CN104990550A - 一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统，它采用六器件、三单元体正交配置，六个陀螺和六个加速度计在旋转单元体的调制下互为冗余；它由结构件部分、惯性器件部分以及电路部分三部分构成；惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的异形体支架上，电路部分分布于结构件部分的电子舱框架中和旋转单元体结构中的异形体支架上，三个旋转单元体和电子舱各占据系统机箱内一个象限的位置；本发明采用旋转调制技术，在使用同等精度惯性器件的条件下可大大提高惯性导航系统的导航定位精度和姿态输出精度；首次在旋转调制式惯性导航系统中实现六冗余能力；相比于普通六冗余捷联惯性导航系统，只增加了旋转机构，性价比大幅提高。

Description

一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统

技术领域

本发明涉及一种余度捷联惯性导航系统，尤其涉及一种由三个旋转单元体构成并具有故障隔离、系统重构能力的高精度、高可靠性余度惯性导航系统，属于惯性导航技术领域。

背景技术

惯性导航技术利用惯性器件测量载体(汽车、飞机、舰船等)的线加速度和角速度计算出载体的速度、位置和姿态信息，相比于卫星导航、无线电导航、天文导航等其它的导航技术，惯性导航技术不向外界发送和接收信息，具有自主性强、隐蔽性好、全天候的特点，在国防军事领域中发挥着无可替代的作用。

近代各种应用场合对惯导系统的精度和可靠性提出了越来越高的要求。惯性器件(陀螺、加速度计)误差是影响惯导系统性能的主要因素，而旋转调制技术是一种从系统层面有效提高惯导系统精度的技术途径。所谓旋转调制技术，是指在旋转机构拖动下，使惯性器件敏感轴相对某个固定的坐标系旋转，从而使其常值或慢变误差在此坐标系下被调制成为均值为零的周期变化量，从而有效抑制惯性器件误差对导航精度的影响。而惯导系统的可靠性一般通过冗余配置的方式来保证，冗余方式分为系统级冗余和器件级冗余。平台惯导系统多采用系统级冗余方式，容易消除系统内部的单点、单线等薄弱环节，但设计、测试、维修相对复杂。捷联惯导系统一般采用单元级冗余方式，可有效提高局部可靠性，易于实现、维修，但同时大幅增加了制造成本。目前国内外旋转式惯导系统多为单、双单元体式或IMU整体单、双、三轴旋转式，此类型惯导并不具有余度能力，同时，目前惯导系统的余度技术发展主要集中在非旋转型捷联惯导系统的冗余器件固连组合方式及故障监测算法等方面，针对旋转调制式惯导系统的余度技术研究尚未深入开展，特别是针对多单元体结构的旋转调制式惯导尚未见相关专利申请及相关文章发表。可以预见，在精度和可靠性要求较高的应用场合，旋转调制式余度捷联惯导系统将占据重要地位。

发明内容

本发明旨在提高惯导系统的导航精度和可靠性，提供一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统，可应用于对精度和可靠性要求较高的航空、航天、航海等领域。

本发明提供一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统，它采用六器件、三单元体正交配置，六个光纤陀螺和六个加速度计在旋转单元体的调制下互为冗余；它由结构件部分、惯性器件部分以及电路部分三部分构成；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的异形体支架上，电路部分分布于结构件部分的电子舱框架中和旋转单元体结构中的异形体支架上，三个旋转单元体和电子舱各占据系统机箱内一个象限的位置。

所述结构件部分包括三个旋转单元体结构、电子舱框架以及系统机箱。三者之间的位置连接关系是：三个旋转单元体和电子舱框架在系统机箱中占据一个象限的位置。该旋转单元体结构是：如图1所示，正八面体空心构型，如图2所示，中心旋转机构自上而下分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件异形体支架、下轴承、圆光栅尺及读数头、限位档杆。该电子舱框架是：如图3所示，正八面体空心开顶结构，左右侧壁各有五道电路板锁紧槽。该系统机箱是：如图4所示，长方形箱体结构，系统与外部直流稳压电源及上位机通过三个接插件相连接，机箱底座的侧边留有6个安装孔，以便于系统安装固定。

所述惯性器件部分，包括六个陀螺和六个加速度计，每个旋转单元体上安装两个陀螺和两个加速度计。该六个陀螺是：单轴闭环光纤陀螺，陀螺的光路部分与电路部分合为一体；该六个加速度计是：石英挠性加速度计。

