CN105277196A - 用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法，包括倾角传感器，在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值，将载体的水平角的初始值输出至水平角解算模块；三轴陀螺，在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息，将所述X轴、Y轴的旋转角速度信息输出至航向角解算模块，还敏感所述第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴及Z轴旋转角速度信息，将敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息输出至所述水平角解算模块，将所述Z轴旋转角速度信息输出至航向角解算模块；所述水平角解算模块，用于根据水平角初始值和X轴、Y轴的旋转角速度信息解算出载体的水平角信息，所述航向角解算模块，用于解算出载体的航向角信息。
Description
技术领域
本发涉及矿用导航的惯性测量系统，特别涉及一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法。
背景技术
惯性导航(InenialNavigation)是20世纪中期发展起来的完全自主式的导航技术。它是通过惯性测量组件(IMU)测量载体相对惯性空间的角速度和加速度信息，从而确定运载体的位置、姿态和速度。惯性导航系统既不向载体外发射信号，也不从外部接收信号，具有完全自主、全天候、隐蔽性好、抗干扰能力强、输出信息量大、输出信息实时性强的特点；它的这些特点使其广泛应用于航天、航空、航海等军事领域。
惯性导航系统的核心是惯性测量单元(IMU)，IMU主要由一个三轴一体陀螺或者三个彼此正交的陀螺(简称陀螺)、三个两两正交的加速度计(简称加表)为核心惯性器件组成敏感单元，陀螺敏感载体旋转角速度或角度信息，加表敏感重力加速度信息，将这些信息输入导航解算板进行解算，得到载体的姿态信息，即航向角和水平角，其中航向角主要由水平方向的两个陀螺寻北得出，水平角的初始值主要由加速度计敏感的重力加速度分量进行换算。
上述惯性导航系统敏感灵敏，能够运用于航空、航海等领域。但与此对应的，它的价格非常昂贵，该惯性测量单元需要三个轴向的陀螺或者一个三轴一体的陀螺，还需要三个加速度计组成，而一个加速度计的价格很可能上万。然而，加速度计在IMU的运用只是在初始寻北的时候才能用到，待寻北完成后，加速度计则没有任何运用价值。因此造成了加速度计成本高、运用低的现象。对于一些精确度要求并非那么高的领域，例如矿用领域，挖矿机只需要找到矿的位置即可，而矿本身占的面积大，所以对导航的IMU的敏感灵敏度并不像航空航海领域那么高。
并且，传统的惯性导航系统需要三个加表，加速度计到水平角的解算模块，加表供电需要+15V，需要二次电源提供+15V电源，功耗较大。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供了一种成本低廉、结构简单用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，包括：
倾角传感器，用于在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值，并将静态敏感到的载体的水平角的初始值输出至水平角解算模块；
三轴陀螺，用于在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息并输出至航向角解算模块，还用于敏感所述第一时间至第二时间段的载体的航向角的X轴、Y轴以及Z轴旋转角速度信息，将敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息输出至所述水平角解算模块，以及将Z轴旋转角速度信息输出至航向角解算模块；
所述水平角解算模块，用于接收所述倾角传感器敏感到的载体的水平角的初始值以及三轴陀螺敏感到的第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息，并根据所述载体的水平角的初始值以及第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的水平角信息，并输出该第二时间的载体的水平角信息；以及
所述航向角解算模块，用于接收所述三轴陀螺在在所述第一时间敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息以及所述第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息，根据所述X轴和Y轴的旋转角速度信息解算航向角的初始值，并根据所述航向角的初始值以及第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算第二时间的航向角信息，并输出该第二时间的载体的航向角信息。
进一步的，所述水平角解算模块用于根据以下公式解算得到第二时间的载体的水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
进一步的，所述航向角解算模块用于根据以下公式解算得到第二时间的载体的航向角信息：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
