CN102636164B - 一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺imu组合 - Google Patents

Abstract

一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合，含一个IMU台体，以及通过IMU台体上的多组安装孔安装其上的三个光纤陀螺敏感环，三个加速度计，三块敏感环前放电路板，一个配重，四组成空间对角布置的T型橡胶减振器，和一个固定在机箱侧壁上的光源组件；三个光纤陀螺敏感环和三个加速度计对应共轴，呈空间正交布局且三轴线交于一点；光纤陀螺敏感环内仅包括Y波导和耦合器，探测器及其敏感环前放电路板、1分3耦合器都布置在IMU台体上；光纤陀螺敏感环体采用磁屏蔽，通过减小其直径，既减小了惯性组件体积，又提高了惯性组件振动环境下的性能；采用空间对角减振布局的IMU台体保证捷联系统IMU组件在振动、冲击条件下具有良好的各向同性动力学响应特征。

Description

一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合

技术领域

本发明涉及一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合。属于惯性导航技术领域。

背景技术

光纤陀螺仪是一种基于萨格奈克效应、可感知载体角位移和角速度的敏感元件，由光纤陀螺和加速度计构成的光纤陀螺捷联式惯导系统，使用光纤陀螺和加速度计感知载体的转角和加速度，通过软件数学平台实现载体位置、速度和姿态的解算。由于不再采用传统的机电平台，因而系统结构简单、易于维修、可靠性高，日渐成为当前导航领域的技术主流。

对于高精度光纤陀螺捷联系统而言，振动和环境温度的变化对IMU组合的影响仍然是导致系统导航误差的关键因素。要保证捷联系统在复杂应用环境下准确可靠的工作，有效的隔振措施和合理的热设计必不可少。但另一方面，减振器的使用又可能给捷联系统引入附加运动，在进行IMU组合设计时，必须通过合理的结构布局来实现IMU组合的重心与IMU台体的几何中心、减振支撑中心的重合，以避免IMU组合在振动条件下的“线振动-角振动”耦合。同时，IMU的合理热布局仍需充分考虑光路的装配工艺性，并尽量避免惯导系统内部热源对光纤陀螺敏感环的热影响。

发明内容

1、目的：

本发明的目的是提供一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合，它克服了现有技术的不足，具有内部发热少、受环境变化影响小、温度性能好和抗振动冲击能力强的优点。

2、技术方案：

本发明一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合，它包括了一个IMU台体，以及通过IMU台体上的多组安装孔安装其上的三个光纤陀螺敏感环，三个加速度计，三块敏感环前放电路板，一个配重，四组成空间对角布置的T型橡胶减振器，以及一个固定在机箱侧壁上的光源组件。光纤陀螺IMU组合的整体布局如图1所示，三个光纤陀螺敏感环和三个加速度计对应共轴，呈空间正交布局且三轴线交于一点。光纤陀螺敏感环内仅包括了Y波导和耦合器，探测器及其敏感环前放电路板、1分3耦合器都布置在IMU台体上；光纤陀螺敏感环体采用磁屏蔽，减小磁场对惯性组件性能的影响；采用小直径减重光纤陀螺敏感环，一方面减小了惯性组件体积，另一方面提高了惯性组件振动环境下的性能。采用金属制配重调整重心，理论偏心在直径1mm的球面内。采用空间对角减振布局的IMU台体应用于光纤陀螺捷联系统IMU的装配时，可以保证捷联系统IMU组件在振动、冲击条件下具有良好的各向同性动力学响应特征。

所述的IMU台体为一体成型的近似六面体结构，见图2a、图2b，具有成空间对角布置的四个外伸式减振器安装支腿，用于安装光纤陀螺敏感环和加速度计的安装孔分布在所述IMU台体的六个侧面上，且在安装孔的定位端面上加工有相互正交的安装凸台。本发明IMU台体采用加强筋和减重孔设计，实现了轻量化和高刚度设计。

