2021年, 第20卷, 第6期　刊出日期：2021-12-05

  

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综述
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  海洋无人小型平台惯性/水声组合导航技术

  韩若曦, 李海兵, 郭子伟, 罗骋

  导航与控制. 2021, 20(6): 1-14. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.001

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  近年来,海洋无人小型平台逐渐成为人类从事海洋研究与探索等活动不可或缺的工具。随着“海洋强国”战略的实施,水下平台的导航定位技术成为维护领海安全、发展海洋经济及执行水下一系列任务的重要保障。现阶段,水下无人小型平台导航定位方法多采用以惯性导航技术为主、水声定位及地球物理导航等技术为辅的组合导航方式。其中,惯性/水声组合导航是当前水下目标定位与跟踪的主要手段。基于此,首先给出惯性/水声组合导航系统的国内外应用现状,进而对水下导航定位关键技术的研究进展进行总结,最后对水下无人小型平台组合导航定位系统的应用需求和发展趋势进行分析。
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  激光捷联惯导动态精度提升技术综述

  李成麟, 雷旭亮, 陆煜明, 陶彧敏

  导航与控制. 2021, 20(6): 15-27. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.002

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  激光捷联惯导广泛应用于导弹、舰船、飞机和火箭等,我国目前对其在大过载、大角度锥动以及线角振动等高动态环境下的性能研究相对不足。针对激光捷联惯导在高动态环境下精度下降的问题,从惯性器件、减振、算法等角度梳理了激光捷联惯导动态误差机理和提高动态精度的关键技术,选取介绍了近年来有价值的研究进展,简要探讨了未来提高激光捷联惯导动态精度的思路。
导航与制导
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  INS/CNS/GNSS机载高性能空中对准技术研究

  陈善秋, 武庆雅, 吴禹彤, 张丽玲, 夏宇强, 龙腾宇

  导航与控制. 2021, 20(6): 28-35. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.003

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  为提升机载惯导空中对准精度、缩短对准时间,提出了一种基于广义序贯滤波的卫星天文辅助高性能空中对准方法。广义序贯滤波用来解决因卫星导航系统与天文导航系统输出频率不同带来的异步信息融合问题,同时增强了算法可重构性,在天文信息不可用时依然可利用卫星信息完成对准。整个对准过程分为两个阶段一是卫星辅助大失准角修正阶段,用时90s;二是卫星天文辅助精对准阶段,用时30s。在真实飞行轨迹条件下对该算法进行了验证,结果表明对准时间可缩短为2min,同时航向角对准精度可提升到0.004°,所提空中对准方法在很大程度上提升了武器装备的快速反应能力和精确打击能力,具有一定的工程意义。
控制理论与方法
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  基于SO(3)空间的线性自抗扰姿态控制方法

  黄吉传, 张贺, 缪存孝

  导航与控制. 2021, 20(6): 36-44. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.004

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  针对四旋翼飞行器姿态控制中非线性、强耦合及对扰动敏感的问题,提出了一种SO(3)线性自抗扰姿态控制方法,该方法可以克服传统欠驱动四旋翼控制方法中存在的抗干扰能力弱、系统建模误差对跟踪性能影响较大等弱点。基于SO(3)空间建立了四旋翼无人飞行器的非线性数学模型,避免了使用Euler角表示姿态时的奇异点问题,从而简化了控制器设计。在基于SO(3)空间非线性数学模型的基础上,提出了一种结合比例微分和线性扩展状态观测器的四旋翼无人机姿态控制方法,该方法参数整定更简单。对提出的姿态控制器进行了实验验证,实验结果表明采用该方法后,四旋翼飞行器能够在受到外界扰动后迅速稳定姿态,其俯仰角和横滚角的稳态偏差小于1°,提高了四旋翼飞行器的抗干扰能力。
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  三浮陀螺加速度计浮子六自由度运动分析

  贺宇, 孙文利, 冯毅博

  导航与控制. 2021, 20(6): 45-52. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.005