进一步的，所述三轴陀螺为三轴一体陀螺或者三个单轴陀螺或者两个挠性陀螺。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，包括以下步骤：
利用倾角传感器在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值；
利用三轴陀螺在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息，以及敏感第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴以及Z轴的旋转角速度信息；
根据所述载体的水平角的初始值、第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息进行解算，以解算出第二时间的载体的水平角信息；
根据三轴陀螺在第一时间敏感到的载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息解算航向角的初始值；
根据所述航向角的初始值以及三轴陀螺敏感到的第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的航向角信息；
输出载体的水平角信息以及航向角信息。
进一步的，在根据所述载体的水平角的初始值、第一时间至第二时间段X轴、Y轴的旋转角速度信息解算第二时间的载体的水平角信息的步骤中，通过以下公式解算出水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
进一步的，在根据航向角的初始值、第一时间至第二时间段Z轴的旋转角速度信息解算载体的航向角信息的步骤中，通过以下公式解算出航向角信息：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
进一步的，所述三轴陀螺为三轴一体陀螺或者三个单轴陀螺或者两个挠性陀螺。
本发明用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统及方法，采用一个倾角传感器敏感水平角的初始值(X轴和Y轴)，通过三轴陀螺的X轴和Y轴的旋转角速度信息即可计算得到当前时刻的载体的水平角信息，而载体的航向角信息则利用三轴陀螺敏感即可得到，因此，本实施方式中，利用一个倾角传感器替换原有的三个加速度计，可节约数万元制作成本，同时，本测量系统完全能够使用于矿用领域，倾角传感器的利用率高，提升了整个测量系统的性价比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统一实施例的结构示意图。
图2是本发明用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统一实施例的方框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参见图1及图2，本实施例的一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，包括：倾角传感器2、三轴陀螺1、水平角解算模块以及航向角解算模块。
本实施例中，所述惯性测量系统安装在四方体的安装结构上。四方体的安装结构的相邻的两个竖直面分别为三轴陀螺1的X轴和Y轴感应方向，四方体结构的上顶面或下顶面为三轴陀螺1的Z轴感应方向。在四方体的安装结构内安装各种惯性导航电路，例如姿态信息解算电路、倾角传感器2采集电路板等等。
本实施例，所述倾角传感器2设于四方体结构内，与Z轴陀螺13同轴心设置，以准确的敏感载体的倾斜角度。所述倾角传感器2用于在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值，并将静态敏感到的载体的水平角的初始值输出至水平角解算模块。
三轴陀螺1，用于在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息并输出至航向角解算模块，还用于敏感所述第一时间至第二时间段的载体的航向角的X轴、Y轴以及Z轴旋转角速度信息，将敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息输出至所述水平角解算模块，以及将所述X轴、Y轴的初始值以及Z轴旋转角速度信息输出至航向角解算模块。
惯性系统在解算航向角的初始值是在航向角寻北时进行的，在当三轴陀螺敏感到航向角的X轴和Y轴的角速度旋转信息后，发送至航向角解算模块，航向角解算模块据此解算出航向角的初始值，由Z轴方向陀螺敏感到的旋转角速度信息以及航向角的初始值即可解算出t时刻的载体的航向角信息。
本实施例中，所述三轴陀螺1采用的是三个单轴陀螺组成，即X轴陀螺11、Y轴陀螺12以及Z轴陀螺13。可以理解的，在其他的实施例中，所述三轴陀螺1还可以是指三轴一体陀螺、两个挠性陀螺等等。
所述水平角解算模块，用于接收所述倾角传感器2敏感到的载体的水平角的初始值以及三轴陀螺1敏感到的第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息，并根据所述载体的水平角的初始值以及第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的水平角信息，并输出该第二时间的载体的水平角信息。
本实施例中，所述水平角解算模块用于根据以下公式解算得到第二时间的载体的水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
