CN106092073B - 微机械陀螺寻北仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种微机械陀螺寻北仪。本发明提出的基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪，采用了无线供电、无线通信传输的技术方案，内置式的一体化结构设计，实现了所述数字信号采集板与所述数字信号处理板之间的无线通信、以及无线供电。相对于现有技术，所述基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪采用内置式一体化设计，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了寻北仪的体积、及成本。

Description

微机械陀螺寻北仪

技术领域

本发明涉及一种微机械陀螺寻北仪，具体涉及一种基于旋转调制技术的便携式低功耗微机械陀螺寻北仪，属于惯性寻北技术领域。

背景技术

寻北仪作为一种指示方位的仪器，不仅在卫星、导弹、高精度惯性导航系统初始初对准等国防高科技领域得到广泛的应用，而且在地球物理探测、煤矿开采、大地测量、矿山、地下钻井工程、隧道挖掘以及无人驾驶汽车自动驾驶系统、车载定位定向导航系统等民用领域得到广泛应用。

根据原理的不同，寻北仪分为两大类。第一类寻北仪需要外界信息辅助，如天文寻北、GPS寻北、后视定向寻北。天文寻北依靠光学仪器观测恒星位置进行寻北。GPS寻北则依靠GPS信号测量出两点位置信息进行寻北。测绘领域的后视定向寻北则在已知一个点的精确坐标的基础上依靠经纬仪等测量出待求点的角度、距离后计算得到北向夹角。此类需要外界信息辅助的寻北方式一般精度较高，但是依赖外界条件，对天气、位置等环境要求较为苛刻，而且一般寻北周期较长。第二类寻北仪不需要外界信息辅助，如磁寻北和惯性寻北。磁寻北利用磁传感器检测地球磁场来确定地磁北极。惯性寻北则依靠陀螺和加速度计测量地球自转矢量确定地理北极。现有技术中的电子磁罗盘已能达到较高精度，但由于地球磁场较弱，易受周围铁磁物质、电子设备等干扰，导致电子磁罗盘的使用受限。与之相比，惯性寻北具有隐蔽性强、寻北定向精度高、测量时间短、完全自主、不受气候条件限制等优点。惯性寻北是军用和民用惯性领域发展最早也是最为重要的应用之一，在对精度、使用环境要求较高的领域如国防领域已经得到广泛应用。

陀螺仪是惯性寻北仪中的核心部件，它的使用是惯性寻北仪发展的关键。传统的惯性寻北仪通常采用激光陀螺、光纤陀螺以及挠性陀螺等高精度的陀螺仪。这类寻北仪能在规定的寻北时间内达到较高精度，满足特定的使用需求。但这类寻北仪存在价格昂贵、体积大、重量重、功耗大、启动时间长等问题。在某些对体积、功耗以及成本有严格要求的领域，如单兵野外寻北、单兵导航、炮兵侦查兵定向等军用领域以及行人导航、无人汽车自动驾驶系统ANS、民船用陀螺罗经等民用领域，这类利用传统陀螺仪构成的惯性寻北仪已不再适用。

另一方面，微机械(MEMS)陀螺具有纯固态、高可靠性、小尺寸、低成本、低功耗等特点。其在近十年内得到飞速发展，性能得到大幅提升，有望在惯性寻北领域得到大范围应用。但就目前普遍的微机械陀螺发展来看，其精度仍然较低，仍无法直接利用于陀螺寻北仪等对陀螺精度要求较高的应用场合。利用系统级的方法如旋转调制技术可以对陀螺的误差进行自动补偿，可以使低精度的陀螺仪能够用于高精度的场合。而旋转调制技术的核心是旋转系统中的载荷结构的设计以及旋转结构与固定结构的电气连接。

目前的寻北仪中载荷结构部分与驱动部分都是外置型的，也就是说敏感元件(陀螺仪)与电机的安装是属于“层叠”式结构。这必然导致系统体积过大，而且其电机驱动模块与寻北解算模块、显示驱动模块也是分开的，这就造成系统体积过大，质量过于笨重。

