CN100559124C - 一种框架式捷联惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：包括高转速隔离装置和SINS系统，SINS系统通过过渡架安装在偏心舱内部，偏心舱通过定轴轴承和止推板与运载体连接，SINS系统和偏心舱装配后的整体重心位于偏心舱旋转轴线以下，在重力作用下形成回复力矩。本发明利用了轴承和重力的力学特点，合理设计结构，使偏心舱不随运载体的转动而转动，为SINS系统提供了一个良好的工作环境，提高了系统的测量精度。本发明适用于各种低空飞行运载体，尤其适用于各种具有较高自转角速度的低成本、小型化低空飞行运载体。

Description

一种框架式捷联惯性导航系统

技术领域

本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别涉及高转速下惯性导航系统的应用技术，适用于各种低成本、低测量范围的惯性导航系统。

背景技术

惯性导航系统的核心设备是IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量单元)，它由三只陀螺仪和三只加速度计组成，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两互相垂直并且分别与对应的三个导航坐标轴平行，而三只加速度计则分别安装在三个导航坐标轴上。

惯性导航系统利用惯性敏感器(包括陀螺仪和加速度计)组成的IMU、基准方向及最初的位置信息来确定运载体的方位、位置和速度的自主式航位推算导航系统。它工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，这一独特优点，使其成为运载体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的一种广泛使用的主要导航方法。

运载体的运动是在三维空间里进行的，它的运动形式，一是线运动，一是角运动。不论线运动还是角运动都是三维空间的，要建立一个三维空间坐标系，势必要建立一个三轴惯性平台。有了三轴惯性平台，才能提供测量三自由度线加速度的基准，利用IMU中的加速度计测得已知方位的三个线加速度分量，通过计算机计算出运载体的运动速度及位置。但是，三轴惯性平台的建立，在工程上是一个复杂的问题，由惯性平台的建立方式将惯性导航系统分为平台式惯性导航系统和捷联式惯性导航系统两大类。

平台式惯性导航中的IMU安装在真实物理平台上，平台通过内外框架与舰船、飞机等运载器相连，利用三环或四环式的机械框架系统，可以从外到里分别隔离了运载体横滚、俯仰和偏航三个方位角运动对IMU的影响，解除了这三个约束，使IMU在三维空间的运动完全自由。因而可以测量出运载体的航向角、俯仰角和横滚角。

捷联式惯性导航系统(SINS，Strapdown Inertial Navigation System)将惯性元件，即陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上，陀螺仪和加速度计分别测量运载体相对惯性空间的三个转动角速度和三个线加速度沿运载体坐标系的分量，经过坐标变换，把加速度信息转化为沿导航坐标系的加速度。经过计算，得到运载体的位置、速度、航向和水平姿态等各种导航信息。在捷联惯导系统中，用计算机来完成导航平台的功能，以数学平台代替了平台惯导系统中的物理平台。捷联惯导系统没有平台系统复杂的框架结构和框架跟踪陀螺的伺服系统，因而大大简化了系统结构，给系统带来许多优点：1)整个系统的体积和成本大大降低；2)惯性仪表便于安装、维护和更换；3)能够提供更多的导航和制导信息；4)惯性仪表便于采用余度配置，提高系统性能和可靠性。由于捷联惯导系统具有的系列优点，在许多方面正逐步取代平台式惯导系统。

