CN109186600A - 一种激光陀螺捷联惯导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光陀螺捷联惯导，包括安装框架，所述安装框架用于供3个激光陀螺和3个加速度计固定安装，其特征在于：所述安装框架的外形整体呈矩形体状结构；所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中任意三个侧面的中部位置内凹并形成有一个X向激光陀螺安装槽、一个Y向光陀螺安装槽和一个加速度计安装槽，所述加速度计安装槽能够容纳3个加速度计并供其固定安装；所述矩形体状结构的顶面或底面中任意一面的中部位置内凹形成有一个Z向激光陀螺安装槽。本发明的激光陀螺捷联惯导具有结构规整简洁，体积小，紧凑性高，重量更轻的优点。

Description

一种激光陀螺捷联惯导

技术领域

本发明属于惯导领域，具体涉及一种激光陀螺捷联惯导。

背景技术

惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

捷联式惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem，简写SINS)是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点，使得SINS已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测量组件(InertialMeasurementUnit，简写IMU)是惯导系统的核心组件，IMU的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。

激光陀螺捷联惯导是指采用3个激光陀螺和3个加速度计组成一套惯导系统。物体运动时根据不同激光束的变化，就能精确感知物体空间坐标；激光陀螺捷联惯导内部应为没有运动部件，精度大大高于机械式陀螺或微机电陀螺，易于维护，可靠性高，寿命长，成为大中型飞机惯性基准系统的核心部件，在诸多国防装备上也能够见其身影。

现有技术中公告号为：CN104567874B的专利即公开了“一种车载定位定向及自标定装置”，该“一种车载定位定向及自标定装置”即是一种激光陀螺捷联惯导。参见其图2和图4可知其技术方案中“激光惯导通过惯导减震垫和螺钉安装在内框旋转机构上；激光惯导安装于内框锁定机构上，激光惯导包括台体和安装于其上的三个激光陀螺、三个加速度计和一个棱镜，三个激光陀螺相互正交设置，三个加速度计相互正交设置，棱镜斜向布置与三个激光陀螺构成的坐标系的三个方向均形成夹角。”

但是，上述激光惯导仍存在以下不足之处：供三个激光陀螺和三个加速度计固定用的台体为异形结构，该台体的加工十分困难且耗时，增加产品的成本，影响了生产效率的提升。此外，三个激光陀螺在台体上的安装槽置较为分散，这样势必增加占用体积和空间。

基于此，申请人考虑设计一种结构更为精简紧凑，易于降低成本，提升生产效率的激光陀螺捷联惯导。

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：如何提供一种结构更为精简紧凑，易于降低成本，提升生产效率的激光陀螺捷联惯导。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种激光陀螺捷联惯导，包括安装框架，所述安装框架用于供3个激光陀螺和3个加速度计固定安装，其特征在于：所述安装框架的外形整体呈矩形体状结构；所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中任意三个侧面的中部位置内凹并形成有一个X向激光陀螺安装槽、一个Y向光陀螺安装槽和一个加速度计安装槽，所述加速度计安装槽能够容纳3个加速度计并供其固定安装；所述矩形体状结构的顶面或底面中任意一面的中部位置内凹形成有一个Z向激光陀螺安装槽。

同现有技术相比较，本发明的激光陀螺捷联惯导具有的优点是：

1、结构规整简洁，易于采用数控车床进行更快的生产加工。

2、采用在矩形体状的安装框架表面来开设安装槽的结构，这样不仅能够充分利用矩形体状结构的内部空间，缩小体积，提升紧凑性；还能够大幅降低重量，降低（安装惯导的）载体的载重，从而降低负荷。