所述的三个光纤陀螺敏感环采用复合壳体结构设计，相互成空间正交的安装在IMU台体的三个侧面上，且光纤陀螺敏感环的轴线与所述IMU组合的三个参考坐标轴正向平行。该光纤陀螺敏感环呈圆柱状，它由光纤线圈、复合壳体、底座、安装凸台和安装凸台孔组成，其位置连接关系是：光纤线圈固定在底座上，复合壳体和底座连接，底座上的安装凸台高出复合壳体的表面，并加工有安装凸台孔，光纤陀螺敏感环通过安装凸台孔和IMU台体连接。该复合壳体是三层结构的圆柱体，外部是磁屏蔽层，中间是支撑壳，内侧为隔热层，可实现对陀螺线圈的热/电/磁防护和密封；该底座是圆柱体，用于支撑陀螺线圈和固定复合壳体；该安装凸台是圆柱形凸台，提供了整个光纤陀螺敏感环的安装基准；该安装凸台孔是螺纹孔，可实现光纤陀螺敏感环的固定。

所述三个加速度计为石英挠性加速度计，安装在和三个光纤陀螺敏感环相对的IMU台体的侧面内部，相互成空间正交并靠近IMU台体的几何中心。

所述三块敏感环前放电路板和所述IMU组合的负Z向加速度计共用IMU台体的一个侧面，通过侧面外部的安装凸台和安装孔固定。该敏感环前放电路板呈扇形状，实现对陀螺信号的前置放大处理。

所述配重安装在IMU台体六面体结构的一个顶点处，因而以最小的质量获得了最大的调心效果。该配重呈L形状，相互垂直的两个平面设置有安装固定孔。

所述四组T型橡胶减振器对应安装在IMU台体的四个外伸式减振器安装支腿上的安装孔内，并且减振器的中心距离在参考坐标系的X轴和Y轴上的投影长度相等，在Z轴上的投影长度与其它两个方向的投影长度之比大于0.7。该T型橡胶减振器呈“工”字形状，根据减振要求定制。

所述光源组件采用“锁紧条-冷板”式模块设计，通过锁紧条固定在机箱侧壁，和IMU台体之间仅有光路和电气上的连接而不直接接触。它包括了作为装配基础的冷板、用于和机箱侧壁固定的锁紧条，光源驱动电路板，用于放置光源组件的光源腔，以及保护光源腔的上盖；锁紧条安装在冷板的左右两个侧边，光源驱动电路板安装在冷板的中上部，光源腔布置在冷板的中下部，上盖固定在光源腔上面。该冷板是一块其上设有安装孔的矩形板料，组成光源的各零件在其上安装，同时该冷板也能将光源工作热量有效传递到机箱(外界)；该锁紧条是市购的标准件，它具有楔形锁紧机构，可实现光源器件在机箱上的固定安装，同时也改善了光源组件的散热；该光源驱动电路板是一块其上设有安装孔的矩形板料，实现光源驱动；该光源腔是箱体结构，用于安置组成光源的各类光学器件；该上盖是一块其上设有安装孔的矩形板料，用于封装和保护光源腔。

3、优点及功效：

本发明所述的IMU组合，其光纤陀螺敏感环采用复合壳结构、内部没有发热器件；其光源组件利用“锁紧条-冷板”固定到箱体上、和IMU台体之间没有直接的热接触；其敏感环前放电路板通过IMU台体上的安装凸台固定，因此所述的光纤陀螺IMU组合具有内部发热少、受环境变化影响小、温度性能好的优点。

本发明所述的IMU组合，其光纤陀螺敏感环和加速度计成空间正交的安装在所述IMU台体上，且光纤陀螺敏感环和加速度计的敏感轴轴线对应重合并交于IMU台体的几何中心上；借助于配重的调心作用，该交汇点同时也是所述IMU组合的质心和减振支撑中心，即实现了IMU组合装配后“敏感轴交汇点-几何中心-质心-减振支撑中心”的四心重合。

借助于IMU台体的空间对角减振布局设计和组合装配后的“四心重合”设计，将本发明所述光纤陀螺IMU组合应用于高精度捷联系统时，具有质量轻、对环境温度变化不敏感的优点，并且在振动和冲击条件下具有良好的各向同性动力学响应特性。

附图说明

图1是本发明的空间对角减振光纤陀螺IMU组合装配的爆炸图

图2a是IMU台体的结构示意图(正向)

图2b是IMU台体的结构示意图(反向)

