CN101475018A - 基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，属于运动轨迹工程测试领域。所述装置包括：主机、与所述主机相连接的接口系统、路程计量器和上位机，以及与所述接口系统相连接的光纤陀螺。所述光纤陀螺为由两个单轴光纤陀螺集成在一个陀螺本体内构成的双轴光纤陀螺，所述双轴光纤陀螺敏感轴互相垂直，可以同时对同一平面内两个方向的运行轨迹进行测量。本发明将两个单轴光纤陀螺集成在一个陀螺本体内，通过一个双轴光纤陀螺为空间运行轨迹测试仪提供传感器信息，同时只需配合以一套接口设备，解决了现有轨道检测仪体积大，集成度低的问题，同时简化了电气设计。

Description

基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪

技术领域

本发明涉及一种使用光纤陀螺进行二维空间工程测试的仪器，特别是涉及一种基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪。

背景技术

光纤陀螺惯性器件是稳定测量系统的关键敏感测量设备，能够在运行过程中建立运行轨迹基准坐标系，敏感其推行运动的角速度信息，并通过高速接口系统输出数据到运行轨迹检测仪器的上位机，为准确测量运行轨迹的高低、轨向形变提供相应数据，进而可以进行在二维空间内进行运行轨迹测试。

现有的二维空间运行轨迹测试仪器最常用的是用于检测运行轨迹信息的设备，如轨道检测仪等。这种设备采用两台单轴光纤陀螺作为检测设备，并配合接口电路、里程计量器以及相应的计算机处理系统组成。

以轨道检测仪为例，具体说明现有的二维空间运行轨迹测试仪器的具体组成。如图2所示，现有的轨道检测仪主要包括下列部分：

1、两台单轴光纤陀螺。现有的如轨道检测仪等二维空间运行轨迹测试仪器的开发是建立在传统单轴模拟量输出的光纤陀螺基础上的。单轴光纤陀螺可以选用如VG951型模拟量单轴光纤陀螺，两台VG951模拟量单轴光纤陀螺功能是分别测量推行轨道检测仪产生的高低、和轨向两个方向的角速度信息，并由轨道检测仪的两套接口系统分别进行采集。一套轨道检测仪器需要两台单轴光纤陀螺，为便于区分，可以分别将两套单轴光纤陀螺命名为单轴光纤陀螺A和单轴光纤陀螺B。

2、两套接口系统。现有的轨道检测仪都是应用的单轴模拟量光纤陀螺，这就需要在轨道检测仪的数字记录部分加入A/D采集电路，而且由于轨道检测仪需要检测轨道的高低、轨向两个轴向的角度信息，所以一套轨道检测仪分别需要配置两套单轴光纤陀螺和相应的两套接口系统。两套接口系统分别完成对两个轴向(高低和轨向)光纤陀螺的模拟量采集、两个陀螺角度积分和主机命令解读和执行等功能。两台接口系统由两块完全相同的电路板组成，可以分别命名为接口系统A和接口系统B。接口系统完成的功能有：利用A/D芯片采集单轴光纤陀螺的模拟量输出，将采集的陀螺输出值进行累加积分出角度，并和主机按照多机通讯格式进行通讯。

3、主机。轨道检测仪的主机是轨道检测仪的核心设备，通常使用单片机来实现。轨道检测仪主机完成的功能是采集轨道检测仪接口系统A和接口系统B按照多机通讯的模式分别传送的高低、轨向角度值；采集轨道里程计量器数据；完成和PC机的通讯，并执行上位机的各种命令。

4、路程计量器。里程计量器的功能是计量轨道检测仪行进的里程信息，并把轨道检测仪推行里程信息传递给轨道检测仪的主机。

5、上位机。上位机的主要功能是与轨道检测仪的主机进行通讯，向轨道检测仪发出工作指令，收集主机处理后的传感器信息，提供人机对话界面便于操作人员对轨道检测仪进行操作。

由上述结构组成的轨道检测仪虽然也可以实现的二维空间运行轨迹测试的基本功能，但现有的一台轨道检测仪需要两套单轴光纤陀螺和两套接口系统，使其集成度低，且体积较大。由于轨道检测仪通常使用于铁路、公路等行驶中的测量，所以仪器的体积和集成度会直接影响测量的准确性。现有设备因使用两台单轴光纤陀螺和两套接口设备使体积较大，很难进行进一步集成。

发明内容

为了使加强轨道检测仪的集成度，提高轨道检测仪的测量精度，本发明提供了一种基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪。所述技术方案如下：

