一种无水平仪的陀螺罗经自适应阻尼控制方法与流程

本发明涉及船舶航海导航仪器，尤其涉及一种无水平仪的陀螺罗经自适应阻尼控制方法。

背景技术：

1、陀螺罗经是船舶获取真航向信息的核心导航设备，其精度与稳定性直接关系到航行安全。传统机械式陀螺罗经在启动后，为缩短寻北摆动周期、快速稳定指向真北，必须引入阻尼控制系统。现有的阻尼控制方案普遍依赖于安装在陀螺球敏感元件南北轴线上的物理水平仪。该水平仪用于实时检测敏感元件相对于地平面的倾斜角度及方向，并将该微弱的模拟倾角信号传输至控制单元，由控制单元驱动力矩器产生反向阻尼力矩，从而实现罗经主轴向真北方向的收敛与锁定。

2、然而，随着船舶装备数字化升级需求的提升以及实际使用环境的复杂化，这种依赖物理水平仪的传统阻尼架构逐渐暴露出以下显著缺陷：

3、首先，物理环境干扰严重，导致阻尼控制精度下降。船舶在航行过程中不可避免地会受到主机运转、螺旋桨激励及海浪拍击等因素影响，产生持续的高频机械振动。物理水平仪作为精密机械结构，对此类高频振动极为敏感，其内部易发生剧烈抖动并引入大量非线性高频噪声。这导致送入控制单元的倾角信号严重失真，进而引发阻尼力矩的误动作或振荡，不仅无法有效抑制寻北摆动，反而可能加剧主轴的不稳定。

4、其次，硬件故障率高，系统可靠性难以保障。物理水平仪属于高精度易损组件，在恶劣海况、大角度摇摆或长期服役老化等条件下，极易发生机械卡死、液体泄漏或零点永久漂移等故障。一旦水平仪失效，阻尼回路即告中断，陀螺罗经将退化为无休止摆动的物理单摆，完全丧失导航功能，且此类故障往往具有突发性，难以通过软件手段进行补偿或修复。

5、再次，改装与维护成本高昂，工程实施难度大。针对大量仍在服役的传统陀螺罗经进行数字化改造时，原厂物理水平仪配件价格昂贵且供货周期长。更为棘手的是，陀螺球内部空间极其紧凑，若需更换或加装传感器，往往需要进行复杂的机械打孔、布线及精密调校，这不仅对施工工艺要求极高，还容易破坏陀螺球原有的动平衡与密封性，导致改装风险大、成功率低。

6、因此，怎样才能在完全摒弃物理水平仪的前提下，仅凭航向角误差信号实现主轴真倾角的准确估计与高频振动干扰的有效剥离，从而获得稳定、可靠且易于工程实现的自适应阻尼控制效果，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于，提供一种无水平仪的陀螺罗经自适应阻尼控制方法，能够在完全摒弃物理水平仪的前提下，仅凭航向角误差信号实现主轴真倾角的准确估计与高频振动干扰的有效剥离，从而获得稳定、可靠且易于工程实现的自适应阻尼控制效果。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：

3、一种无水平仪的陀螺罗经自适应阻尼控制方法，包括以下步骤：

4、s1、构建物理退化状态空间模型，所述物理退化状态空间模型的状态变量包括航向角误差和主轴倾角，且以所述航向角误差作为唯一观测量；基于所述物理退化状态空间模型建立卡尔曼滤波器，用于根据作为观测输入的所述航向角误差估计所述主轴倾角；

5、s2、以预设采样周期，采集陀螺罗经随动伺服系统的航向角误差时间序列信号；

6、s3、基于s2采集的航向角误差时间序列信号，计算其中的高频振动强度特征值，并根据所述高频振动强度特征值的大小对所述卡尔曼滤波器的测量噪声协方差矩阵进行分级调整；

7、s4、将s3分级调整后的测量噪声协方差矩阵代入所述卡尔曼滤波器的迭代方程中，以s2采集的航向角误差时间序列信号作为观测输入进行状态估计，输出剥离高频振动干扰的主轴真倾角估计值；

8、s5、根据s4输出的主轴真倾角估计值，生成直流阻尼控制信号并注入拾取力矩器线圈，利用陀螺罗经的进动效应产生反向阻尼力矩。

9、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

10、1、相比于现有技术严重依赖精密且易损的物理水平仪来获取倾角信号，本方法通过构建物理退化状态空间模型并建立卡尔曼滤波器，仅利用航向角误差作为唯一观测量即可反演主轴倾角。这一设计从根本上规避了物理水平仪因机械卡死、零点漂移或密封失效导致的阻尼回路中断风险，同时免除了陀螺球内部复杂的机械改装与精密调校工序，大幅降低了全寿命周期的维护成本与工程实施难度。