目前有一种广泛应用的低空飞行运载体，需要装备惯性导航系统以提高运动精度。这种运载体具有很高的自转角速度，达到每秒钟自转5转至30转，折合为1800度/秒～10800度/秒；飞行速度快、距离短，飞行时俯仰角很小，几乎为水平发射，飞行过程中，飞行轨迹近似为水平，俯仰角的值很小；运载体的重量轻、体积小，承载能力弱。这种低空飞行运载体如果装备平台式惯性导航系统，存在以下缺点：其一，平台式惯导系统结构复杂，为了保证平台能够实时跟踪当地水平和真北方向，需要配备复杂的框架结构和框架跟踪陀螺的伺服系统；其二，平台式惯导系统体积太大，不适合上述运载体；其三，平台式惯导系统成本高；其四，平台式惯导系统中惯性仪表的安装、维护和更换程序复杂；其五，平台式惯导系统中惯性仪表不便于采用余度配置，使系统性能和可靠性较低。这种低空飞行运载体如果装备现有的捷联式惯性导航系统，虽然可以克服装备平台式惯性导航系统带来的上述诸多问题，但是也具有本身难以逾越的缺点。由于捷联惯性导航系统的惯性器件与运载体固联在一起，所以，整个系统随着运载体一起做同样的运动，而这种运载体为了提高飞动轨迹的稳定性，在飞行的同时，具有很高的自转角速度，每秒钟通常能自转5转至30转，折合为1800度/秒～10800度/秒，这远远超出了普通陀螺仪的角速度测量范围。而捷联惯性导航系统的各个导航参数的解算过程相互耦合，如果测量不出运载体的自转角速度，则捷联解算就无法进行下去。目前有个别昂贵的特殊陀螺仪具有较大的角速度测量范围，但是，陀螺仪测量范围越大，陀螺仪的分辨率越低，所以即使在这里应用了大测量范围的陀螺仪，也会带来的很大的测量误差。同样因为捷联惯性导航系统的各个导航参数解算过程之间相互耦合，如果自转角速度分辨率低、测量误差大，将会降低整个导航系统的导航精度。

所以，目前无论是平台式惯性导航系统还是捷联式惯性导航系统都难以满足上述低空飞行运载体的导航要求。

发明内容

本发明的目的是：克服现有平台惯导和捷联惯导应用在低空运载体上的不足，提供一种框架式捷联惯性导航系统，隔离运载体的大自转角速度，提高载体导航信息的测量精度。

本发明的技术解决方案是：一种框架式捷联惯性导航系统，包括高转速隔离装置和SINS系统，高转速隔离装置由偏心舱、前定轴轴承、后定轴轴承、前平面止推轴承、后平面止推轴承和四块止推板组成。SINS系统安装在过渡架上，过渡架与偏心舱内部的安装基准板固联，使得SINS系统朝向偏心舱的舱体内部，偏心舱与前定轴轴承的内环、后定轴轴承的内环、前平面止推轴承的内环、后平面止推轴承的内环固联，前平面止推轴承前侧外环与止推板固联、后侧外环与止推板固联，后平面止推轴承前侧外环与止推板固联、后侧外环与止推板固联。

所述的偏心舱的舱体为柱形壳体，在舱体的四个角上加工出4块安装基准板，在舱体两端各加工出一根圆柱轴，两端圆柱轴与柱形壳体同轴，两端圆柱轴的同轴度要求在1～4级，圆周度要求在2～3级。偏心舱的制备材料采用锡青铜，还可以采用铜、铜合金、钢、钢合金、结构陶瓷、金属基复合材料或陶瓷基复合材料中的任意一种。

所述的前定轴轴承和后定轴轴承选用的是双排滚珠的球轴承，还可以是单排滚珠的球轴承，还可以是双排滚柱的滚子轴承，还可以是单排滚柱的滚子轴承。所述的前平面止推轴承(4)和后平面止推轴承(5)选用的是双排滚珠的平面止推轴承，还可以是单排滚柱的滚子平面止推轴承。

所述的止推板为一个扁平长方体，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使止推板与运载体相连接；该扁平长方体中心加工一个孔，其直径大于偏心舱舱体两端圆柱轴的直径，且与偏心舱舱体两端圆柱轴同轴；止推板6和止推板7分别焊接在前平面止推轴承4两侧的外环上，止推板8和止推板9分别焊接在后平面止推轴承5两侧的外环上。

