CN103822624A - 一种单轴激光陀螺寻北仪及其寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单轴激光陀螺寻北仪及其寻北方法，寻北仪包括机械转动舱和电子舱，所述机械转动舱包括：棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转动舱二次电源和单轴转台；电子舱包括：解算计算机、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源。寻北方法包括粗寻北和精寻北两个过程，其中粗对准采用三位置寻北法，精对准采用两位置寻北法。本发明寻北仪在车载环境下能够实现寻北精度高、功耗低、寻北时间短、可靠性高、成本低、体积小的功能，具备抗干扰能力，可在风吹、人员走动、发动机振动等引起的基座扰动情况下完成寻北。

Description

一种单轴激光陀螺寻北仪及其寻北方法

技术领域

本发明涉及测量其基准边与地理真北之间夹角的仪器，特别是一种基于寻北算法、机械编排、转台位置控制策略、扰动基座情况下的数据处理的单轴激光陀螺寻北仪。

背景技术

寻北仪是测量其基准边与地理真北之间夹角的仪器，可为其他设备提供方位和姿态等信息，不仅在导弹发射的初始姿态测量，各种火炮的瞄准、车载雷达的天线对准等军事领域有广泛的应用，而且在隧道建设、矿井测量等民用领域也必不可少。

当前大多数寻北仪采用光纤陀螺、单轴转台及加速度计结合的方式实现寻北功能，由于光纤陀螺核心部件的限制，其寻北精度难以再度提高，只能通过延长寻北时间提高寻北精度。有的单轴陀螺寻北仪也采用激光陀螺实现，但为了满足非水平状态下寻北精度，也增加了单轴或双轴的加速度计测量水平夹角完成补偿，导致硬件成本直接增加。

同时静态寻北仪寻北精度，受风吹、人员走动、发动机振动等引起的基座扰动影响较大，特别是车载寻北仪，难以有效隔离基座扰动影响。

发明内容

本发明的目的是设计一种针对车载环境下实现寻北精度高、功耗低、寻北时间短、可靠性高、成本低、体积小的单轴激光陀螺寻北仪，其具备一定的抗干扰能力，可在风吹、人员走动、发动机振动等引起的基座扰动情况下完成寻北。

本发明的目的是通过下述技术方案来实现的。

一种单轴激光陀螺寻北仪，包括机械转动舱和电子舱，所述机械转动舱包括：棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转动舱二次电源和单轴转台；所述电子舱包括：解算计算机、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源；

其中，解算计算机分别连接棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源；所述棱镜式数字激光陀螺和倾角仪分别连接转动舱二次电源；所述以太网转换电路连接电子舱二次电源，并通过以太网对外通讯接口连接以太网通讯网；所述转台控制器连接单轴转台。

进一步地，所述转动舱二次电源和电子舱二次电源通过外接电源接口连接+16V～+32V电源。

进一步地，所述解算计算机设有与测试设备相连的CDU接口。

进一步地，所述转台控制器包括单片机，单片机分别连接有信号调理电路、功率驱动电路和制动电路；所述单片机、信号调理电路和功率驱动电路分别连接电源变换电路至24V电源；所述信号调理电路连接上位机；所述功率驱动电路连接至步进电机，步进电机通过减速机构连接失电制动器，失电制动器连接光电编码器至单轴转盘。