11、2、针对传统固定参数滤波器在船舶高频振动环境下易受噪声污染、导致倾角估计失真的问题，本方法通过实时计算航向角误差时间序列中的高频振动强度特征值，对卡尔曼滤波器的测量噪声协方差矩阵进行分级动态调整。这种自适应机制使得滤波器能够根据实际振动环境智能切换信任度，有效剥离叠加在观测信号上的非线性高频干扰，确保在恶劣海况下仍能输出纯净、准确的主轴真倾角估计值。

12、3、现有技术在振动干扰下往往产生包含交流分量的阻尼力矩，易引发主轴二次振荡或调节时间延长。本方法基于经自适应滤波净化后的主轴真倾角估计值生成直流阻尼控制信号，从源头上保证了注入拾取力矩器线圈的控制量平稳无杂波。利用陀螺进动效应产生的反向阻尼力矩更加精准、连续，有效避免了因信号失真引起的误动作，使罗经主轴能够快速、平滑地锁定真北方向。

13、综上，本方法可以在完全摒弃物理水平仪的前提下，仅凭航向角误差信号实现主轴真倾角的准确估计与高频振动干扰的有效剥离，从而获得稳定、可靠且易于工程实现的自适应阻尼控制效果。

14、优选地，s1中，所述物理退化状态空间模型表示为如下离散时间状态空间方程：

15、状态方程：

16、；

17、观测方程：

18、；

19、其中，为第k时刻的状态向量，为第k时刻的所述航向角误差，为第k时刻的所述主轴倾角；为观测矢量；a为系统离散状态转移矩阵；c为观测矩阵，，用于屏蔽所述主轴倾角的直接测量通道，使所述航向角误差作为唯一观测量；为系统过程噪声矢量，其协方差矩阵记为q；为测量噪声，其协方差矩阵即为所述测量噪声协方差矩阵，用以表征车船高频机械震动对传感器带来的噪声干扰。

20、这样的设置，通过精确的离散状态空间建模与观测矩阵约束，成功构建了脱离物理水平仪硬件依赖的软测量数学框架，有效解决了传统阻尼控制中因传感器物理失效导致的系统可靠性瓶颈问题。

21、优选地，s4中，所述卡尔曼滤波器的迭代方程，包括以下五步递推过程：

22、（1）状态一步预测：

23、；

24、（2）协方差一步预测：

25、；

26、（3）卡尔曼增益向量计算：

27、；

28、（4）状态后验更新：

29、；

30、（5）误差协方差矩阵更新：

31、；

32、其中，为第k时刻的状态先验估计值，为第k−1时刻的状态后验估计值，所述状态先验估计值和所述状态后验估计值均为对所述状态向量的估计，其第一项元素为航向角误差的估计值，第二项元素为主轴倾角的估计值；

33、为先验估计误差协方差矩阵，为后验估计误差协方差矩阵；为第k时刻的后验估计误差协方差矩阵，表征状态后验估计的不确定性并用于下一时刻的协方差递推预测；

34、为卡尔曼增益向量，其第一项用于将信息残差映射至航向角误差估计的修正量，第二项用于将信息残差映射至主轴倾角估计的修正量；为系统离散状态转移矩阵a的转置矩阵；为观测矩阵c的转置矩阵；i为单位矩阵；为当前时刻作为观测输入的航向角误差；为s3分级调整后的测量噪声协方差矩阵；

35、所述主轴真倾角估计值为第k时刻的状态后验估计值中的第二项元素，用于剥离高频振动干扰。

36、这样的设置，相比于传统固定增益或依赖直接倾角测量的滤波方法，该机制能够根据实时振动强度自适应调节观测残差对不可测状态（主轴倾角）的映射权重，在仅输入含噪航向角误差的条件下，数学上严格分离出纯净的主轴真倾角估计值，有效克服了强机械振动环境下状态估计发散或失真的技术难题。

