单片机理论基础上陀螺经纬仪设计与分析

第一章 绪论

1.1 寻北系统
在人类的生产和生活实践中，无时无处不存在地理方位的信息，它是生活中的重要角色，同样定向也是人类生活中很重要的一部分。所谓定向，就是确定地面点的基准方向，是以正北方向为参考而定标的，所以定向就是寻北[1]。
古代，人们通过日月星辰辨别方向，后来发明了指南针，利用磁场指示方向，但是这些方法的精度不高，只是适用于日常生活中精度要求不高的场合。随着科技和时代的进步，在航空、航海、航天、工业、陆地交通、矿业及建筑等领域，对定向的精度性能要求越来越高，他们不仅要求机动灵活、快速准确、可靠，而且还应该适应恶劣的天气和环境要求，要具有全天候、全方位的性能。近年来，随着高新技术的不断出现，很多类型的寻北定向技术迅猛发展，逐步向着高精度、高效率、自动化和智能化的方向发展，也备受各国的重视。一般来说，寻北有以下几种方法：磁罗盘、天文观测、惯性寻北技术和卫星导航技术等[2-4]。
1.1.1 磁罗盘
磁罗盘即指南针，是利用地球磁场确定方向。地理上的南北两极与地球磁场的两极并不重合，而是存在一个磁偏角，所以磁北并非真北。因此，由于受到地球磁偏角以及地表不同磁场强度的影响，寻北精度低，只能概略寻北。
1.1.2 天文观测
天文观测是通过观测星体来确定方向的，可达到很高的精度（可在 1″以内），但是观测时间较长，并要求有良好的通视性。最大的缺点是受气候条件的限制，不利于野外机动使用，不能满足全天候测量保障作业的要求[6]。
1.1.3 惯性寻北技术
惯性寻北技术具有自主、隐蔽、全天候、抗电磁干扰、实时及连续测量等特点，它可以为载体提供角运动和线运动参数，从而在航天、航空、航海、陆地导2航、大地测量及机器人等领域得到了广泛的应用。惯性寻北技术是以惯性器件（如陀螺仪、加速度计等）、测量、导航和惯性制导为主要研究对象的惯性技术[7]，它是惯性技术领域的重要组成部分。目前惯性寻北技术可分为两大类：陀螺寻北技术和非陀螺寻北技术[8-9]。一、陀螺寻北技术陀螺寻北技术是基于陀螺定轴性和进动性等基本特性，在地球自转的作用下受重力矩的影响绕真北往复运动的原理来实现定向的。陀螺寻北技术具有自主式、不依赖其他条件[11]、灵敏度高、稳定性好、不受磁性干扰等优点，因此得到了广泛的应用和研究。陀螺寻北技术根据其寻北机理的不同又可以分为两大类：一类是摆式陀螺仪，另一类是角速率型陀螺寻北仪[10]。摆式陀螺仪是基于摆式陀螺罗盘的陀螺寻北仪，在重力矩作用下陀螺转子轴在子午面附近做椭圆简谐运动，其摆动中心位置就是真北方向。摆式陀螺仪主要包含吊丝式（也称悬挂式陀螺仪）、液浮式（也称浮子陀螺）、气浮式、磁悬浮式等多种类型。其寻北精度较高，一般可达 30″，甚至高达 10″。角速率型陀螺寻北仪是指直接感测地球自转角速度的旋转陀螺仪，是基于测量地球自转角速率的原理，采用安装在转台上的单自由度速率陀螺测量不同方向的地球自转角速率的分量来计算出基准轴偏离真北方向的角度，从而找出真北方向，例如光学陀螺、动力调谐陀螺、微机械陀螺、压电陀螺、半球谐振陀螺等。二、非陀螺寻北技术非陀螺寻北技术是指利用哥氏效应，通过旋转或振动线加速度计来测量角速度及地球自转角速率。它的原理比较简单，摈弃了昂贵的陀螺，大大降低了制造成本，采用动态工作方式，反应速度快，避免了陀螺漂移等因素对定向精度的影响，成为寻北技术研究的又一热门领域，适用于构成低成本快速寻北系统。如加速度计寻北[12]系统。
1.1.4 卫星导航技术
全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）是全球性的位置与时间的测定系统，它是由卫星星座、地面监控系统及用户终端设备组成的，可以为地球表面、近地空间任意地点、任意多个用户提供全天候、实时、高精度的三维位置、速度以及精密的时间信息，根据这些信息就可以计算出被测地点的北方位角度信息[14]。目前世界上已投入运行的卫星定位导航系统有四个：美国的“全球定位系统”（Global Positioning System, GPS）、俄罗斯的“全球轨道导航卫星系统”（Global Navigation Satellite System, GLONASS）、中国的“北斗导航系统”第一章 绪论3（Bei Dou, BD）和欧盟正在建造中的可供民用的卫星定位系统-“伽利略”计划[13]。