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  浮子的位置稳定对陀螺加速度计的输出有着重要影响。针对当前三浮陀螺加速度计的建模方法无法有效分析浮子运动状态的问题,提出了一种以可六自由度运动的浮子为研究对象的建模方法,对浮子以及外框架进行完整的动力学分析。根据加速度输入的情况可得,在无横向加速度输入时,浮子的运动方程可实现线性化,且状态方程具有静态解耦特性,通过一体化控制系统实现了对浮子的六自由度调整,验证了模型的正确性;在有横向加速度输入时,浮子受周期力矩的影响且由于耦合作用,各自由度均呈现出周期运动状态。
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  基于DSP和FPGA的CANFD通信实现

  杨波, 韩杰, 孙乐羊

  导航与控制. 2021, 20(6): 53-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.006

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  CAN总线由于其通信方式简便可靠而广泛应用于各工业领域。随着工业发展,控制系统越来越复杂,对数据传输率、可靠性提出了更高的要求,而传统CAN总线通信已无法满足系统的要求。针对这一问题,提出了一种基于DSP和FPGA来实现CANFD总线通信的方法。并行处理方式的FPGA作为DSP与外围接口之间的桥梁,对CANFD控制器进行数据传输、使能和中断控制。DSP通过EMIF总线接口读取相应数据,并进行数据处理和控制指令的执行。经过仿真和实验验证,CANFD总线数据传输速率可达到5Mbps且误码率小于1%。在高速条件下,该系统可以实现CANFD总线数据传输的稳定性和可靠性。
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  自抗扰控制在陀螺加速度计伺服回路中的应用

  王兆凯, 王汀

  导航与控制. 2021, 20(6): 60-66. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.007

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  陀螺加速度计作为惯性导航平台上的关键仪表,其精度直接影响着惯性导航的结果。但实际工作过程中,在外界环境的影响下,其动态特性往往不尽如人意。采用自抗扰控制方法对三浮陀螺加速度计伺服回路进行了改进,改善了仪表伺服回路设计工作中的由于非理想陀螺加速度计系统因工作环境改变而导致的经典控制理论下伺服回路设计方法无法满足工程需求的现状。通过Simulink仿真,系统响应有所增快,超调明显减小。进一步的配表实验结果表明,在保证仪表静态和动态精度的前提下,该方法削弱了温度变化对仪表的影响,改变温度后仪表的随机振动精度变化幅度由238.70%降低为71.32%。
传感器与执行机构
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  一种基于离心机试验的MEMS IMU加速度计误差建模方法

  王国栋, 阎璐, 王振凯, 宋健民

  导航与控制. 2021, 20(6): 67-76. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.008

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  随着制导弹药向智能化、自主化方向发展,MEMS IMU在高加速度条件下的误差建模和补偿成了制约其应用的突出问题。MEMS加速度计作为MEMS IMU的核心部件,是提升制导弹药自主导航精度的关键。针对MEMS IMU三轴加速度计高加速度条件下的误差建模问题,提出了一种基于离心机试验的误差建模方法。介绍了MEMS IMU加速度计离心机试验引入的误差源,给出了失准角、等效半径、科氏加速度等误差的影响分析和补偿方法,并在此基础上设计了三轴加速度计离心机试验方案的整体编排。针对建立的加速度计误差模型,通过模型显著性分析和模型参数显著性分析,去除不显著项,实现了模型优化。基于试验数据,对优化后的模型进行了验证,补偿后的三轴加速度计的误差降幅均在60%以上,表明建立的模型是有效的。
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  脉冲式冷原子干涉仪敏感惯性参量物理机制的新理解

  黄晨, 乐旭广, 程俊, 姚辉彬, 毛海岑

  导航与控制. 2021, 20(6): 77-84. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.009

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  脉冲式冷原子干涉仪应用在惯性量测量领域已有数十年的历史。一般来说,人们通过原子在空间中的运动轨迹来确定原子在不同路径下所积累的相位差,结合激光本身所携带的相位最终得到原子干涉仪输出相位的表达式,并最终给出探测信号与所测量惯性参量的关系式。但在干涉仪处在动态情况下时,这种计算方式并不能很方便地给出解算表达式。提出一种对脉冲式冷原子干涉仪敏感惯性参量物理机制的新理解,通过研究转动后原子-光子Raman作用的失谐变化率,可以很方便地给出动态情形下干涉仪输出相位的解析形式,这显著推进了冷原子干涉仪在复杂动态情形下的应用。
测试与计量
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  离心场下大径向负载液体静压轴承设计与实验