所述的过渡架为一个扁平长方体，为梁形结构，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使过渡架与偏心舱的安装基准板相连接；过渡架中间横梁处有四个孔，用于安装螺钉，使过渡架与SINS系统相连接。

本发明的原理是：一种框架式捷联惯性导航系统，包括高转速隔离装置和SINS系统。高转速隔离装置如图1所示，由偏心舱1、前定轴轴承2、后定轴轴承3、前平面止推轴承4、后平面止推轴承5和四块止推板6～9组成。SINS系统11安装在过渡架12上，过渡架12与偏心舱1内部的安装基准板10固联，使得SINS系统11朝向偏心舱1的舱体内部，偏心舱1与前定轴轴承2的内环、后定轴轴承3的内环、前平面止推轴承4的内环、后平面止推轴承5的内环固联，前平面止推轴承4前侧外环与止推板6固联、后侧外环与止推板7固联，后平面止推轴承5前侧外环与止推板8固联、后侧外环与止推板9固联，SINS系统11安装在偏心舱1的舱体内部。偏心舱1的舱体为柱形壳体，在舱体的四个角上加工出4块安装基准板10，在舱体两端各加工出一根圆柱轴，两端圆柱轴与柱形壳体同轴；前定轴轴承和后定轴轴承选用的是双排滚珠的球轴承，前平面止推轴承和后平面止推轴承选用的是双排滚珠的平面止推轴承。止推板6～9为一个扁平长方体，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使止推板6～9与运载体相连接；该扁平长方体中心加工一个孔，其直径大于偏心舱1舱体两端圆柱轴的直径。止推板6和止推板7分别焊接在前平面止推轴承4两侧的外环上，止推板8和止推板9分别焊接在后平面止推轴承5两侧的外环上。过渡架12为一个扁平长方体，设计成梁形结构，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使过渡架12与偏心舱1的安装基准板10相连接；过渡架12中间横梁处有四个孔，用于安装螺钉，使过渡架12与SINS系统11相连接。其装配前示意图如图3所示，装配后的示意图如图4所示。

偏心舱1的具体结构示意图如图5所示，其舱体为柱形壳体，在舱体两端各加工出一根圆柱轴，两端圆柱轴的轴心穿过偏心舱舱体端面的圆心，即两端圆柱轴与柱形壳体同轴，两端圆柱轴的同轴度和圆周度要求均很高，两端圆柱轴的同轴度要求在1～4级，圆周度要求在2～3级。整个偏心舱用密度大、刚度、强度、硬度都比较高的材料，如锡青铜、铜、铜合金、钢、钢合金、结构陶瓷、金属基复合材料或陶瓷基复合材料制成，使其重心G处于旋转轴线O-O′以下，如图5a所示，形成了较大的偏心舱重力回复力矩。如果要增加形成的重力回复力矩，可以选用密度更大的材料制作偏心舱，或者改变偏心舱的构形使偏心舱重心与偏心舱旋转轴线O-O′之间的距离增大来实现。在偏心舱1舱体内部加工出4块安装基准板10，用于安装过渡架12和SINS系统11二者的组合体。

定轴轴承包括前定轴轴承2和后定轴轴承3，其具体结构构成如图6所示，它是一种双排滚珠的球轴承，这两个轴承的内环13固定在偏心舱1的两端圆柱轴上，通过将两个轴承的外环14固定在运载体上使偏心舱的旋转轴线O-O′与运载体的高速自转轴线平行。通过对滚珠15的润滑等措施，可以使定轴轴承内环和外环之间的摩擦力很小。

过渡架12设计的质量较轻，利用螺钉将SINS系统11通过过渡架12中间横梁处的四个孔紧固在过渡架12上，然后，将二者组合体中的SINS系统11朝向偏心舱1的舱体安装，通过螺钉将二者组合体中的过渡架12的四角对应紧固在4块安装基准板10上，这样就使SINS系统11处在了偏心舱1的舱体内部，从而保证二者组合体的总重心也处于旋转轴线O-O′以下，与高转速隔离装置配合时形成较大的SINS系统重力回复力矩。

