CN103389085A - 一种六冗余型光纤陀螺imu台体 - Google Patents

Abstract

一种六冗余型光纤陀螺IMU台体，该台体采用一体成型技术，为正十二面体结构，正十二面体的每个面均为正五边形；为了减小系统的重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，实现了台体的轻量化和高钢度；该六冗余型光纤陀螺IMU台体包括光纤陀螺敏感环安装位、加速度计安装位、与系统底座连接固定的安装体；本发明实现冗余光纤陀螺IMU组件质心、几何中心以及敏感轴交汇点的统一；在冲击和振动条件下表现出了较好的各项同性动力学特征。

Description

一种六冗余型光纤陀螺IMU台体

技术领域

本发明涉及一种六冗余型光纤陀螺惯性测量组合（Inertial Measurement Unit，以下简称IMU）台体，尤其是指一种用于高精度、高可靠性的冗余光纤捷联惯导系统、采用正十二面体构型的冗余IMU台体，属于惯导系统机械结构技术领域。

背景技术

惯性导航系统依靠自身的惯性敏感元件进行导航，不依赖任何外界信息测量导航参数，因此它不受天然的或人为的干扰，具有很好的隐蔽性，是一种完全自主式的导航系统。近代各种导弹、卫星、飞船等载体对惯导系统的可靠性和精度提出了越来越高的要求，因为它不仅直接反映了惯导系统本身的质量指标，而且直接关系到载体执行任务过程的成败。提高惯导系统的可靠性和精度主要有两种办法：一是提高单个仪表的可靠性和精度，这对惯性仪表的加工工艺及各项技术指标提出了更高的要求，实现起来成本较高；另一种方法是采用冗余方案来提高系统可靠性和精度，这是一种比较理想的方法，实现起来也相对容易。

冗余系统按冗余方式可分为系统级冗余和器件级冗余。系统级冗余是对整个惯组的冗余，主要应用于平台惯导系统；器件级冗余是对单个仪表的冗余，主要针对结构比较灵活的捷联惯导系统，实现起来比较容易，可靠性比较高。相对于平台惯导系统，捷联惯导系统由于取消了许多机器零件，冗余时只需对单个惯性仪表进行冗余，而不需要对整个系统进行冗余。同时，捷联惯导系统相对平台系统在重量、体积、成本和可靠性等方面的较大优势，利用多个惯性仪表组成冗余系统提高捷联惯导系统精度和可靠性，从而使其在更多场合获得应用非常有意义。光纤陀螺仪是一种基于萨格奈克效应、用于感知载体角位移和角速度的敏感元件，和传统的机械陀螺相比，具有工作寿命长、分辨率高、响应时间短、功耗低等优点，在实际应用中具有极大的设计灵活性，已成为新一代理想惯性器件，目前已发展成为惯性技术领域具有划时代特征的新型主流仪表，未来的惯性设备领域中将占据重要地位。可以预见，在对精度和可靠性要求比较高的场合，冗余型光纤捷联惯导系统将占据重要地位。

目前国内光纤陀螺及石英挠性加速度计性能主要受力学及温度环境影响。在光纤陀螺的五大光学器件中，光纤环受温度及力学环境影响引起的各类误差是光纤陀螺的主要误差源，温度性能主要应通过改进光纤及绕环胶等材料的温度特性来解决，而力学性能主要受光纤陀螺骨架及IMU台体力学性能的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种六冗余型光纤陀螺IMU台体，以应用于高精度、高可靠性的冗余捷联惯导系统。

本发明是一种六冗余型光纤陀螺IMU台体，该台体采用一体成型技术，为正十二面体结构，正十二面体的每个面均为正五边形。正十二面体在结构上具有高度的对称性及稳定性，结构很难被破坏。为了减小系统的重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，实现了台体的轻量化和高钢度。

