CN103335643A - 一种模块化光纤陀螺罗经 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤陀螺罗经，包括外壳和容置在外壳内的惯组、转位控制机构和底座，其中，转位控制机构设置在底座上，惯组安装在转位控制机构的转动托盘上，其包括至少一个用于感知外部角加速度的光纤陀螺和至少二个用于感知加速度的加速度计，且空间坐标系的三个坐标轴方位的每个坐标轴方位上的光纤陀螺不多于一个，每个坐标轴方位上的加速度计不多于一个；通过转位控制机构控制惯组在各测量方位之间转动并在转动到位后锁定以进行数据采集，经解算后即可获得测量结果。本发明的罗经降低了对光纤陀螺和石英加速度计的精度要求，可以解决目前寻北仪寻北时间长、获取的空间重力加速度和空间角速度不全面以及不能顾及的问题，而且寻北精度大大提高。

Description

一种模块化光纤陀螺罗经

技术领域

本发明属于光纤陀螺寻北仪领域，具体涉及一种光纤陀螺罗经。

背景技术

光纤陀螺罗经是陀螺寻北仪的一种，但与摆式陀螺罗经不同，它没有复杂的框架和调平机构，因而不但造价低，而且适应性强。光纤陀螺罗经在静态环境能够输出所在地理位置上的寻北方位角，在也能动态输出载体的实时变化姿态角。

目前，常用的光纤陀螺罗经一般为固体罗经，其在空间上的Ｘ、Y和Z坐标轴上分别安装了3个光纤陀螺和3个石英加速度计，这种固态罗经由于不能转动，为了达到寻北精度，其对光纤陀螺和石英加速度计的精度要求很高，而且对光纤陀螺和石英加速度的安装要求以及在测量之前的标定精度也很苛刻，通常难以满足寻北精度的要求。

CN2881548A公开了一种光纤陀螺快速寻北仪，其包括精密机械转台和惯性测量装置，其中惯性测量装置包括一个光纤陀螺和一个石英加速度计作为传感器，并配有旋转支架。该寻北仪采用了模块化、积木式结构，并利用转位机构带动光纤陀螺和传感器在不同方位的旋转进行寻北。但是，由于这种寻北仪只配置一个光纤陀螺和一个石英加速度计，需要到转动4个位置上采集数据，寻北时间要长一倍以上，另外，这种寻北仪测量时，获取的空间重力加速度和空间角速度不全面，在倾斜角度较大的情况下其寻北精度会变差，且寻北时必须处于静止状态。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光纤陀螺罗经，其目的在于通过采用模块化配置方式，在空间三个测量方向可选择地配置光纤陀螺和石英加速度计并相应提供对应的测量手段，具有造价低、寻北速度快的优势，而且降低了对光纤陀螺和石英加速度计的精度要求，由此解决目前寻北仪寻北时间长、获取的空间重力加速度和空间角速度不全面以及不能同时顾及的问题，其寻北精度大大提高。

实现本发明目的所采用的具体技术方案如下：

一种光纤陀螺罗经，包括外壳和容置在外壳内的惯组、转位控制机构和底座，其中，所述转位控制机构设置在所述底座上，所述惯组安装在转位控制机构的转动托盘上，以带动所述惯组在各测量方位之间的转动以及在测量方位上锁定；其特征在于，

所述惯组包括至少一个用于感知外部角加速度的光纤陀螺和至少两个用于感知加速度的加速度计，且空间坐标系的三个坐标轴方位的每个坐标轴方位上的光纤陀螺不多于一个，每个坐标轴方位上的加速度计不多于一个；

通过所述转位控制机构控制所述惯组在各测量方位之间转动并在转动到位后锁定以进行数据采集，根据采集的数据进行解算后即可获得测量结果。

作为本发明的进一步优选，所述光纤陀螺和加速度计均为三个，所述空间坐标系的每个坐标轴方位上均设置有一个所述光纤陀螺和加速度计。

作为本发明的进一步优选，所述转位控制机构回零位并锁定在0°位置上，惯组进行数据采集，之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组再进行数据采集，根据上述采集结果和输入的纬度、经度和海拔参数，经自对准解算和动态罗经解算即可获得测量结果。