而且，目前寻北仪中固定部分与旋转部分的电气连接一般采用导电滑环连接或者采用导线直接连接。而导电滑环连接增大了系统的体积，增加了系统的成本与功耗，且需要定期维护，导电滑环存在磨损，降低了系统的可靠性与使用寿命。而直接采用导线连接的旋转结构则需要设计机械限位机构增加了系统体积及成本，且不能实现连续旋转的功能，降低了旋转调制的效果，对低精度微机械陀螺的精度提升有限，无法将低精度的微机械陀螺应用于陀螺惯性寻北仪。

发明内容

有鉴于此，提出一种具有体积小、功耗低、成本低、可连续旋转的基于旋转调制技术的便携式微机械陀螺寻北仪实为必要。

一种微机械陀螺寻北仪，其包括：

一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；

一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子、一转子内置于所述定子设置；

一圆光栅用于测量所述转子的转角；

一安装工装固定于所述转子，该安装工装安装有一个微机械陀螺和一个微机械加速度计，所述微机械陀螺和微机械加速度计的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述电机的转动轴；

一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和所述微机械加速度计供电，以及采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；

一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算并输出结果；

一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及

一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。

所述壳体材料不限，只要具有一定硬度就可以，可以是满足所需支撑内部器件的材料，如铝合金LY12或者黄铜等。所述收容空间用于封装所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述安装工装、所述数字信号采集板、所述数据处理板、所述显示装置以及所述电池盒。

所述永磁同步电机通过收纳于所述电池盒中的电池供电。所述定子固定于所述底座，所述转子通过一竖直轴系固定于所述底座。所述转子可以相对所述定子转动。所述定子上具有线圈，所述转子为永磁体。当给所述定子通以正弦交流电时，所述转子会转动。所述永磁同步电机可以为分装直驱式永磁电机或者内装直驱式永磁同步电机。优选地，所述永磁同步电机为分装直驱式永磁同步电机。

所述圆光栅包括一圆光栅读数头和一圆光栅尺。所述圆光栅尺固定于所述转子，所述圆光栅读数头固定于所述壳体底座。所述圆光栅读数头用于读取圆光栅的转角信息。所述圆光栅为绝对式圆光栅，其通过收纳于所述电池盒中的电池供电。该圆光栅与所述数字信号处理板电连接，用于计量所述的转子的转角，并将该转角输出给所述数字信号处理板。该绝对式圆光栅用于输出所述转子的转角。该转角一方面作为转子位置反馈用于所述永磁同步电机的矢量控制，另一方面用于寻北仪的寻北解算。

所述安装工装可以以嵌入安装的方式内置于所述转子中。所述安装工装也可以固定于所述转子远离底座的一端。所述安装工装为一多面体结构，其具有多个对称的安装面。优选地，该安装工装为六面体。所述微机械陀螺与所述微机械加速度计分别安装于所述安装工装的两个安装面。所述安装工装还可以再进一步安装一个微机械陀螺和一个微机械加速度计。所述微机械陀螺可以是安装工装能容纳的任意微机械陀螺仪。所述微机械加速度计可以是安装工装能容纳的任意微机械加速度计。优选地，所述微机械陀螺为清华大学导航中心研发的硅微机械陀螺仪。优选地所述微机械加速度计可以是瑞士Colibrys公司的SF1500型微机械加速度计。采用单个微机械加速度计旋转，多个位置的读数一起联立解算可以得到相应的安装工装的姿态角，然后结合多个位置的陀螺输出联立解算，即可得到北向夹角，这就是一个微机械陀螺和一个微机械加速度计的方案。如果要求仅在一个位置的输出就得到安装工装的姿态角，则可以利用两个正交安装的微机械加速度计实现，再联立微机械陀螺的输出解算得到北向夹角，这个就是一个微机械陀螺和两个微机械加速度计方案。如果需要冗余，提高可靠性，靠增加测量组数来提高测量精度，相应的可以得到一个微机械加速度计两个微机械陀螺配合的方案或两个微机械加速度计与两个微机械陀螺配合的方案。

