CN103557865A - 一种撞击式脉冲触发时间同步装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种撞击式脉冲触发时间同步装置，包括依次相连的敲击机构、脉冲生成电路、脉冲调理电路和脉冲输出接口电路，其中，敲击机构包括可伸缩敲击锤，可伸缩敲击锤通过金属触点连接电位器，电位器与脉冲生成电路的常闭开关连接，通过对可伸缩敲击锤施力控制常闭开关的闭合或断开；脉冲生成电路用来根据常闭开关的闭合或断开产生脉冲信号；脉冲调理电路用来根据待同步传感器触发接口的电气参数将脉冲信号调理成特定波形信号，并通过脉冲输出接口电路输出到待同步传感器。本发明结构简单，便于携带，使用方便，可保障时间同步精度；通用性强，可用于INS或IMU等运动感知传感器与其他种类传感器的时间同步。

Description

一种撞击式脉冲触发时间同步装置

 

技术领域

本发明专利涉及一种撞击式脉冲触发时间同步装置，用于INS（惯性导航系统）与其他类型传感器的时间同步。

背景技术

科学研究与工程应用中通常需要利用各种各样的传感器获取目标信息。对于较复杂的应用场景，通常需要利用不同类型传感器采集不同种类信息或对同一目标量采用不同方法进行冗余观测。因此，对于不同类型传感器采集的数据进行精确的时间同步意义重大。INS作为位置、速度和姿态传感器,在与其他种类型传感器进行数据融合解算之前,对各传感器的输出数据进行高精度的时间同步是必要前提。为此需要额外的硬件方式和软件方式来实现各传感器的时间同步，或者说为各传感器赋予共同的时标。但是IN和其他类型传感器往往由于存在时间起点和基准的不一致、数据输出速率的不一致、以及电路延迟等因素,为INS和其他类型传感器时间同步对准造成困难。

以常见的INS/GNSS组合导航系统为例。GNSS具有定位精度高、误差不随时间积累等优点，而且，用载波相位观测值时，其定位精度可以达到厘米级。但是，GNSS也存在信号易受遮挡或干扰、数据更新率低、缺少姿态信息输出等缺点。相比较而言，惯性导航系统（INS）是一种完全自主的导航系统，其拥有高数据更新率，并具备姿态信息输出，但是由于陀螺误差漂移的存在，即使高精度的INS也面临误差随着导航时间延长而不断累积的问题。理论和实践已经证明，INS/GNSS 组合导航系统能显著提高导航系统的导航精度和对环境的适应性。

INS/GNSS组合导航数据融合解算之前，对INS与GNSS各自的输出数据必须进行高精度的时间同步。但是二者往往由于存在时间起点和基准的不一致、数据输出速率的不一致以及电路延迟等因素，为INS/GNSS时间同步对准造成困难。针对INS与GNSS时间同步的问题，国内外进行了广泛的研究，概括起来有硬件方法、软件方法及软硬件结合方法。其中，软件方法为了实现高精度对准，往往算法设计复杂，计算量大，而且精度有限。采用专门设计的INS/GNSS集成同步电路往往能得到较好的同步效果，但是，往往针对特定设备，通用性不强，不便于携带，对科研及应用单位相关领域技术人员的硬件设计与制造能力要求较高。针对各种组合导航设备设计制造专门的硬件同步模块，需要耗费大量人力，物力成本较高。尤其是，近些年，随着价格低廉，精度较差的MEMS惯性导航元件应用大量普及，针对性的设计高精度同步电路得不偿失。目前急需一种简单便捷的INS/GNSS时间同步解决方案。

发明内容

 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种结构简单、便于携带、通用性强的撞击式脉冲触发时间同步装置，该撞击式脉冲触发时间同步装置适用于INS传感器与其他类型传感器的时间同步。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于，包括：

依次相连的敲击机构、脉冲生成电路、脉冲调理电路和脉冲输出接口电路，其中，敲击机构包括可伸缩敲击锤，可伸缩敲击锤通过金属触点连接电位器，电位器与脉冲生成电路的常闭开关连接，通过对可伸缩敲击锤施力控制常闭开关的闭合或断开；脉冲生成电路用来根据常闭开关的闭合或断开产生脉冲信号；脉冲调理电路用来根据待同步传感器触发接口的电气参数将脉冲信号调理成特定波形信号，并通过脉冲输出接口电路输出到待同步传感器。

上述敲击机构的一种具体形式为：

包括管筒，管筒内设可伸缩锤头和固定板，可伸缩敲击锤包括锤头、可伸缩件和连杆，连杆头端固定锤头，其尾端设有限位件；连杆穿过固定于管筒内壁的固定板且可相对固定板移动；可伸缩件套于连杆外，且可伸缩件两端分别与锤头和固定板连接；连杆尾端和固定板设有金属触点。