图3是光纤陀螺敏感环示意图

图4是配重示意图

图5是光源组件示意图。

图中符号说明如下：

1.IMU台体             101.X向光纤陀螺敏感    102.Y向光纤陀螺敏感

                      环安装孔               环安装孔

103.Z向光纤陀螺敏感环 104.负X向加速度计安    105.负Y向加速度计安

安装孔                装孔                   装孔

106.负Z向加速度计安   107.敏感环前放电路板   108.负Z向侧面安装凸

装孔                  安装孔                 台

109.配重安装孔        110.水平加强筋         111.配重安装孔

112.垂直靠面          113.Z向减振器安装孔    114.Z向减振器安装支腿

115.Z向减振器安装孔   116.Z向减振器安装支腿  117.负Z向减振器安装孔

118.负Z向减振器安装   119.负Z向减振器安装    120.负Z向减振器安装

支腿                  孔                     支腿

2.光纤陀螺敏感环        201.复合壳体         202.底座

203.安装凸台            204.安装凸台孔       3.加速度计

4.敏感环前放电路板    5.配重                 501.水平安装面

502.安装孔        503.垂直安装面        504.安装孔

6.T型橡胶减振器   7.光源组件            701.冷板

702.锁紧条        703.光源驱动电路板    704.光源腔

705.上盖

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

见图1、图2a、图2b，本发明一种用于高精度光纤陀螺捷联系统的IMU组合，包括了一个采空间对角减振布局的一体化IMU台体1，以及通过所述IMU台体1上的多组安装孔进行安装的三个光纤陀螺敏感环2，三个加速度计3，一个配重5，三块敏感环前放电路板4，四组T型橡胶减振器6，以及一个固定在机箱侧壁上、和所述IMU台体之间仅有电气和光路连接的光源组件7。采用一体化成型制造的IMU台体1是整个组合的装配基础。

所述的IMU台体1为近似的六面体结构、采用一体成型技术加工，在其六个侧面上分布有三组光纤陀螺敏感环安装孔、三组加速度计安装孔、三组敏感环前放电路板安装孔和两组配重安装孔；并且所述IMU台体1具有四个成空间对角布置的外伸式减振器安装支腿以及加工在安装支腿上的四个减振器安装孔。所述的多组安装孔包括了：

(1)第一组、第二组和第三组X向光纤陀螺敏感环安装孔101、Y向光纤陀螺敏感环安装孔102和Z向光纤陀螺敏感环安装孔103分别布置在IMU台体1的正X向、正Y向和正Z向侧面的外侧；第一组、第二组和第三组负X向加速度计安装孔104、负Y向加速度计安装孔105和负Z向加速度计安装孔106和所述光纤陀螺敏感环安装孔相对布置，并位于IMU台体的负X向、负Y向和负Z向侧面的内侧，靠近IMU台体的几何中心；

(2)所述的三组敏感环前放电路板安装孔107布置在IMU台体1的负Z向侧面安装凸台108上；

(3)所述的两组配重安装孔109和111布置在IMU台体1之六面体结构的顶点位置处，并且配重安装孔109位于IMU台体1的水平加强筋110上，配重安装孔111位于IMU台体1的垂直靠面112上；

(4)所述的Z向减振器安装孔113、115位于IMU台体1正Z向侧面的两个外伸式Z向减振器安装支腿114、116上，负Z向减振器安装孔117、119位于IMU台体1负Z向侧面的两个外伸式负Z向减振器安装支腿118、120上，并且Z向减振器安装孔113、115的中心连线与负Z向减振器安装孔117、119的中心连线空间交叉垂直。

见图3，本发明光纤陀螺IMU组合所述的光纤陀螺敏感环2采用复合壳体结构设计，包括了光纤线圈、复合壳体201、底座202、安装凸台203以及安装凸台孔204；光纤线圈固定在底座202上，复合壳体201和底座202连接，底座202上的安装凸台203高出复合壳体201的表面，并加工有安装凸台孔204。所述的光纤陀螺敏感环2通过安装凸台孔204和IMU台体1连接。

见图4，本发明光纤陀螺IMU组合所述的配重5为近似的L形，具有一个水平安装面501，其上加工了两个安装孔502，具有一个垂直安装面503，其上加工了三个安装孔504，所述配重5的水平安装面501和垂直安装面503相互垂直，通过安装孔502、504固定到所述IMU台体1的六面体结构的一个顶点位置上。