所述数字信号采集板可以通过所述安装工装固定于所述转子。具体地，所述数字信号采集板通过螺丝的方式固定于所述安装工装。所述数字信号采集板与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于收集所述微机械陀螺和微机械加速度计的数据。所述数字信号采集板具有陀螺数字接口模块用于接收陀螺信号、加速度计模拟接口模块用于接收加速度计信号、无线通信模块用于无线传输数据、无线供电接收模块用于接收电能、信号预处理模块用于对所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的信号进行预处理。所述陀螺数字接口模块可以是RS422或者RS232等数字接口模块。所述加速度计模拟接口模块实现了加速度计信号与加速度计温度信号的预处理，包括放大、滤波、调理等功能。所述无线供电接收模块可以是一个线圈或者绕有线圈的E型铁芯盘，用于实现无线供电接收功能。

所述数字信号处理板通过固定支架固定在所述底座上，并与所述数字信号采集板间隔相对设置。所述数字信号处理板具有数据接收模块、数据处理模块、无线供电输送模块、电机驱动模块、圆光栅数据读取模块、显示驱动模块、上位机数据传输模块。该数字信号处理板与所述数字信号采集板之间具有无线通讯，从而可以无线接收到所述微机械陀螺和微机械加速度计的数据。另外，所述数字信号采集板与所述圆光栅电连接，从而可以收集到所述圆光栅测量到的所述转子的转角。所述数字信号采集板通过无线接收到的微机械陀螺和微机械加速度计的数据、所述转子的转角来进行寻北计算并输出结果。所述数字信号采集板还和所述永磁同步电机电连接，从而读取所述永磁同步电机的相电流，并通过所述电机驱动模块驱动所述永磁同步电机按照既定的寻北方案进行转动。所述无线供电输送模块可以向所述数字信号采集板无线输送电能，从而给所述数字信号采集板、所述微机械陀螺和微机械加速度计供电。所述无线供电输送模块可以是一个绕有线圈的E型铁芯盘，该线圈可以将电池提供的电能通过无线方式传输给所述数字信号采集板。所述显示装置与所述数字信号处理板电连接，用于显示所述寻北计算结果。显示装置可以是现有技术中的各种显示装置，如液晶显示器、LED显示器、OLED显示器等。优选地，该显示装置为液晶显示器。该液晶显示器也通过收纳于所述电池盒中的电池供电。

所述电池盒可以根据不同的电池设计，其形状大小不限。

本发明提出的微机械陀螺寻北仪，采用了无线供电、无线数据传输的技术方案。实现了所述数字信号采集板与所述数字信号处理板之间的无线通信、以及无线供电。相对于现有技术，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了寻北仪的体积、及成本。所述分装直驱式永磁同步电机省去减速齿轮等装置可大幅度减小体积，低电压永磁同步电机有低功耗优势，同时电机的驱动电路与寻北解算电路进行一体化集成设计，降低系统功耗、缩小系统体积。所述绝对式圆光栅省去零位磁片缩小系统体积，绝对式的角度输出省去了一般旋转调制式惯性导航系统的寻零过程，缩短寻北定向时间，同时简化了永磁同步电机的启动与控制过程。

