(gè)投影
，向水平面投影，得
（7）
（8）
（9）
（2）
由（5）、（6）式計(jì)算得到，是已知數(shù)。陀螺投影到水平面內(nèi)的分量
（10）
（3）因此，得
(11)
可以（11）式計(jì)算出指北角H。
，T1表示分子，T2表示分母。
象限判據(jù)：
（12）
A6 求解ωz
根據(jù)陀螺實(shí)際測(cè)量
，計(jì)算出
，其中
。 （13）
需要對(duì)陀螺進(jìn)行標(biāo)定。
A7 算法歸納
采樣陀螺信號(hào)：pos1,pos2,pos3,pos4，平均處理；
；
；
標(biāo)定
；
；
；
，T1表示分子，T2表示分母；
象限判據(jù)：
。
陀螺標(biāo)定
陀螺標(biāo)定時(shí)必須做的工作。
我們知道，在維度L的地方，地球自轉(zhuǎn)角速度的北向分量等于
。利用這個(gè)關(guān)系可以標(biāo)定陀螺。
首先將陀螺軸水平放置并指向北（盡量與已知北向一致），采樣陀螺信號(hào)1或2分鐘，求出平均值B，作為北向
。
然后將陀螺軸水平放置并指向南，采樣陀螺信號(hào)1或2分鐘，求出平均值N，作為南向-
。
于是
。求
數(shù)字量（脈沖個(gè)數(shù)），可以帶小數(shù)的數(shù)值。
這就標(biāo)定完畢。
于是我們就可以計(jì)算（13）式了。
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