见图5，本发明光纤陀螺IMU组合所述的光源组件7采用模块化设计，包括了作为装配基础的冷板701、用于和机箱侧壁固定的锁紧条702，光源驱动电路板703，光源腔704，以及保护光源腔704的上盖705；锁紧条702安装在冷板701的左右两个侧边，光源驱动电路板703安装在冷板701的中上部，光源腔704布置在冷板701的中下部，上盖705固定在光源腔704上面。

进行本发明光纤陀螺IMU组合的装配时，所述的三个光纤陀螺敏感环2相互成空间正交的固定在IMU台体1的正X向、正Y向和正Z向侧面的X向光纤陀螺敏感环安装孔101、Y向光纤陀螺敏感环安装孔102和Z向光纤陀螺敏感环安装孔103上，且光纤陀螺敏感环2的轴线与所述IMU组合的三个参考坐标轴正向平行；三个加速度计3相互成空间正交的固定在所述IMU台体1的负X向、负Y向和负Z向侧面内侧的负X向加速度计安装孔104、负Y向加速度计安装孔105和负Z向加速度计安装孔106上，并靠近IMU台体1的几何中心。

进行本发明光纤陀螺IMU组合的装配时，所述三块敏感环前放电路4和负Z向加速度计共用IMU台体1的负Z向侧面，通过安装凸台108和敏感环前放电路板安装孔107固定；配重5安装在IMU台体1之六面体结构的一个顶点处，通过配重安装孔109和111固定到所述IMU台体1的水平加强筋110和垂直靠面112上；四组T型橡胶减振器6对应安装在IMU台体1的四个外伸式减振器安装支腿即Z向减振器安装支腿114、116，负Z向减振器安装支腿118、120上的Z向减振器安装孔113、115，负Z向减振器安装孔117和119内。

进行本发明光纤陀螺IMU组合的装配时，所述光源组件7通过锁紧条702固定在箱体侧壁上，和所述IMU台体1之间不直接接触，仅有光路和电气上的连接。

本发明所述的光纤陀螺IMU组合具有如下结构布局特点：

(1)所述IMU台体1上的Z向减振器安装孔113、115、负Z向减振器安装孔117、119的中心距离在参考坐标系的X轴和Y轴上的投影长度相等，在Z轴上的投影长度与其它两个方向的投影长度之比大于0.7；

(2)所述配重5到IMU台体1几何中心的力臂沿参考坐标系的X轴和Y轴的投影相等，沿Z轴的投影在结构尺寸许可的范围内是最大的，因此实现了以最小的配重质量获得最大的调心效果；

本发明所述的光纤陀螺IMU组合应用于高精度捷联系统时具有如下优势：

(1)所述的光纤陀螺敏感环2采用复合壳体结构、内部没有发热器件，所述的光源组件7和IMU台体1之间仅有光路和电气的连接而没有机械接触和固定，所述的三组敏感环前放电路板通过安装凸台108固定到IMU台体一侧，因此所述的光纤陀螺IMU组合1具有内部发热少、受环境变化影响小、温度性能好的优点。

(2)所述的光纤陀螺敏感环2和加速度计3成空间正交地安装在所述IMU台体1上，其敏感轴轴线对应重合并交于IMU台体1的几何中心上，借助于配重5的调心作用，该交汇点同时也是所述IMU组合的质心和减振支撑中心，即实现了IMU组合装配后“敏感轴交汇点-几何中心-质心-减振支撑中心”的四心重合。

因此，将本发明所述光纤陀螺IMU组合应用于高精度捷联系统时，具有质量轻、对环境温度变化不敏感的优点，并且在振动和冲击条件下具有良好的各向同性动力学响应特性。

Claims (1)

1.一种用于高精度捷联系统的光纤陀螺IMU组合，其特征在于：包括了一个采用空间对角减振布局的一体化IMU台体，以及通过所述IMU台体上的多组安装孔进行安装的三个光纤陀螺敏感环，三个加速度计，一个配重，三块敏感环前放电路板，四组T型橡胶减振器，以及一个固定在机箱侧壁上、和所述IMU台体之间仅有电气和光路连接的光源组件；采用一体化成型制造的IMU台体是整个组合的装配基础；