    1.2 陀螺经纬仪的国内外发展状况 ..................10-13
        1.2.1 国外陀螺经纬仪的发展状况 ..................10-12
        1.2.2 国内陀螺经纬仪的发展状况 ..................12-13
    1.3 课题的研究意义及主要的工作内容 ..................13-14
第二章 陀螺经纬仪的寻北原理 ..................14-20
    2.1 悬挂式陀螺寻北系统的结构 ..................14-16
        2.1.1 陀螺经纬仪的基本结构 ..................14-15
        2.1.2 陀螺仪的光路系统 ..................15-16
    2.2 陀螺经纬仪的基本原理 ..................16-19
        2.2.1 陀螺的基本特性 ..................16-18
        2.2.2 陀螺仪的寻北原理 ..................18-19
    2.3 本章小结 ..................19-20
第三章 陀螺经纬仪的寻北算法研究 ..................20-30
    3.1 初寻北的算法 ..................20-21
        3.1.1 两个逆转点法 ..................20
        3.1.2 四分之一周期法 ..................20-21
    3.2 精寻北算法 ..................21-24
        3.2.1 中天法 ..................21-22
        3.2.2 积分法 ..................22-24
    3.3 基于趋势预测的误差补偿多级步进初寻北............... 24-29
    3.4 本章小结 ..................29-30
第四章 陀螺仪的双单片机寻北控制系统 ..................30-40
    4.1 双单片机系统原理方案 ..................30-32
    4.2 双单片机的异步串行通信 ..................32-36
        4.2.1 初始化过程 ..................32-34
        4.2.2 数据的发送和接收 ..................34
        4.2.3 串行通信协议 ..................34-36
    4.3 自动升降系统 ..................36-37
    4.4 水平旋转系统 ..................37-39
    4.5 本章小结 ..................39-40
第五章 陀螺仪的自反馈控制系统设计 ..................40-51
    5.1 全自动自反馈寻北系统总体设计 ..................40-41
    5.2 系统设计的开发环境 ..................41-42
    5.3 双单片机系统 ..................42
    5.4 陀螺仪的自反馈控制系统设计 ..................42-50
        5.4.1 半脱位置的检测 ..................43-48
        5.4.2 自反馈控制系统的软件设计 ..................48-50
    5.5 本章小结 ..................50-51
第六章 系统实验及误差分析 ..................51-63
    6.1 全自动寻北系统的样机 ..................51-52
    6.2 全自动自反馈寻北系统的实验 ..................52-58
        6.2.1 双单片机系统初寻北实验 ..................52-53
        6.2.2 自反馈控制陀螺自动下放实验 ..................53-55
        6.2.3 自反馈系统的初寻北实验 ..................55-57
        6.2.4 自反馈系统的重复性实验 ..................57-58
    6.3 陀螺经纬仪的系统误差分析 ..................58-62
    6.4 本章小结 ..................62-63

总结

作为一种惯性高精度寻北仪器，陀螺经纬仪兼有测角和定向的功能，并且具有机动性、完全自主性、广泛的地理纬度范围、全地理经度范围和全天候等特点，因此在军事和国民经济建设等方面都得到了广泛的应用。
目前，陀螺经纬仪正朝着全自动化和高效率的方向发展。课题使用 JT-15 型陀螺经纬仪作为样机，在双单片机系统的基础上设计并实现了自反馈的全自动陀螺寻北仪。实验结果表明，初寻北的寻北时间控制在 4min 内，其寻北精度在 20′内，满足精寻北的要求。论文主要完成以下几个方面的工作：
1.研究了基于预测的误差补偿多级步进初寻北算法。主单片机实时的采集陀螺光标的位置信号，并通过 USB 将光标信号实时地传递给 PC 机，PC 机对数据进行预测寻北算法，得到预测结果 N1 后根据补偿函数查询得到补偿角度 N′，将实际寻北结果（N1+ N′）发送给主单片机，然后主单片机控制精密电控转台将陀螺经纬仪转到相应的位置，这样一次寻北结束；以此类推，直至进入到偏北±6°以内，当最终初寻北的结果控制在 1°以内时就可以结束初寻北。
2.设计方案完成双单片机控制系统，实现了两个单片机之间的异步串行通信。从单片机触发步进电机自动下放陀螺，同时主单片机实时采集监测陀螺光标的运动信息，并经 USB 上传至 PC 机进行寻北结果的计算，PC 机回传结果给主单片机后，主单片机控制转台做相应的旋转，进一步逼近真北方向。如此进行几次即可完成初寻北过程。