CN103791896B - 一种摆式陀螺寻北仪的全方位寻北装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置及方法，摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置包括摆式陀螺寻北仪，摆式陀螺寻北仪包括陀螺摆H轴，还包括：确定大致真北方向的电子磁罗盘、电连接电子磁罗盘和摆式陀螺寻北仪的电路组件；包括减速旋转机构、绝对光栅码盘和驱动伺服机构的伺服跟踪装置以及与所述摆式陀螺寻北仪和所述驱动伺服机构电连接的控制模块，伺服跟踪装置根据控制模块的控制信号将陀螺摆H轴旋转至所述大致真北方向，摆式陀螺寻北仪开始寻真北步骤。本发明的摆式陀螺寻北仪的全方位寻北装置及方法，不受摆式陀螺寻北仪架设方位的限制，将摆式陀螺寻北仪以任意方位架设调平后，即可实现寻北操作，快速便捷。

Description

一种摆式陀螺寻北仪的全方位寻北装置及方法
技术领域
本发明涉及一种寻北装置及方法，尤其涉及一种利用电子磁罗盘初步定位的摆式陀螺寻北仪快速全方位寻北装置及方法。
背景技术
摆式陀螺寻北仪为高精度定向设备，通过陀螺摆敏感地球自转角速度的方式确定真北方位。为实现寻北，陀螺摆通过一恒弹性金属丝吊挂于伺服跟踪装置上，下挂点位于摆的质心上方，从而构成一质心下移的摆式结构。当陀螺工作时，由于测点地球自转角速度水平分量及重力的作用，在无阻尼条件下，陀螺摆将绕地垂线对称于子午面(北向)摆动，光学传感器测量出陀螺摆的运动，通过自动阻尼跟踪方式，陀螺摆将会被快速稳定至测点子午面内(北向)。此时伺服跟踪装置也位于北向基准位置，通过码盘和直角棱镜等装置可将北向基准信息直接传递至相关基面或基线。专利号为ZL200810146912.4的发明专利公开了一种摆式陀螺寻北仪寻北测量方法，但是其需要将陀螺摆H轴架设到北向附近才能实现快速寻北。若将摆式陀螺寻北仪任意方位架设，其陀螺摆H轴没有朝向北向附近，将会出现在规定的时间内寻北任务不能完成或寻北精度超差的现象。
发明内容
本发明的目的是提供一种摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置及方法，不受摆式陀螺寻北仪架设方位的限制，将摆式陀螺寻北仪以任意方位架设调平后，即可实现寻北步骤。
为了实现上述目的，本发明的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，包括摆式陀螺寻北仪，所述摆式陀螺寻北仪包括陀螺摆H轴，还包括：
电子磁罗盘，实现大致真北方向的确定；
电路组件，电连接所述电子磁罗盘和所述摆式陀螺寻北仪；
伺服跟踪装置，包括：
减速旋转机构；
绝对光栅码盘；以及
驱动伺服机构；
其中，所述驱动伺服机构的输出轴与所述减速旋转机构的输入轴连接，所述减速旋转机构的输出轴与所述陀螺摆H轴和所述绝对光栅码盘输入端相连接，所述绝对光栅码盘的输出端与所述驱动伺服机构的输入端电连接；以及
控制模块，与所述摆式陀螺寻北仪和所述驱动伺服机构电连接；
其中，所述伺服跟踪装置根据所述控制模块的控制信号将所述陀螺摆H轴旋转至所述大致真北方向。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其中，所述减速旋转机构包括减速机构和密珠轴系，所述减速机构的输入轴是所述减速旋转机构的输入轴，所述密珠轴系的输出轴是所述减速旋转机构的输出轴，所述减速机构的输出轴与所述密珠轴系的输入轴相连接。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其中，所述驱动伺服机构包括相互电连接的驱动电路和测速伺服电机，所述驱动电路驱动所述测速伺服电机，所述测速伺服电机反馈速度信号至所述驱动电路。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其中，所述电路组件包括使所述摆式陀螺寻北仪给所述电子磁罗盘供电的DV24V/DC5V电源转换模块和实现所述摆式陀螺寻北仪与所述电子磁罗盘之间的数据传输的RS-232通讯模块。
采用上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置的一种摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，该方法包括如下步骤：
步骤1：所述控制模块通过所述电路组件向所述电子磁罗盘发送寻北信号，所述电子磁罗盘实现所述大致真北方向的确定并将所述大致真北方向角度信号通过所述电路组件传输至所述控制模块；