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，包括主机、与所述主机分别相连接的接口系统、路程计量器和上位机，以及与所述接口系统相连接的光纤陀螺，所述光纤陀螺为由两个单轴光纤陀螺集成在一个陀螺本体内构成的双轴光纤陀螺，所述双轴光纤陀螺的敏感轴互相垂直，可以同时对同一平面内两个方向的运行轨迹进行测量。

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，构成所述双轴光纤陀螺的两个单轴光纤陀螺光路共用一个光源，其他部分完全独立。

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，所述双轴光纤陀螺为全固态保偏数字闭环双轴光纤陀螺。

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，所述全固态保偏数字闭环双轴光纤陀螺由光路部分和硬件电路组成；光路部分由半导体光源、光纤耦合器、偏振器、探测器、Y波导和光纤环构成；从半导体光源发出的光，经过偏振器、耦合器和Y波导之后在光纤环中沿顺时针、逆时针两个方向进行单偏振传输，并在光路公共端发生了干涉，干涉相位由Y波导进行相位反馈，然后进入探测器；所述硬件电路由A/D转换电路、D/A电路、一次、二次模拟放大电路以及逻辑和信号处理电路构成；电信号依次经过一次、二次放大电路后进入A/D转换电路，模数转换后，进入逻辑和信号处理电路进行处理，产生的方波偏置调制和数字相位阶梯波之和经过D/A电路作用在Y波导一个臂上，完成闭环控制。

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，所述接口系统主要由双串口C8051F021单片机、温度补偿电路以及接口电路构成；所述双串口C8051F021单片机内置A/D，外部另连接桥式电路进行温度测量；测温电阻放置在所述双轴光纤陀螺的光纤环附近；所述温度补偿电路根据测得的温度数据对所述双轴光纤陀螺进行温度补偿。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明在原有的轨道检测仪的基础上，简化了设计，将两个单轴光纤陀螺集成在一个陀螺本体内，通过一个双轴光纤陀螺为空间运行轨迹测试仪提供传感器信息，同时只需配合以一套接口设备，解决了现有轨道检测仪体积大，集成度低的问题。在体积显著减小的情况下，还将双轴光纤陀螺与接口系统进行一体化设计，将双轴光纤陀螺和接口系统集成在一个整体中。这样在不损失陀螺功能、精度的前提下，大大节约了产品的体积、简化了电气设计。此外，直接将光纤陀螺装入空间运行轨迹测试仪整机中，使本发明的空间运行轨迹测试仪与双轴光纤陀螺达到一体化的状态，并解决了陀螺信息被空间运行轨迹测试仪有效利用的问题。同时，本发明还利用多机通讯模式解决了空间运行轨迹测试仪控制高低、轨向陀螺信息解算问题。

附图说明

图1是现有的轨道检测仪结构示意图；

图2是本发明实施例提供的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪结构示意图；

图3是本发明实施例提供的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪中双轴光纤陀螺电路部分的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪接口系统中的供电电路图；

图5是本发明实施例提供的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪接口系统中的电平转换电路图；

图6是本发明实施例提供的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪接口系统中的桥式电路和测温电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图2所示，本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪主要由5部分组成，包括双轴光纤陀螺、接口系统、里程计量器、主机以及上位机组成。

里程计量器、主机以及上位机部分与现有的轨道检测仪基本相同，其主要区别体现在双轴光纤陀螺和接口系统部分。

本发明的双轴光纤陀螺由硬件电路和光路两部分组成。光路部分包括半导体光源、光纤耦合器、偏振器、探测器、集成光学器件Y波导和光纤环构成，从半导体光源发出的光，经过偏振器、耦合器和Y波导之后在光纤环中沿顺时针、逆时针两个方向进行单偏振传输，并在光路公共端发生了干涉，干涉相位由Y波导进行相位反馈，然后进入探测器，转换成电信号。

硬件电路部分如图3所示，由A/D转换电路、D/A转换电路、逻辑和信号处理电路、以及一次、二次模拟放大电路组成。电信号经过一次、二次放大电路后进入A/D转换电路，模数转换后，进入逻辑电路进行处理，产生的方波偏置调制和数字相位阶梯波之和经过D/A转换电路作用在Y波导一个臂上，完成闭环控制。

本发明中的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪通过利用双轴光纤陀螺检测运动过程中振动角度信息来反映轨道状态。其双轴光纤陀螺中，一个陀螺的敏感轴向竖直，测量二维空间水平方向的摆动；另一个陀螺的敏感轴为水平方向，测量二维空间竖直方向上的摆动。其特点是既可以检测运行轨迹上下振动的角度信息，又可以检测运行轨迹左右振动的角度信息，从而可以完成对如轨道形变等运行轨迹信息的采集。