附图说明

图1是本发明提供微机械陀螺寻北仪的模块示意图。

图2是本发明提供的微机械陀螺寻北仪外形结构图。

图3是本发明的微机械陀螺寻北仪中的内部结构示意图。

图4是本发明的微机械陀螺寻北仪中的安装工装的结构示意图。

图5是本发明的微机械陀螺寻北仪中不同微机械陀螺和微机械加速度计安装示意图。

图6是本发明的微机械陀螺寻北仪中数字信号采集板位置示意图。

图7是图5中的数字信号采集板的模块示意图。

图8是本发明的微机械陀螺寻北仪中数字信号处理板的位置示意图。

图9是图8中的数字信号处理板的模块示意图。

图10是本发明一个实施例中所述微机械陀螺寻北仪中的无线供电方案示意图。

图11是本发明的另一个实施例中所述微机械陀螺寻北仪中的无线供电方案示意图。

图12是本发明提供的微机械陀螺寻北仪采用定点多位置寻北方案中的静态36位置寻北方案时的微机械陀螺输出与转子位置的曲线。

图13是本发明提供的微机械陀螺寻北仪采用连续旋转寻北方案进行连续寻北时某次寻北过程中所述微机械陀螺的输出与转子位置的曲线。

图14为图13中该次寻北过程中所述微机械加速度计输出与转子位置的曲线。

图15为所述微机械陀螺寻北仪实施例中某次寻北的北向输出角度结果示例。

主要元件符号说明

微机械陀螺寻北仪 10

壳体 110

开关 111

底座 112

航空插座 113

盖体 114

永磁同步电机 120

定子 122

转子 124

圆光栅 130

圆光栅读数头 131

圆光栅尺 132

安装工装 140

安装面 141

第一固定面 142

第二固定面 144

微机械陀螺 145

微机械加速度计 147

数字信号采集板 150

无线通信模块 151

无线供电接收模块 152

陀螺数字接口模块 153

加速度计模拟接口模块 154

信号预处理模块 155

数字信号处理板 160

固定支架 161

数据接收模块 162

数据处理模块 163

无线供电输送模块 164

电机驱动模块 165

圆光栅数据读取模块 166

上位机数据传输模块 167

显示驱动模块 168

显示装置 170

电池盒 180

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

请参见图1及图2，本发明实施例提供一种微机械陀螺寻北仪10，其包括:

一壳体110，该壳体110包括一底座112、一盖体114，所述底座112与所述盖体114闭合形成一收容空间；

一永磁同步电机120固定于所述底座112，该永磁同步电机120包括一定子122、一转子124内置于所述定子122设置；

一圆光栅用于测量所述转子124的转角；

一安装工装140固定于所述转子124，该安装工装140安装有一个微机械陀螺145和一个微机械加速度计147，所述微机械陀螺145的敏感轴和所述微机械加速度计147的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述永磁同步电机120的转动轴；

一数字信号采集板150固定于所述转子124并与所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147电连接，用于给所述微机械陀螺145和微机械加速度计147供电，以及采集所述微机械陀螺145和微机械加速度计147的数据并无线传输该数据；

一数字信号处理板160固定于所述底座112并与所述圆光栅130、所述永磁同步电机120电连接，用于驱动所述永磁同步电机120、给所述数字信号采集板150无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板150的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算并输出结果；

一显示装置170安装于所述数字信号处理板160，并从所述盖体114露出用于显示寻北结果；以及

一电池盒180，该电池盒用于收纳电池，该电池盒180收纳的电池给所述永磁同步电机120、所述圆光栅130、所述数字信号采集板150所述数字信号处理板160以及所述显示装置170供电。

所述壳体110用于收纳所述微机械陀螺寻北仪10元件，并封装形成一个整体。该壳体110的材料不限，只要是能满足支撑强度要求的材料即可，可以是铝合金、钛合金等金属。本实施例中，该壳体110为LY12材料构成。所述底座112上还可以进一步设置有航空插座113以及开关111。所述盖体114与所述底座112之间可以通过各种固定方式固定在一起。比如螺纹连接、锁扣连接等。本实施例中，所述盖体114与所述底座112通过螺丝固定在一起。所述盖体114表面具有一开口，用于将所述显示装置170露出从而显示寻北结果。所述盖体114表面还具有一个方向标志，指示北向的箭头与文字“North”，所述显示装置170可以显示北与该方向标志之间的夹角。所述航空插座113为所述基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪10的对外输出接口。其主要含有外部充电接口、数据通信UART和USB接口。其中的UART输出信息可以输出为NMEA0183标准格式或者根据需要进行格式的定制。USB用于传输大量的原始微机械陀螺和微机械加速度计的数据信息。所述开关111为基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪10钮开关。其上文字“ON”作为指示，在最简单的工作模式下，按下按钮即表示打开所述基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪10。本发明一个实施例的微机械陀螺寻北仪10大小为110mm*140mm*50mm，实现小型、低成本、低功耗、便携式设计。

请参见图3，所述永磁同步电机120固定于所述底座112上。所述定子122直接固定于所述底座112。所述转子124通过一个竖直轴系固定在所述底座112底部，可以相对于所述定子122转动。所述永磁同步电机120可以为任意满足安装尺寸要求永磁同步电机。本实施例中，该永磁同步电机120为定制的分装直驱式永磁同步电机。