上述脉冲生成电路包括电源、常闭开关、以及与常闭开关串联和/或并联的用来产生脉冲的电气元件。

作为优选方案，所述的脉冲生成电路还包括多个选择开关，各选择开关并联后与常闭开关串联。

上述脉冲调理电路包括模数转换电路模块、波形复制电路模块、信号放大电路模块、滤波器模块、整形电路模块和数模转换模块中的一种或多种。

二、上述撞击式脉冲触发时间同步装置的时间同步方法，用于INS与其他类型传感器的时间同步，通过可伸缩敲击锤敲击INS， INS输出特征波形，常闭开关触发脉冲生成电路产生脉冲信号，将INS输出的特征波形与脉冲信号进行比对，即可获得INS内部时标与公共时标的关系，从而完成INS与其他类型传感器之间的时间同步。

 

本发明工作原理如下：

通过可伸缩敲击锤敲击INS，由于受到冲击，INS输出与敲击瞬间时刻对应的特征波形；常闭开关触发脉冲生成电路产生脉冲信号，脉冲调理电路根据待同步的其他类型传感器的特定电气接口响应参数对生成的脉冲信号进行调理，调理后的脉冲信号通过脉冲输出接口电路接入待同步传感器，并触发待同步传感器做出特定响应。将脉冲信号与INS的特征波形进行比对，即可获得INS内部时标与公共时标的关系，从而完成不同传感器之间的时间同步。

与现有技术相比，本发明具有优点：

1、结构简单，便于携带，使用方便，可保障时间同步精度。

2、通用性强，可用于INS或IMU等运动感知传感器与其他种类传感器（如GNSS接收机、LIDAR、高精度时钟等）的时间同步。

3、采用本发明可对没有内部时钟或者内部时钟不稳定的INS采集的数据赋予时标，还可检测INS数据输出的稳定性以及INS内部时钟的稳定性。

附图说明

图1为本具体实施方式中敲击机构的结构示意图； 

图2为本具体实施方式中脉冲生成电路框图；

图3为本具体实施方式中产生脉冲上升沿的脉冲生成电路等效图；

图4为图3脉冲生成电路产生的脉冲上升沿时序图；

图5为本具体实施方式中产生脉冲下降沿的脉冲生成电路等效图；

图6为图5脉冲生成电路产生的脉冲下降沿时序图；

图7为本发明总体原理框图。

图中，1—常闭开关，2—选择开关，3—管筒，4—锤头，5—弹簧，6—连杆，7—固定板，8—金属触点，9-限位件。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步说明对本发明。

本具体实施方式适用于INS与NovAtel DL_V3型及天宝R系列测量型GPS接收机的时间同步。

本具体实施中敲击机构结构见图1，包括管筒（3）以及设于管筒（3）内的可伸缩敲击锤和固定板（7）。可伸缩敲击锤包括锤头（4）、弹簧（5）和连杆（6），连杆（6）头端固定锤头（4），尾端设有限位件（9）；连杆（6）穿过固定于管筒（3）内壁的固定板（7）上的孔且可相对固定板（7）移动；弹簧（5）套于连杆（6）外，且弹簧（5）两端分别与锤头（4）和固定板（7）连接。连杆（6）尾端和固定板（7）设有金属触点（8），当未对锤头（4）施力时，连杆（6）尾端和固定板（7）上设金属触点（8）保持接触；当向锤头（4）施加向下的作用力时，即图2中向右的作用力，锤头（4）敲打INS传感器，弹簧（5）受压，连杆（6）通过固定板（7）上的孔向右伸出，连杆（6）尾端和固定板（7）上金属触点（8）分开。本具体实施中，金属触点为铜触点。

本具体实施方式的脉冲生成电路框图见图3，包括第一选择开关K2、第二选择开关K3、常闭开关K1、第一电阻R1、第二电阻R2及电源，第一选择开关K2与第二选择开关K3并联后与常闭开关K1串联，第一电阻R1串联于常闭开关K1与电源之间。电源电压5V，第一电阻R1为阻值1K的数码电阻，第二电阻R2为阻值10K的数码电阻。敲击机构中的金属触点（8）通过电位器连接脉冲生成电路中的常闭开关K1，当连杆（6）尾端和固定板（7）上金属触点（8）接触时，常闭开关K1闭合，即，当锤头不敲击INS传感器时，常闭开关K1闭合；当连杆（6）尾端和固定板（7）上金属触点（8）分开时常闭开关K1断开，即，当锤头敲击INS传感器时，常闭开关K1断开。通过锤头敲击INS传感器控制常闭开关K1的闭合和断开，从而产生脉冲信号。设置第一选择开关K2和第二选择开关K3，通过第一选择开关K2和第二选择开关K3控制脉冲生成电路生成脉冲上升沿或脉冲下降沿。   

图2电路框架图状态对应的等效电路见图3。未敲击锤头时，第二电阻R2被短路，第二电阻R2两端输出电压为0；敲击锤头后，第二电阻R2接入电路，两端电压为(10/11)×5V=4.5V，即产生一个由低向高的脉冲上升沿，见图4，脉冲上升沿通过脉冲输出接口电路输入到待同步传感器的指定端口触发响应。