本发明中与双轴光纤陀螺相连接的是接口系统。由于本发明的二维空间运行轨迹测试仪需要利用双轴光纤陀螺测量高低和轨向两个方向的数值，所以接口系统可以分成功能完全相同的两部分电路。该两部分电路主要功能是采集光纤陀螺的传感器信息，并对传感器信息进行积分处理，把角速度信息转化成主机可以识别的角度信息。

接口系统中每部分电路分别由双串口的C8051F021单片机、温度补偿电路以及接口电路等组成。图4中所示为供电电路，该部分电路由电源模块和低压差稳压器构成，电源模块给陀螺供电。低压差稳压器V1、V2给接口板供电，U7给单片机内部AD电路提供电压基准。

图5所示为电平转换电路，该部分由于接口板是3.3V TTL电平，需要转换成5V TTL与轨检仪对接。

图6所示为桥式电路和测温电路。该部分由单片机内部AD进行采样获取对象的当前温度值。

此外，对应于双轴光纤陀螺的高低、轨向两个轴每一部分接口电路还分别包括温度补偿电路以及接口电路图。其中U1、U2为分别对应的双轴光纤陀螺的高低、轨向两个轴的双串口单片机，C8051F021单片机的UART1串口1的优先级别较高，用来接收光纤陀螺的角速度信息，信息为24位有效字。单片机接收到角速率信息后，进行积分运算，并保存积分结果在固定的寄存器中。单片机C8051F021的UART串口2优先级别较低，用于和轨道检测仪的主机进行通讯。串口2的通讯方式为多机通讯，便于轨道检测仪主机分别呼叫接口系统的两部分电路。这样的串口设置，由于串口1的优先级别高，不会丢失陀螺的有效数据，当串口2的命令还没有执行完毕的时候，单片机会暂时挂起和轨道检测仪主机的通讯，响应串口1的中断命令。当单片机接收到轨道检测仪主机发出的多机通讯命令时，会根据多机通讯的地址，来辨别当前的单片机，是否上传当前角度值。用多机通讯的方法来区分检测高低还是检测轨向的陀螺信息。单片机C8051F021内置A/D，外部设计桥式电路进行测温，测温电阻放置在光纤陀螺光纤环附近，敏感环境温度，测得的数据再对陀螺进行温度补偿。

本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪具体工作模式和命令约定如下所示：

一、通信格式：

轨道检测仪主机使用51单片机的串行口，采用其方式2即多机通信方式：每帧11位，1位起始位，9位数据位，1位停止位；上电复位时，波特率默认为57600。其中A陀螺敏感轴向竖直，测量二维空间水平方向的摆动；B陀螺敏感轴为水平方向，测量二维空间竖直方向上的摆动。

规定：主机--主控接口板，从机一双轴光纤陀螺接口板。

①广播状态：

主机(发送方)：SM2＝1  TB8＝1，发送从机地址或群控命令

各从机(接受方)：SM2＝1，接收到地址时与自身地址(41H或42H)比较，符合者(被点名从机)转为P2P方式工作，继续接收并执行P2P命令；接收到群控命令时，执行该命令，无需回复，不切换状态。

②P2P状态

被点名从机、主机(发送方)：SM2＝0TB8＝0

被点名从机、主机(接受方)：SM2＝0RB8＝0

二、命令约定

主机发送若干命令，从机则回应相关数据。

1、主机发给从机(陀螺仪接口板)命令：

①广播命令：

41H：呼叫A陀螺仪接口板(广播地址)；

42H：呼叫B陀螺仪接口板(广播地址)；

44H：波特率动态修改为9600；

45H：波特率动态修改为19200；

51H：各陀螺仪接口板暂停测量工作；

52H：各陀螺仪接口板恢复测量工作----暂停后重起；

53H：各陀螺仪接口板停止测量工作；

54H：各陀螺仪接口板准备发送工作；

55H：各陀螺仪接口板进入标定状态；

56H：各陀螺仪接口板退出标定状态

②P2P命令：必须先发送地址，被点名从机继续接收并执行以下命令。

31H：陀螺仪接口板启动工作；

32H：陀螺仪接口板上传角度差，及当前零点；

35H：陀螺仪接口板下传增益，两个字节(先高字节后低字节)；

36H：陀螺仪接口板清零(标定专用)；

37H：陀螺仪接口板上传角度(标定专用)