进一步地，所述光电编码器连接信号调理电路，将光编位置反馈信号通过信号调理电路输送至上位机。

进一步地，所述失电制动器连接制动电路，制动电路将单片机发出的失电制动信号输送至失电制动器。

相应地，本发明进而给出了单轴激光陀螺寻北仪的寻北方法，该寻北方法包括粗寻北和精寻北两个过程，其中粗寻北采用三位置寻北法，精寻北采用两位置寻北法；具体流程如下：

A、粗寻北过程：

1）寻北仪首次上电或接收到来自以太网总线的寻北命令，将单轴转台调整到转台零位，即寻北仪基准线位置；

2）以单轴转台零位为第一个位置，每间隔120°作为第二、第三个位置；

3）转台依次旋转到第一、第二、第三位置采集陀螺数据，每个位置各采集相同时间数据；

4）将每个位置采集的陀螺数据各自累加并标记为ω_i(i=1、2、3)；

5）采用下述公式（1）计算粗寻北结果；

式中：ω_i(i=1、2、3)为三个位置，各个位置所采集的陀螺数据；ψ_粗为粗寻北结果，即基准线北向夹角；pi=3.1415926；

B、精寻北过程：

1）根据步骤A中粗寻北过程得到的粗寻北结果，计算基准线北向夹角为90°或270°对应的转台旋转角；

2）根据步骤1）中计算的转台旋转角，采用最短路径原则，将转台旋转到基准线夹角为90°±5°或270°±5°的方位，开始采集数据，采集时间为T秒；

3）当数据采集时间到达T秒时，将转台旋转180°至步骤2）中采集第一组数据时方位的对称位置，开始采集第二组数据；

4）当第二组数据采集时间到达T秒后，结合步骤2）所采集的T秒数据，依据下述公式（2）完成数据解算，同时将转台旋转180°至步骤3）中采集第二组数据时方位的对称位置，开始采集第三组数据；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{11}={\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_{22}={\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_{1-2}=({\mathrm{\ω}}_{11}-{\mathrm{\ω}}_{22})/(0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_1+0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_2)\\ \mathrm{FM}=2*{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}*\sin [({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)/2]\\ \mathrm{\ψ}={\sin }^{-1}({\mathrm{\ω}}_{1-2}/\mathrm{FM})+\mathrm{pi}-({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ω₁、ω₂为精寻北两个位置所采集的陀螺数据；ω_ev、ω_en为当地地球自转天向分量和北向分量；θ₁、θ₂为精寻北时两个位置陀螺敏感轴的水平夹角；φ₁、φ₂为精寻北时转台两个位置的旋转角度；ω₁₁、ω₂₂、ω_1-2和FM为计算过程的中间变量；ψ为精寻北结果，即精确基准线北向夹角；

5）重复步骤4），依次采集第四、五、六组数据，并计算各两组之间的精寻北结果并记录，当满足采集时间后再退出采集过程；

6）退出采集过程后，对各次计算的精寻北结果求均值，作为最终精寻北结果并输出。

进一步地，所述精寻北过程步骤1）中，计算基准线北向夹角为90°或270°对应的转台旋转角是将基准线北向夹角为90°或270°减去基准线北向夹角即得。

进一步地，所述步骤5）中，当累计采集数据时间满足5min时，或根据用户要求设定具体采集时间，退出采集过程。

与现有技术对比，本发明寻北仪结构组成选用棱镜式数字激光陀螺和数字式倾角传感器，其激光陀螺精度高，可以直接缩短寻北时间；倾角传感器为数字输出。通讯供电简便，无需额外的数据采集电路，生产成本远远低于加速度计。

寻北方法采用粗寻北三位置寻北算法和精寻北两位置寻北算法实现，离线分析不同基座扰动情况下频谱特性，采用小波滤波预处理的方式减小基座扰动影响，通过短时间内多次寻北求均值的方式，提高寻北仪抗干扰能力，可有效减小基座扰动对寻北精度的影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明寻北仪结构框图。

图2是转台控制器电路结构示意图。

图3是寻北仪工作流程示意框图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的单轴激光陀螺寻北仪，其包括机械转动舱和电子舱，机械转动舱包括：棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转动舱二次电源和单轴转台；电子舱包括：解算计算机、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源。

其中，解算计算机分别连接棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转台控制器、以太网转换电路、电子舱二次电源；棱镜式数字激光陀螺和倾角仪分别连接转动舱二次电源；以太网转换电路连接电子舱二次电源，并通过以太网对外通讯接口连接以太网通讯网；转台控制器连接单轴转台。转动舱二次电源和电子舱二次电源通过外接电源接口连接+16V～+32V电源。解算计算机设有与测试设备相连的CDU接口。

如图2所示，转台控制器包括单片机，单片机分别连接有信号调理电路、功率驱动电路和制动电路；单片机、信号调理电路和功率驱动电路分别连接电源变换电路至24V电源；信号调理电路连接上位机将位置给定信号输送至上位机，并将上位机的位置反馈信号反馈给信号调理电路；功率驱动电路连接至步进电机，步进电机通过减速机构连接失电制动器，失电制动器连接光电编码器至单轴转盘。光电编码器连接信号调理电路，将光编位置反馈信号通过信号调理电路输送至上位机。失电制动器连接制动电路，制动电路将单片机发出的失电制动信号输送至失电制动器。

本发明的核心部件设计

1.激光陀螺

采用西安北方捷瑞光电科技有限公司生产的JG111D型棱镜式数字激光陀螺，用于测量地球自转角速度。其启动快、耐冲击能力强、动态测量范围宽、数字输出无需模数转换，使用简便可靠。