附图说明

图1为本发明激光陀螺捷联惯导中安装框架的结构示意图。

图2为图1中安装框架上安装IMU后的结构示意图。

图3为图2中安装框架的V向视图。

图4为本发明激光陀螺捷联惯导中弹性减振柱的结构示意图。

图5为本发明激光陀螺捷联惯导不含顶部端盖的结构示意图。

图6为本发明激光陀螺捷联惯导的电路板的结构示意图。

图7为本发明激光陀螺捷联惯导的结构示意图。

图8为本发明激光陀螺捷联惯导的结构示意图（另一视角）。

图中标记为：

1安装框架：10装配孔，11台阶孔；

2激光陀螺；

3加速度计；

4加速度计安装块；

5外壳：50固连用通孔；

6弹性减振柱：60主支承柱，61插接用橡胶垫圈，62抵紧用橡胶垫圈，63端板，64锁紧螺钉；

电路板：70电源板，71底部连接板，72导航解算板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1至图8所示：

一种激光陀螺捷联惯导，包括安装框架1，所述安装框架1用于供三个激光陀螺2和三个加速度计3固定安装，所述安装框架1的外形整体呈矩形体状结构；所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中任意三个侧面的中部位置内凹并形成有一个X向激光陀螺安装槽、一个Y向光陀螺安装槽和一个加速度计安装槽，所述加速度计安装槽能够容纳三个加速度计并供其固定安装；所述矩形体状结构的顶面或底面中任意一面的中部位置内凹形成有一个Z向激光陀螺安装槽。

其中，所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中剩余的一个侧面内凹形成有一个工艺槽。

上述工艺槽设置，能够进一步降低安装框架1的总重量。

其中，所述X向激光陀螺安装槽的槽底、Y向光陀螺安装槽的槽底和Z向激光陀螺安装槽的槽底各自为与所在矩形体状结构的侧面平行的安装用平面。

这样，上述安装用平面可使得贴合并固定在该槽底的激光陀螺获得精准的定位。

其中，各个激光陀螺的装配面上穿设有螺纹孔，所述安装用平面贯穿设置有与激光陀螺上的螺纹孔一一正对的连接孔；所述安装框架1上与上述安装用平面相背离的表面贯穿设置有与所述连接孔一一正对且可供螺丝刀头和螺钉穿过的装配用穿孔。

以上连接孔和装配用穿孔的设置，不仅能够有效保证安装框架1的结构强度；还易于采用螺丝刀来便捷拧紧贯穿连接孔并旋接在螺纹孔内的螺钉，简化装配并提高装配效率。

其中，激光陀螺捷联惯导还包括一个矩形块状的加速度计安装块4，所述加速度计安装块4的顶面构成Z向加速度计安装面，所述加速度计安装块4在水平方向上的垂直相交的两个侧面构成X向加速度计安装面和Y向加速度计安装面；所述加速度计安装块4的下端面用于与加速度计安装槽的下侧壁固定相连。

实施时，加速度计的底部带有连接支耳，连接支耳上贯穿设置有穿孔；加速度计安装块4上的各个安装面上设置有与上述连接支耳上的穿孔一一对应的螺纹孔，加速度计通过穿过穿孔并旋接在螺纹孔内的螺钉固定在安装面上。

实施时，优选加速度计安装块4的下表面设有螺纹孔，加速度计安装槽下侧壁贯穿设置有穿孔，螺钉穿过穿孔并旋接在螺纹孔内来使得加速度计安装块4固定。

采用上述加速度计安装块4的结构后，即可有效提升装配效率，具体为：

可先在加速度计安装槽外部，将3个加速度计快速的固定在加速度计安装块4的各个安装面上；随后，再将加速度计安装块4放入加速度计安装槽内，采用螺钉紧固即可。

其中，激光陀螺捷联惯导还包括外壳5，所述外壳5用于供安装框架1安装在其内部；所述安装框架1的外侧面与所述外壳5的内侧面之间具有至少一对装配面，每对装配面相邻且正对，且每对装配面之间固定连接有弹性减振柱6。

因为，激光陀螺捷联惯导整体是直接固定安装在载体上，需承受载体的振动和冲击；还因为，激光陀螺捷联惯导的各个激光陀螺中的激光发生器也会产生高频抖动（单色激光是用高频电源激发混合气体来产生）；振动会使得IMU的测量误差累积，并大幅降低激光陀螺和加速度计的测量精度。现有技术往往采用在IMU使用一段时间后重启来消除累积的误差，但重启期间肯定会丧失测量功能，增加不安全隐患。

