CN104792324A - 基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构 - Google Patents

基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构。本发明采用精密驱动技术设计光纤陀螺寻北仪转位机构，首次引入超声波电机设计全新转位机构取代传统复杂的机械式转位机构及锁止机构，能够大大简化转位机构的结构。采用该转位机构组成的光纤陀螺寻北仪在不降低寻北精度的情况下，可以大幅减小寻北仪体积和重量，填补了对当前高精度寻北仪转位机构小型化、轻量化技术空白。

Description

基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构
技术领域
本发明涉及惯性导航技术及测量设备领域，尤其涉及一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构。
背景技术
陀螺寻北仪，是利用陀螺测定地球自转角速率在当地水平面投影方向(即真北方位)的一种惯性测量系统。陀螺寻北仪是一种精密惯性测量仪器，广泛用于为火炮、地对地导弹和地面雷达等机动武器系统提供方位参考。
目前陀螺寻北仪，通常采用多位置寻北法在实施过程中，需要运动部件驱动陀螺转动到指定方位。转位完毕后，还需要锁止机构保证陀螺转位的角度精度。而现有的陀螺寻北系统中陀螺转位机构为电磁电机驱动，经过一系列精密机械传动后实现寻北陀螺的转位。其锁止机构亦多为机械机构，如销孔结构等。这种机械转位方式的陀螺寻北仪，虽然具有较高的寻北精度，但是其结构复杂，不仅对加工、装配工艺要求高，还使得寻北仪体积大，重量重，无法满足野外便携、重量体积敏感环境下的使用需求，大大限制陀螺寻北仪的应用范围。此外，由于采用电磁电机驱动，电机工作时产生的电磁辐射还会影响陀螺的测量精度，客观上会制约陀螺寻北仪寻北精度的进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其特征在于，包括基座、编码器安装架、绝对式光电编码器、中空超声电机、超声电机控制器、连轴垫片、陀螺支架、嵌入式控制器和电源模块；其中，所述编码器安装架安装于基座上；编码器安装架具有空心的圆柱形凸起，在圆柱形凸起顶部开有通孔；绝对式光电编码器安装于编码器安装架的圆柱形凸起内部，其转轴穿出通孔；编码器安装架的圆柱形凸起置于中空超声电机的圆柱形内孔中且保证同轴；连轴垫片连接中空超声电机的转子与绝对式光电编码器的转轴，使得绝对式光电编码器能够测量中空超声电机的转动角度；L形陀螺支架底面置于连轴垫片上，并用螺钉与中空超声电机的转子紧固安装，使得中空超声电机能够带动陀螺支架同步转动；嵌入式控制器通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器，通过RS232通信电缆连接超声电机控制器，超声电机控制器通过电缆与中空超声电机连接；电源模块分别通过电缆给绝对式光电编码器、超声电机控制器和嵌入式控制器提供+5V、+12V、+5V直流电源。
进一步地，所述绝对式光电编码器为16位绝对式光电编码器，体积小，能够置于中空超声电机内孔中。
进一步地，所述中空超声电机具有内孔，可安装绝对式光电编码器，断电自锁，无磁场辐射；所述超声电机控制器通过RS232通信协议接收外部指令，进而控制中空超声电机，其具体指令包括正转指令、反转指令及停止指令。
本发明具有的有益效果是：本发明提出一种精度高、结构简单、体积小、重量轻的光纤陀螺寻北仪转位机构。本发明创新性提出采用精密驱动技术设计光纤陀螺寻北仪的转位机构，首次引入超声波电机设计全新转位机构取代传统复杂的机械式转位机构及锁止机构，能够大大简化转位机构的结构。采用该转位机构组成的光纤陀螺寻北仪在不降低寻北精度的情况下，可以大幅减小寻北仪体积和重量，填补了对当前高精度寻北仪转位机构小型化、轻量化技术空白。此外，本发明所述基于超声波电机的光纤陀螺寻北仪转位机构采用了绝对式光电编码器、超声波电机加嵌入式控制器的反馈控制技术，因此后期还可以根据需要，在不添加任何其他器件的情况下，仅仅通过嵌入式控制器软件的升级即可实现任意位置转位或任意多位置(如8位置、12位置等)的寻北算法，从而能够进一步简化使用、维护以及升级的成本。
附图说明
图1基于超声波电机的光纤陀螺寻北仪转位机构装配图；
图2转位机构编码器安装架结构设计图；
图3基于超声波电机的光纤陀螺寻北仪转位机构效果图；
图4基于超声波电机的光纤陀螺寻北仪转位机构系统框图；
图5基于超声波电机的光纤陀螺寻北仪转位机构转位控制流程图；
图中：基座1、编码器安装架2、绝对式光电编码器3、中空超声电机4、超声电机控制器5、连轴垫片6、陀螺支架7、嵌入式控制器8、电源模块9。
具体实施方式
多位置法光纤陀螺寻北的关键技术之一是寻北仪转位机构的设计。以四位置寻北法为例，其转位机构必须能够精确转动、停止(锁止)，实现互为90°的四个位置的切换。实现精密转位除了采用精密机械的转位及锁止机构外，还可采用精密驱动技术来实现。超声波电机作为精密驱动技术的典型代表，利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的转动。超声电机结构简单、小型轻量、响应速度快、扭矩大、断电自锁、无磁场干扰，运动准确等特点能够很好的契合光纤陀螺寻北仪转位机构的使用需求。
