CN103776434A - 新型陀螺寻北仪和寻北方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种新型陀螺寻北仪和寻北方法，新型陀螺寻北仪由陀螺（1）、角度调制器（2）、转盘（3）、光电编码器主光栅码盘（4）、光电编码器鉴向盘（5）、基座（6）、脚螺旋（7）、水准器（8）、底座（9）、电机（10）、传动机构（11）、调制信号源（12）、信号处理系统（13）几部分组成。本发明提供了一种利用角度调制器（2）对陀螺（1）施加周期性角运动调制信号，将直接测量陀螺（1）输出强度信号变为测量陀螺（1）输出频率信号，同时，采用同步跟踪方式，利用电机（10）保持角度调制器（2）的周期运动中心与北向重合，即ψ0=0，并以ψ0=0为闭环控制条件，构建陀螺寻北仪闭环系统的寻北方法。基于该寻北方法的陀螺寻北仪，由于采用角度调制和同步跟踪技术，大大降低了对陀螺技术指标的要求，提高了寻北仪寻北精度、抗干扰能力，可以实现快速、高精度的寻北。

Description

新型陀螺寻北仪和寻北方法
技术领域
本发明涉及一种寻北设备和寻北方法，尤其涉及一种新型陀螺寻北仪和寻北方法。
背景技术
寻北仪是一种能在静态下全天候自动指示方位的高精度惯性仪表。在矿山、铁路、建筑、军事、航天、航海等工程测量领域有极为广泛的应用。寻北仪分为陀螺寻北仪和非陀螺寻北仪两大类。用于陀螺寻北仪的陀螺有光纤陀螺、激光陀螺、微机械陀螺、挠性陀螺、静电陀螺、液浮陀螺和气浮陀螺等。
现有技术寻北方法原理： 
陀螺通过直接测量不同方向的地球自转角速度分量确定北向。在水平面内，设陀螺寻北仪基准边和北向之间的夹角为ψˊ 0，陀螺寻北仪基准边和陀螺的输入轴的夹角为ψˊ，在不考虑随机误差时陀螺输出可表示为：
ω=ωB+ωecosφcos（ψˊ 0+ψˊ）=ωB+ωeh cos（ψˊ 0+ψˊ）       （1）
旋转陀螺到不同的位置，即改变ψˊ的大小，用光电编码器测量出ψˊ，并测量相应位置处的陀螺输出ω，然后根据式（1）建立方程组解算出ψˊ 0完成寻北，此即为陀螺寻北仪的现有技术寻北原理。
其中，ω为陀螺输出，ωB为陀螺零偏，φ为测量地点纬度，ψˊ 0为水平面内陀螺寻北仪基准边和北向夹角，ψˊ为水平面内陀螺寻北仪基准边与陀螺输入轴夹角，ωe为地球自转速度矢量，ωeh为ωe在测量地的水平分量，ωeh=ωecosφ。
陀螺寻北仪依据采样方式和解算方式的不同可以分为：二位置方案寻北仪、四位置方案寻北仪、多位置方案寻北仪与连续转动方案寻北仪。
采用以上寻北方案的现有陀螺寻北仪工作过程中受到陀螺平台调平误差、陀螺标度因数误差、陀螺漂移误差、有害加速度、纬度引用误差、地磁场产生的多位置寻北误差、转位误差（二位置、四位置、多位置方案）、转台旋转精度误差（连续转动方案）、加速度计误差、运动干扰误差等多种因素的影响。同时，陀螺寻北仪中陀螺所敏感的地球自转角速率分量微弱，特别是微小角度变化引起的陀螺输出ω变化不明显，测量过程中陀螺输出ω为低频直流信号，抗干扰能力弱，易受陀螺漂移，温度、振动等因素影响，难于快速、高精度实现寻北。
因此，有必要寻求新的陀螺寻北仪设计方案，实现抗干扰、快速、高精度寻北。
发明内容
为解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供了一种新型陀螺寻北仪及一种新的寻北方法。本发明的目的在于实现陀螺寻北仪抗干扰、快速、高精度寻北。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案如下：
新型寻北方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）调制信号源产生调制信号β，发送给角度调制器和信号处理系统，在调制信号β的激励下角度调制器的输出轴，关于角度调制器的周期运动中心作周期性角运动ψ，周期性角运动ψ作用于陀螺上，实现陀螺输入轴在水平面内，关于角度调制器的周期运动中心作周期性角运动ψ；信号处理系统将调制信号β作为进行微弱信号检测的参考源；