所述圆光栅130固定于所述永磁同步电机120上，用于输出所述转子124的转角θ。该转角θ一方面作为转子位置反馈用于所述永磁同步电机120的矢量控制，另一方面用于寻北仪的寻北解算。所述圆光栅130包括一圆光栅读数头131和一圆光栅尺132。所述圆光栅尺132固定于所述转子124，所述圆光栅读数头131固定于所述底座112。所述圆光栅130可以为任意绝对角度输出的圆光栅。所述圆光栅尺132上刻有等间距等宽度的光栅刻线，所述圆光栅读数头131为一光学系统，作为所述圆光栅130的光源，并接收来自圆光栅尺130的反射光，经过数据处理得到所述圆光栅尺132的绝对位置角度。本实施例中，所述圆光栅130为英国Renishaw公司的24位或32位绝对式圆光栅。

所述安装工装140固定于所述转子124上，可以跟随所述转子124一起转动。所述安装工装140可以设置于所述转子124表面，也可以内嵌于所述转子124内部。请结合图4，所述安装工装140具有一第一固定面142、一第二固定面144、以及多个安装面141。所述第一固定面142与所述第二固定面144间隔相对平行设置。所述第一固定面142固定于所述转子124上。所述多个安装面141用于安装所述微机械陀螺145与所述微机械加速度计147。所述安装工装140为具有一定厚度的平台结构，其形状不限。当所述安装工装140安装于所述转子124远离所述底座112的一端，并且在所述定子122内部时，只要最大直径小于所述定子122的内直径即可。所述安装工装140还可以是棱柱。所述安装工装140还可以设置于所述转子124的内部部。当所述安装工装140安装于所述转子124内部时，只要最大直径小于所述转子124的内直径即可。由于所述安装工装140设置于所述转子124内部，从而进一步压缩了所述微机械陀螺寻北仪10体积。本实施例中，所述安装工装140为平行六面体结构。所述第一固定面142与所述第二固定面144为该平行六面体的上下两个底面。所述多个安装面141为所述平行六面体的四个侧面。所述安装工装140的结构还可以根据实际需要设计。只要保证所述微机械陀螺145的敏感轴和所述微机械加速度计147的敏感轴都安装在所述安装工装140的同一平面内，并且该同一平面垂直于所述永磁同步电机120的转动轴，而且保证所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147的敏感轴互相垂直即可。

请参见图5，安装于所述安装工装140上的所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147的数量可以有多种组合形式，图上的箭头表示所述微机械陀螺145的敏感轴或者所述微机械加速度计147的敏感轴。所述安装工装140上可以仅含有一个所述微机械陀螺145和一个所述微机械加速度计147，且该微机械陀螺145的敏感轴与该微机械加速度计147的敏感轴正交安装。所述安装工装140上还可以安装两个微机械陀螺145和一个微机械加速度计147。该两个微机械陀螺145相邻安装，且两个敏感轴向互相垂直，微机械加速度计147的敏感轴与相邻安装边上的微机械陀螺145的敏感轴垂直。所述安装工装140上还可以安装有两个微机械加速度计147和一个微机械陀螺145。其中，两个微机械加速度计147相邻安装且敏感轴互相垂直，且微机械陀螺145的敏感轴与相邻安装的微机械加速度计147的敏感轴垂直。所述安装工装140上还可以安装两个微机械加速度计147与两个微机械陀螺145，两个微机械加速度计147相邻安装且敏感轴互相垂直，两个微机械陀螺145同样相邻安装且敏感轴互相垂直，相邻的微机械陀螺145与微机械加速度计147之间敏感轴也互相垂直。

所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147跟随所述转子124一起转动。通过随所述转子124一起转动的微机械陀螺145来敏感地球自转角速度的北向矢量，同时利用一起转动的微机械加速度计147的输出来补偿微机械陀螺145旋转的姿态角误差，结合所述圆光栅130输出的转子124的转角，可以解算出寻北仪与北向的夹角，从而实现寻北的目的。本发明通过旋转调制的技术手段，使用单个旋转的微机械陀螺145与单个微机械加速度计147即可实现寻北，这就是本实施例中的最简单配置模式。同时，针对更高精度的寻北需求，可以对所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147进行冗余配置，即使用本实施例中的其余几种配置模式，组合为更高精度的寻北配置模式。