作为本发明的进一步优选，所述光纤陀螺罗经即可实时输出航向角、俯仰角、横滚角、北向速度、东向速度、天向速度以及经度、纬度和海拔。

作为本发明的进一步优选，所述光纤陀螺为两个，分别设置在所述空间坐标系的三个坐标轴方位的两个与转动轴垂直的方位上，所述加速度计为三个，分别设置在空间坐标系的各坐标轴方位上。

作为本发明的进一步优选，保持静止状态，转位控制机构回零位并锁定在0°位置上，惯组静止进行数据采集；之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组再静止进行数据采集，所述数据经寻北解算即可得到寻北结果。

作为本发明的进一步优选，所述寻北结果包括航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。

作为本发明的进一步优选，所述光纤陀螺为一个，设置在任一与转动轴垂直的坐标轴方位上，所述加速度计为两个，其中一个对应设置在光纤陀螺所在坐标轴方位上，另一个设置在与转动轴平行的方向上。

作为本发明的进一步优选，首先保持静止状态，转位控制机构回零位并锁定在0°位置上，惯组静止进行数据采集；而后转位控制机构转到90°位置上并锁定，惯组静止进行数据采集；之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组静止进行数据采集；最后转位控制机构转到270°位置上并锁定，惯组静止进行数据采集；完成上述过程后，寻北仪就敏感到了转动平面内的角速度信息，以及三维空间的加速度信息；利用上述数据进行寻北计算即可得到寻北结果。

作为本发明的进一步优选，所述寻北结果包括航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。

本发明采用模块化设计，易于调平，兼顾了配置一个光纤陀螺造价低的优点，吸收了配置两个光纤陀螺寻北速度快的优势，同时具备固态罗经的动基座自对准能力；与只采用三个光纤陀螺和三个石英加速度计的固态罗经相比，它不但降低了对光纤陀螺和石英加速度计的精度要求，其寻北精度也大大提高。

附图说明

图1为本发明实施例的光纤陀螺罗经结构示意图。

图2为本发明实施例的惯组2中光纤陀螺和石英加速度计的布置方式示意图。

图3为本发明实施例进行寻北测量时的系统结构框图。

图4为本发明实施例系统工作时的流程示意图。

图5为本发明实施例一的寻北测量流程图。

图6为本发明实施例二的寻北测量流程图。

图7为本发明实施例三的寻北测量流程图。

在所有附图中，相同的附图标记代表同样的技术特征，具体如下：1-外壳，2-惯组，3-转位控制机构，4-底座，5-光纤陀螺，6-石英加速度计，7-光纤陀螺，8-石英加速度计，9-光纤陀螺，10-石英加速度计。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

如图1所示，本发明所涉及的光纤陀螺罗经是一种可模块化组装、适应多种环境和需求的组合罗经，它采用模块化结构，主要包括外壳1、惯组2、转位控制机构3、底座4以及相关附属电路；其中惯组2可以有3种配置模式，也是模块化装配形式，惯组2安装在转位控制机构3的转动托盘上；底座4在保证有安装基准面的前提下，可以更换为方形等其它形式。

转位控制机构3带动所述惯组2在各测量方位之间的转动以及在测量方位上锁定，实现光纤陀螺罗经的主体寻北测量功能。

惯组2包括至少一个用于感知外部角加速度的光纤陀螺和至少二个用于感知加速度的加速度计，且空间坐标系的三个坐标轴方位的每个坐标轴方位上的光纤陀螺不多于一个，每个坐标轴方位上的加速度计不多于一个；通过所述转位控制机构3控制所述惯组2在各测量方位之间转动并在转动到位后锁定以进行数据采集，根据采集的数据进行对准解算后即可获得测量结果。

如图2所示，惯组2以光纤陀螺和石英加速度计为传感器，用来感知外部角速度、加速度，包括地球的自转角速度和重力加速度等。根据实际需求，本发明中惯组2优选采用3种不同的配置模式，具体是，可以安装3只光纤陀螺5、7、9和3只石英加速度计6、8、10，也可以安装2只光纤陀螺5、7和3只石英加速度计6、8、10，或只安装1只光纤陀螺5和2只石英加速度计6、10。

实施例1

如图2中所示，本实施例中光纤陀螺和加速度计均为三个，空间坐标系的每个坐标轴方位上均设置有一个光纤陀螺和加速度计。具体而言，在空间坐标系的三个坐标轴X1、Y1、Z1轴向上分别安装有光纤陀螺5、7、9和石英加速度计6、8、10。该配置模式下可以敏感X1、Y1、Z1轴向上的角速度和加速度信号，即它能够实时敏感到3维空间的角速度、加速度信息。