2）信号处理系统对经过角度调制器调制后的陀螺输出信号ω（陀螺输出信号ω为频率为调制频率基频和二倍频的混合信号），进行隔直、滤波、选频放大、峰值采样、相敏检波，解调出角度调制器的周期运动中心与北向的夹角ψ0所对应信号UOUT，并发送给电机。其中UOUT为电压信号或数字量，ψ0为角度调制器的周期运动中心与北向夹角；
3）电机接收来自信号处理系统发出的信号UOUT，进行一定方向的转动，其中转动角度与ψ0大小成正比，转动方向与ψ0的符号相反；传动机构将电机输出的转动按照一定的比例关系传递给转盘与角度调制器，使角度调制器的周期运动中心与北向重合，即ψ0=0；并将ψ0=0作为陀螺寻北仪闭环控制条件，实现陀螺寻北仪的闭环控制；
4）转盘在电机的带动下发生转动，则安装在转盘上的光电编码器主光栅码盘和安装在基座上的光电编码器鉴向盘进行转盘和底座之间角度变化量测量，即实现陀螺寻北仪基准边与北向夹角的测量，实现寻北仪的寻北功能。
所述的角度调制器的输出轴及陀螺输入轴的周期性角运动为简谐运动或方波、锯齿波等周期性摆动。
所述的角度调制器的周期运动中心为角度调制器的输出轴进行周期性角运动的对称中心。
新型陀螺寻北仪包括陀螺、角度调制器、转盘、光电编码器主光栅码盘、光电编码器鉴向盘、基座、脚螺旋、水准器、底座、电机、传动机构、调制信号源、信号处理系统等部分组成。新型陀螺寻北仪结构上分为上下两部分，其中上部为运动部分，下部为静止部分；其特征在于：所述的运动部分以转盘为安装基础；所述的角度调制器固定安装于转盘的上表面，所述的陀螺固定安装于角度调制器的输出轴上，所述的转盘的下端有输入轴，输入轴与传动机构相连接，所述的光电编码器主光栅码盘固定安装于转盘的输入轴上；其特征在于：所述的静止部分以基座为安装基础，所述的光电编码器鉴向盘固定安装在基座上，所述的电机、传动机构、调制信号源、信号处理系统固定安装在基座内部，所述的脚螺旋、底座安装于基座底部。
所述的陀螺为光纤陀螺、激光陀螺、微机械陀螺、挠性陀螺、静电陀螺、液浮陀螺或气浮陀螺。
所述的角度调制器为音圈电机、PZT压电陶瓷或电机等能够产生周期性角运动的机构和装置。
所述的传动机构为齿轮、链条或皮带传动机构，用于电机输出转速大小调节和转速传递。
所述的脚螺旋用于陀螺寻北仪的调平。
所述的水准器安装于转盘的上表面，水准器对陀螺寻北仪的水平状态进行测量。
所述的光电编码器主光栅码盘和光电编码器鉴向盘成对使用，实现转盘与基座之间角度差值的测量。
所述的基座上设计有陀螺寻北仪基准边，陀螺寻北仪基准边与光电编码器鉴向盘的零位之间的角度关系已通过标定方法事先确定。
本发明与现有技术相比较具有如下实质性特点和显著优点：
1.由于采用调制和闭环工作方式，将对陀螺输出的绝对量测量变为对陀螺输出频率信号的测量，测量精度与陀螺输出大小无关，提高了测量精度和抗干扰能力，降低了对陀螺漂移、零偏重复性、标度因数、温度性能的精度指标要求。
2. 由于采用调制和闭环技术，陀螺寻北仪不仅可以实现静态寻北，而且可以实现动态寻北，在载体运动过程中快速实时的提供载体的北向信息。
3. 采用角度调制器作为陀螺周期性角运动的调制信号产生装置，对于角度调制器的精度要求明显低于连续转动寻北方案对转台恒定速率要求，易于实现，而且以角度调制器代替转台可大大降低陀螺寻北仪体积和成本，有利于寻北仪实现小型化。
4. 对于纬度、重力加速度、平台调平误差等由于采用周期性角运动调制方式，测量量为频率信号，与陀螺输出量的大小无关，故纬度、重力加速度、平台调平误差对测量结果无影响。
5.由于采用闭环寻北方案，新型陀螺寻北仪对调平精度要求不高，不用加速度计，水准器即能达到控制要求，减小了系统复杂程度，降低了成本。