请参见图6及图7，所述数字信号采集板150固定于所述安装工装140，从而固定于所述转子124上。该数字信号采集板150与所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147电连接。该数字信号采集板150具有一无线通信模块151、一无线供电接收模块152、一陀螺数字接口模块153、一微加速度计模拟接口模块154以及信号预处理模块155。所述无线供电接收模块152通过胶粘等方式固定于所述数字信号采集板150的基板上，两者之间保持电连接。所述无线通信模块151可以将所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147产生的数据通过无线传输的方式传输。所述无线供电接收模块152可以通过无线的方式接收电能，从而给所述数字信号采集板150供电，同时也给所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147供电。所述陀螺数字接口模块153用于接收来自于所述微机械陀螺145输出的数字信号。对于实施例中的清华大学导航中心微机械陀螺，所述陀螺数字接口模块153输出采用数字RS422接口形式。所述微加速度计模拟接口模块154为接收所述微机械加速度计147的输出信号调理与采集模块。所述微机械加速度计147输出为模拟电压，包含对应的加速度计信息与温度信息。所述微加速度计模拟接口模块154将所述微机械加速度计147的输出与温度输出进行信号放大、滤波、信号调理等处理，调整到合适的电压范围内并使用模拟数字转换器ADC对电压采样，转换为数字信息后由所述信号预处理模块155进行处理。所述的信号预处理模块155主要负责对所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147的信息进行预处理，主要包括温度补偿等操作。

请参见图8及图9，所述数字信号处理板160通过固定支架161固定于所述底座112并与所述圆光栅130、所述永磁同步电机120电连接。所述数字信号处理板160用于驱动所述永磁同步电机120、给所述数字信号采集板150无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板150的数据，并结合所述转子124的转角进行寻北解算，对解算结果进行显示以及输出到上位机。所述数字信号处理板160包括数据接收模块162、数据处理模块163、电机驱动模块165、显示驱动模块168、圆光栅数据读取模块166、上位机数据传输模块167、以及无线供电输送模块164。所述数据接收模块162用于接收数据，其可以无线接收所述数字信号采集板150采集的数据。无线接收数据的方式包括红外通信IrDA、WIFI通信或者蓝牙Bluetooth通信等无线通信方式。所述数据处理模块163通过所述微机械陀螺145与所述微机械加速度计147的数据，结合所述圆光栅130测到的转子124转角数据，进行寻北解算，从而获得方向结果。所述电机驱动模块165用来负责所述永磁同步电机120的矢量控制，通过接收所述圆光栅130输出的转子124转角数据，同时读取所述永磁同步电机120的相电流。然后，执行相应的矢量控制算法，控制所述永磁同步电机120按照既定的寻北方案进行转动。所述无线供电输送模块164用于无线输电，将电能无线输送给所述数字信号采集板150。具体地，所述无线供电输送模块164所述无线供电接收模块152是两个相互耦合的线圈。电池的直流电压通过所述无线供电输送模块164变成交流电压，交流电通过所述无线供电输送模块164产生交变的磁场，所述无线供电接收模块152的线圈在交变的磁场中感应得到交变电流，并通过无线供电接收模块152整流滤波为直流电压，为所述微机械陀螺145、所述微机械加速度计147以及所述数字信号采集板150提供电源。为了提高两者的无线供电效率，在本发明中的无线供电输送模块164所述无线供电接收模块152间距一般不超过10mm，作为优选方案，距离一般为0.5～2mm。所述圆光栅数据读取模块166用于读取所述圆光栅130输出的数据，并对数据进行解析，得到最终的绝对角度信息，本实施例中所用的光栅采用FANUC串行传输协议或BiSS传输协议。所述显示驱动模块168用于驱动所述显示装置170，可以根据显示装置的不同类型如LCD、LED、OLED等使用不同的驱动。所述上位机数据传输模块167依据不同的需求对上位机进行数据传输，并接收来自上位机的控制命令，本实施例中原始数据采用USB方式传输，寻北结果采用UART方式传输。所述上位机数据传输模块167将所述微机械陀螺145、所述微机械加速度计147以及所述圆光栅130等的原始信息传输到上位机。

