CN103822632B - 一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统及其滚转隔离方法，属于惯性导航系统及其隔离滚转的方法的技术领域；解决的技术问题为提供一种能够对高速自旋载体进行滚转隔离、精度较高的具有滚转隔离功能的惯性导航系统及其滚转隔离方法；采用的技术方案为：所述惯性导航系统包括惯性测量单元和导航解算模块，惯性导航系统还包括外壳和电机本体，电机本体包括电机控制器、电机定子和电机转子，惯性测量单元固定设置在电机本体的电机转子上，惯性测量单元通过滑环分别向导航解算模块和电机控制器传输电信号，导航解算模块通过输入输出接口向外界传递信息，输入输出接口设置在外壳上；适用于导航与制导领域。
Description
技术领域
本发明一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，属于惯性导航系统及其隔离滚转的方法的技术领域。
背景技术
惯性导航系统（简称惯导）用于导航和制导，其工作过程是利用三轴加速度计、三轴陀螺对载体的加速度、角速度等惯性参数进行实时采集，然后利用这些惯性参数解算出载体的姿态、速度和位置等信息；惯导产品应用在导弹、鱼雷、无人机、智能炸弹等多个领域的技术已经成熟，但将惯导应用于像火箭炮等高转速的自旋载体上时，由于自旋载体的角速度较大（约为20r/s），受惯导关键元器件——陀螺在大量程和高精度两个性能指标上很难同时兼备的约束，使得火箭炮等自旋载体高速旋转时的精确制导很难实现，在现有技术上想要提高制导精度很难。
目前将惯导应用于高转速自旋载体上的成功应用案例较少，在国外，美国Sandia国家实验室在上世纪70年代已经开始研制将高速自旋载体的滚转角速度与惯导隔离开来的滚转隔离惯导，经历了数十年，已有多个型号的滚转隔离惯导产品在飞行器上进行了飞行试验，最近，Litton公司设计的LN-200IMU，其重量为1.5磅、面积为35平方英寸，性能已满足商用需求；在国内，近期出现了一种利用偏心质量块的重力作用来解决高速旋转隔离的方案，但此方案隔离外部旋转时偏心质量块会在重力作用和摩擦力作用下不停摇摆，使得内核与外部载体的位置关系不确定，应用具有一定的局限性，此外，还出现了另外一种滚转隔离方案，该方案是在载体上安装高量程陀螺来测量载体的旋转速度，将此转速信息反馈给带电机的驱动装置，进而控制惯性模块反向旋转，以消除载体的高转速对惯性测量单元（IMU）带来的影响，对于此方案，由于高量程的陀螺其精度一般很低，所以以此类陀螺的转速信息来控制惯性模块的反向旋转，误差较大，很难满足内核惯性器件的应用环境；现阶段亟需一种能应用在高速旋转环境下的、误差较小、精度较高的惯性导航系统，以满足高速自旋载体精确制导的目的。
发明内容
本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种能够对高速自旋载体进行滚转隔离、精度较高的具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，所述惯性导航系统包括惯性测量单元和导航解算模块，所述惯性测量单元包括陀螺和加速度计，所述的惯性导航系统还包括外壳和电机本体，所述惯性测量单元、导航解算模块和电机本体均设置在外壳的内部，其中，所述电机本体包括电机控制器、电机定子和电机转子，所述惯性测量单元固定设置在电机本体的电机转子上，所述惯性测量单元通过滑环分别向导航解算模块和电机控制器传输电信号，所述导航解算模块通过输入输出接口向外界传递信息，所述输入输出接口设置在外壳上；所述滚转隔离方法包括以下步骤：运用于载体上的惯性导航系统运行后，惯性测量单元中的陀螺测量载体的滚转角速率，惯性测量单元将该滚转角速率信息通过滑环传递给电机控制器，电机控制器根据接收到的滚转角速率信息来控制电机转子相对于载体的旋转方向进行反向旋转，使固定于电机转子上的惯性测量单元的转速处于其滚转角量程范围内；所述惯性导航系统运行前，先行启动电机控制器，使电机控制器控制电机转子相对于预测的载体旋转方向进行反向旋转。所述电机本体为无刷直流力矩电机；所述惯性测量单元还包括结构体、采集软件、信号调理模块和电源模块；所述导航解算模块包括导航计算机处理器、配套电路和导航软件。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明中，在传统的惯性导航系统（简称惯导）的基础上增设了电机，将电机和惯导一起设置在一个外壳的内部，将外壳及其内部的器件一起直接安装在待测载体上，将电机的壳体固定在外壳的内部，将惯导中的惯性测量单元（IMU）与电机转子固连后一起套在电机的转轴上，IMU通过滑环分别向导航解算模块和电机控制器传输电信号；工作时，当IMU中的陀螺检测到载体有滚转角时，将测量到的滚转角速率通过滑环传递给电机控制器，电机控制器根据接收到的滚转角速率信息控制电机转子带动IMU相对于载体的旋转方向反向旋转，最大程度地消除了载体的高速旋转，使IMU的转速处于其滚转角量程范围内，避免了在高速旋转环境下陀螺产生交叉耦合和加速度计产生敏感量特性，由此避免了陀螺的角速度测量误差远远大于载体姿态角变化时产生的角速率，此外，由于整个系统的工作时间短、转速大，所以可使滚转隔离装置先行启动，使其在零时刻前以某一速率（例如30˚/s）相对载体逆向旋转，借此改善滚转隔离效果；以本发明中滚转角隔离之后的平台作为惯导的测量平台，再配合专项的传递对准技术，可以大大地提高惯导在高速旋转环境下的导航和制导精度。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中：1为惯性测量单元，2为导航解算模块，3为外壳，4为电机控制器，5为电机定子，6为电机转子，7为滑环，8为输入输出接口，9为转轴，10为第一轴承，11为第二轴承，12为电机壳体。