开始工作时，转位控制机构3回零位并锁定在0°位置上，惯组2进行数据采集一定时间，例如1min～8min；之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组2再进行数据采集一定时间，例如1min～8min；完成上述过程后只要传感器信号不中断，光纤陀螺罗经就可以始终工作在动态环境下，实时输出航向角、俯仰角、横滚角、北向速度、东向速度、天向速度以及经度、纬度和海拔。

实施例2

本实施例中光纤陀螺为两个，分别设置在空间坐标系的三个坐标轴方位的与转动轴垂直的两个方位上，加速度计为三个，分别设置在空间坐标系的各坐标轴方位上。具体而言，在空间坐标系的坐标轴X1、Y1安装有2只光纤陀螺5、7，在X1、Y1、Z1轴上安装有3只石英加速度计6、8、10。该配置模式下可以敏感X1、Y1轴向上的角速度信号，以及X1、Y1、Z1轴向上的加速度信号，即它能够实时敏感到转动平面内的角速度信息，以及3维空间的加速度信息。

工作时，罗经首先保持静止状态，之后转位控制机构回零位并锁定在0°位置上，惯组2静止进行数据采集，时间例如为1min。之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组2再静止进行数据采集，时间例如为1min。完成上述两次采集过程后，经寻北解算后光纤陀螺罗即会输出1组航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。

实施例3

本实施例中光纤陀螺为一个，设置在任一与转动轴垂直的坐标轴方位上，加速度计为两个，其中一个对应设置在光纤陀螺所在坐标轴方位上，另一个设置在与转动轴平行的坐标轴方位上。具体而言，X1轴上安装有一只光纤陀螺5，X1轴和Z1轴上分别安装一只石英加速度计6、10。当然，光纤陀螺也可以安装在其他轴上，对应的加速度计也可安装在其他坐标轴方位上。该配置模式下可以敏感X1轴向上的角速度信号，以及X1、Z1轴向上的加速度信号。

工作时，罗经首先保持静止状态，然后转位控制机构回零位并锁定在0°位置上，惯组2静止进行数据采集，时刻可以为例如1min。而后转位控制机构转到90°位置上并锁定，惯组2静止进行数据采集，时刻可以为例如1min。之后转位控制机构转到180°位置上并锁定，惯组2静止进行数据采集，时刻可以为例如1min。最后转位控制机构转到270°位置上并锁定，惯组2静止进行数据采集，时刻可以为例如1min。完成上述四个方位的采集过程后，寻北仪就敏感到了转动平面内的角速度信息，以及3维空间的加速度信息；利用上述数据进行寻北计算，即可输出一组航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。

本实施例中，在Z1轴上安装了1只石英加速度计，只要保证它与转位机构的转动托盘垂直（垂直度误差最大优选不超过1＇），X1轴光纤陀螺和X1轴石英加速度计的敏感轴大致与转位机构的转动托盘平行（平行度误差优选不超过5°即可）。静止情况下转动4个位置后，通过数据处理，就可以获得全面的空间重力加速度信息和地球自转角速度在转动托盘平面内个位置上的分量，进而计算出转动托盘平面相对当地水平面的夹角，以及寻北仪的北向夹角；这种模式下避免了以往由于得不到全面的空间重力加速度信息而导致寻北精度低、倾斜角过大无法工作的问题。

实施例二相比实施例三，其在Y1轴向上多安装了1只光纤陀螺和1只石英加速度计，除保证Z1轴上的石英加速度计与转位机构的转动托盘垂直外，还应该通过标定处理，保证X1、Y1轴向上的光纤陀螺和石英加速度计相互垂直，且X1、Y1轴形成的平面与转动托盘平面严格平行，即平行度和垂直度误差优选最大不超过1＇。这种配置模式最大的优势是转位控制机构只需转动2个位置就可完成寻北，反映时间大大缩短。