当运载体以很高的自转角速度转动时，定轴轴承内环和外环之间的摩擦力，会对偏心舱形成摩擦力矩，有使偏心舱绕其旋转轴线O-O′发生与运载体自转角速度同方向的转动趋势，但是，由于定轴轴承内环和外环之间的摩擦力很小，形成的摩擦力矩也很小，而偏心舱的舱体是为柱形壳体，两端各有一根圆柱轴，两端圆柱轴的轴心穿过偏心舱舱体端面(多半个圆形截面)的圆心，这种结构使得偏心舱的重心距离轴线O-O′较远，而且偏心舱的制作材料可以根据实际情况选择，一般选用密度大、刚度、强度、硬度都比较高的材料制成，具有较大的质量，会受到很大的重力，产生很大的回复力矩；另一方面，SINS系统11处在偏心舱1的舱体内部，其重心也处于旋转轴线O-O′以下，并远离轴线，也会形成很大的重力回复力矩。所以摩擦力矩远远小于偏心舱重力回复力矩和SINS系统重力回复力矩之和，这就使偏心舱不会随着运载体的转动而转动，从而使偏心舱不受运载体的高速自转角速度的影响，实现自转角速度的隔离。

前平面止推轴承4和后平面止推轴承5均是双排滚珠的平面止推轴承，具体结构如图7所示，其内环16与偏心舱的两端圆柱轴键合，两侧的外环17分别与对应的止推板固联，两个平面止推轴承共有四个侧环，分别与四块止推板6～9固联。四块止推板通过减震装置，一般为弹簧垫片，与运载体连接。前平面止推轴承4、后平面止推轴承5和四块止推板6～9的组合，对偏心舱以及其内部的SINS系统在轴向上起到了减震保护的作用。

本发明与现有技术相比的优点在于以下几点：

1)本发明可以将运载体的高速自转运动隔离，使SINS系统处在一个适宜的低转速工作环境里，普通陀螺仪的角速度测量范围即可满足其要求，分辨率高，提高了导航精度，并保证了捷联惯性导航系统各个导航参数解算过程的顺利进行。

2)本发明结构简单，不需要配备复杂的控制电路和跟踪陀螺的伺服系统；

3)本发明体积小，成本低；

4)本发明便于采用余度配置，提高系统性能和可靠性。

附图说明

图1为高转速隔离装置组成示意图，图中：1、偏心舱，2、前定轴轴承，3、后定轴轴承，4、前平面止推轴承，5、后平面止推轴承，6、前平面止推轴承的前向止推板，7、前平面止推轴承的后向止推板，8、后平面止推轴承的前向止推板，9、后平面止推轴承的后向止推板；10、安装基准板；

图2为SINS系统固定在过渡架上装配示意图；图中：图2a为主视图，图2b为左视图，图2c为左俯视图；

图3为SINS系统与高转速隔离装置装配前示意图；图中：11、SINS系统，12、过渡架；

图4为SINS系统与高转速隔离装置装配后示意图；

图5为偏心舱结构示意图，其中图5a为主视图，图5b为左视图，图5c为俯视图，图5d为左俯视图；

图6为定轴轴承结构示意图，其中图6a为主视图，图6b为左视图，6c为左俯视图；图中：13、内环，14、外环，15、滚珠；

图7为平面止推轴承结构示意图，其中图7a为主视图，图7b为左视图，图7c为右俯视图；图中：16、内环，17、外环；

图8为止推板结构示意图，其中图8a为主视图，图8b为左视图，图8c为左俯视图。

图9为过渡架结构示意图。

具体实施方式

本发明实施例以某型短程近地长筒形飞行运载体为例。

此飞行运载体的框架式捷联惯性导航系统，主要包括高转速隔离装置和SINS系统。

其中，SINS系统的制作流程和工艺比较复杂，国内有多家研究所和高等院校多年来一直致力于其研制和开发，已经发展为一套成熟的技术，关于SINS系统的制作过程，有大量相关文献可以查阅，属于公知技术，在此不再详述。