具体实施方式
如图1所示，一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统，包括惯性测量单元1和导航解算模块2，所述惯性测量单元1包括陀螺和加速度计，所述的惯性导航系统还包括外壳3和电机本体，所述惯性测量单元1、导航解算模块2和电机本体均设置在外壳3的内部，其中，电机壳体12的外壁与外壳3的内壁固连；所述电机本体包括电机控制器4、电机定子5和电机转子6，所述惯性测量单元1固定设置在电机本体的电机转子6上，电机转子6套在电机的转轴9上，所述电机转子、IMU部分通过第一轴承10与电机定子5连接；所述惯性测量单元1通过滑环7分别向导航解算模块2和电机控制器4传输电信号，所述电机转子、IMU部分通过第二轴承11与滑环7连接，所述滑环7用于旋转部分和非旋转部分之间传递电信号，完成非旋转部分向旋转部分提供电源、旋转部分向非旋转部分传送惯性信息的过程，本实施例中的滑环额定转速不低于20r/s、滑环通道不少于12条、每条通道的额定电流不低于2A；所述导航解算模块2通过输入输出接口8向外界传递信息，所述输入输出接口8设置在外壳3上。
本实施例中的惯性导航系统为捷联惯性导航系统（INS），电机本体为无刷直流力矩电机，所述电机在全转速范围内可以输出大于其轴承摩擦力的扭矩，使电机转子和IMU部分的转速能够维持在小于陀螺的滚转角量程范围内；
所述惯性测量单元1还包括结构体、采集软件、信号调理模块和电源模块，本实施例中的包括陀螺和加速度计的传感器采用ADI公司的小体积6自由度传感器ADIS16375，所述信号调理电路包括调理电路、转换电路、采集电路和晶振等，所述电源模块包括DC/DC变换器等，所述采集软件通过SPI接口将惯性参数发送给导航解算模块2；
所述导航解算模块2包括导航计算机处理器（DSP）、配套电路和导航软件，本实施例中的计算机处理器采用TI公司的TMS320C6713，其主要的功能为接收IMU的测量输出，利用测量数据进行导航解算；所述配套电路的功能主要包括电源适配、信号调理、AD转换、串行通信等；
所述导航软件包括惯性传感器的校正和姿态、位置及速度的解算，在捷联惯导系统中，姿态信息保存在捷联矩阵中，捷联矩阵是实现由机体坐标系到平台坐标系的坐标转换的方向余弦矩阵（也称姿态矩阵），根据捷联矩阵可以单值地确定飞行器的姿态角，因此，飞行器姿态的实时解算其实就是对捷联矩阵进行及时修正；对捷联矩阵进行及时修正常用的有三种解算：欧拉角法、方向余弦法和四元数法，这三种算法中，四元数法的漂移误差最小，实际应用中的姿态解算大多采用四元数法，本发明中的惯性导航系统也采用四元数法进行姿态解算，采用东北天坐标系作为惯性导航坐标系。
本发明中的惯性导航系统的滚转隔离方法，包括以下步骤：运用于载体上的惯性导航系统运行后，惯性测量单元1中的陀螺测量载体的滚转角速率，惯性测量单元1将该滚转角速率信息通过滑环7传递给电机控制器4，电机控制器4根据接收到的滚转角速率信息来控制电机转子6相对于载体的旋转方向进行反向旋转，使固定于电机转子6上的惯性测量单元1的转速处于其滚转角量程范围内；为了拥有更好的滚转隔离效果，所述惯性导航系统运行前，可先行启动电机控制器4，使电机控制器4控制电机转子6相对于预测的载体旋转方向进行反向旋转。
Claims (5)
1.一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，所述惯性导航系统包括惯性测量单元（1）和导航解算模块（2），所述惯性测量单元（1）包括陀螺和加速度计，其特征在于：所述的惯性导航系统还包括外壳（3）和电机本体，所述惯性测量单元（1）、导航解算模块（2）和电机本体均设置在外壳（3）的内部，其中，所述电机本体包括电机控制器（4）、电机定子（5）和电机转子（6），所述惯性测量单元（1）固定设置在电机本体的电机转子（6）上，所述惯性测量单元（1）通过滑环（7）分别向导航解算模块（2）和电机控制器（4）传输电信号，所述导航解算模块（2）通过输入输出接口（8）向外界传递信息，所述输入输出接口（8）设置在外壳（3）上；
所述滚转隔离方法包括以下步骤：运用于载体上的惯性导航系统运行后，惯性测量单元（1）中的陀螺测量载体的滚转角速率，惯性测量单元（1）将该滚转角速率信息通过滑环（7）传递给电机控制器（4），电机控制器（4）根据接收到的滚转角速率信息来控制电机转子（6）相对于载体的旋转方向进行反向旋转，使固定于电机转子（6）上的惯性测量单元（1）的转速处于其滚转角量程范围内。
2.根据权利要求1所述的一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，其特征在于：所述惯性导航系统运行前，先行启动电机控制器（4），使电机控制器（4）控制电机转子（6）相对于预测的载体旋转方向进行反向旋转。
3.根据权利要求1所述的一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，其特征在于：所述电机本体为无刷直流力矩电机。
4.根据权利要求1所述的一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，其特征在于：所述惯性测量单元（1）还包括结构体、采集软件、信号调理模块和电源模块。
5.根据权利要求1所述的一种具有滚转隔离功能的惯性导航系统的滚转隔离方法，其特征在于：所述导航解算模块（2）包括导航计算机处理器、配套电路和导航软件。
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