本发明基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，采用超声波电机作为驱动器件，设计了转位精度高、结构简单了的新型转位机构，应用该转位机构有利于光纤陀螺寻北仪的小型化和轻量化。下面结合附图对本发明的转位机构进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，包括基座1、编码器安装架2、绝对式光电编码器3、中空超声电机4、超声电机控制器5、连轴垫片6、陀螺支架7、嵌入式控制器8和电源模块9。其具体的装配关系如下：编码器安装架2安装于基座1上；编码器安装架2具有空心的圆柱形凸起，在圆柱形凸起顶部开有通孔；绝对式光电编码器3安装于编码器安装架2圆柱形凸起内部，其转轴穿出通孔；编码器安装架2圆柱形凸起置于中空超声电机4的圆柱形内孔中且保证同轴；连轴垫片6连接中空超声电机4的转子与绝对式光电编码器3的转轴，使得绝对式光电编码器3能够测量中空超声电机4的转动角度；L形陀螺支架7侧面用于安装光纤陀螺，底面用于安装倾角传感器，可以快速方便的组建光纤陀螺寻北仪；陀螺支架7底面置于连轴垫片6上，并用螺钉与中空超声电机4的转子紧固安装，使得中空超声电机4能够带动陀螺支架7同步转动；嵌入式控制器8通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器3，通过RS232通信电缆连接超声电机控制器5，超声电机控制器5通过电缆与中空超声电机4连接，构成转位机构闭环控制系统。电源模块9分别通过电缆给绝对式光电编码器3、超声电机控制器5和嵌入式控制器8提供+5V、+12V、+5V直流电源。
具体实施时，绝对式光电编码器3采用16位绝对式编码器，分辨率达0.005°，为转位机构转位精度提供了保障。该编码器数据刷新率达400Hz，能够保证转位控制的实时性，通过RS485协议输出数据的方式能够提高转位机构的集成性与扩展性。中空超声电机4及超声电机控制器5采用TRUN-7036系列及与之匹配的驱动器。该旋转型超声电机具有70mm内孔，可用于安装绝对式光电编码器3。中空超声电机4转动精细，结合高精度绝对式光电编码器3能够保证系统转位精度达0.005°。中空超声电机4特殊的工作原理决定其具有停转自锁的特性，能够在停转时无需额外的锁止机构即可达到锁止目的。超声电机控制器5可以通过RS232通信协议接收外部指令，进而控制中空超声电机4运动。其具体指令包括正转指令、反转指令及停止指令。编码器安装架2的结构设计，结合绝对式光电编码器3、中空超声电机4物理尺寸及两者安装要求，经过特殊优化而成，如图2所示。编码器安装架2中间圆柱凸起内部用于安装绝对式光电编码器3，外部置于中空超声电机4内孔中，使得绝对式光电编码器3的转轴与超声电机4的转动中心同轴。绝对式光电编码器3的转轴通过连轴垫片6与中空超声电机4的转子连接，从而实现对中空超声电机4转动位置的监测。整个转位结构安装效果如图3所示。
所述陀螺支架7采用L形设计，合金材料加工而成。整个陀螺支架7置于连轴垫片6上，通过螺钉与中空超声电机4紧固安装，中空超声电机4转位时，即可实现陀螺支架7侧面方位的切换，旋转轴与水平面垂直。陀螺支架7侧面与底面正交，底面用于安装倾角传感器，侧面用于安装光纤陀螺，可以方便的构成光纤陀螺寻北仪系统。
如图4所示，嵌入式控制器8以DSP为核心，具有RS485、RS232通信接口，分别与绝对式光电编码器3和超声电机控制器5通信。在嵌入式控制器8的闭环控制下，转位机构可以实现指定角度位置的转位。角度转位控制子程序流程图如图5所示。
转位机构转位实验，针对本发明所述实验转位机构，采用光纤陀螺寻北仪四位置寻北法使用的0°-90°-180°-270°-0°这四个位置进行连续转位测试，得到5组如下误差数据。
                                  转位机构连续转位误差 单位：度
组别 1 2 3 4 5
0°→90° -0.005 -0.005 -0.005 -0.005 -0.005
90°→180° 0.005 -0.005 -0.005 0.000 0.000
180°→270° 0.000 -0.005 0.000 -0.005 0.000
270°→360° 0.000 -0.005 0.000 -0.005 0.000
360°→270° 0.000 0.000 0.000 0.005 0.000
270°→180° 0.000 0.000 0.000 0.005 0.005
180°→90° 0.000 -0.005 -0.005 -0.005 -0.005
90°→0° 0.000 0.000 0.005 0.000 0.005
由上表的实验数据可以看出，本发明所述转位机构具有良好的角分辨力、高转位精度以及高稳定性，能够满足高精度光纤陀螺寻北仪的转位精度要求。此外，针对任意角度的转位随机测量六组数据，本发明转位机构任意角度转位精度均可达0.005°。在多位置光纤陀螺寻北系统中，采用此转位机构不仅能够保证转位精度，还能大大减小光陀螺寻北仪的体积和重量。