本实施例中，所述第二时间是指在第一时间之后的时间，第一时间至第二时间段形成一个时间周期。该第二时间可以指当前时刻的时间，第一时间可以指当前时刻之前的一时间。
所述航向角解算模块，用于接收所述三轴陀螺1在在所述第一时间敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息以及所述第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息，根据所述X轴和Y轴的旋转角速度信息解算出航向角的初始值，并根据所述航向角的初始值以及第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算第二时间的航向角信息，并输出该第二时间的载体的航向角信息。所述航向角信息通过以下公式得到：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
本实施例中，所述水平角解算模块和航向角解算模块可以集成在一个解算板或芯片中，例如可以集成在一个导航解算板中，或者集成在一个姿态信息解算板中。
本实施例中，所述三轴陀螺1采用±5V供电电压，所述倾角传感器2同样采集5V电源，所述倾角传感器2可与所述三轴陀螺1的电源模块分压供电，所述倾角传感器2的功率非常小，解决了统计技术中由于加速度计采用+15V电源，而需要增加二次电源模块的问题。本实施例的倾角传感器2省去了二次电源模块，进一步节约了电路制造成本，节省了电能。
本发明实施方式，采用一个倾角传感器2敏感水平角的初始值(X轴和Y轴)，通过三轴陀螺1敏感到的第一时间至第二时间段的X轴和Y轴的旋转角速度信息即可计算得到当前时刻的载体的水平角信息，而载体的航向角信息则利用三轴陀螺1敏感即可得到，因此，本实施方式中，利用一个倾角传感器2替换原有的三个加速度计，可节约数万元制作成本，同时，本测量系统完全能够使用于矿用领域，倾角传感器2的利用率高，提升了整个测量系统的性价比。
本发明还公开了一种矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，包括以下步骤：
S101、利用倾角传感器2在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值；
本实施例中，所述惯性测量系统安装在四方体的安装结构上。四方体的安装结构的相邻的两个竖直面分别为三轴陀螺1的X轴和Y轴感应方向，四方体结构的上顶面或下顶面为三轴陀螺1的Z轴感应方向。在四方体的安装结构内安装各种惯性导航电路，例如姿态信息解算电路、倾角传感器2采集电路板等等。
本实施例，所述倾角传感器2设于四方体结构内，与Z轴陀螺13同轴心设置，以准确的敏感载体的倾斜角度。所述倾角传感器2用于在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值，并将静态敏感到的载体的水平角的初始值输出至水平角解算模块。
S102、利用三轴陀螺1在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息并输出至航向角解算模块，以及敏感第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴以及Z轴的旋转角速度信息；
本实施例中，所述三轴陀螺1采用的是三个单轴陀螺。可以理解的，在其他的实施例中，所述三轴陀螺1还可以是指三轴一体陀螺、两个挠性陀螺等等。
三轴陀螺1，用于在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息并输出至航向角解算模块，还用于敏感所述第一时间至第二时间段的载体的航向角的X轴、Y轴以及Z轴旋转角速度信息，将敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息输出至所述水平角解算模块，以及将Z轴旋转角速度信息输出至航向角解算模块。
惯性系统在解算航向角的初始值是在航向角寻北时进行的，在当三轴陀螺敏感到航向角的X轴和Y轴的角速度旋转信息后，发送至航向角解算模块，航向角解算模块据此解算出航向角的初始值，由Z轴方向陀螺敏感到的旋转角速度信息以及航向角的初始值即可解算出t时刻的载体的航向角信息。
S103、根据所述载体的水平角的初始值、第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息进行解算，以解算出第二时间的载体的水平角信息；
本步骤中，通过以下公式解算出水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
S104、根据所述载体的航向角的X轴和Y轴的旋转角速度信息解算出所述航向角的初始值，根据所述航向角的初始值以及第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的航向角信息；
本步骤中，通过以下方式解算出第二时间的载体的航向角信息：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
S105、输出载体的水平角信息以及航向角信息。
本步骤中，所述水平角解算模块在解算出所述载体的水平角信息后，即输出载体的水平角信息；所述航角解算模块解算出所述载体的航向角信息后，即输出载体的航向角信息。
本实施例中，所述步骤S101、步骤S102不分先后顺序，它们可以同时进行；所述步骤S103和步骤104不分先后顺序，他们可以同时进行。