所述电路部分，一共由12块电路板组成，包括电子舱内的二次电源板、通讯接口板、导航计算板、预处理板、电机控制板、母线板，三个旋转单元体内的分电采温板、I/F转换板，各电路板之间的连接关系原理框图如图5所示。该二次电源板是：提供系统所需的±15V、±5V、5V供电电压，并通过外部输入的两个启动信号实现启动控制。该通讯接口板是：采用CPLD+DSP作为架构方案，实现导航系统与飞控计算机之间的ARINC429总线通讯，从飞控计算机获得初始装订信息、GPS数据，并将导航定位结果发送给飞控计算机。该导航计算板是：采用三片DSP作为架构方案，其中两片DSP用于实现陀螺加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航解算以及组合导航解算的功能，另一片DSP用于实现系统故障监测、故障诊断、重构算法、余度管理的功能。该预处理板是：采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于陀螺、加速度计输出脉冲的累加计数，DSP主要完成陀螺、加速度计的温度采集和光栅角位置信息的同步采集，并将IMU信息打包发送给导航计算板。该电机控制板是：采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于将光栅输出的角增量脉冲转换为绝对角位置信息，DSP主要完成三个旋转单元体的旋转控制。该母线板是：完成电子舱内各电路板的供电连接以及板间信号交联。该分电采温板是：实现陀螺、加速度计的供电分配及其温度采集。该I/F转换板是：将加速度计输出的电流信号量化成脉冲信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用旋转调制技术，在使用同等精度惯性器件的条件下可大大提高惯性导航系统的导航定位精度和姿态输出精度；

2、采用六器件、三单元体正交配置，六个陀螺和六个加速度计在旋转单元体的调制下互为冗余，首次在旋转调制式惯性导航系统中实现六冗余能力，即在三个陀螺和三个加速度故障均发生故障的情况下，系统通过执行故障单元体判别、故障器件判别、故障器件隔离、系统重构，仍可继续工作，给出正确的导航结果；

3、本系统相比于普通六冗余捷联惯性导航系统，只增加了旋转机构，在提高精度的同时有效控制了成本的增加，性价比大幅提高。

附图说明

图1为本发明的旋转单元体结构图；

图2为本发明的旋转单元体结构剖面图；

图3为本发明的电子舱框架图；

图4为本发明的系统机箱图；

图5为本发明的各电路板间连接关系原理框图；

图6为本发明的二次电源板原理框图；

图7为本发明的通讯接口板原理框图；

图8为本发明的导航计算板原理框图；

图9为本发明的预处理板原理框图；

图10为本发明的电机控制板原理框图；

图11为本发明的系统内部结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

本发明为一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统，它采用六器件、三单元体正交配置，六个光纤陀螺和六个加速度计在旋转单元体的调制下互为冗余；它由结构件部分、惯性器件部分以及电路部分三部分构成；它们之间的位置连接关系是：惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的异形体支架上，电路部分分布于结构件部分的电子舱框架中和旋转单元体结构中的异形体支架上，三个旋转单元体和电子舱各占据系统机箱内一个象限的位置。

所述结构件部分包括三个旋转单元体结构、电子舱框架以及系统机箱。

该旋转单元体结构是：如图1所示，正八面体空心构型，四个立柱具有端面为安装基准面，距离正八面体顶面和底面3～4cm处分别设置上下轴承安装板，此种设计可以最大程度保证轴承回转精度及其抗冲击振动能力，如图2所示，中心旋转机构自上而下分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件异形体支架、下轴承、圆光栅尺及读数头、限位档杆，力矩直流电机定子固定于上轴承安装板上端，上下轴承分别镶嵌于上下轴承安装板中，轴系上的惯性器件异形体支架位于上下轴承安装板中间，圆光栅尺及限位档杆固联于下轴承安装板外侧的轴系端面，读数头固联于下轴承安装板外侧。

该电子舱框架是：如图3所示，正八面体空心开顶结构，具有与旋转单元体相一致的立柱式安装基准面，左右侧壁各有五道电路板锁紧槽。

该系统机箱是：如图4所示，长方形箱体结构，箱体底面为正方形设计，外围四块侧板及箱体顶盖均通过螺钉安装固定。系统与外部直流稳压电源及上位机通过三个接插件相连接，机箱底座的侧边留有6个安装孔，以便于系统安装固定。

所述惯性器件部分，包括六个陀螺和六个加速度计，每个旋转单元体上安装两个陀螺和两个加速度计。

该六个陀螺是：单轴闭环光纤陀螺，陀螺的光路部分与电路部分合为一体，零偏稳定性为0.05°/hr。

该六个加速度计是：石英挠性加速度计，精度为80μg。

所述电路部分，一共由12块电路板组成，包括电子舱内的二次电源板、通讯接口板、导航计算板、预处理板、电机控制板、母线板，三个旋转单元体内的分电采温板、I/F转换板，各电路板之间的连接关系原理框图如图5所示。