本发明采用上述“外壳5”和“弹性减振柱6”的装配结构后，可使得激光陀螺捷联惯导具有的优点是：

能够通过弹性减振柱6来吸收载体的振动，也能够通过弹性减振柱6来吸收激光陀螺开启时因激光发生器产生的高频振动，从而使得安装框架1整体具有更好的减振效果，利于帮助提高安装框架1安装的激光陀螺和加速度计的测量精度。

其中，所述外壳5内部在水平圆周方向上具有两个正对的内侧面，所述安装框架1在水平圆周方向上具有两个背对的外侧面，两个正对的内侧面与两个背对的外侧面构成两对装配面。

采用上述“两对装配面”的结构，也即在两对装配面中任意一对装配面之间仍固定连接有弹性减振柱6。这样，提升安装框架1在外壳5内部装配牢固度的同时，也能够通过“两对装配面”的结构来提升抗振力，进而使得激光陀螺捷联惯导能够更好的适用于各种复杂的工况。

其中，每对装配面的四个内角处分别设有一个所述弹性减振柱6。

因为，激光陀螺捷联惯导是通过外壳5来固定在载体上，故外壳5的姿态才与载体高度一致。采用上述方案后，即可通过每对装配面的四个弹性减振柱6来进一步提升安装框架1在外壳5内部的固定稳靠度，确保在长时间使用过程中，安装框架1与外壳5之间的相对位置的定位精度，进而帮助激光陀螺和加速度计测得的值为载体实际的姿态和运动数值，提升测量与导航的精度。

其中，所述安装框架1上与各个弹性减振柱6相连的处垂直穿设有一个装配孔10；

所述外壳5上设置有与所述装配孔10一一正对的固连用通孔50；

每个弹性减振柱6包括一个主支承柱60、一个插接用橡胶垫圈61、两个抵紧用橡胶垫圈62、一个端板63、一个锁紧螺钉64和一个固定用螺钉（图中未示出）；

所述主支承柱60整体为长条形结构，所述主支承柱60长度方向的一段为杆状的套接段，另一段为直径大于套接段的固定段，所述套接段上远离固定段的端面设有一个锁紧用螺纹孔，所述固定段上远离套接段的端面设有一个固定用螺纹孔；

两个抵紧用橡胶垫圈62的内孔直径和一个插接用橡胶垫圈61的内孔直径与所述套接段的外直径相匹配，两个抵紧用橡胶垫圈62包夹插接用橡胶垫圈61并共同套接在该套接段上，且所述一个插接用橡胶垫圈61插接在所述装配孔10内，两个抵紧用橡胶垫圈62与上述安装框架1的装配孔10的两端面相抵接；

所述端板63整体呈圆环状且内孔直径大于锁紧螺钉64的螺杆的直径并小于套接段的直径；所述端板63套接在锁紧螺钉64的螺杆上，所述锁紧螺钉64的螺杆通过螺纹旋接在所述锁紧用螺纹孔，且锁紧螺钉64的头部使得所述端板63与套接段的端面抵接相连；

所述固定用螺钉的螺杆部分贯穿外壳5上的固连用通孔50后伸入外壳5内部，并与主支承柱60上的螺纹孔固定相连。

上述弹性减振柱6的结构，具有的优点是：

1、主支承柱60能够为套接的一个插接用橡胶垫圈61和两个抵紧用橡胶垫圈62提供可靠的支承；

2、一个插接用橡胶垫圈61插接在安装框架1上的装配孔10内，可通过插接用橡胶垫圈61与装配孔10壁相接触来形成围绕插接用橡胶垫圈61圆周方向的环向弹性支承（即360度的弹性支承）；随后，通过两个抵紧用橡胶垫圈62包夹一个插接用橡胶垫圈61和装配孔10端面的结构来形成沿主支承柱60长度方向的弹性支承。获得更优的减振效果。