步骤2：所述控制模块读取所述摆式陀螺寻北仪的所述陀螺摆H轴的角度信号并与所述大致真北方向角度进行比较得到H轴偏北角θ；
步骤3：所述控制模块根据所述H轴偏北角θ输入信号至所述驱动伺服机构，所述驱动伺服机构带动所述减速旋转机构，所述减速旋转机构带动所述陀螺摆H轴旋转；
步骤4：所述绝对光栅码盘反馈所述陀螺摆H轴旋转角度信号至所述驱动伺服机构直至所述陀螺摆H轴旋转至所述大致真北方向；
步骤5：所述摆式陀螺寻北仪进行寻真北步骤。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其中，所述大致真北方向的范围为真北±15°。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其中，所述步骤3包括：
所述控制模块判断所述H轴偏北角θ是否属于0度至180度；如果是，所述控制模块输入控制信号使所述陀螺摆H轴顺时针旋转θ角度；如果不是，所述控制模块输入控制信号使所述陀螺摆H轴逆时针旋转360-θ角度。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其中，所述减速旋转机构包括减速机构和密珠轴系，所述减速机构的输入轴是所述减速旋转机构的输入轴，所述密珠轴系的输出轴是所述减速旋转机构的输出轴，所述减速机构的输出轴与所述密珠轴系的输入轴相连接。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其中，所述驱动伺服机构包括驱动电路和测速伺服电机，所述驱动电路驱动所述减速伺服电机，所述测速伺服电机反馈速度信号至所述驱动电路。
上述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其中，所述电路组件包括使所述摆式陀螺寻北仪给所述电子磁罗盘供电的DV24V/DC5V电源转换模块和实现所述摆式陀螺寻北仪与所述电子磁罗盘之间的数据传输的RS-232通讯模块。
本发明的有益功效在于，采用本发明的摆式陀螺寻北仪的全方位寻北方法，利用电子磁罗盘确定大致真北的方向，并利用伺服跟踪装置将摆式陀螺寻北仪的陀螺摆H轴旋转至大致真北的方向，然后进行寻北操作，不受摆式陀螺寻北仪架设方位的限制，将摆式陀螺寻北仪以任意方位架设调平后，即可实现寻北操作，快速便捷。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为摆式陀螺寻北仪的全方位寻北装置原理框图；
图2为伺服跟踪装置原理框图；
图3为摆式陀螺寻北仪与电子磁罗盘连接示意图；
图4为摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法流程图；
图5为摆式陀螺寻北仪的陀螺摆H轴偏北角定义示意图。
其中，附图标记
1 摆式陀螺寻北仪
2 电子磁罗盘
3 电路组件
4 伺服跟踪装置
5 陀螺摆H轴
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。
如图1所示，图1是本发明的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置10的原理框图，本发明的摆式陀螺寻北仪全方位的寻北装置10包括摆式陀螺寻北仪1、电子磁罗盘2、连接摆式陀螺寻北仪1和电子磁罗盘2的电路组件3、伺服跟踪装置4，以及用于信息计算处理和信息控制的控制模块。控制模块与伺服跟踪装置4和摆式陀螺寻北仪1电连接。伺服跟踪装置4与摆式陀螺寻北仪1的陀螺摆H轴5相连接。电子磁罗盘2实现大致真北方向的确定并通过电路组件3将大致真北方向的角度信号传输至控制模块，伺服跟踪装置4根据控制模块的传输的控制信号将陀螺摆H轴5旋转至大致真北方向，摆式陀螺寻北仪1随即开始寻真北步骤。其中，摆式陀螺寻北仪1为现有技术，在此不再赘述。
如图2所示，图2是本发明伺服跟踪装置4的原理图。本发明的伺服跟踪装置4包括：减速旋转机构、绝对光栅码盘以及驱动伺服机构。驱动伺服机构的输出轴与减速旋转机构的输入轴连接，减速旋转机构的输出轴与陀螺摆H轴5和绝对光栅码盘输入端相连接，绝对光栅码盘的输出端与驱动伺服机构的输入端电连接。
其中减速旋转机构包括减速机构包括减速机构和密珠轴系，减速机构的输入轴是减速旋转机构的输入轴，密珠轴系的输出轴是减速旋转机构的输出轴，减速机构的输出轴与密珠轴系的输入轴相连接。驱动伺服机构包括驱动电路和测速伺服电机。控制模块传输控制信号至驱动电路，驱动电路驱动测速伺服电机，测速伺服电机反馈速度信号至驱动电路。
