CN107607116A - 一种高动态惯性测量单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型高动态惯性测量单元。使用本发明能够适用于高动态大过载的工作环境，且体积小、可靠性高、抗冲击性能强。本发明在安放角速率陀螺时，将其敏感结构并不是按照两两垂直排布，而是采用一种斜交排布方式使得测量IMU非轴向角速率的两个陀螺的敏感结构与轴向成20°角。这样的排布可以充分发挥陀螺敏感结构轴向抗冲击性能较强的特性，使得惯性测量单元在拥有很强的纵向抗冲击能力，同时保证非轴向角运动测量的准确性，能适应像制导炮弹这样的大过载工作环境。

Description

一种高动态惯性测量单元

技术领域

本发明涉及惯性导航与制导技术领域，具体涉及一种新型高动态惯性测量单元。

背景技术

随着信息技术的进步以及战争理念的发展，大量的精确制导弹药被广泛应用于现代战争中，这使得武器的毁伤效率成倍的提升。类似制导炮弹这种新型的智能枪弹的出现也是顺应信息化战争发展潮流。制导炮弹并没有专门的发射平台，使用常规火炮发射即可。炮弹在飞行过程中通过制导组件引到炮弹命中目标。相对导弹这种精确制导武器来说，制导炮弹的发射平台简单，成本低廉命中精度较高。

目前的制导炮弹都是以末制导技术为主。美国在20世纪70年代研制成功的铜斑蛇155mm激光半主动末制导炮弹，通过在弹上的激光导引头，在距离目标3000m左右时探测照射到目标上的反射激光信号来扑捉目标。这种末制导炮弹在接近目标的飞行段是没有导航与制导的纯惯性飞行。且由于炮弹采用了激光半主动制导，需要前方人员持续照射目标，增加了前方侦查人员的危险系数，缺点是显而易见的。新一代的制导炮弹要克服以上缺点，可以利用惯性导航加GPS组合，实现全程或半程的自主导航飞行。

实现新一代制导弹药对导航器件，特别是惯性器件提出了很高的要求。首先由于炮弹出膛时会有极高的过载，制导炮弹的惯性器件必须能够承受这样的高过载；其次惯性器件需要适应炮弹这种高动态载体的工作环境；最后惯性器件还要拥有较低的成本、简单的结构、较高的可靠性以及较小的体积。本发明正是以这些需求为设计目标实现的一种新型高动态惯性测量单元。

发明名称为“新型钟形振子式角速率陀螺”(申请号：CN201310220902.1)的哥氏效应震动陀螺仪是一个角速率测量元件。这种振子式陀螺核心器件为一个形似中国传统大钟的钟形振子。这种陀螺除了有传统固体振动陀螺低成本、低功耗、长寿命、高灵敏度的优点外，还具有结构简单、抗冲击能力强的特点，能够更好地应用在中低精度角速率测量领域。该陀螺的单轴向抗过载能力达到20000g以上。但是由于敏感结构靠一个支撑杆支持，单横向抗过载能力只有6000g左右(最大应力431MPa)。一般的惯性测量单元，三个陀螺敏感轴的布置方向为两两垂直，这样的布置受到水平布置的陀螺横向的抗冲击能力限制，即有两个陀螺振子的对称轴会和惯性测量单元轴向垂直，使得整个惯性测量单元的纵向过载不能超过6000g，这样就无法发挥充分发挥这种陀螺的抗高过载特性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种新型高动态惯性测量单元，能够适用于高动态大过载的工作环境，且体积小、可靠性高、抗冲击性能强。

本发明的高动态惯性测量单元，其特征在于，角速率陀螺的三个敏感轴中，其中一个敏感轴与IMU轴向重合，另外两个敏感轴均与IMU轴向成15°～20°角。

进一步的，所述角速率陀螺为：发明名称为“新型钟形振子式角速率陀螺”、申请号为201310220902.1的角速率陀螺。

进一步的，所述惯性测量单元包括：角速率陀螺、用于安装角速率陀螺的敏感结构的基座、用于安装电路板的电路舱以及用于安装电池的电池舱；所述基座和电池舱分别固定安装在电路舱的两端；其中，基座上设有3个用于分别安放角速率陀螺的三个敏感结构的槽，其中一个槽与IMU轴向重合，另外两个槽均与IMU轴向成15°～20°角。