  吕磊, 舒杨

  导航与控制. 2021, 20(6): 85-95. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.010

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  在离心场下工作的精密离心机用液体静压轴承由于超重力离心场面临着大径向偏载问题。通过分析离心场下轴承的受力工况,确定径向轴承设计要点,对径向轴承在周向分布上开展非对称设计,并利用CFD软件计算油膜面承载能力,校核主轴承载合力。对比设计分析了周向6组和周向5组油膜面的设计方案,并对比设计了均压腔结构形式,调整各油膜面承载能力以达到设计要求。研究发现,周向6组和周向5组油膜面布置具备独立供油能力,都能实现设计承载要求,周向5组布置方案最高供油压力相对周向6组布置方案要低。依据设计结论,研制了一套实验用液体静压轴承及其径向加载系统。测试结果显示,轴承空载测试数据与仿真结果误差较小。径向加载实验条件下,实测结果与仿真分析结果有一定误差,实测结果较仿真计算结果更优。研究表明,所提出的轴承设计方式可以满足液体静压轴承在离心场作用下形成的大径向负载的承载需求。
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  半球零件的磁力装夹检测装置分析

  米军辉, 李思达, 庞国旺

  导航与控制. 2021, 20(6): 96-103. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.011

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  半球零件是一种电机轴承用半球型偶件,其表面镀制TiN膜层和TiN+DLC膜层,其球面轮廓度及尺寸精度直接决定了电机的精度和寿命。传统的半球零件检测方法通常利用紧固螺钉来对其进行固定,并用螺丝刀手动实现零件的松动锁紧,装夹费时、费力且效率低下。针对这一问题,设计了一种新的磁力装夹装置,利用磁力吸附作用来对半球零件进行装夹。对磁力装夹装置的设计组成、使用方法、误差因素、检测精度等进行了详细介绍,并对其进行了磁力验证仿真,最后对用传统装置和磁力装夹装置得出的检测数据进行了对比验证。在优化检测数据的情况下,该磁力装夹装置极大地减少了装夹时间,提高了半球零件的检测效率,在实际生产检测领域具有很好的应用价值。
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  一种水面舰船惯性导航系统实船测量方案设计

  魏学通, 郁聪冲, 温朝江

  导航与控制. 2021, 20(6): 104-110. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.012

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  目前,水面舰船惯性导航系统实船测量中对航向、水平姿态等重要指标的测量手段较少。基于水面舰船惯性导航系统测量需求,根据水面舰船惯性导航系统实船安装特点,提出了一种适装性较好的测量方案。同时,对测量设备的构建和加装进行了论证设计,对测量设备标称的性能指标达不到惯性导航系统性能指标三倍以上但高于惯性导航系统性能指标情况下的航向误差数据处理方法、水平姿态误差数据处理方法进行了研究设计。仿真验证结果表明,数据方法合理可行,可为水面舰船惯性导航系统实船测量提供支撑。
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  直流线路诊断中雷击暂态全响应监测实践

  沈祖成

  导航与控制. 2021, 20(6): 111-116. https://doi.org/10.3969/j.issn.1674-5558.2021.06.013

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  由于传统方法特征辨识度不高,且无法有效提高实时监测能力,为此提出了直流线路诊断中雷击暂态全响应监测方法。构建暂态全响应信号检测模型,结合自相关匹配滤波器检测方法对雷击暂态特征进行分解和抗干扰设计,并在特征分解后提取特征分量,建立静止无功补偿控制模型,通过正交调制和多径特征分解的方法实现了对直流线路诊断中雷击暂态全响应检测。仿真结果表明,采用该方法输出稳定性较高,抗干扰能力较强,对线路故障的准确检测概率较高。