高转速隔离装置是本发明设计的核心部件，其制成后的结构如图1所示，由偏心舱1、前定轴轴承2、后定轴轴承3、前平面止推轴承4、后平面止推轴承5和四块止推板6～9组成。SINS系统11固定在过渡架12上的装配示意图如图2所示，利用螺钉将SINS系统11通过过渡架12中间横梁处的四个孔紧固在过渡架12上，然后，将二者组合体中的SINS系统11朝向偏心舱1的舱体安装，通过螺钉将二者组合体中的过渡架12的四角对应紧固在4块安装基准板10上，其装配前示意图如图3所示，装配后的示意图如图4所示。偏心舱1与前定轴轴承2的内环、后定轴轴承3的内环、前平面止推轴承4的内环、后平面止推轴承5的内环固联，前平面止推轴承4前侧外环与止推板6固联、后侧外环与止推板7固联，后平面止推轴承5前侧外环与止推板8固联、后侧外环与止推板9固联。

偏心舱1的具体加工结构如图5所示，其舱体为柱形壳体，在其两端各切削加工出有一根圆柱轴，两端圆柱轴与柱形壳体同轴，两端圆柱轴的同轴度和圆周度要求均很高，同轴度要求在1～4级，圆周度要求在2～3级，整个偏心舱用密度大、刚度、强度、硬度都比较高的锡青铜材料制成，也可以采用铜、铜合金、钢、钢合金、结构陶瓷、金属基复合材料、陶瓷基复合材料中的任意一种；在偏心舱1的舱体的四个角上加工出4块方形安装基准板10，这种结构使得偏心舱1的重心G在旋转轴线O-O′以下，如图5a所示，可形成较大的偏心舱重力回复力矩。如果要增加形成的重力回复力矩，可以通过增加偏心舱1的质量或增加偏心舱1重心与偏心舱1旋转轴线O-O′之间的距离来实现。

定轴轴承有两个，包括前定轴轴承2和后定轴轴承3，选用双排滚珠的球轴承，还可以是单排滚珠的球轴承，还可以是双排滚柱的滚子轴承，还可以是单排滚柱的滚子轴承。本实施例选用深圳市华驰机电有限公司生产的6201ZZ/2RS系列双排滚珠球轴承作为定轴轴承，他们的具体结构构成如图6所示。将这两个轴承的内环13固定在偏心舱1的两端圆柱轴上，通过将两个轴承的外环14固定在运载体上使偏心舱1的旋转轴线O-O′与运载体的高速自转轴线平行。通过对滚珠15的润滑等措施，可以使定轴轴承内环和外环之间的摩擦力很小。

过渡架12为一个扁平长方体，设计成梁形，以减轻质量，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使过渡架12与偏心舱的安装基准板10相连接；过渡架12中间横梁处有四个孔，用于安装螺钉，使过渡架12与SINS系统11相连接，过渡架结构如图9所示。SINS系统11通过螺钉固定在过渡架12上，二者的总重心在旋转轴线O-O′以下，并尽量远离轴线，以便与高转速隔离装置配合时形成较大的SINS系统重力回复力矩。

当运载体以很高的自转角速度转动时，会形成摩擦力矩，但是，由于摩擦力很小，形成的摩擦力矩远远小于偏心舱重力回复力矩和SINS系统重力回复力矩之和，从而使偏心舱不随运载体的转动而转动，实现自转角速度的隔离。