2、被点名从机在P2P状态(陀螺仪接口板)回送主机数据

回送32H命令的数据：共七个字节，前四个字节为角度差(陀螺输出的累积和)，用补码表示(先高后低)；后三个字节为当前零点(先高后低)；

回送37H命令的数据：角度(16进制数，先高后低，三个字节，陀螺输出值的累积和除以主机下传的增益值)--标定专用；

其余主机命令，从机均不回应。

三、工作过程

设备工作主要分为两种状态：测量工作状态、标定工作状态。另外附加一个增益传送状态。

1、附加增益传送状态：

①主机下传A陀螺仪接口板所需的增益

I)主机 发41H(广播命令)：呼叫A陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发35H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板接收主机下传的增益；

III)主机 发(A)陀螺仪接口板所需增益的高字节(P2P状态)；

IV)主机 发(A)陀螺仪接口板所需增益的低字节(P2P状态)；

②主机下传A陀螺仪接口板所需的增益

I)主机 发42H(广播命令)：呼叫B陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发35H(P2P命令)：要求(B)陀螺仪接口板接收主机下传的增益；

III)主机 发(B)陀螺仪接口板所需增益的高字节(P2P状态)；

IV)主机 发(B)陀螺仪接口板所需增益的低字节(P2P状态)；

注意：①②步骤是不分先后的；该附加增益传送在测量工作状态、标定工作状态下都可能使用。

2、标定工作状态

①主机 发55H(广播命令)：通知各陀螺仪接口板进入标定状态；

②主机要求A陀螺仪接口板角度清零

I)主机 发41H(广播命令)：呼叫A各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发36H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板陀螺输出值清零。收到该命令后，陀螺仪将进行20秒的陀螺输出值连续平均，作为该陀螺仪的零点值；

③主机要求A陀螺仪接口板上传角度

I)主机 发41H(广播命令)：呼叫A各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发37H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板上传角度；

III)从机(A陀螺仪接口板，P2P状态)：回送(A)陀螺仪所测的角度数据(先高后低，三个字节)

④主机要求B陀螺仪接口板角度清零

I)主机 发42H(广播命令)：呼叫A各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发36H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板陀螺输出值清零。收到该命令后，陀螺仪将进行20秒的陀螺输出值连续平均，作为该陀螺仪的零点值；

⑤主机要求B陀螺仪接口板上传角度

I)主机 发42H(广播命令)：呼叫B各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发37H(P2P命令)：要求(B)陀螺仪接口板上传角度；

III)从机(B陀螺仪接口板，P2P状态)：回送(B)陀螺仪所测的角度数据(先高后低，三个字节)

⑥主机 发56H(广播命令)：通知各陀螺仪接口板退出标定状态；

注意：进入标定状态时，主机一定先发送①；进入标定状态后，②③④⑤的步骤是不分先后的；退出标定状态时，主机一定发送⑥。

3、测量工作状态

①主机要求A陀螺仪接口板进入测量工作状态

I)主机 发41H(广播命令)：呼叫A各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发36H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板陀螺输出值清零。收到该命令后，陀螺仪将进行20秒的陀螺输出值连续平均，作为该陀螺仪的零点值；

②主机要求B陀螺仪接口板进入测量工作状态

I)主机 发42H(广播命令)：呼叫B各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发36H(P2P命令)：要求(B)陀螺仪接口板角度清零。

收到该命令后，陀螺仪将进行20秒的陀螺输出值连续平均，作为该陀螺仪的零点值；

③主机 发54H(广播命令)：采样间隔到，通知各陀螺仪接口板采样陀螺输出值(未标定的角度差)，并清零陀螺输出值；

④主机要求A陀螺仪接口板上传角度差

I)主机 发41H(广播命令)：呼叫A各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发32H(P2P命令)：要求(A)陀螺仪接口板上传角度差及当前零点；