所述的IMU台体为六面体结构、采用一体成型技术加工，在其六个侧面上分布有三组光纤陀螺敏感环安装孔、三组加速度计安装孔、三组敏感环前放电路板安装孔和两组配重安装孔；并且所述IMU台体具有四个成空间对角布置的外伸式减振器安装支腿以及加工在安装支腿上的四个减振器安装孔；所述的多组安装孔包括了：

(1)第一组、第二组和第三组X向光纤陀螺敏感环安装孔、Y向光纤陀螺敏感环安装孔和Z向光纤陀螺敏感环安装孔，分别布置在IMU台体的正X向、正Y向和正Z向侧面的外侧；第一组、第二组和第三组负X向加速度计安装孔、负Y向加速度计安装孔和负Z向加速度计安装孔，所述第一组、第二组和第三组X向光纤陀螺敏感环安装孔相对布置，并位于IMU台体的负X向、负Y向和负Z向侧面的内侧，靠近IMU台体的几何中心；

(2)所述的三组敏感环前放电路板安装孔，布置在IMU台体的负Z向侧面安装凸台上；

(3)所述的两组配重安装孔，布置在IMU台体之六面体结构的顶点位置处，并且一组配重安装孔位于IMU台体的水平加强筋上，另一组配重安装孔位于IMU台体的垂直靠面上；

(4)两个Z向减振器安装孔，位于IMU台体正Z向侧面的两个外伸式Z向减振器安装支腿上，两个负Z向减振器安装孔位于IMU台体负Z向侧面的两个外伸式负Z向减振器安装支腿上，并且两个Z向减振器安装孔的中心连线与两个负Z向减振器安装孔的中心连线空间交叉垂直；

光纤陀螺IMU组合所述的光纤陀螺敏感环采用复合壳体结构设计，包括了光纤线圈、复合壳体、底座、安装凸台以及安装凸台孔；光纤线圈固定在底座上，复合壳体和底座连接，底座上的安装凸台高出复合壳体的表面，并加工有安装凸台孔；所述的光纤陀螺敏感环通过安装凸台孔和IMU台体连接；

光纤陀螺IMU组合所述的配重为L形，具有一个水平安装面，其上加工了两个安装孔，具有一个垂直安装面，其上加工了三个安装孔，所述配重的水平安装面和垂直安装面相互垂直，通过安装孔固定到所述IMU台体的六面体结构的一个顶点位置上；

光纤陀螺IMU组合所述的光源组件采用模块化设计，包括了作为装配基础的冷板、用于和机箱侧壁固定的锁紧条，光源驱动电路板，光源腔，以及保护光源腔的上盖；锁紧条安装在冷板的左右两个侧边，光源驱动电路板安装在冷板的中上部，光源腔布置在冷板的中下部，上盖固定在光源腔上面；

光纤陀螺IMU组合装配时，所述的三个光纤陀螺敏感环相互成空间正交的固定在IMU台体的正X向、正Y向和正Z向侧面的X向光纤陀螺敏感环安装孔、Y向光纤陀螺敏感环安装孔和Z向光纤陀螺敏感环安装孔上，且三个光纤陀螺敏感环的轴线与所述IMU组合的三个参考坐标轴正向平行；三个加速度计相互成空间正交的固定在所述IMU台体的负X向、负Y向和负Z向侧面内侧的负X向加速度计安装孔、负Y向加速度计安装孔和负Z向加速度计安装孔上，并靠近IMU台体的几何中心；

光纤陀螺IMU组合装配时，所述三块敏感环前放电路板和负Z向加速度计共用IMU台体的负Z向侧面，通过安装凸台和敏感环前放电路板安装孔固定；配重安装在IMU台体的六面体结构的一个顶点处，通过配重安装孔固定到所述IMU台体的水平加强筋和垂直靠面上；四组T型橡胶减振器对应安装在IMU台体的四个外伸式减振器安装支腿即两个Z向减振器安装支腿,两个负Z向减振器安装支腿上的Z向减振器安装孔,负Z向减振器安装孔内；

光纤陀螺IMU组合装配时，所述光源组件通过锁紧条固定在机箱侧壁上，和所述IMU台体之间不直接接触，仅有光路和电气上的连接。