实施例一中，传感器配置与常用的固态罗经相同，但还多配置了一个转位控制机构；在信息获取能力上，它获取的空间角速度和加速度信息都是全面的，因而相对于实施例二和三来说，它具备了动态环境下的工作能力。与固态罗经相比，固态罗经要求光纤陀螺精度高于0.1°/h，石英加速度计精度高于1mg才能工作，而光纤陀螺的零偏稳定性、零偏重复性、零偏温度灵敏度的性能保持能力较差，因此，即使出厂前进行了严格的标定，数月后或电源、温度急剧变化后的光纤陀螺精度也会大大降低，因而失去了工作能力。本实施例一中由于多配置了一个转位控制机构，其工作时由于在0°和180°位置上采集了一定时间段内的数据，通过数据处理就可以消除零偏稳定性、零偏重复性、零偏温度灵敏度带来的误差，不会因为存放或使用时间过长，温度急剧变化而降低精度或无法工作，能够长期保持在高精度的工作状态。

上述各实施例中，转位控制机构3用来将惯组2转动到测量位置并锁定，其转动托盘上固定有惯组2，可在转动平面内转动360°，可以转动并锁定在0°、90°、180°、270°中的任意一个位置上，并具备反向转动复位功能。当惯组2为实施例一或实施例二形式时，转位机构可以转动到0°、180°位置并锁定；当惯组2为实施例三形式时，转位机构可以转动到0°、90°、180°、270°位置并锁定。各位置上的定位精度优选不低于10＂。

上述各实施例中，底座4位于光纤陀螺罗经底部，根据需要也可以开挖定位孔、定位槽和定位面。定位孔、定位槽和定位面用于将光纤陀螺罗经固定在船舶、车辆、雷达、盾构机、钻探平台、火炮等载体的特定位置上。

如图3所示，测量时，数据采集单元负责采集惯组2发送来的数据，并传送给DSP计算机，DSP计算机利用采集的数据、USB接口电路发送的指令和外部辅助信息完成相关功能解算，以及转位控制等，同时将解算出的数据通过USB接口电路发送给外界；USB接口电路则负责将外部的相关信息、指令传输给DSP计算机，并将光纤罗经的输出数据打包后按格式要求传递到外部。

相关附属软件流程图如图4所示。当设备通电后，根据惯组2发送来的数据进行配置模式判读，若检测到3只光纤陀螺5、7、9和3只石英加速度计6、8、10均有数据输出，转入实施例一（配置模式一）预先定义的流程；若检测到2只光纤陀螺5、7和3只石英加速度计6、8、10有数据输出，转入实施例二（配置模式二）预先定义的流程；若检测到1只光纤陀螺5和2只石英加速度计6、10有数据输出，转入实施例三（配置模式三）预先定义的流程。

配置模式一预先定义的流程如图5所示。软件进入该流程后，DSP计算机发出指令使转位控制机构回到零位并锁定，之后开始进行数据采集；数据采集的同时，软件接受USB输入的外部自对准地点处的纬度、经度和海拔参数；数据采集例如1min～8min后，DSP计算机再次发出指令使转位控制机构转动到180°并锁定，转动期间数据采集不中断；锁定后再数据采集例如1min～8min；之后软件利用相关数据和外部输入信息完成自对准解算；数据采集仍不中断，程序自动转入数据处理和动态罗经解算状态。自对准解算和动态罗经解算结果通过USB对外输出。若要结束工作，可以通过USB输入结束指令或断电。

配置模式二预先定义的流程如图6所示。此配置模式下光纤陀螺罗经必须工作在静止状态。软件进入该流程后，DSP计算机发出指令使转位控制机构回到零位并锁定，之后开始进行数据采集；数据采集例如1min后，DSP计算机再次发出指令使转位控制机构转动到180°并锁定；锁定后再数据采集例如1min；而后程序利用相关数据进行寻北解算，并对外输出寻北结果，即1组航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。若要结束工作，可以通过USB输入结束指令或断电。

配置模式三预先定义的流程如图7所示。此配置模式下光纤陀螺罗经必须工作在静止状态。软件进入该流程后，DSP计算机发出指令使转位控制机构回到零位并锁定，之后开始进行数据采集；之后DSP计算机依次发出指令使转位控制机构分别转动到90°、180°、270°位置并锁定，锁定后分别再数据采集例如1min；最后利用这4个位置上采集的数据进行寻北解算，并对外输出寻北结果，即1组航向角、俯仰角、横滚角以及当地重力加速度、纬度的计算值。若要结束工作，可以通过USB输入结束指令或断电。

本发明中陀螺罗经部件是通用的，不同的只是惯组2中配置的光纤陀螺和石英加速度计数量有增减而已，配置不同带来的功能、性能变化可以通过改变标定、数据处理等方法来实现。这样便于批产和技术状态控制，从而降低生产成本。另外，本发明的装置可以适应不同客户群的需求，例如配置模式一功能最强，但成本和价格相应也高，配置模式二的成本和价格相应降低，适用于静态工作环境且寻北时间短的场合；配置模式三的成本和价格最低，适用于静态工作环境而寻北时间无严格要求的场合。

