CN102636169B - 一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪 - Google Patents

Abstract

一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，它是由箱体、光纤陀螺IMU组件和系统电路组件三部分组成；光纤陀螺IMU组件放置在箱体的惯组腔，系统电路组件放置在箱体的电路腔，惯组腔和电路腔之间通过电连接器完成电气连接，通过箱体的上盖及连接螺栓将箱体全部封闭。本发明采用器件与系统一体化、模块化集成设计，着重提高系统的环境适应性和实际使用性能，解决了现有光纤陀螺车载定位定向仪设计中存在体积大、重量大、温度性能差、一致性差、减振器设计复杂等带来的系统使用性能较差的问题，提高了系统的可靠性和可维修性。它在惯性技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。

Description

一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪

(一)技术领域：本发明涉及一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，属于惯性技术领域。

(二)背景技术：光纤陀螺经过几十年的发展已成为惯性技术领域的主流陀螺，并在多种场合得到了成功的应用，相对于其它类型的陀螺有一系列的优点：抗冲击、无活动部件、启动时间短、体积小、工艺简单、可靠性高等。三轴一体光纤陀螺是一种将惯性导航所需三个正交方向的陀螺设计成一体化的光纤陀螺，对光路、电路、结构等方面均进行综合考虑，达到最优化设计，所以三轴一体设计将是光纤陀螺发展和应用的重要方向。

现有光纤陀螺车载定位定向仪的设计方法主要是将惯性器件与系统设计分离开，在单表设计测试完成后组合在一起搭建成完整的系统，这种设计方法的缺点一是温度性能差，陀螺的光源模块及信号处理电路产生的热量会影响光纤陀螺敏感环与加速度计表头精度；缺点二是相对三轴一体系统来说体积大、重量大、一致性差、不利于减振器的设计等。

因此，在现有光纤陀螺车载定位定向仪的设计方法中存在体积大、重量大、温度性能差、一致性差、减振器设计复杂带来系统使用性能较差的问题。

(三)发明内容：

(1)目的：

本发明的目的是提供一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪。它采用器件与系统一体化、模块化集成设计，克服了现有技术的不足，着重提高系统的环境适应性和实际使用性能，简化装配生产工艺，减小系统体积重量，提高系统可靠性和可维修性。解决了现有光纤陀螺车载定位定向仪常规设计中存在体积大、重量大、温度性能差、一致性差、减振器设计复杂等带来的系统使用性能较差的问题。

(2)技术方案：

见图1(a)、图1(b)，本发明一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，它是由箱体、光纤陀螺IMU组件和系统电路组件三部分组成。它们之间的位置连接关系是：光纤陀螺IMU组件放置在箱体的惯组腔，系统电路组件放置在箱体的电路腔，惯组腔和电路腔之间通过电连接器完成电气连接，通过箱体的上盖及连接螺栓将箱体全部封闭。

所述箱体，见图2(a)、图2(b)，其形状为长方体形，电路腔位于箱体前部，其前侧开通口，以便于安装电源。电路腔的两内侧侧壁上加工有锁紧槽，以固定系统电路组件上的锁紧条。电路腔底部有4个安装凸台，用于安装母板。在电路腔和惯组腔之间的中隔板上有两个过线孔，光纤陀螺IMU组件的信号导线都通过这两个过线孔与系统电路组件连接。箱体的后部是惯组腔，在四个对角处加工有4个成空间对角布局的安装凸台，用于安装光纤陀螺IMU组件。箱体右后侧外部的上方，加工了反射镜安装面，它和箱体底部的安装凸台共同构成了整个系统的基准。在箱体右后侧内部，加工了两个光源锁紧槽，光源通过这两个锁紧槽固定在机箱上。箱体四周设置有安装法兰，安装法兰上配置定位销和安装孔。箱体的前面、上面都加工了密封槽，用于放置密封圈，当前面板和顶盖安装上去后，可以起到良好的密封效果。此外，整个箱体的侧面和后面都加工了大量的加强筋，在减轻重量的同时也起到了散热的作用。惯组腔中放置光纤陀螺IMU组件，电路腔中放置系统电路组件；惯组腔和电路腔之间采用隔板密封隔离，主要发热源(系统电路组件)放置于电路腔，有效减小了系统电路组件产生的热量对惯组腔中光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响，提高了系统使用性能。惯组腔与电路腔之间采用31、37针电连接器连接，全部电气连接，简化了系统生产、装配工艺，提高了系统可靠性和可维修性。