本发明实施方式，采用一个倾角传感器2敏感水平角的初始值(X轴和Y轴)，通过三轴陀螺1的X轴和Y轴的旋转角速度信息即可计算得到当前时刻的载体的水平角信息，而载体的航向角信息则利用三轴陀螺1敏感即可得到，因此，本实施方式中，利用一个倾角传感器2替换原有的三个加速度计，可节约数万元制作成本，同时，本测量系统完全能够使用于矿用领域，倾角传感器2的利用率高，提升了整个测量系统的性价比。
以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (8)
1.一种用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，包括：
倾角传感器，用于在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值，并将静态敏感到的载体的水平角的初始值输出至水平角解算模块；
三轴陀螺，用于在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息并输出至航向角解算模块，还用于敏感所述第一时间至第二时间段的载体的航向角的X轴、Y轴以及Z轴旋转角速度信息，将敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息输出至所述水平角解算模块，以及将Z轴旋转角速度信息输出至航向角解算模块；
所述水平角解算模块，用于接收所述倾角传感器敏感到的载体的水平角的初始值以及三轴陀螺敏感到的第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息，并根据所述载体的水平角的初始值以及第一时间至第二时间段的载体的X轴和Y轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的水平角信息，并输出该第二时间的载体的水平角信息；以及
所述航向角解算模块，用于接收所述三轴陀螺在在所述第一时间敏感到的X轴和Y轴的旋转角速度信息以及所述第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息，根据所述X轴和Y轴的旋转角速度信息解算航向角的初始值，并根据所述航向角的初始值以及第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算第二时间的航向角信息，并输出该第二时间的载体的航向角信息。
2.如权利要求1所述的用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，其特征在于，所述水平角解算模块用于根据以下公式解算得到第二时间的载体的水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
3.如权利要求1所述的用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，其特征在于，所述航向角解算模块用于根据以下公式解算得到第二时间的载体的航向角信息：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
4.如权利要求1所述的用于测量载体姿态信息的矿用导航惯性测量系统，其特征在于：所述三轴陀螺为三轴一体陀螺或者三个单轴陀螺或者两个挠性陀螺。
5.一种矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，包括以下步骤：
利用倾角传感器在第一时间静态敏感载体的水平角的初始值；
利用三轴陀螺在所述第一时间敏感载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息，以及敏感第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴以及Z轴的旋转角速度信息；
根据所述载体的水平角的初始值、第一时间至第二时间段的载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息进行解算，以解算出第二时间的载体的水平角信息；
根据三轴陀螺在第一时间敏感到的载体的X轴、Y轴的旋转角速度信息解算航向角的初始值；
根据所述航向角的初始值以及三轴陀螺敏感到的第一时间至第二时间段的Z轴的旋转角速度信息解算出第二时间的载体的航向角信息；
输出载体的水平角信息以及航向角信息。
6.如权利要求5所述的矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，其特征在于：
在根据所述载体的水平角的初始值、第一时间至第二时间段X轴、Y轴的旋转角速度信息解算第二时间的载体的水平角信息的步骤中，通过以下公式解算出水平角信息：
其中，所述表示倾角传感器静态敏感到的水平角的初始值，所述ωy,x(T)表示三轴陀螺在T时刻的Y轴，X轴的旋转角速度信息。
7.如权利要求5所述的矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，其特征在于：
在根据航向角的初始值、第一时间至第二时间段Z轴的旋转角速度信息解算载体的航向角信息的步骤中，通过以下公式解算出航向角信息：
其中，所述θh(t)表示根据三轴陀螺在第一时间敏感到的X轴和Y轴静态旋转角速度信息解算的航向角初始值，所述ωz(T)表示三轴陀螺在T时刻Z轴输出的旋转角速度信息。
8.如权利要求5所述的矿用导航惯性测量系统测量载体姿态信息的方法，其特征在于：所述三轴陀螺为三轴一体陀螺或者三个单轴陀螺或者两个挠性陀螺。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160127 |