进一步的，还包括减震套，所述减震套位于槽与角速率陀螺敏感结构之间。

进一步的，所述电路板由铜柱支撑。

进一步的，还包括连接件，所述连接件固定在基座的底端，连接件上设有与铜柱相对应的螺纹孔上，处理电路通过铜柱固定到连接件上。

进一步的，电路舱和电池舱的空腔部分用绝缘胶填充。

有益效果：

1)本发明在安放角速率陀螺时，将其敏感结构并不是按照两两垂直排布，而是采用一种斜交排布方式使得测量IMU非轴向角速率的两个陀螺的敏感结构与轴向成20°角。这样的排布可以充分发挥陀螺敏感结构轴向抗冲击性能较强的特性，使得惯性测量单元在拥有很强的纵向抗冲击能力，同时保证非轴向角运动测量的准确性，能适应像制导炮弹这样的大过载工作环境。

2)本发明提供了一种新型高动态惯性测量单元。该惯性测量单元使用一种结构简单抗冲击性能强的哥氏效应振动陀螺仪为角运动传感器，以满足惯性测量单元在高动态大过载的环境下工作的要求。

附图说明

图1为惯性测量单元的正视图；

图2为惯性测量单元的侧视图；

图3为惯性测量单元的俯视图；

图4为惯性测量单元的轴侧图；

图5为支撑陀螺敏感结构的基座的轴侧图；

图6为支撑陀螺敏感结构的基座的正视图；

图7为支撑陀螺敏感结构的基座的侧视图；

图8为支撑陀螺敏感结构的基座的俯视图；

图9为有限元仿真的受力示意图。

其中，1-基座，2-电路舱，3-电池舱，4-铜柱，5-电路板，6-连接件，7-振子、8-底座、9-振子支撑杆、10-减震套、11-振子壳，12-孔，13-过孔。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种新型高动态惯性测量单元，以名称为“新型钟形振子式角速率陀螺”(申请号：CN201310220902.1)的角速率陀螺作为角速率测量元件，利用该陀螺的抗冲击性能的特点，在惯性测量单元中对三个陀螺的敏感结构的放置进行设计，充分发挥这种陀螺的抗冲击性能，能够适用于高动态大过载的工作环境，可以被应用于新一代制导弹药上。

整个惯性测量单元的正视图、侧视图、俯视图和轴侧图分别如图1、图2、图3和图4所示。其中，图1和图2均按照图3所示的X截面给出惯性测量单元的主要结构的剖面图。

图1中给出了惯性测量单元中主要结构的组成部分，如图1所示，本发明的惯性测量单元包括：用于安装支撑角速率陀螺的陀螺敏感结构的基座1，用于安放惯性测量单元电路部分的电路舱2和用于放置电池的电池舱3，其中，电路舱中的电路板5由铜柱4支撑。所述陀螺敏感结构包括振子7、底座8和振子支撑杆9和振子壳11。基座1的轴侧图、正视图、侧视图和俯视图如图5、图6、图7和图8所示，上面分布着3个为安放陀螺的敏感结构圆柱型槽，其中，圆柱型槽并不是按照传统两两正交的排布，而是采用一种斜交的排布方式使得测量IMU(惯性测量单元，Inertial Measurement Unit)非轴向角速率的两个敏感结构与轴向成15°到20°角，如图6中和图7中所示，3个圆柱型槽中，其中一个槽与IMU轴向重合，另外两个槽与IMU轴向均成15°～20°角。这种布置方式利用了所使用陀螺敏感结构的轴向抗冲击性能较强而侧向抗冲击性能较差的特性，使惯性测量单元拥有很强的纵向抗冲击性能。