电子磁罗盘2实现大致真北方向的确定，范围为真北±15°。电子磁罗盘2安装在摆式陀螺寻北仪1内部上侧，由螺钉固定。电子磁罗盘2通过电路组件3与摆式陀螺寻北仪1连接。
摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法的工作流程如下：
步骤1：控制模块通过电路组件3向电子磁罗盘2发送寻北信号，电子磁罗盘2实现大致真北方向的确定并将大致真北方向角度信号通过电路组件3传输至控制模块；
步骤2：控制模块读取摆式陀螺寻北仪的陀螺摆H轴5的角度信号并与大致真北方向角度进行比较得到H轴偏北角θ；
步骤3：控制模块根据H轴偏北角θ输入信号至驱动伺服机构，驱动伺服机构带动减速旋转机构，减速旋转机构带动陀螺摆H轴5旋转；
步骤4：绝对光栅码盘反馈陀螺摆H轴5旋转角度信号至驱动伺服机构直至陀螺摆H轴5旋转至大致真北方向；
步骤5：摆式陀螺寻北仪进行寻真北步骤。
其中，步骤3包括：控制模块判断H轴偏北角θ是否属于0度至180度；如果是，控制模块输入控制信号使陀螺摆H轴5顺时针旋转θ角度；如果不是，控制模块输入控制信号使陀螺摆H轴5逆时针旋转360-θ角度。
如图4所示，摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置10的寻北工作过程为：
将摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置10以任意方位架设在三脚架上或其他可调平稳定装置上，将摆式陀螺寻北仪1进行调平，调平后对摆式陀螺寻北仪1进行系统上电。
系统上电后，控制模块向电子磁罗盘2发送寻北的信号，电子磁罗盘2确定大致真北方向，并发送至控制模块，控制模块读取摆式陀螺寻北仪1的陀螺摆H轴5的角度数据，并与电子磁罗盘2提供的大致真北方向进行比较，得到陀螺摆H轴5的H轴偏北角θ。
控制模块根据陀螺摆H轴5的H轴偏北角θ控制伺服跟踪装置4将陀螺摆的H轴5旋转到真北附近。陀螺摆H轴5的H轴偏北角度定义如图5所示，若θ∈[0°,180°]，控制伺服跟踪装置4控制陀螺摆H轴5以逆时针方向旋转θ角度，若θ′∈(180°,360°)，控制伺服跟踪装置4控制陀螺摆H轴5以顺时针方向旋转360°-θ′角度。
同时，绝对光栅码盘反馈陀螺摆H轴5的旋转角度信号给伺服跟踪装置4，一直到陀螺摆H轴5旋转到大致真北方向。
陀螺摆H轴5旋转到大致真北方向后，摆式陀螺寻北仪进行寻真北操作，寻北结束后将精确真北方位输出。系统断电，摆式陀螺寻北仪寻北工作流程结束。
综上，本发明为实现摆式陀螺寻北仪以任意方位架设进行全方位寻北，进行了如下四个方面的设计。
1)选用电子磁罗盘2，实现大致真北方向的确定,范围为真北±15°。电子磁罗盘2安装在摆式陀螺寻北仪1内部上侧，由螺钉固定。电子磁罗盘2通过电子组件3摆式陀螺寻北仪1连接；
2)设计伺服跟踪装置4，实现[0°,360°)全方位旋转。伺服跟踪装置4由驱动电路，测速伺服电机、减速机构、密珠轴系和绝对光栅码盘组成。伺服跟踪装置根据给定的H轴偏北角，由驱动电路控制测速伺服电机驱动减速机构，减速机构带动密珠轴系实现[0°,360°)全方位旋转；并根据绝对光栅码盘的角度数据，确定伺服跟踪装置是否跟踪到位。测速伺服电机反馈电机转速信号至驱动电路，实现伺服跟踪的实时性和稳定性。
测速伺服电机包括测速电机和伺服电机，测速电机位于伺服电机尾端，将伺服电机转速转换为编码脉冲输出；减速机构由齿轮系组成，起到减速的作用；驱动电路根据H轴偏北角、绝对光栅码盘的角度数据、以及测速电机的编码脉冲，通过调整PWM占空比的方式驱动伺服电机转动，从而将陀螺摆的H轴5旋转到真北±15°范围以内。伺服跟踪装置4位于摆式陀螺寻北仪1中部。
3)设计摆式陀螺寻北仪1与电子磁罗盘2之间供电和通讯的相关电路组件3。电路组件3一部分为DC24V/DC5V电源转换模块，输出直流5V电源为电子磁罗盘供电；另一部分为RS-232通讯模块，实现摆式陀螺寻北仪和电子磁罗盘之间的命令交互和数据传输，两者原理示意图见图3。该电路组件3为陀螺寻北仪整机电路组件的一部分，陀螺寻北仪1整机电路组件位于陀螺寻北仪1内部上侧；
4)设计摆式陀螺寻北仪全方位寻北控制模块。实现接收电子磁罗盘2确定的大致真北方向、输出陀螺摆H轴5偏北角、控制伺服跟踪装置4将陀螺摆H轴5旋转到大致真北方向、摆式陀螺寻北仪1寻真北步骤并输出寻北结果。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，包括摆式陀螺寻北仪，所述摆式陀螺寻北仪包括陀螺摆H轴，其特征在于，还包括：