37、优选地，所述系统离散状态转移矩阵a为：

38、；

39、其中，为地球自转角速度；为船舶当前所处的本地地理纬度；为液体平衡器产生的物理寻北力矩进动系数，由罗经的液体配重及陀螺转子角动量确定；为所述预设采样周期。

40、这样的设置，相比于忽略耦合项或使用经验常数的通用滤波模型，该参数化设计严格遵循陀螺仪进动与寻北摆动的微分方程本质，使卡尔曼滤波器在仅依赖航向角误差观测时，仍能沿真实物理轨迹准确推演主轴倾角的动态演化，从根本上避免了因模型失配导致的估计漂移或阻尼失效。

41、优选地，s2中，通过所述陀螺罗经随动伺服系统中拾取力矩器的交流感应绕组采集所述航向角误差时间序列信号，所述交流感应绕组内部通有交流激磁信号，用于实时捕捉敏感元件与外围随动环之间的相对偏角误差；所述航向角误差时间序列信号经模数转换后以所述预设采样周期形成离散信号。

42、这样的设置，直接利用随动伺服系统中原有的拾取力矩器交流感应绕组作为航向角误差的传感通道，通过交流激磁机制实时提取敏感元件与随动环的相对偏角，无需额外加装专用角度传感器或改造陀螺球内部结构。

43、优选地，s3中，所述高频振动强度特征值的计算过程包括：

44、截取包含当前时刻在内的过去n个采样点的滑动时间窗数据流，利用一阶离散差分绝对值均值算法，按如下公式计算所述高频振动强度特征值：

45、；

46、其中，为第i个采样点的航向角误差值，n为所述滑动时间窗的采样点数。

47、这样的设置，通过轻量化的时域差分统计模型，构建了从原始观测数据到振动强度特征的高效映射通道，有效解决了船舶强随机振动环境下噪声参数难以实时跟踪的技术瓶。

48、优选地，所述滑动时间窗的采样点数n=100，对应的时间跨度为1秒；所述高频振动强度特征值用于提取频率在1hz至50hz之间的交变机械振动能量成分，以将陀螺罗经自身的慢速寻北运动与高频机械振动分离。

49、这样的设置，通过精确标定的时窗长度与频带响应特性，构建了契合陀螺罗经动力学特征的轻量化振动感知机制，有效保障了强海况下自适应阻尼控制对环境扰动的敏感性与对系统固有运动的免疫性。

50、优选地，s3中，根据所述高频振动强度特征值的大小对所述测量噪声协方差矩阵进行分级调整，包括：

51、将所述高频振动强度特征值与预设的第一阈值和第二阈值进行比较，＜；

52、当时，设置所述测量噪声协方差矩阵；其中，为为静态基准值；

53、当时，设置；

54、当时，设置。

55、这样的设置，相比于线性比例调整易导致的增益震荡或单一阈值带来的响应迟滞，该阶梯式策略在低振动时维持高观测权重以保障寻北收敛速度与稳态精度，在高振动时迅速降低滤波器对受污染航向误差信号的依赖，强制状态估计更多依靠物理模型预测进行平滑过渡，有效防止异常观测值引发主轴倾角估计发散或阻尼力矩误动作。

56、优选地，所述第一阈值，所述第二阈值，所述静态基准值；

57、所述分级调整还引入迟滞保护机制：仅在所述高频振动强度特征值连续跨越同一阈值超过50个采样周期时，才触发所述测量噪声协方差矩阵的分级切换，以过滤单点瞬时突变脉冲并消除分级边界处的频繁振荡。

58、这样的设置，通过精确的参数整定与时间域迟滞保护策略，构建了兼具灵敏度与鲁棒性的噪声协方差自适应调度闭环，解决了强随机振动环境下滤波参数频繁震荡导致的系统失稳风险。

59、优选地，s5中，根据主轴真倾角估计值生成直流阻尼控制信号的过程包括：

60、根据所述主轴真倾角估计值和预设的反向阻尼反馈增益系数，按如下公式计算目标阻尼电流值：

61、；

62、将所述目标阻尼电流值经数模转换后生成所述直流阻尼控制信号，并注入所述拾取力矩器线圈。

63、这样的设置，相比于滞后校正或积分累积带来的响应延迟与稳态振荡，该纯比例负反馈机制通过数模转换直接驱动力矩器线圈产生反向电磁恢复力矩，在物理层面构建了角度偏差-电流-力矩的即时闭环通道，确保主轴在受到海浪冲击或机动扰动后能以最短时间常数回归平衡位置，同时避免过阻尼导致的寻北效率下降或欠阻尼引发的持续摆动。