所述显示装置170用于显示寻北结果，该显示装置170可以根据需要选择现有技术中的各种显示装置，如LCD、LED、OLED等。本实施例中，所述显示装置170为液晶显示器。所述盖体114表面还具有一个方向标志，指示北向的箭头与文字“North”，所述显示装置170可以显示北与该方向标志之间的夹角。如实施例中所显示的“N180.66”，表示当前箭头所指方向与真北方向夹角为180.66度。

所述电池盒180用于收纳电池，收纳的电池用于给所述微机械陀螺寻北仪10提供电能。也就是说，该电池盒180收纳的电池给所述永磁同步电机120、所述圆光栅130、所述数字信号采集板150、所述数字信号处理板160以及所述显示装置170供电。可以理解，该电池盒180的形状不限，可以根据需要设计。本实施例中，该电池盒180可以容纳一个锂离子电池。该锂离子电池可以是18650电池或者14500电池。

请参见图10，其为本发明一个实施例提供的所述数字信号采集板150与所述数字信号处理板160之间的无线供电方案。图10中采用的是变压器松耦合无线供电方式。其采用了两个E型的铁芯盘正对构成无线供电线圈的磁耦合回路，所述E型铁芯盘上绕有线圈。所述两个E型的铁芯盘分别间隔相对设置在所述数字信号采集板150与所述数字信号处理板160上，构成所述无线供电接收模块152以及所述无线供电输送模块164。

请参见图11，其为本发明的另一实施例提供的所述数字信号采集板150与所述数字信号处理板160之间的无线供电方案。其采用的是双感应线圈松耦合无线供电方式。其中上方面积较大的为无线供电线圈，两层线圈缠绕粘贴于顶部的磁屏蔽材料上，此屏蔽材料固定于所述数字信号处理板160上构成所述无线供电输送模块164。下方为单层线圈胶粘于磁屏蔽材料上，磁屏蔽材料固定于所述数字信号采集板150上，构成所述无线供电接收模块152。对于此种方式的无线供电模式，其两层线圈中间均是空的，可以在此布置相应的点对点的无线传输模块，具备隐蔽性好，不受干扰等优点。

本发明的微机械陀螺寻北仪10的工作过程如下，首先将所述微机械陀螺寻北仪10置于水平面内，打开所述开关111，则系统进入初始化状态，所述数字信号处理板160与所述数字信号采集板150完成系统时钟与各个引脚的初始化操作，从而完成系统控制参数的初始设定。待初始化完成后，系统进入自检状态，检查所述圆光栅130读数是否工作正常，以及所述无线供电输送模块164、无线供电接收模块152是否工作正常。自检过程完成后，系统开始进入寻北工作状态。所述永磁同步电机120按照既定寻北方案中的转速与旋转方向进行转动，所述信号处理板160通过所述无线供电输送模块164为所述数字信号采集板150及所述微机械陀螺145、所述微机械加速度计147供电。所述数字信号采集板150同时采集所述微机械陀螺145、所述微机械加速度计147的输出信号，经过温度补偿后通过所述无线通信模块151发送到所述数字信号处理模板160。该数字信号处理板160通过所述数据接收模块162接收所述微机械陀螺145和所述微机械加速度计147的数据，同时读取所述圆光栅130输出的所述永磁同步电机转子124的绝对位置信息。所述数字信号处理板160依据既定的寻北解算模型，结合所述圆光栅130输出的绝对位置信息与所述微机械陀螺145的输出解算出所述微机械陀螺寻北仪10与地理北向的夹角即为北向角。同时，为了补偿所述微机械陀螺寻北仪10的所处平面的倾斜角，利用所述微机械加速度计147的输出解算出平面倾斜角，对前述北向角进行倾斜补偿。经过倾斜补偿得到的北向角即为寻北仪输出的北向夹角，可经过所述显示装置170进行显示。同时，本发明的微机械陀螺寻北仪10还可以将实时采集的数据经过一上位机数据传输模块167传输到一上位机进行后续处理。该微机械陀螺寻北仪10工作于连续模式，得到第一个北向夹角后结合微机械陀螺145和微机械加速度计147的输出递推得到后续输出的北向夹角，随着时间的增加，北向夹角的输出逐渐收敛，输出精度逐渐提高。