总而言之，本发明的模块化的光纤陀螺罗经，可以根据实际需求进行灵活配置，即可以根据使用环境、寻北时间长短、精度要求以及测量准确度和成本等方面的具体需求进行模块化的设置和选择，具有同时满足寻北时间、获取的空间重力加速度和空间角速度的全面性以及精度的综合要求。而且，本发明的技术方案的模块化不仅是光纤陀螺和加速度计的简单组合，而是需要在空间坐标轴方位上，根据具体的使用环境、使用要求、测量方位和角度对光纤陀螺的数量以及对应的加速度计进行相对应配置，而且不同的配置设置不同的测量方案，以进行配套。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤陀螺罗经，包括外壳（1）和容置在外壳（1）内的惯组（2）、转位控制机构（3）及底座（4），其中，所述转位控制机构（3）设置在所述底座（4）上，所述惯组（2）安装在该转位控制机构（3）的转动托盘上，以带动所述惯组（2）在各测量方位之间转动以及在各测量方位上锁定；其特征在于，

所述惯组（2）包括至少一个用于感知外部角加速度的光纤陀螺（5，7，9）和至少两个用于感知加速度的加速度计（6，8，10），且空间坐标系的三个坐标轴方位的每个坐标轴方位上的光纤陀螺不多于一个，每个坐标轴方位上的加速度计不多于一个；

通过所述转位控制机构（3）控制所述惯组（2）在各测量方位之间转动并在转动到位后锁定以进行数据采集，并根据上述采集的数据进行解算后即可获得测量结果。

2.根据权利要求1上述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述光纤陀螺（5，7，9）和加速度计（6，8，10）均为三个，所述空间坐标系的每个坐标轴方位上均设置有一个所述光纤陀螺和加速度计。

3.根据权利要求2上述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述测量结果具体获取过程如下：

所述转位控制机构（3）回零位并锁定在0°位置上，所述惯组（2）进行数据采集，之后所述转位控制机构（3）转到180°位置上并锁定，所述惯组（2）再次进行数据采集，根据上述两次采集的数据以及外部输入的纬度、经度和海拔参数，经解算即可获得测量结果。

4.根据权利要求3所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述光纤陀螺罗经的测量结果包括输出航向角、俯仰角、横滚角、北向速度、东向速度以及天向速度。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述光纤陀螺（5，7）为两个，分别设置在所述空间坐标系的三个坐标轴方位中的与转动轴垂直的两个方位上，所述加速度计（6，8，10）为三个，分别设置在空间坐标系的各坐标轴方位上。

6.根据权利要求5所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述测量结果具体获取过程如下：

所述转位控制机构（3）回零位并锁定在0°位置上，所述惯组（2）静止进行数据采集，之后所述转位控制机构（3）转到180°位置上并锁定，所述惯组（2）再次进行数据采集，根据上述两次采集的数据以及外部输入的纬度、经度和海拔参数，经寻北解算即可获得测量结果。

7.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述测量结果包括航向角、俯仰角、横滚角、当地的重力加速度和纬度。

8.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述光纤陀螺（5）为一个，设置在所述空间坐标系的三个坐标轴方位中的与转动轴垂直的任一坐标轴方位上，所述加速度计（6，10）为两个，其中一个对应设置在光纤陀螺所在坐标轴方位上，另一个设置在与转动轴平行的坐标轴方位上。

9.根据权利要求8所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述测量结果具体获取过程如下：所述转位控制机构（3）回零位并锁定在0°位置上，所述惯组（2）静止进行数据采集，而后转位控制机构转到90°位置上并锁定，该惯组（2）静止进行数据采集，之后该转位控制机构（3）转到180°位置上并锁定，所述惯组2静止再进行数据采集，最后所述转位控制机构（3）转到270°位置上并锁定，所述惯组（2）静止进行数据采集，根据上述四次采集的数据和外部输入的纬度、经度和海拔参数，经寻北解算即可获得测量结果。

10.根据权利要求9所述的一种光纤陀螺罗经，其特征在于，所述测量结果包括航向角、俯仰角、横滚角、当地重力加速度和纬度。

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