所述光纤陀螺IMU组件(见图4)采用三轴一体高精度轻小型光纤陀螺，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，三个加速度计表头，三块敏感环前放电路板，一个配重，四组成空间对角布置的减振器，以及一个固定在机箱侧壁上的光源。三只光纤陀螺敏感环共用一只光源，同时采用小直径减重光纤环，有效减小了系统的重量和体积。光源采用锁紧条紧贴机箱侧壁固定，加快了光源的散热，减小了光源产生的热量对光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响。光纤陀螺IMU组件采用双层磁屏蔽设计，即光纤陀螺敏感环磁屏蔽结合惯组腔整体磁屏蔽，有效提高了系统使用性能。采用空间对角减振布局的IMU台体有效保证光纤陀螺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，提高了系统的振动性能。IMU台体上的光纤陀螺敏感环和加速度计表头成空间正交布局，同时加以配重进行质心调节，使得被减振体质量中心和减振器几何中心相对距离达到最优，提高了系统的振动性能。(该光纤陀螺IMU组件已另有专利申请，这里不再详述)

所述系统电路组件(见图3)，是指安装在电路腔中的导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板、母板和电源板。导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板通过设置在箱体底部的母板进行连接，便于装配和维修。导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板具有统一的外形尺寸、结构形式和安装接口，以图6中的导航板为例，该板的正面覆盖有导热盒，便于热量导出，反面通过锁紧条与箱体侧壁固定。光纤陀螺电路分成两部分，即敏感环前放电路板与陀螺主控制板，敏感环前放电路板放置惯组腔中，保证了惯组腔与电路腔中没有光路连接(全部电气连接)，提高了系统可靠性和可维修性，陀螺主控制板放置于电路腔中，避免了其产生的热量对光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响。电源(见图5(a)、图5(b))布置在箱体最前端，将电源板放置在机箱前面板后上部的电源板安装腔中，利用电源上盖进行封装，以防止电源板对其它处理电路的干扰，在前面板上部加工有较多的散热翅，提高了电源的散热效能。

本发明的工作原理及工作流程简介如下：惯组腔中的光源、光纤陀螺敏感环、敏感环前放电路板及电路腔中的陀螺主控制板共同组成高精度三轴一体光纤陀螺，输出三个轴向的载体角速度信息；惯组腔中的加速度计表头及电路腔中的加速度计处理板共同组成三个轴向的加速度计，输出三个轴向的载体加速度信息；角速度和加速度信息通过母板作为导航板的输入；通过外部电连接器引入高度计信息、里程计信息经过母板作为导航板的输入；导航板上的导航计算机计算得到的载体姿态、速度和位置信息经过母板再通过外部电连接器发送到上位机；所有器件及电路板的供电由电源板提供。

(3)优点及功效：

本发明一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，改变以往传统的设计方法，通过惯性器件与系统的一体化模块化综合集成，从提高整体系统实际使用性能的角度进行了优化布局与设计，实现了以下优点：

1、采取多项措施降低了热量、振动和磁场对系统精度的影响，提高了系统的环境适应能力和实际使用性能。

2、通过系统整体优化布局实现了全固连轻小型设计，有效减小了系统的体积和重量。

3、采用模块化优化设计，简化了系统装配和生产工艺，提高了系统的可靠性和可维修性。

(四)附图说明：

图1(a)为本发明前部立体图

图1(b)为本发明后部立体图

图2(a)为本发明箱体前部立体图

图2(b)为本发明箱体后部立体图

图3为本发明处理电路组件立体图

图4为本发明光纤陀螺IMU组件立体图

图5(a)为本发明电源后部立体图

图5(b)为本发明电源前部立体图

图6为本发明导航板结构示意图

图中符号说明如下：

1.箱体                2.安装法兰        3.上盖(电路腔)

4.外部电连接器        5.电源(前面板)    6.系统电路组件

7.光源                8.上盖(惯组腔)    9.光纤陀螺IMU组件

10.安装孔             11.反射镜安装面   12敏感环前放电路板

13.光纤陀螺敏感环     14.减振器         15.31、37针电连接器

16.配重               17.IMU安装凸台    18.惯组腔

19.电路腔             20.过线孔         21.锁紧槽

22.母板安装凸台       23.密封槽         24.定位销

25.光源锁紧槽

601.加速度计处理板    602.导航板        603.锁紧条

604.母板              605.内部连接器    606.陀螺主控制板

610.导热盒

501.电源板安装腔      502.电源板        503.电源上盖

504.散热翅

901.IMU台体           903.加速度计表头

(五)具体实施方式：

见图1(a)、图1(b)，本发明一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，它是由箱体1、光纤陀螺IMU组件9和系统电路组件6三部分组成。它们之间的位置连接关系是：光纤陀螺IMU组件9放置在箱体1的惯组腔18，系统电路组件6放置在箱体1的电路腔19，惯组腔18和电路腔19之间通过31针、37针电连接器15完成电气连接，通过箱体1的上盖3、8及连接螺栓将箱体全部封闭。