本六冗余型光纤陀螺IMU台体包括光纤陀螺敏感环安装位、加速度计安装位、与系统底座连接固定的安装体。

其中，光纤陀螺敏感环安装位包括A向光纤陀螺敏感环安装位、B向光纤陀螺敏感环安装位、C向光纤陀螺敏感环安装位、D向光纤陀螺敏感环安装位、E向光纤陀螺敏感环安装位、F向光纤陀螺敏感环安装位；加速度计安装位包括：A向加速度计安装位、B向加速度计安装位、C向加速度计安装位、D向加速度计安装位、E向加速度计安装位、F向加速度计安装位。所述的A向、B向、C向、D向、E向、F向光纤陀螺敏感环安装位分别位于正十二面体台体的正A向外侧面、正B向外侧面、正C向外侧面、正D向外侧面、正E向外侧面、正F向外侧面，并在该光纤陀螺敏感环安装位周边设有圆孔以安放光纤陀螺敏感环；所述的A向、B向、C向、D向、E向、F向加速度计安装位和光纤陀螺敏感环安装位相对布置，位于正十二面体台体的负A向外侧面、负B向外侧面、负C向外侧面、负D向外侧面、负E向外侧面、负F向外侧面，并在该加速度计安装位周边设有圆孔以安放加速度计。每个光纤陀螺敏感环安装位边缘有五个安装孔用于固定光纤陀螺骨架，每个加速度计安装位边缘有六个安装孔用于固定加速度计，安装孔同时有预定的减重/配重作用。

与底座连接固定的安装体有三个，即前侧安装体、后侧安装体和底侧安装体；本六冗余型光纤陀螺IMU台体在前侧两个陀螺安装面的交线处与后侧两个加速度计安装面的交线处各伸出一个矩形状安装体，与系统底座伸出的凸台相固定，本六冗余型光纤陀螺IMU台体在底部两个加速度计安装面的交线处伸出一个矩形状安装体与系统底座相固定。每个矩形状安装体上设计两个安装孔，用于固定本六冗余型光纤陀螺IMU台体。

本发明所述的一种六冗余光纤陀螺IMU台体，其优点及功效在于：

本六冗余型光纤陀螺IMU台体提供一种用于高精度、高可靠性的冗余IMU台体；以具有高度对称性及稳定性且结构很难被破坏的正十二面体作为台体构型，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，实现了台体的高钢度和轻量化；通过调整光纤陀螺安装面的镗孔大小结合所述的各安装位都加工有带减重/配重作用的安装孔，实现冗余光纤陀螺IMU组件质心、几何中心以及敏感轴交汇点的统一；在冲击和振动条件下表现出了较好的各项同性动力学特征。

附图说明

图1为正十二面体六冗余光纤陀螺IMU台体。

图2为网格化处理后台体顶面图。

图3为网格化处理后台体底面图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明是一种应用于高精度、高可靠性冗余捷联惯性导航系统的IMU台体，该台体采用一体成型技术制造，为正十二面体结构，如图1所示为本发明的六冗余型光纤陀螺IMU台体。需要对正十二面体结构进行一下说明：正十二面体为五个柏拉图立体之一，属于准晶体结构，共有20个顶点、30条边和12个面，每个面均为正五边形；正十二面体在结构上具有高度的对称性及稳定性，结构很难被破坏。但本系统中为了减小重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，如此即可兼顾台体的轻度和轻量化。

台体的固定有三种方案，分别为半正十二面体“底座”固定、正十二面体“顶-底”固定与正十二面体“前-后”固定的三种方案：

1)半正十二面体台体设计时，加速度计安装面并非图1所示相对于陀螺安装面，而是埋于陀螺下部，因此仅需十二面体的六个表面即可完成冗余陀螺仪与加速度计的安装。但这种方案具体实现过程中加速度计安装及调试较为复杂，特别是当光纤陀螺尾纤固定于台体表面之后，拆装加速度计时极易损坏光纤。

2)正十二面体“顶-底”固定方案基于冗余光纤陀螺仪与加速度计安装在正十二面体十二个表面的设计思路。在台体“顶-底”固定方案设计时，系统在台体顶部两个陀螺安装面的交线处与底部两个加速度计安装面的交线处各伸出一个安装体，与系统顶面以及系统底座相固定。

3)正十二面体“前-后”固定方案中，冗余光纤陀螺与加速度计同样安装在正十二面体的十二个表面。在台体“前-后”固定方案设计时，系统在前侧两个陀螺安装面的交线处与后侧两个加速度计安装面的交线处各伸出一个安装体，与系统底座伸出的凸台相固定。

综合以上三种方案，第一种方案首先被排除，正十二面体台体的“顶-底”固定与“前-后”固定均属于“悬臂梁”固定方式，假如沿固定面的法线方向存在强冲击振动时，台体存在安装面断裂的可能。因此将上述两种方案相结合，选择如图1所示的“前-后-底”三面固定的安装方式，利用前后两个悬臂梁（即前侧安装体与后侧安装体）和底部凸台（即底侧安装体）进行固定。由于系统两个光源组件位于系统左后侧，为避免尾纤安装距离过长，选择正十二面体左后侧的六个面作为光纤陀螺安装面，加速度计安装于另外六个面。此时每个陀螺仪的安装轴上均有一个加速度计，加速度计安装位和光纤陀螺敏感环安装位相对布置。