所述的既定寻北方案主要包括两种，其一为定点多位置寻北方案，即所述永磁同步电机120停留在固定的若干个位置上，静止采样一段时间，然后利用此段时间的输出进行寻北解算，定点多位置寻北方案又可分为静态4位置、12位置、36位置寻北等方案。图12即为所述定点多位置寻北方案中的一种实施例，即静态36位置寻北方案中的微机械陀螺输出图。另外一种方案为连续旋转寻北方案，即所述永磁同步电机120带动所述微机械陀螺145和微机械加速度计147进行连续旋转，图13为某次寻北过程中的所述微机械陀螺145输出与电机转子位置曲线，图14所述为该次寻北过程中所述微机械加速度计147输出与电机转子位置曲线，利用所述微机械陀螺145的输出解算出北向夹角，利用该微机械加速度计147的输出对倾斜角误差进行补偿，然后可以得到准确的北向夹角。图15即为所述微机械陀螺寻北仪10实施例中某次寻北的北向夹角输出结果示例。

本发明提出的基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪，采用了无线供电、无线传输的技术方案。实现了所述数字信号采集板与所述数字信号处理板之间的无线通信、以及无线供电。相对于现有技术，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了寻北仪的体积、及成本。所述分装直驱式永磁同步电机省去减速齿轮等装置可大幅度减小体积，低电压永磁同步电机有低功耗优势，同时电机的驱动电路与寻北解算电路进行一体化集成设计，降低系统功耗、缩小系统体积。所述绝对式圆光栅省去零位磁片缩小系统体积，绝对式角度输出省去了一般旋转调制式惯性导航系统的寻零过程，缩短寻北定向时间，同时简化了永磁同步电机的启动与控制过程。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种微机械陀螺寻北仪，其包括：

一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；

一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子和一转子,该转子内置于所述定子设置；

一圆光栅用于测量所述转子的转角；

一安装工装固定于所述转子，且该安装工装嵌入设置于所述转子中，该安装工装安装有一个微机械陀螺和一个微机械加速度计，所述一个微机械陀螺和所述一个微机械加速度计内置于所述转子中，所述微机械陀螺的敏感轴和所述微机械加速度计的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述电机的转动轴；

一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和微机械加速度计供电，采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；

一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算；

一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及

一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。

2.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述收容空间用于封装所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述安装工装、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板、所述显示装置以及所述电池盒。

3.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述定子固定于所述底座，所述转子通过竖直轴系固定于所述底座。

4.如权利要求3所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述圆光栅为绝对式圆光栅，该圆光栅与所述数字信号处理板电连接，用于计量所述的转子的转角，并将该转角输出给所述数字信号处理板。

5.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述数字信号采集板具有陀螺数字接口模块，用于接收陀螺信号；加速度计模拟接口模块，用于接收加速度计信号；无线通信模块，用于无线传输数据；无线供电接收模块，用于接收电能；信号预处理模块，用于对所述微机械陀螺和所述加速度计的信号进行预处理。

6.如权利要求5所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述数字信号处理板通过固定支架固定在所述底座上，并与所述数字信号采集板间隔相对设置。

7.如权利要求6所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述数字信号处理板具有数据接收模块、数据处理模块、无线供电输送模块、电机驱动模块、圆光栅数据读取模块、显示驱动模块、以及上位机数据传输模块。

8.如权利要求7所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述无线供电接收模块和所述无线供电输送模块间隔相对，构成无线供电结构，该无线供电结构为变压器松耦合无线供电或双感应线圈松耦合无线供电。

9.一种微机械陀螺寻北仪，其包括：

一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；

一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子和一转子,该转子环绕所述定子设置；

一圆光栅用于测量所述转子的转角；

一安装工装固定于所述转子，该安装工装安装两个微机械陀螺和两个微机械加速度计，所述两个微机械陀螺和两个微机械加速度计的敏感轴在同一平面，该平面垂直于所述永磁同步电机的转动轴，且相邻的微机械陀螺与微机械加速度计的敏感轴两两互相垂直，所述安装工装以嵌入安装的方式内置于电机转子，所述两个微机械陀螺和所述两个微机械加速度计内置于所述转子中；

一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和所述微机械加速度计供电，采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；

一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算；

一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及

一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。