主要性能指标如下:

a)零偏:≤0.1°/h；

b)零偏重复性:≤0.01°/h(1σ)；

c)零偏稳定性:≤0.01°/h(1σ)；

d)磁灵敏度:≤0.004°/h/Gs；

e)最大跟踪角速率：≥±300°/s；

f)全温范围标度因素温度灵敏度：≤1.5ppm/℃。

2.倾角仪

选用北京科天鸿日科技有限公司生产的SANG1000型倾角仪，其采用高速度数字处理器，对重力加速度信息进行处理与解算，通过光刻电阻技术补偿非线性误差保证精度，体积小、功耗底、数字输出、使用简便。

主要性能指标如下:

a)测量精度：0.005°；

b)测量轴数:双轴；

c)测量范围:±30°；

d)输出频率:20Hz；

e)通讯接口:RS422，波特率为9600bps。

3.单轴转台

单轴转台主要由转盘、固定底座、与转盘直连的高精度光电编码器、蜗轮、蜗杆、减速机构、驱动步进电机、锁紧转盘的失电制动器以及控制器部分组成。

主要性能指标如下：

a)定位精度：≤2′；

b)测量偏差精度：≤±10″；

c)180°转位时间：小于15s；

d)正常工作范围内锁定位置端面跳动：不大于0.025mm；

e)负载≥4kg；

f)工作温度：-40℃～+75℃。

下面给出本发明单轴激光陀螺寻北方法，包括：

寻北过程分为粗寻北和精寻北两个过程，其中粗寻北采用三位置寻北算法，精寻北采用两位置寻北算法。具体流程见图3所示。

A、粗寻北过程：

1）寻北仪首次上电或接收到来自以太网总线的寻北命令，将单轴转台调整到转台零位，即寻北仪基准线位置；

2）以单轴转台零位为第一个位置，每间隔120°作为第二、第三个位置；

3）转台依次旋转到第一、第二、第三位置采集陀螺数据，每个位置各采集相同时间数据；

4）将每个位置采集的陀螺数据各自累加标记为ω_i(i=1、2、3)；

5）采用公式（1）计算粗寻北结果；

式中：ω_i(i=1、2、3)为三个位置，各个位置所采集的陀螺数据；

ψ_粗为粗寻北结果，即基准线北向夹角；

pi=3.1415926。

B、精寻北过程：

1）根据步骤A中粗寻北过程计算的粗寻北结果，计算基准线北向夹角为90°或270°对应的转台旋转角，即，将基准线北向夹角为90°或270°减去基准线北向夹角即得；

2）根据步骤1）中计算的转台旋转角，采用最短路径原则，将转台旋转到基准线夹角为90°±5°或270°±5°的方位，开始采集数据，采集时间为T秒；

3）当数据采集时间到达T秒时，将转台旋转180°至步骤2）中采集第一组数据时方位的对称位置，开始采集第二组数据；

4）当第二组数据采集时间到达T秒后，结合步骤2）所采集的T秒数据，依据下述公式（2）完成数据解算，同时将转台旋转180°至步骤3）中采集第二组数据时方位的对称位置，开始采集第三组数据；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{11}={\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_{22}={\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_{1-2}=({\mathrm{\ω}}_{11}-{\mathrm{\ω}}_{22})/(0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_1+0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_2)\\ \mathrm{FM}=2*{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}*\sin [({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)/2]\\ \mathrm{\ψ}={\sin }^{-1}({\mathrm{\ω}}_{1-2}/\mathrm{FM})+\mathrm{pi}-({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：ω₁、ω₂为精寻北两个位置所采集的陀螺数据；

ω_ev、ω_en为当地地球自转天向分量和北向分量；

θ₁、θ₂为精寻北时两个位置陀螺敏感轴的水平夹角；

φ₁、φ₂为精寻北时转台两个位置的旋转角度；

ω₁₁、ω₂₂、ω_1-2和FM为计算过程的中间变量；

ψ为精寻北结果，即精确基准线北向夹角；

5）重复第4）步骤，依次采集第四、五、六组数据，并计算各两组之间的精寻北结果并记录，当累计采集数据时间满足5min时，退出采集过程，也可以根据用户要求设定具体采集时间，当满足采集时间后再退出采集过程；

6）退出采集过程后，对各次计算的精寻北结果求均值，作为最终精寻北结果并输出。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (9)

1.一种单轴激光陀螺寻北仪，包括机械转动舱和电子舱，其特征在于，所述机械转动舱包括：棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转动舱二次电源和单轴转台；所述电子舱包括：解算计算机、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源；

其中，解算计算机分别连接棱镜式数字激光陀螺、倾角仪、转台控制器、以太网转换电路和电子舱二次电源；所述棱镜式数字激光陀螺和倾角仪分别连接转动舱二次电源；所述以太网转换电路连接电子舱二次电源，并通过以太网对外通讯接口连接以太网通讯网；所述转台控制器连接单轴转台。