电子磁罗盘，实现大致真北方向的确定；
电路组件，电连接所述电子磁罗盘和所述摆式陀螺寻北仪；
伺服跟踪装置，包括：
减速旋转机构；
绝对光栅码盘；以及
驱动伺服机构；
其中，所述驱动伺服机构的输出轴与所述减速旋转机构的输入轴连接，所述减速旋转机构的输出轴与所述陀螺摆H轴和所述绝对光栅码盘输入端相连接，所述绝对光栅码盘的输出端与所述驱动伺服机构的输入端电连接；以及
控制模块，与所述绝对光栅码盘、所述摆式陀螺寻北仪和所述驱动伺服机构电连接；
其中，所述控制模块根据所述绝对光栅码盘的角度数据，确定所述伺服跟踪装置是否跟踪到位，所述伺服跟踪装置根据所述控制模块的控制信号将所述陀螺摆H轴旋转至所述大致真北方向。
2.根据权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其特征在于，所述减速旋转机构包括减速机构和密珠轴系，所述减速机构的输入轴是所述减速旋转机构的输入轴，所述密珠轴系的输出轴是所述减速旋转机构的输出轴，所述减速机构的输出轴与所述密珠轴系的输入轴相连接。
3.根据权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其特征在于，所述驱动伺服机构包括相互电连接的驱动电路和测速伺服电机，所述驱动电路驱动所述测速伺服电机，所述测速伺服电机反馈速度信号至所述驱动电路。
4.根据权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置，其特征在于，所述电路组件包括使所述摆式陀螺寻北仪给所述电子磁罗盘供电的DV24V/DC5V电源转换模块和实现所述摆式陀螺寻北仪与所述电子磁罗盘之间的数据传输的RS-232通讯模块。
5.采用权利要求1所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北装置的一种摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：所述控制模块通过所述电路组件向所述电子磁罗盘发送寻北信号，所述电子磁罗盘实现所述大致真北方向的确定并将所述大致真北方向角度信号通过所述电路组件传输至所述控制模块；
步骤2：所述控制模块读取所述摆式陀螺寻北仪的所述陀螺摆H轴的角度信号并与所述大致真北方向角度进行比较得到H轴偏北角θ；
步骤3：所述控制模块根据所述H轴偏北角θ输入信号至所述驱动伺服机构，所述驱动伺服机构带动所述减速旋转机构，所述减速旋转机构带动所述陀螺摆H轴旋转；
步骤4：所述绝对光栅码盘反馈所述陀螺摆H轴旋转角度信号至所述驱动伺服机构直至所述陀螺摆H轴旋转至所述大致真北方向；
步骤5：所述摆式陀螺寻北仪进行寻真北步骤。
6.根据权利要求5所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，所述大致真北方向的范围为真北±15o。
7.根据权利要求5所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，所述步骤3包括：
所述控制模块判断所述H轴偏北角θ是否属于0度至180度；如果是，所述控制模块输入控制信号使所述陀螺摆H轴顺时针旋转θ角度；如果不是，所述控制模块输入控制信号使所述陀螺摆H轴逆时针旋转360-θ角度。
8.根据权利要求5所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，所述减速旋转机构包括减速机构和密珠轴系，所述减速机构的输入轴是所述减速旋转机构的输入轴，所述密珠轴系的输出轴是所述减速旋转机构的输出轴，所述减速机构的输出轴与所述密珠轴系的输入轴相连接。
9.根据权利要求5所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，所述驱动伺服机构包括驱动电路和测速伺服电机，所述驱动电路驱动所述减速伺服电机，所述测速伺服电机反馈速度信号至所述驱动电路。
10.根据权利要求5所述的摆式陀螺寻北仪全方位寻北方法，其特征在于，所述电路组件包括使所述摆式陀螺寻北仪给所述电子磁罗盘供电的DV24V/DC5V电源转换模块和实现所述摆式陀螺寻北仪与所述电子磁罗盘之间的数据传输的RS-232通讯模块。
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