在每个光纤陀螺敏感环安装位边缘设计五个安装孔用于固定光纤陀螺骨架，同时在每个加速度计安装位边缘设计六个安装孔用于固定加速度计，具体如图1所示。

利用Ansys Workbench软件对此正十二面体IMU台体进行模态分析。模态是机械结构的固有振动特性，每一个模态具有特定的固有频率及阻尼比等参数。这些模态参数可以由计算或实验分析获得，这种计算或实验分析的过程称为模态分析。模态分析是研究结构动力特性一种方法，在工程领域得到了广泛应用。通过模态分析方法可以获得结构体易受影响的频率范围，并预测该结构体在此频段内的实际振动响应，因此模态分析可以直接指导系统结构设计。对此正十二面体IMU台体进行模态分析是为了考核其在要求的振动频带中是否会出现谐振。按照模态分析的原理，只要正十二面体IMU台体的一阶模态远大于要求的最大振动频率即可。

利用Solidwork软件对正十二面体IMU台体进行建模，将建好的模型添加至AnsysWorkbench工程中。首先将模型进行网格化处理(网格边距设置为5mm)，如图2、图3所示，并将悬臂梁上下面以及底座接触面设置为固定面。将模态分析阶数设置为6，正十二面体IMU台体模态分析结果为：模态阶数为1时，固有频率为2512赫兹；模态阶数为2时，固有频率为2818赫兹；模态阶数为3时，固有频率为3345赫兹；模态阶数为4时，固有频率为3743赫兹；模态阶数为5时，固有频率为4246赫兹；模态阶数为6时，固有频率为4650赫兹。

从结果可以看出，此正十二面体IMU台体的一阶模态约为2512Hz，能满足低频振动需求。

Claims (1)

1.一种六冗余型光纤陀螺IMU台体，其特征在于：该台体采用一体成型技术，为正十二面体结构，正十二面体的每个面均为正五边形；为了减小系统的重量，将正十二面体设计为空心结构，以六个陀螺面为引导面将正十二面体内部镗空，实现了台体的轻量化和高钢度；

该六冗余型光纤陀螺IMU台体包括光纤陀螺敏感环安装位、加速度计安装位、与系统底座连接固定的安装体；

该光纤陀螺敏感环安装位包括A向光纤陀螺敏感环安装位、B向光纤陀螺敏感环安装位、C向光纤陀螺敏感环安装位、D向光纤陀螺敏感环安装位、E向光纤陀螺敏感环安装位、F向光纤陀螺敏感环安装位；该加速度计安装位包括A向加速度计安装位、B向加速度计安装位、C向加速度计安装位、D向加速度计安装位、E向加速度计安装位、F向加速度计安装位；所述的A向、B向、C向、D向、E向、F向光纤陀螺敏感环安装位分别位于正十二面体台体的正A向外侧面、正B向外侧面、正C向外侧面、正D向外侧面、正E向外侧面、正F向外侧面，并在该光纤陀螺敏感环安装位周边设有圆孔以安放光纤陀螺敏感环；所述的A向、B向、C向、D向、E向、F向加速度计安装位和光纤陀螺敏感环安装位相对布置，位于正十二面体台体的负A向外侧面、负B向外侧面、负C向外侧面、负D向外侧面、负E向外侧面、负F向外侧面，并在该加速度计安装位周边设有圆孔以安放加速度计；每个光纤陀螺敏感环安装位边缘有五个安装孔用于固定光纤陀螺骨架，每个加速度计安装位边缘有六个安装孔用于固定加速度计，安装孔有预定的减重/配重作用；

该与底座连接固定的安装体有三个，即前侧安装体、后侧安装体和底侧安装体；本六冗余型光纤陀螺IMU台体在前侧两个陀螺安装面的交线处与后侧两个加速度计安装面的交线处各伸出一个矩形状安装体，与系统底座伸出的凸台相固定，本六冗余型光纤陀螺IMU台体在底部两个加速度计安装面的交线处伸出一个矩形状安装体与系统底座相固定；每个矩形状安装体上设计两个安装孔，用于固定本六冗余型光纤陀螺IMU台体。

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