附图说明
 图1 陀螺寻北仪现有技术工作原理图。
图2  新型陀螺寻北方法原理图。
图3  新型陀螺寻北仪系统原理框图。
图4  新型陀螺寻北仪结构示意图。
图5  新型陀螺寻北仪结构侧视图。
图6  新型陀螺寻北仪A-A剖面视图。
 图中：1、陀螺，2、角度调制器，3、转盘，4、光电编码器主光栅码盘，5、光电编码器鉴向盘，6、基座，7、脚螺旋，8、水准器，9、底座，10、电机，11、传动机构，12、调制信号源，13、信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作以进一步说明。
实施例1。
下面结合附图1、2、3，对本发明所述的新型寻北方法作以具体说明。 
调制信号源12产生调制信号β，发送给角度调制器2，在调制信号β的激励下角度调制器2的输出轴，关于角度调制器2的周期运动中心作周期性角运动ψ，周期性角运动ψ作用于陀螺1上，实现陀螺输入轴在水平面内，关于角度调制器2的周期运动中心作周期性角运动ψ；
     ψ=mfsinΩt                                                                          （2）
其中，Ω为周期性角运动的角频率，mf为周期性角运动的角度幅值，t为时间。
依据寻北公式（1）和周期性角运动ψ可得公式（3）：
ω=ωB+ωeh cos（ψ+ψ0）=ωB+ωeh cos（mfsinΩt +ψ0）               （3）
其中，ψ0为角度调制器2的周期运动中心与北向夹角，
        ψ为陀螺输入轴与角度调制器2的周期运动中心夹角。
对（3）式进行三角函数展开有：
ω=ωB+ωeh cos（mfsinΩt）cosψ0 -ωeh sin（mfsinΩt）sinψ0           （4）
将cos（mfsinΩt）, sin（mfsinΩt）分别展开成贝塞尔函数，则（4）式变为：
ω=ωB+ωeh cosψ0J0(mf)+2ωeh [J2(mf) cosψ0cos2Ωt- J1(mf) sinψ0sinΩt] （5）
由公式（5）可知，当ψ0≠0时，陀螺输出ω是频率为调制频率Ω的基频与二倍频的混合信号，当ψ0=0时，陀螺输出ω是频率为调制频率Ω的二倍频信号。陀螺输出ω，经隔直，滤波、选频放大后，有效信号为μ。
       μ=U0[J2(mf) cosψ0cos2Ωt- kJ1(mf) sinψ0sinΩt]                 （6）
其中, U0=2ηωeh ,η是转化效率，k是选频网络对基频和二倍频信号的放大倍数之比。令  ：                              
U=U0kJ1(mf) sinψ0          ,                                                                                                                      （7）
V=U0J2(mf) cosψ0       ,                                                                              （8）
则公式（6）表示为：   μ=Vcos2Ωt- UsinΩt                                  （9）
由式（9）可知，有效信号μ只含基频和二倍频信号，且两者的峰值U和V都包含北向夹角信息ψ0，通过信号处理系统13，同时提取基频信号和二倍频信号峰值U和V，
令UOUT= U/ V