3、通过锁紧螺钉64、一个端板63与主支承柱60端部相抵接配合的结构来控制端板63与主支承柱60的固定段之间的间距，从而精准控制套接在主支承柱60上的两个抵紧用橡胶垫圈62和一个插接用橡胶垫圈61的压缩量；使得两个两个抵紧用橡胶垫圈62和一个插接用橡胶垫圈61既能够具有弹性吸振的作用，又能够在非振动环境时（凭借较大的上述压缩量形成的弹力）具有较大的硬度来维持安装框架1的稳靠性。促使安装框架1上IMU具有与载体高度一致的姿态，帮助获得最为精准的测量值。

4、便于通过采用不同主支承柱60的尺寸来调整橡胶零件（插接用橡胶垫圈61和抵紧用橡胶垫圈62）的压缩量，从而调整减振频率，进而可使得不同频率的激光陀螺均可获得良好的减振效果。

其中，所述装配孔10的两端面各自内凹形成有一个沉头用的台阶孔11，每个台阶孔11与每个抵紧用橡胶垫圈62一一对应，且每个抵紧用橡胶垫圈62落入每个台阶孔11内，每个抵紧用橡胶垫圈62圆周方向的侧面与对应的台阶孔11的周向侧面抵接相连。

这样一来，每个抵紧用橡胶垫圈62的圆周方向的外围与台阶孔11的孔壁接触后，即可同时形成沿抵紧用橡胶垫圈62圆周方向的弹性支承以及沿主支承柱60轴向的弹性支承（即形成围绕主支承柱60360度的吸振效果）。

实施时，每个抵紧用橡胶垫圈62上由邻近插接用橡胶垫圈61的一端面向另一端面的方向其外直径逐渐变小；端板63的边缘和主支承柱60的固定段上邻近套接段的端面边缘各自设有包围住所述抵紧用橡胶垫圈62的最小端的一圈环形凸缘。上述抵紧用橡胶垫圈62和环形凸缘的设置，能够利用环形凸缘避免抵紧用橡胶垫圈62的最小端被挤压后沿径向外扩状的变形，并将该形变力转移并挤压至插接用橡胶垫圈61，使得插接用橡胶垫圈61获得更大的包夹力，从而使得插接用橡胶垫圈61的外侧面能够与装配孔10的内壁充分紧密接触。

实施时，所述外壳5的顶部和底部均为开口，该开口的端面通过螺钉与端盖固定相连。

这样，可更便捷实现安装框架1在外壳5内部精确的装配，理由是：例如，外壳5的顶部和底部中仅有一个为开口，安装时只能利用外壳5十分狭窄有限的内部空间，该内部空间难以供工装夹具伸入。但外壳5的顶部和底部均为开口的结构，则便于采用工装夹具竖向穿过外壳5内部，进而能够利用工装夹具来对安装框架1进行更为精确的定位和安装。简化装配过程，并提高装配效率和精度。

实施时，外壳5的周向外侧表面下凹形成有多个凹坑。该多个凹坑不仅利于减重，还利于增加与空气的接触面积，从而获得更好的散热效果。

实施时，所述外壳5的外形整体呈八边体形结构。这样不仅可通过弯折来使得外壳5具有更大的结构强度，还具有更好的电磁屏蔽效果和散热效果。

实施时，所述外壳5的内部具有电路板安装腔室和供安装框架1落入的主安装腔，其中，所述电路板安装腔室位于外壳5的八边体形相邻的四个内角之间围成的区域；所述电路板包括电源板70、底部连接板71和导航解算板72；所述电源板70和导航解算板72各自通过插接口固定插接在底板连接板上对应的插座内。

实施时，电源板70的侧边缘和导航解算板72的侧边缘各自固定有一根竖向的限位柱，该限位柱的上端面设有螺纹孔；所述外壳5的内侧面凸起形成有可供电源板70的限位柱和导航解算板72的限位柱分别插入的限位槽，且该限位槽的上端固定有一个锁定块，所述锁定块上贯穿设置有一个穿孔，该穿孔与限位柱上端的螺纹孔正对并通过螺钉固定相连。这样一来，即可提升电源板70在外壳5内部的牢固度，避免抖动引起的接点松动或接触不良的情形，提升使用的可靠性。