平面止推轴承包括前平面止推轴承4和后平面止推轴承5，选用双排滚珠的平面止推轴承，还可以是单排滚柱的滚子平面止推轴承，本实施例选用上海烈力轴承制造有限公司生产的29系列双排滚珠平面止推轴承，具体结构如图7所示。将其内环16与偏心舱的前后轴键合，两侧的外环17分别与对应的止推板固联，两个平面止推轴承共有四个外环，分别与四块止推板6～9固联。四块止推板通过减震装置，一般为弹簧垫片，与运载体连接。前平面止推轴承4、后平面止推轴承5和四块止推板6～9的组合，对偏心舱以及其内部的SINS系统在轴向上起到了减震保护的作用。

止推板6～9为一个扁平长方体，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使止推板6～9与运载体相连接；该扁平长方体中心加工一个孔，其直径大于偏心舱1舱体两端圆柱轴的直径，且与偏心舱1舱体两端圆柱轴同轴；止推板6和止推板7分别焊接在前平面止推轴承4两侧的外环上，止推板8和止推板9分别焊接在后平面止推轴承5两侧的外环上。

本发明可以作为一种通用的框架式捷联惯性导航系统，应用者可以根据各自运载体的具体结构特点，通过修改尺寸或局部结构来灵活方便地实现其功能。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1、一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：包括高转速隔离装置和SINS系统，高转速隔离装置由偏心舱(1)、前定轴轴承(2)、后定轴轴承(3)、前平面止推轴承(4)、后平面止推轴承(5)、第一止推板(6)、第二止推板(7)、第三止推板(8)和第四止推板(9)组成，SINS系统(11)安装在过渡架(12)上，过渡架(12)与偏心舱(1)内部的安装基准板(10)固联，使得SINS系统(11)朝向偏心舱(1)的舱体内部，偏心舱(1)与前定轴轴承(2)的内环、后定轴轴承(3)的内环、前平面止推轴承(4)的内环、后平面止推轴承(5)的内环固联，前平面止推轴承(4)前侧外环与第一止推板(6)固联、后侧外环与第二止推板(7)固联，后平面止推轴承(5)前侧外环与第三止推板(8)固联、后侧外环与第四止推板(9)固联。

2、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的偏心舱(1)的舱体为柱形壳体，在舱体的四个角上加工出4块安装基准板(10)，在舱体两端各加工出一根圆柱轴，两端圆柱轴与柱形壳体同轴，两端圆柱轴的同轴度要求在1～4级，圆周度要求在2～3级。

3、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的偏心舱(1)的制备材料采用锡青铜，还可以采用铜、铜合金、钢、钢合金、结构陶瓷、金属基复合材料或陶瓷基复合材料中的任意一种。

4、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的前定轴轴承(2)和后定轴轴承(3)选用的是双排滚珠的球轴承，还可以是单排滚珠的球轴承，还可以是双排滚柱的滚子轴承，还可以是单排滚柱的滚子轴承。

5、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的前平面止推轴承(4)和后平面止推轴承(5)选用的是双排滚珠的平面止推轴承，还可以是单排滚柱的滚子平面止推轴承。

6、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的第一止推板(6)、第二止推板(7)、第三止推板(8)和第四止推板(9)中的每一块均为一个扁平长方体，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使第一止推板(6)、第二止推板(7)、第三止推板(8)和第四止推板(9)与运载体相连接；该扁平长方体中心加工一个孔，其直径大于偏心舱(1)舱体两端圆柱轴的直径，且与偏心舱(1)舱体两端圆柱轴同轴；第一止推板(6)和第二止推板(7)分别焊接在前平面止推轴承(4)两侧的外环上，第三止推板(8)和第四止推板(9)分别焊接在后平面止推轴承(5)两侧的外环上。

7、根据权利要求1所述的一种框架式捷联惯性导航系统，其特征在于：所述的过渡架(12)为一个扁平长方体，为梁形结构，其四个角各有一个孔，用于安装螺钉，使过渡架(12)与偏心舱(1)的安装基准板(10)相连接；过渡架(12)中间横梁处有四个孔，用于安装螺钉，使过渡架(12)与SINS系统(11)相连接。

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