Claims (3)

1.一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其特征在于，包括基座（1）、编码器安装架（2）、绝对式光电编码器（3）、中空超声电机（4）、超声电机控制器（5）、连轴垫片（6）、陀螺支架（7）、嵌入式控制器（8）和电源模块（9）；其中，所述编码器安装架（2）安装于基座（1）上；编码器安装架（2）具有空心的圆柱形凸起，在圆柱形凸起顶部开有通孔；绝对式光电编码器（3）安装于编码器安装架（2）的圆柱形凸起内部，其转轴穿出通孔；编码器安装架（2）的圆柱形凸起置于中空超声电机（4）的圆柱形内孔中且保证同轴；连轴垫片（6）连接中空超声电机（4）的转子与绝对式光电编码器（3）的转轴，使得绝对式光电编码器（3）能够测量中空超声电机（4）的转动角度；L形陀螺支架（7）底面置于连轴垫片（6）上，并用螺钉与中空超声电机（4）的转子紧固安装，使得中空超声电机（4）能够带动陀螺支架（7）同步转动；嵌入式控制器（8）通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器（3），通过RS232通信电缆连接超声电机控制器（5），超声电机控制器（5）通过电缆与中空超声电机（4）连接；电源模块（9）分别通过电缆给绝对式光电编码器（3）、超声电机控制器（5）和嵌入式控制器（8）提供+5V、+12V、+5V直流电源。
2.根据权利要求1所述基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其特征在于，所述绝对式光电编码器（3）为16位绝对式光电编码器，体积小，能够置于中空超声电机（4）内孔中。
3.根据权利要求1所述基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其特征在于，所述中空超声电机（4）具有内孔，可安装绝对式光电编码器（3），断电自锁，无磁场辐射；所述超声电机控制器5通过RS232通信协议接收外部指令，进而控制中空超声电机（4），其具体指令包括正转指令、反转指令及停止指令。
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