以上仅是本发明优选的实施方式，需指出的是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，作出的若干变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种激光陀螺捷联惯导，包括安装框架，所述安装框架用于供3个激光陀螺和3个加速度计固定安装，其特征在于：所述安装框架的外形整体呈矩形体状结构；所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中任意三个侧面的中部位置内凹并形成有一个X向激光陀螺安装槽、一个Y向光陀螺安装槽和一个加速度计安装槽，所述加速度计安装槽能够容纳3个加速度计并供其固定安装；所述矩形体状结构的顶面或底面中任意一面的中部位置内凹形成有一个Z向激光陀螺安装槽。

2.根据权利要求1所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：所述矩形体状结构在水平圆周方向的四个侧面中剩余的一个侧面内凹形成有一个工艺槽。

3.根据权利要求1或2所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：所述X向激光陀螺安装槽的槽底、Y向光陀螺安装槽的槽底和Z向激光陀螺安装槽的槽底各自为与所在矩形体状结构的侧面平行的安装用平面。

4.根据权利要求3所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：各个激光陀螺的装配面上穿设有螺纹孔，所述安装用平面贯穿设置有与激光陀螺上的螺纹孔一一正对的连接孔；所述安装框架上与上述安装用平面相背离的表面贯穿设置有与所述连接孔一一正对且可供螺丝刀头和螺钉穿过的装配用穿孔。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：还包括一个矩形块状的加速度计安装块，所述加速度计安装块的顶面构成Z向加速度计安装面，所述加速度计安装块在水平方向上的垂直相交的两个侧面构成X向加速度计安装面和Y向加速度计安装面；所述加速度计安装块的下端面用于与加速度计安装槽的下侧壁固定相连。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：还包括外壳，所述外壳用于供安装框架安装在其内部；所述安装框架的外侧面与所述外壳的内侧面之间具有至少一对装配面，每对装配面相邻且正对，且每对装配面之间固定连接有弹性减振柱。

7.根据权利要求6所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：所述外壳内部在水平圆周方向上具有两个正对的内侧面，所述安装框架在水平圆周方向上具有两个背对的外侧面，两个正对的内侧面与两个背对的外侧面构成两对装配面。

8.根据权利要求6或7所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：每对装配面的四个内角处分别设有一个所述弹性减振柱。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：

所述安装框架上与各个弹性减振柱相连的处垂直穿设有一个装配孔；

所述外壳上设置有与所述装配孔一一正对的固连用通孔；

每个弹性减振柱包括一个主支承柱、一个插接用橡胶垫圈、两个抵紧用橡胶垫圈、一个端板、一个锁紧螺钉和一个固定用螺钉；

所述主支承柱整体为长条形结构，所述主支承柱长度方向的一段为杆状的套接段，另一段为直径大于套接段的固定段，所述套接段上远离固定段的端面设有一个锁紧用螺纹孔，所述固定段上远离套接段的端面设有一个固定用螺纹孔；

两个抵紧用橡胶垫圈的内孔直径和一个插接用橡胶垫圈的内孔直径与所述套接段的外直径相匹配，两个抵紧用橡胶垫圈包夹插接用橡胶垫圈并共同套接在该套接段上，且所述一个插接用橡胶垫圈插接在所述装配孔内，两个抵紧用橡胶垫圈与上述安装框架的装配孔的两端面相抵接；

所述端板整体呈圆环状且内孔直径大于锁紧螺钉的螺杆的直径并小于套接段的直径；所述端板套接在锁紧螺钉的螺杆上，所述锁紧螺钉的螺杆通过螺纹旋接在所述锁紧用螺纹孔，且锁紧螺钉的头部使得所述端板与套接段的端面抵接相连；

所述固定用螺钉的螺杆部分贯穿外壳上的固连用通孔后伸入外壳内部，并与主支承柱上的螺纹孔固定相连。

10.根据权利要求9所述的激光陀螺捷联惯导，其特征在于：所述装配孔的两端面各自内凹形成有一个沉头用的台阶孔，每个台阶孔与每个抵紧用橡胶垫圈一一对应，且每个抵紧用橡胶垫圈落入每个台阶孔内，每个抵紧用橡胶垫圈圆周方向的侧面与对应的台阶孔的周向侧面抵接相连。