所述箱体1，见图2(a)、图2(b)，其形状为长方体形，它分为电路腔19和惯组腔18两个部分，中间有隔板将两部分隔开。电路腔19位于箱体1前部，其前侧开通口，以便于安装电源5。电路腔19的两内侧侧壁上加工有锁紧槽21，以固定系统电路组件6上的锁紧条603。电路腔19底部有4个母板安装凸台22，用于安装母板604。箱体1的后部是惯组腔18，在四个对角处加工有4个成空间对角布局的IMU安装凸台17，用于安装光纤陀螺IMU组件9。箱体四周设置有安装法兰2，安装法兰2上配置定位销24和安装孔10。箱体1右后侧外部的上方，加工了反射镜安装面11，它和箱体1底部的IMU安装凸台17共同构成了整个系统的基准。在箱体1右后侧内部，加工了两个光源锁紧槽25，光源7就安装在这两个光源锁紧槽25内。惯组腔18与电路腔19之间采用31、37针电连接器15通过两个过线孔20连接，全部为电气连接，简化了系统生产、装配工艺，提高了系统可靠性和可维修性。箱体1的前面、上面都加工了密封槽23，用于放置密封圈，当前面板和顶盖安装上去后，可以起到良好的密封效果。此外，整个箱体1的侧面和后面都加工了大量的加强筋，在减轻重量的同时也起到了散热的作用。整个箱体1的重量小于4500g(不含上盖、前面板)，通过四个M8螺钉进行固定。

所述光纤陀螺IMU组件，见图4采用三轴一体高精度轻小型光纤陀螺，它包括了一个IMU台体901，以及通过IMU台体901上的多组安装孔安装其上的三个光纤陀螺敏感环13，三个加速度计表头903，三块敏感环前放电路板12，一个配重16，四组成空间对角布置的减振器14，以及一个固定在机箱侧壁上的光源7。三只光纤陀螺敏感环13共用一只光源，同时采用小直径减重的光纤陀螺敏感环13，有效减小了系统的重量和体积。光源7紧贴机箱1侧壁固定，加快了光源7的散热，减小了光源7产生的热量对光纤陀螺敏感环13和加速度计表头903的影响。光纤陀螺IMU组件9采用双层磁屏蔽设计，即光纤陀螺敏感环13磁屏蔽结合惯组腔18整体磁屏蔽，有效提高了系统使用性能。采用空间对角减振布局的IMU台体901有效保证光纤陀螺IMU组件9在振动、冲击条件下具有良好的各向同性动力学响应特征，提高了系统的振动性能。IMU台体901上的光纤陀螺敏感环13和加速度计表头903成空间正交布局，同时加以配重16进行质心调节，使得被减振体质量中心和减振器几何中心相对距离达到最优，提高了系统的振动性能。(该光纤陀螺IMU组件已另有专利申请，这里不再详述)

所述系统电路组件6，见图3、图5(a)、图5(b)和图6，是指安装在电路腔19中的导航板602、加速度计处理板601、陀螺主控制板606、母板604和电源板502，导航板602、加速度计处理板601、陀螺主控制板606通过设置在箱体底部的母板604进行连接。导航板602、加速度计处理板601、陀螺主控制板606具有统一的外形尺寸、结构形式和安装接口，以图6中的导航602板为例，电路该板的正面覆盖有导热盒610，便于热量导出，反面通过锁紧条603与箱体1侧壁固定。光纤陀螺电路分成两部分，即敏感环前放电路板12与陀螺主控制板606，敏感环前放电路板12放置惯组腔18中，保证了惯组腔18与电路腔19中没有光路连接(全部电气连接)，提高了系统可靠性和可维修性，陀螺主控制板606放置于电路腔19中，避免了其产生的热量对光纤陀螺敏感环13和加速度计表头903的影响。电源5，布置在箱体1最前端，将电源板502放置在机箱1前面板后上部的电源板安装腔501中，利用电源上盖503进行封装，以防止电源板502对其它处理电路的干扰，在前面板上部加工有较多的散热翅504，提高了电源的散热效能。该导航板602、加速度计处理板601、陀螺主控制板606都是底部安装有内部连接器605的194mm×194mm矩形板料。该母板604是一块其上设有安装孔的170mm×95mm矩形板料。