2.根据权利要求1所述的单轴激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述转动舱二次电源和电子舱二次电源通过外接电源接口连接+16V～+32V电源。

3.根据权利要求1所述的单轴激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述解算计算机设有与测试设备相连的CDU接口。

4.根据权利要求1所述的单轴激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述转台控制器包括单片机，单片机分别连接有信号调理电路、功率驱动电路和制动电路；所述单片机、信号调理电路和功率驱动电路分别连接电源变换电路至24V电源；所述信号调理电路连接上位机；所述功率驱动电路连接至步进电机，步进电机通过减速机构连接失电制动器，失电制动器连接光电编码器至单轴转盘。

5.根据权利要求4所述的单轴激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述光电编码器连接信号调理电路，将光编位置反馈信号通过信号调理电路输送至上位机。

6.根据权利要求4所述的单轴激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述失电制动器连接制动电路，制动电路将单片机发出的失电制动信号输送至失电制动器。

7.一种基于权利要求1所述的单轴激光陀螺寻北仪的寻北方法，其特征在于，该寻北方法包括粗寻北和精寻北两个过程，其中粗寻北采用三位置寻北法，精寻北采用两位置寻北法；具体流程如下：

A、粗寻北过程：

1）寻北仪首次上电或接收到来自以太网总线的寻北命令，将单轴转台调整到转台零位，即寻北仪基准线位置；

2）以单轴转台零位为第一个位置，每间隔120°作为第二、第三个位置；

3）转台依次旋转到第一、第二、第三位置采集陀螺数据，每个位置各采集相同时间数据；

4）将每个位置采集的陀螺数据各自累加标记为ω_i(i=1、2、3)；

5）采用下述公式（1）计算粗寻北结果；

式中：ω_i(i=1、2、3)为三个位置，各个位置所采集的陀螺数据；ψ_粗为粗寻北结果，即基准线北向夹角；pi=3.1415926；

B、精寻北过程：

1）根据步骤A中粗寻北过程得到的粗寻北结果，计算基准线北向夹角为90°或270°对应的转台旋转角；

2）根据步骤1）中计算的转台旋转角，采用最短路径原则，将转台旋转到基准线夹角为90°±5°或270°±5°的方位，开始采集数据，采集时间为T秒；

3）当数据采集时间到达T秒时，将转台旋转180°至步骤2）中采集第一组数据时方位的对称位置，开始采集第二组数据；

4）当第二组数据采集时间到达T秒后，结合步骤2）所采集的T秒数据，依据下述公式（2）完成数据解算，同时将转台旋转180°至步骤3）中采集第二组数据时方位的对称位置，开始采集第三组数据；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{11}={\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_1\\ {\mathrm{\ω}}_{22}={\mathrm{\ω}}_2-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{ev}}*\sin {\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\ω}}_{1-2}=({\mathrm{\ω}}_{11}-{\mathrm{\ω}}_{22})/(0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_1+0.5*\cos {\mathrm{\θ}}_2)\\ \mathrm{FM}=2*{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{en}}*\sin [({\mathrm{\φ}}_1-{\mathrm{\φ}}_2)/2]\\ \mathrm{\ψ}={\sin }^{-1}({\mathrm{\ω}}_{1-2}/\mathrm{FM})+\mathrm{pi}-({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ω₁、ω₂为精寻北两个位置所采集的陀螺数据；ω_ev、ω_en为当地地球自转天向分量和北向分量；θ₁、θ₂为精寻北时两个位置陀螺敏感轴的水平夹角；φ₁、φ₂为精寻北时转台两个位置的旋转角度；ω₁₁、ω₂₂、ω_1-2和FM为计算过程的中间变量；ψ为精寻北结果，即精确基准线北向夹角；

5）重复步骤4），依次采集第四、五、六组数据，并计算各两组之间的精寻北结果并记录，当满足采集时间后再退出采集过程；

6）退出采集过程后，对各次计算的精寻北结果求均值，作为最终精寻北结果并输出。

8.根据权利要求7所述的单轴激光陀螺寻北仪的寻北方法，其特征在于，所述精寻北过程步骤1）中，计算基准线北向夹角为90°或270°对应的转台旋转角是将基准线北向夹角为90°或270°减去基准线北向夹角即得。

9.根据权利要求7所述的单轴激光陀螺寻北仪的寻北方法，其特征在于，所述精寻北过程步骤5）中，当累计采集数据时间满足5min时，或根据用户要求设定具体采集时间，退出采集过程。

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