III)从机(A陀螺仪接口板，P2P状态)：共七个字节，前四个字节为角度差，用补码表示(先高后低)；后三个字节为当前零点(先高后低)；

⑤主机要求B陀螺仪接口板上传角度差

I)主机 发42H(广播命令)：呼叫B各陀螺仪接口板的地址；

II)主机 发32H(P2P命令)：要求(B)陀螺仪接口板上传角度差及当前零点；

III)从机(B陀螺仪接口板，P2P状态)：共七个字节，前四个字节为角度差，用补码表示(先高后低)；后三个字节为当前零点(先高后低)；

⑥主机 发51H(广播命令)：通知各陀螺仪接口板暂停陀螺输出值的积分计算；

⑦主机 发52H(广播命令)：通知各陀螺仪接口板恢复陀螺输出值的积分计算；

⑧主机 发53H(广播命令)：通知各陀螺仪接口板停止测量过程；注意：①②步骤是不分先后的；进入测量工作状态时，主机一定先执行①②步骤；进入测量工作状态后，③步一定在④⑤之前执行，且④⑤步骤是不分先后的，并可有③④④⑤或③④⑤④等多种组合形式。

4、其余

①主机 发44H(广播命令)：波特率改为9600；

②主机 发45H(广播命令)：波特率改为19200；

注意：①②步骤是不分先后的；设备每次上电时默认波特率为57600。

四、说明

在测量或标定过程中，零点值将作为一个常数，每次角速度积分值均减去该常数，才进行累计和的运算。

如果陀螺仪具有动态零点测量或零点渐消算法，该常数可能为动态值。故在测量数据上传时，要求上传该常数。

在本发明中，双轴光纤陀螺被直接应用在基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪系统上，大大简化了产品设计，并提高性能稳定性。经过和双轴光纤陀螺对接组装后的本发明的二维空间运行轨迹测试仪的检测数据如下表1所示：

表1

 

实测里程(Km)	轨距变化(mm)	实测高低值(mm)	实测轨向值(mm)
				0.01	0.38	1.57	1.36
0.02	1.34	0.09	0.35
				0.03	-0.27	0.57	0.48
0.04	0.36	0.75	0.25
				0.05	0.57	1.18	1.63
0.06	0.97	0.26	0.78
				0.07	-1.25	0.47	0.69
0.08	-0.24	0.63	0.54
				0.09	-0.57	0.87	1.85
0.1	-0.54	0.98	0.78

 

0.11	-0.69	1.53	0.69
				0.12	-0.85	0.95	0.45
0.13	0.52	0.94	0.56
				0.14	1.57	0.35	0.52
0.15	1.63	0.42	0.95
				0.16	1.24	1.03	1.42
0.17	0.24	1.3	0.54
				0.18	-0.64	0.85	0.78
0.19	0.87	1.24	1.63
				0.2	1.28	1.32	1.25

根据相关标准，检测设备对高低和轨向测量值与标准值偏差不超过2mm为合格，由表1可见，使用本发明的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪可以完全满足运行轨迹测量的要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，包括主机、与所述主机分别相连接的接口系统、路程计量器和上位机，以及与所述接口系统相连接的光纤陀螺，其特征在于，所述光纤陀螺为由两个单轴光纤陀螺集成在一个陀螺本体内构成的双轴光纤陀螺，所述双轴光纤陀螺的敏感轴互相垂直，可以同时对同一平面内两个方向的运行轨迹进行测量。

2、根据权利要求1所述的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，其特征在于，构成所述双轴光纤陀螺的两个单轴光纤陀螺光路共用一个光源，其他部分完全独立。

3、根据权利要求1所述的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，其特征在于，所述双轴光纤陀螺为全固态保偏数字闭环双轴光纤陀螺。

4、根据权利要求3所述的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，其特征在于，所述全固态保偏数字闭环双轴光纤陀螺由光路部分和硬件电路组成；光路部分由半导体光源、光纤耦合器、偏振器、探测器、Y波导和光纤环构成；从半导体光源发出的光，经过偏振器、耦合器和Y波导之后在光纤环中沿顺时针、逆时针两个方向进行单偏振传输，并在光路公共端发生了干涉，干涉相位由Y波导进行相位反馈，然后进入探测器；所述硬件电路由A/D转换电路、D/A电路、一次、二次模拟放大电路以及逻辑和信号处理电路构成；电信号依次经过一次、二次放大电路后进入A/D转换电路，模数转换后，进入逻辑和信号处理电路进行处理，产生的方波偏置调制和数字相位阶梯波之和经过D/A电路作用在Y波导一个臂上，完成闭环控制。

5、根据权利要求1所述的基于双轴光纤陀螺的二维空间运行轨迹测试仪，其特征在于，所述接口系统主要由双串口C8051F021单片机、温度补偿电路以及接口电路构成；所述双串口C8051F021单片机内置A/D，外部另连接桥式电路进行温度测量；测温电阻放置在所述双轴光纤陀螺的光纤环附近；所述温度补偿电路根据测得的温度数据对所述双轴光纤陀螺进行温度补偿。

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