Claims (1)

1.一种基于三轴一体高精度光纤陀螺的车载动态定位定向仪，其特征在于：它是由箱体、光纤陀螺IMU组件和系统电路组件三部分组成，光纤陀螺IMU组件放置在箱体的惯组腔，系统电路组件放置在箱体的电路腔，惯组腔和电路腔之间通过电连接器完成电气连接，通过箱体的上盖及连接螺栓将箱体全部封闭；

所述箱体，其形状为长方体形，电路腔位于箱体前部，其前侧开通口，以便于安装电源；电路腔的两内侧侧壁上加工有锁紧槽，以固定系统电路组件上的锁紧条；电路腔底部有4个安装凸台，用于安装母板；在电路腔和惯组腔之间的中隔板上有两个过线孔，光纤陀螺IMU组件的信号导线都通过这两个过线孔与系统电路组件连接；箱体的后部是惯组腔，在四个对角处加工有4个成空间对角布局的安装凸台，用于安装光纤陀螺IMU组件；箱体右后侧外部的上方，加工了反射镜安装面，它和箱体底部的安装凸台共同构成了整个系统的基准；在箱体右后侧内部，加工了两个光源锁紧槽，光源通过这两个锁紧槽固定在机箱上；箱体四周设置有安装法兰，安装法兰上配置定位销和安装孔；箱体的前面、上面都加工了密封槽，用于放置密封圈，当前面板和顶盖安装上去后，起到良好的密封效果；此外，整个箱体的侧面和后面都加工了加强筋，在减轻重量的同时也起到了散热的作用；惯组腔中放置光纤陀螺IMU组件，电路腔中放置系统电路组件；惯组腔和电路腔之间采用隔板密封隔离，主要发热源即系统电路组件放置于电路腔，有效减小了系统电路组件产生的热量对惯组腔中光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响，提高了系统使用性能；惯组腔与电路腔之间采用31、37针电连接器连接，全部电气连接，简化了系统生产、装配工艺，提高了系统可靠性和可维修性；

所述光纤陀螺IMU组件，采用三轴一体高精度轻小型光纤陀螺，它包括了一个IMU台体，以及通过IMU台体上的复数组安装孔安装其上的三个光纤陀螺敏感环，三个加速度计表头，三块敏感环前放电路板，一个配重，四组成空间对角布置的减振器，以及一个固定在机箱侧壁上的光源；三只光纤陀螺敏感环共用一只光源，同时采用小直径减重光纤环，有效减小了系统的重量和体积；光源采用锁紧条紧贴机箱侧壁固定，加快了光源的散热，减小了光源产生的热量对光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响；光纤陀螺IMU组件采用双层磁屏蔽设计，即光纤陀螺敏感环磁屏蔽结合惯组腔整体磁屏蔽，有效提高了系统使用性能；采用空间对角减振布局的IMU台体有效保证光纤陀螺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，提高了系统的振动性能；IMU台体上的光纤陀螺敏感环和加速度计表头成空间正交布局，同时加以配重进行质心调节，使得被减振体质量中心和减振器几何中心相对距离达到最优，提高了系统的振动性能；

所述系统电路组件，是指安装在电路腔中的导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板、母板和电源板；导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板通过设置在箱体底部的母板进行连接，便于装配和维修；导航板、加速度计处理板、陀螺主控制板具有统一的外形尺寸、结构形式和安装接口，所述导航板的正面覆盖有导热盒，便于热量导出，反面通过锁紧条与箱体侧壁固定；光纤陀螺电路分成两部分，即敏感环前放电路板与陀螺主控制板，敏感环前放电路板放置惯组腔中，保证了惯组腔与电路腔中没有光路连接，而是全部电气连接，提高了系统可靠性和可维修性，陀螺主控制板放置于电路腔中，避免了其产生的热量对光纤陀螺敏感环和加速度计表头的影响；电源布置在箱体最前端，将电源板放置在机箱前面板后上部的电源板安装腔中，利用电源上盖进行封装，以防止电源板对其它处理电路的干扰，在前面板上部加工有散热翅，提高了电源的散热效能。

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