该二次电源板是：如图6所示，提供系统所需的±15V、±5V、5V供电电压，其中光纤陀螺使用±5V、5V，加速度计使用±15V，其余各电路板使用±15V、5V，并通过外部输入的两个启动信号实现启动控制。二次电源板采用国产承力电源有限公司的电源模块搭建，转换效率为85％，输入电压范围是+18V～+36VDC，模块A将27V输入电压转化为±15V供加速度计和电路板使用，模块B将27V输入电压转化为±5V供光纤陀螺使用，模块C将27V输入电压转化为5V供电路板和光纤陀螺使用，三个电源模块均搭配前后阻容滤波电路，通过前置阻容滤波电路消除外界输入27V不稳定对电源模块的影响，后置阻容滤波电路用于降低电源模块的输出纹波。

该通讯接口板是：如图7所示，采用CPLD+DSP作为架构方案，实现导航系统与飞控计算机之间的ARINC429总线通讯，从飞控计算机获得初始装订信息、GPS数据，并将导航定位结果发送给飞控计算机。通讯接口板选用的CPLD型号为ALTERA公司的EPM570，DSP型号为TI公司的TMS320F28335。CPLD负责多组接口芯片的管理和控制；通讯管理DSP完成发送数据的编码以及接收数据的解码，并在CPLD的辅助控制下，向四组ARINC429接口芯片HS3182和HS3282中读写需要收发的数据。

该导航计算板是：如图8所示，采用三片DSP作为架构方案，其中两片DSP用于实现陀螺加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航解算以及组合导航解算的功能，另一片DSP用于实现系统故障监测、故障诊断、重构算法、余度管理的功能。导航计算板选用的三片DSP型号为TI公司的TMS320C6747。三片DSP架构的最大优点是：大大扩充了系统导航计算、余度计算能力，并且三片DSP之间可以相互监测，增强了导航计算的余度能力。其工作流程简要描述如下：系统上电后，三片DSP分别从各自的FLASH中自动加载程序并在动态存储器SDRAM的扩展辅助下执行；陀螺输出、加速度计输出、GPS位置信息、光栅角位置信息经过总线进入DSP进行解算，同时GPS秒脉冲以中断方式进入DSP并参与组合导航的计算；DSP首先对六个陀螺和六个加速度计数据进行补偿和旋转变换，并根据补偿和变换后的数据进行故障监测和故障诊断，按照不同的故障情况使用不同的重构方案，进而实现系统的余度管理，使系统在有器件故障的情况下仍然能正确地进行初始对准、惯性导航、组合导航的解算，解算完成后DSP将导航结果发送给通讯接口板，后者通过ARINC429总线将导航结果发至飞控计算机或上位机显示。

该预处理板是：如图9所示，采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于陀螺、加速度计输出脉冲的累加计数，DSP主要完成陀螺、加速度计的温度采集和光栅角位置信息的同步采集，并将IMU信息打包发送给导航计算板。预处理板选用的CPLD型号为ALTERA公司的EPM2210，DSP型号为TI公司的TMS320F28335。CPLD+DSP架构的最大优点是：信号采集及处理速度快、同步精度高，可以同时处理大量中断源，且适合于模块化设计，具有较强的通用性。其工作流程简要描述如下：系统上电后，陀螺输出脉冲经电平转换芯片SN74CBTD3384后进入CPLD，加速度计输出脉冲直接进入CPLD，CPLD记录采样周期内12路脉冲各自的累加数，然后将累加数发送给DSP；同时在采样周期内DSP通过SPI总线控制三个旋转单元体内分电采温板中数模转换芯片AD7738对陀螺、加速度的温度采集，通过SPI总线获取电机控制板提供的当前采样周期的光栅角位置信息，通过数模转换芯片ADS1258对系统二次电源各电压进行监控，并将所有采集到的IMU信息打包通过双通道静态存储器IDT70V24发送给导航计算板；