则UOUT= kJ1(mf) sinψ0 /  J2(mf) cosψ0= kJ1(mf)tg(ψ0 ) /  J2(mf)                             （10）  
当ψ0 较小时，   tg(ψ0 )≈ψ0，则公式（10）表示为：
UOUT=  kJ1(mf)ψ0  /  J2(mf)                                           （11）
ψ0角仅与k和mf有关而与陀螺输出ω大小无关。
其中，ω为陀螺输出，ωB为陀螺零偏，φ为测量地点纬度，ωe地球自转速度矢量，ωeh为ωe在测量地的水平分量，ωeh=ωecosφ，UOUT为电压或数字量，ψ0为角度调制器2的周期运动中心与北向夹角。
实际上，受角度调制器2性能和选频放大网络特性等因素影响，很难保持k和mf的稳定性，所以，本发明寻北方法不采用直接测量北向夹角ψ0，而是采用同步跟踪的方法，保持角度ψ0=0，即实现角度调制器2的周期运动中心与北向重合；同时，利用安装在转盘3上的光电编码器主光栅码盘4和安装在基座6上的光电编码器鉴向盘5进行转盘3和基座6之间角度变化量测量，即实现陀螺寻北仪基准边与北向夹角的测量，实现陀螺寻北仪的寻北功能。
 实施例2。
下面结合附图3、4、5、6，对本发明所述新型陀螺寻北仪的具体工作过程作以说明。
新型陀螺寻北仪，底座9固定于载体上，利用脚螺旋7将陀螺寻北仪调平，调平结果通过水准器8加以判断。陀螺寻北仪系统上电工作，调制信号源12产生调制信号β，发送给角度调制器2和信号处理系统13，角度调制器2接收到调制信号β，其输出轴带动安装其上的陀螺1以角度调制器2的周期运动中心为中心进行周期性角运动ψ。则陀螺输出ω为：
ω=ωB+ωeh cosψ0J0(mf)+2ωeh [J2(mf) cosψ0cos2Ωt- J1(mf) sinψ0sinΩt]
ω是频率为调制频率基频和二倍频的混合信号。
信号处理系统13对经过角度调制器2调制后的陀螺输出信号ω，进行隔直、滤波、选频放大、峰值采样，解调出角度调制器2的周期运动中心与北向的夹角ψ0所对应信号UOUT。
电机10接收来自信号处理系统13发出的信号UOUT，进行一定方向的转动，其中转动角度与ψ0大小成正比，转动方向与ψ0的符号相反；传动机构11将电机10输出的转动按照一定的比例关系传递给转盘3与角度调制器2，使角度调制器2的周期运动中心与北向重合，即ψ0=0。同时，转盘在电机的带动下发生转动，则安装在转盘3上的光电编码器主光栅码盘4和安装在基座6上的光电编码器鉴向盘5进行转盘3和基座6之间角度变化量测量，即实现陀螺寻北仪基准边与北向夹角的测量，实现寻北仪的寻北功能。
本发明通过采用调制和同步跟踪技术，将直接进行陀螺输出ω的绝对量测量变为频率测量，提高了测量精度。同时，以ψ0=0为闭环条件，构建陀螺寻北仪闭环测量系统，提高了陀螺寻北仪抗干扰能力，不受陀螺漂移，温度、振动、纬度、转位精度等因素影响，易于实现快速、高精度寻北。 

Claims (11)

1.新型寻北方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）调制信号源（12）产生调制信号β，发送给角度调制器（2）和信号处理系统（13），在调制信号β的激励下角度调制器（2）的输出轴，关于角度调制器（2）的周期运动中心作周期性角运动ψ，周期性角运动ψ作用于陀螺（1）上，实现陀螺输入轴在水平面内，关于角度调制器（2）的周期运动中心作周期性角运动ψ；信号处理系统（13）将调制信号β作为进行微弱信号检测的参考源；
2）信号处理系统（13）对经过角度调制器（2）调制后的陀螺输出信号ω（陀螺输出信号ω为频率为调制频率基频和二倍频的混合信号），进行隔直、滤波、选频放大、峰值采样、相敏检波，解调出角度调制器（2）的周期运动中心与北向的夹角ψ0所对应信号UOUT，并发送给电机（10）；其中UOUT为电压信号或数字量，ψ0为角度调制器的周期运动中心与北向夹角；