基座1下端的外壁上有6个沉头螺孔(图1中的孔12)，可以用螺钉将其与电路舱2连接起来。电池舱3和电路舱2通过螺纹配合连接。基座1与连接件6用螺钉连接，连接件6上有铜柱4对应的螺纹孔，处理电路5再由铜柱4固定到连接件6上。基座上方到电路舱、电路舱和电池舱之间都有过孔(如图3中的过孔13)，主要用于通过导线。敏感结构通过信号线经过孔与惯性测量单元的处理电路部分连接。电池引出的电源线也通过电池舱的过孔为电路部分供电。注意过孔边缘都要有平缓的倒角以免磨损导线的绝缘层。安装完成后，电路舱2和电池舱3空腔部分的剩余空间都用绝缘胶填充，在胶凝固后，可以起到分散受力的作用，以提高IMU内部元件的抗冲击能力。

理论上，只要三个陀螺的角速率敏感轴方向的向量不是线性相关的，三个陀螺就可以测量出载体在空间中的角运动。本发明中的敏感结构的斜交角是通过有限元仿真中的等效静力学仿真确定的。如图9所示，制导炮弹在发射时瞬间产生最高12000g左右的过载，本发明在仿真时留出一定的余量，设炮弹在炮管内加速度为13000g，敏感结构材料采用Ni43CrTiAl，采用等效应力作为屈服判断准则，未产生塑性形变的等效应力为500MPa以下。利用ANSYS软件计算敏感结构的最大斜交角度。当敏感结构斜交角度为15°～20°时最大等效应力为446MPa，产生在敏感结构的连杆支撑处。所以确定IMU中敏感结构与轴向最大斜交角度为15°～20°，最优20°。

图9中，惯性测量单元在大过载环境下，振子倾斜时将惯性力投影到振子的轴向和水平方向。当IMU轴向上过载为13000g时，投影到敏感结构轴向为4446.3g，此时敏感结构内部按照等效应力为屈服判断准则为446MPa，小于最大屈服强度500MPa，还有一定的余量。此时得到陀螺振子轴向与惯性测量单元轴向成15°～20°角，如图6和图7所示。用向量更清楚地描述：在载体坐标系下，假设IMU轴向为x轴，陀螺振子轴向与惯性测量单元轴向成20°角，则三个敏感结构的测量方向的单位向量分别为(1,0,0)，(cos20°,sin20°,0)，(cos20°,0,sin20°)。这样布置尽量地减少了三个轴测量角运动相互耦合的程度。敏感结构在安装到的基座1前，还需加装一个由聚四氟乙烯制作的减震套11。减震套可以减小陀螺的敏感结构受到的震动和冲击，同时使振子外壳和基座1的圆柱形槽更好的配合。

本发明的结构简单，各个部分尤其是陀螺敏感结构的安装位置都经过特殊的考虑，极大的增强了系统的纵向抗高过载能力，使得系统能够适应制导炮弹等新型智能枪弹上严酷的工作环境。此外，本发明也可以采用其他的角速率陀螺。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高动态惯性测量单元，其特征在于，角速率陀螺的三个敏感轴中，其中一个敏感轴与IMU轴向重合，另外两个敏感轴均与IMU轴向成15°～20°角。

2.如权利要求1所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，所述角速率陀螺为：发明名称为“新型钟形振子式角速率陀螺”、申请号为201310220902.1的角速率陀螺。

3.如权利要求1或2所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，所述惯性测量单元包括：角速率陀螺、用于安装角速率陀螺的敏感结构的基座(1)、用于安装电路板(5)的电路舱(2)以及用于安装电池的电池舱(3)；所述基座(1)和电池舱(3)分别固定安装在电路舱(2)的两端；其中，基座(1)上设有3个用于分别安放角速率陀螺的三个敏感结构的槽，其中一个槽与IMU轴向重合，另外两个槽均与IMU轴向成15°～20°角。

4.如权利要求3所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，还包括减震套(10)，所述减震套(10)位于槽与角速率陀螺敏感结构之间。

5.如权利要求3所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，所述电路板(5)由铜柱(4)支撑。

6.如权利要求5所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，还包括连接件(6)，所述连接件(6)固定在基座(1)的底端，连接件(6)上设有与铜柱(4)相对应的螺纹孔上，处理电路(5)通过铜柱(4)固定到连接件(6)上。

7.如权利要求3所述的高动态惯性测量单元，其特征在于，电路舱(2)和电池舱(3)的空腔部分用绝缘胶填充。