在图2基础上，拨动第一选择开关K2与第二选择开关K3获得如图5所示的等效电路。未敲击锤头时，第二电阻R2分压为4.5V；敲击锤头后，第二电阻R2两端电压为0，产生一个由高向低的脉冲下降沿，见图6，脉冲下降沿通过脉冲输出接口电路输入到待同步传感器的指定端口触发响应。

本发明可用于INS或IMU传感器与各种不同类型传感器的时间同步。考虑到不同类型待同步传感器触发接口的电气参数不同，针对各不同类型的待同步传感器，需根据待同步传感器触发接口的具体电气参数设计对应的脉冲调理电路和脉冲输出接口电路。根据待同步传感器触发接口的具体电气参数设计脉冲调理电路和脉冲输出接口电路，属于本领域技术人员的公知常识，在此不做赘述。

脉冲调理电路用来根据待同步传感器触发接口的具体电气参数将脉冲产生电路产生的脉冲信号调理成特定波形的脉冲信号，具体根据待同步传感器触发接口的电气参数进行调理。脉冲调理电路包括模数转换电路子模块、波形复制电路子模块、信号放大电路子模块、滤波器子模块、整形电路子模块和数模转换子模块，可根据待同步传感器的接口特性选择上述子模块中的一种或多种对脉冲信号进行调理。针对本具体实施方式而言，仅需要采用第一电阻R1和第二电阻R2将脉冲电压调节到适合GPS接收机的水平即可，无需其他子模块。

本发明的工作原理见图7，如下：

给锤头（4）施加力，锤头（4）敲击INS传感器使INS传感器输出冲击波形，用于敲击瞬间时刻脉冲的匹配；同时，常闭开关K1断开触发脉冲生成电路产生脉冲上升沿或者下降沿。脉冲调理电路根据待同步传感器的特定电气接口响应参数对生成的脉冲信号进行复制、放大、滤波、整形。调理后的脉冲信号通过脉冲输出接口电路接入待同步传感器，触发待同步传感器记录脉冲信号对应的公共时标或时间响应，或者触发待同步传感器做出特定的事件响应，例如，开始数据采集、关闭数据采集、加入时间标签等。将脉冲信号与INS传感器的冲击波形进行比对，即可获得INS传感器内部时标与公共时标的关系，从而完成不同传感器之间的时间同步。根据获得的INS传感器内部时间与公共时标的关系，为所有INS传感器数据赋予公共时标。本发明可通过设置多个选择开关与多个脉冲生成电路、脉冲调理电路和脉冲输出接口电路相连，从而实现INS同时与多个传感器的时间同步。

本发明通过人为控制选择开关，使脉冲生成电路生成脉冲上升沿或脉冲下降沿，针对不同类型与型号的待同步传感器选择对应的脉冲类型，并根据待同步传感器的接口参数，设计对应的脉冲调理电路与脉冲输出接口电路。

Claims (6)

1.撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于，包括：

依次相连的敲击机构、脉冲生成电路、脉冲调理电路和脉冲输出接口电路，其中，敲击机构包括可伸缩敲击锤，可伸缩敲击锤通过金属触点连接电位器，电位器与脉冲生成电路的常闭开关连接，通过对可伸缩敲击锤施力控制常闭开关的闭合或断开；脉冲生成电路用来根据常闭开关的闭合或断开产生脉冲信号；脉冲调理电路用来根据待同步传感器触发接口的电气参数将脉冲信号调理成特定波形信号，并通过脉冲输出接口电路输出到待同步传感器。

2.如权利要求1所述的撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于：

所述的敲击机构的具体为：

包括管筒，管筒内设可伸缩锤头和固定板，可伸缩敲击锤包括锤头、可伸缩件和连杆，连杆头端固定锤头，其尾端设有限位件；连杆穿过固定于管筒内壁的固定板且可相对固定板移动；可伸缩件套于连杆外，且可伸缩件两端分别与锤头和固定板连接；连杆尾端和固定板设有金属触点。

3.如权利要求1所述的撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于：

所述的脉冲生成电路脉冲生成电路包括电源、常闭开关以及与常闭开关串联和/或并联的用来产生脉冲的电气元件。

4.如权利要求3所述的撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于：

所述的脉冲生成电路还包括第多个选择开关，各选择开关并联后与常闭开关串联。

5.如权利要求1所述的撞击式脉冲触发时间同步装置，其特征在于：

所述的脉冲调理电路包括模数转换电路模块、波形复制电路模块、信号放大电路模块、滤波器模块、整形电路模块和数模转换模块中的一种或多种。

6.采用权利要求1所述的撞击式脉冲触发时间同步装置的时间同步方法，用于INS与其他类型传感器的时间同步，其特征在于：

通过可伸缩敲击锤敲击INS， INS输出特征冲击波形，同时常闭开关触发脉冲生成电路产生脉冲信号，脉冲信号触发待同步传感器做出响应；将INS输出的特征波形与脉冲信号进行比对，即可获得INS内部时标与公共时标的关系，从而完成INS与其他类型传感器之间的时间同步。

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