3）电机（10）接收来自信号处理系统（13）发出的信号UOUT，进行一定方向的转动，其中转动角度与ψ0大小成正比，转动方向与ψ0的符号相反；传动机构（11）将电机（10）输出的转动按照一定的比例关系传递给转盘（3）与角度调制器（2），使角度调制器（2）的周期运动中心与北向重合，即ψ0=0；并将ψ0=0作为陀螺寻北仪闭环控制条件，实现陀螺寻北仪的闭环控制；
4）转盘（3）在电机（10）的带动下发生转动，则安装在转盘（3）上的光电编码器主光栅码盘（4）和安装在基座（6）上的光电编码器鉴向盘（5）进行转盘（3）和底座（6）之间角度变化量测量，即实现陀螺寻北仪基准边与北向夹角的测量，实现寻北仪的寻北功能。
2.根据权利要求1所述的新型寻北方法，其特征在于：1）中所述的角度调制器（2）的输出轴及陀螺输入轴的周期性角运动为简谐运动或方波、锯齿波等周期性摆动。
3.根据权利要求1所述的新型寻北方法，其特征在于：1）中所述的角度调制器（2）的周期运动中心为角度调制器（2）的输出轴进行周期性角运动的对称中心。
4.新型陀螺寻北仪包括陀螺（1）、角度调制器（2）、转盘（3）、光电编码器主光栅码盘（4）、光电编码器鉴向盘（5）、基座（6）、脚螺旋（7）、水准器（8）、底座（9）、电机（10）、传动机构（11）、调制信号源（12）、信号处理系统（13）等部分；新型陀螺寻北仪结构上分为上下两部分，其中上部为运动部分，下部为静止部分；其特征在于：所述的运动部分以转盘（3）为安装基础；所述的角度调制器（2）固定安装于转盘（3）的上表面，所述的陀螺（1）固定安装于角度调制器（2）的输出轴上，所述的转盘（3）的下端有输入轴，输入轴与传动机构（11）相连接，所述的光电编码器主光栅码盘（4）固定安装于转盘（3）的输入轴上；其特征在于：所述的静止部分以基座（3）为安装基础，所述的光电编码器鉴向盘（5）固定安装在基座（6）上，所述的电机（10）、传动机构（11）、调制信号源（12）、信号处理系统（13）固定安装在基座（6）内部，所述的脚螺旋（7）、底座（9）安装于基座（6）底部。
5.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的陀螺（1）为光纤陀螺、激光陀螺、微机械陀螺、挠性陀螺、静电陀螺、液浮陀螺或气浮陀螺。
6.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的角度调制器（2）为音圈电机、PZT压电陶瓷或电机等能够产生周期性角运动的机构和装置。
7.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的传动机构（11）为齿轮、链条或皮带传动机构，用于电机（10）输出转速大小调节和转速传递。
8.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的脚螺旋（7）用于陀螺寻北仪的调平。
9.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的水准器（8）安装于转盘（3）的上表面，水准器（8）对陀螺寻北仪的水平状态进行测量。
10.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的光电编码器主光栅码盘（4）和光电编码器鉴向盘（5）成对使用，实现转盘（3）与基座（6）之间角度差值的测量。
11.根据权利要求4所述的新型陀螺寻北仪，其特征在于：所述的基座（3）上设计有陀螺寻北仪基准边，陀螺寻北仪基准边与光电编码器鉴向盘（5）的零位之间的角度关系已通过标定方法事先确定。
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