该电机控制板是：如图10所示，采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于将光栅输出的角增量脉冲转换为绝对角位置信息，DSP主要完成三个旋转单元体的旋转控制。电机控制板选用的CPLD型号为ALTERA公司的EPM1270，DSP型号为TI公司的TMS320F28335。CPLD+DSP架构的最大优点是：CPLD完成多路光栅数据转换，处理精度高，误码率低，过零处理优于普通QEP模块接口，且合适于模块化设计，具有较强的通用性。其工作流程简要描述如下：系统上电后，光栅的差分角增量脉冲经过差分接收芯片SN75175转换后进入电平转换芯片SN74CBTD3384，再进入CPLD转换为绝对角位置信息；DSP根据当前的绝对角位置信息并通过PID算法计算得到旋转控制所需占空比的电机控制PWM波，PWM波经过驱动芯片54HC245后，再经过光耦隔离芯片HCPL-2631和功率放大芯片LMD18200加载到力矩直流电机上，电机转动带动光栅旋转，进而形成整个闭环旋转控制回路；同时DSP还通过一个总继电器实现电机功放电路的延迟上电，以避免DSP上电过程中存在的飞车风险，通过三个独立继电器实现三个电机功放电路的逐个上电以及故障情况下的切电保护，并通过SPI总线向预处理板发送当前采样周期的光栅角位置信息；

该母线板是：完成电子舱内各电路板的供电连接以及板间信号交联；

该分电采温板是：实现陀螺、加速度计的供电分配及其温度采集。板上数模转换芯片AD7738对陀螺、加速度进行温度采集，并通过SPI总线将采集结果放送给预处理板。

该I/F转换板是：将加速度计输出的电流信号量化成脉冲信号。

内部结构设计：图11为三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统的内部主要结构，三个旋转单元体以及电子舱外形尺寸均为大小一致的正八面体，四者通过接触端面的安装基准面相互固联，合为一体，三个旋转单元体电机指向相互垂直，分别指向系统的X、Y、Z轴方向；电子舱中电路板从外至内安装顺序为：二次电源板、通讯接口板、导航计算板、预处理板、电机控制板。

本发明未公开的内容为本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种三单元体旋转调制式余度捷联惯性导航系统，其特征在于：它采用六器件、三单元体正交配置，六个陀螺和六个加速度计在旋转单元体的调制下互为冗余；它由结构件部分(1)、惯性器件部分(2)以及电路部分(3)三部分构成；惯性器件部分安装于结构件部分的旋转单元体结构中的异形体支架上，电路部分分布于结构件部分的电子舱框架中和旋转单元体结构中的异形体支架上，三个旋转单元体和电子舱各占据系统机箱内一个象限的位置；

所述结构件部分(1)包括三个旋转单元体结构、电子舱框架以及系统机箱，三个旋转单元体结构和电子舱框架各占据系统机箱内一个象限的位置；该旋转单元体结构是：正八面体空心构型，中心旋转部件自上而下分别为：力矩直流电机、上轴承、惯性器件异形体支架、下轴承、圆光栅尺及读数头、限位档杆；该电子舱框架是：正八面体空心开顶结构，左右侧壁各有五道电路板锁紧槽；该系统机箱是：长方形箱体结构，系统与外部直流稳压电源及上位机通过三个接插件相连接，机箱底座侧边留有六个安装孔，以便于系统安装固定；

所述惯性器件部分(2)，包括六个陀螺和六个加速度计，每个旋转单元体上安装两个陀螺和两个加速度计；该六个陀螺是单轴闭环光纤陀螺，陀螺的光路部分与电路部分合为一体；该六个加速度计是石英挠性加速度计；

所述电路部分(3)，一共由12块电路板组成，包括电子舱内的二次电源板、通讯接口板、导航计算板、预处理板、电机控制板、母线板，三个旋转单元体内的分电采温板、I/F转换板；其中二次电源板提供系统所需的±15V、±5V、5V供电电压，并通过外部输入的两个启动信号实现启动控制；通讯接口板采用CPLD+DSP作为架构方案，实现导航系统与飞控计算机之间的ARINC429总线通讯，从飞控计算机获得初始装订信息、GPS数据，并将导航定位结果发送给飞控计算机；导航计算板采用三片DSP作为架构方案，其中两片DSP用于实现陀螺加速度计标定参数补偿、初始对准、惯性导航解算以及组合导航解算的功能，另一片DSP用于实现系统故障监测、故障诊断、重构算法、余度管理的功能；预处理板采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于陀螺、加速度计输出脉冲的累加计数，DSP主要完成陀螺、加速度计的温度采集和光栅角位置信息的同步采集，并将IMU信息打包发送给导航计算板；电机控制板采用CPLD+DSP作为架构方案，其中CPLD主要用于将光栅输出的角增量脉冲转换为绝对角位置信息，DSP主要完成三个旋转单元体的旋转控制；母线板完成电子舱内各电路板的供电连接以及板间信号交联；分电采温板实现陀螺、加速度计的供电分配及其温度采集；I/F转换板将加速度计输出的电流信号量化成脉冲信号。