CN109459004B - 一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法，该系统它包括第一陀螺仪、第二陀螺仪、转动平台和处理模块，所述第一陀螺仪和转动平台固连并位于在载体平台上，所述第二陀螺仪固连在转动平台上，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪通过组合以测量出载体平台某一个坐标轴相对于惯性空间的转动角速率。该方法基于上述系统来实现。本发明具有原理简单、易实现、能够使测量精度保持不变而扩展陀螺仪测量范围等优点。

Description

一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法

技术领域

本发明主要涉及到陀螺仪的测量技术领域，特别涉及一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法。

背景技术

随着航空、航天的迅猛发展，陀螺仪作为飞行器的一种角速度测量传感器得到大量的应用，对陀螺仪的性能指标要求越来越高。其中，测量精度和最大测量范围是陀螺仪的两个重要指标。通常陀螺仪产品在出厂时，其最大测量范围是固定的。这些产品往往要么精度高而测量范围小，要么测量范围大而测量精度低。精度高且测量范围大的陀螺仪产品的制造技术难度大，且价格较高，限制了陀螺仪的广泛应用。

目前，有从业者提出一种在外部增加电阻或改变电阻值的方法，可以扩展陀螺仪的测量范围，但它存在的问题就在于：其一般是以牺牲陀螺仪的测量精度为代价，同时这方法需要陀螺仪生产厂家预留出相应的电路接口，大大缩小了用户对陀螺仪产品的选型范围。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就在于，针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、易实现、能够使测量精度保持不变而扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，它包括第一陀螺仪、第二陀螺仪、转动平台和处理模块，所述第一陀螺仪和转动平台固连并位于在载体平台上，所述第二陀螺仪固连在转动平台上，所述第一陀螺仪和第二陀螺仪通过组合以测量出载体平台某一个坐标轴相对于惯性空间的转动角速率。

作为本发明的进一步改进：所述载体平台用来以角速率ω_in转动，所述第一陀螺仪的测量值ω_A提供给处理模块，所述处理模块控制转动平台相对于载体平台静止，或者向所述转动平台发出大小为ω_D角速率控制指令。

作为本发明的进一步改进：所述转动平台用来相对于载体平台以角速率ω_D转动，且角速率ω_D与角速率ω_in的转动方向相反；所述角速率ω_D与角速率ω_in的抵消合成值为ω_C，ω_C由所述第二陀螺仪测量；所述第二陀螺仪的测量值角速率ω_B输出到处理模块，所述处理模块经逻辑判断和处理，最终得到载体平台的角速率测量值ω_output。

作为本发明的进一步改进：所述转动平台包括转动机构、传动机构和产品安装平面，所述第二陀螺仪固连在产品安装平面上面，同时由处理模块控制转动机构、传动机构静止或者以确定的角速率转动。

作为本发明的进一步改进：所述处理模块用于控制转动平台和输出载体平台的转动角速率测量值。

作为本发明的进一步改进：所述载体平台为待测量其转动角速率的对象等。

本发明进一步提供一种基于上述可扩展陀螺仪测量范围的测量系统的测量方法，其包括：

对所述转动平台的转动控制：

I、当第一陀螺仪测量输出值ω_A大于正向角速率阈值ω_T+，则转动平台以第一陀螺仪的最大角速率测量值ω_AMax负方向转动；

II、当第一陀螺仪测量输出值ω_A小于负向角速率阈值ω_T-，则转动平台以第一陀螺仪的最大角速率测量值ω_AMax正方向转动；

III、当第一陀螺仪测量输出值ω_A处于正向角速率阈值ω_T+和负向角速率阈值ω_T-的范围内，则转动平台静止；

对所述载体平台的角速率测量值的输出：

I、当第一陀螺仪测量输出值ω_A＝ω_AMax，则载体平台的角速率测量值为ω_AMax+ω_B；

II、当第一陀螺仪测量输出值ω_A＝-ω_AMax，则载体平台的角速率测量值为-ω_AMax-ω_B；

III、当第一陀螺仪测量输出值-ω_AMax＜ω_A＜ω_AMax，则载体平台的角速率测量值为ω_A。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统及方法，原理简单、易实现，能够在保持测量精度不变的情况，可将陀螺仪原测量范围进一步扩展；本发明进一步还可以拓宽用户对陀螺仪的选型范围，进一步可促进陀螺仪的广泛应用。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的角速率数据流示意图。

图3是本发明实施例的结构示意图。

图4是本发明实施例的数据处理模型图。

图5是本发明实施例的载体平台测量输出角速度曲线。

图6是本发明实施例的角速度模拟输入值与测量输出值对比曲线。

图例说明：

1、第一陀螺仪；2、第二陀螺仪；3、转动平台；4、处理模块；5、载体平台；301、转动机构；302、传动机构；303、产品安装平面。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本发明的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其以“角速度抵消合成”的方式来实现，它包括第一陀螺仪1、第二陀螺仪2、转动平台3和处理模块4，其中第一陀螺仪1和转动平台3固连并位于在载体平台5上，第二陀螺仪2固连在转动平台3上，第一陀螺仪1和第二陀螺仪2通过组合以测量出载体平台5某一个坐标轴相对于惯性空间的转动角速率。

载体平台5用来以角速率ω_in转动，第一陀螺仪1的测量值ω_A提供给处理模块4，处理模块4控制转动平台3相对于载体平台5静止，或者向转动平台3发出大小为ω_D角速率控制指令。

转动平台3用来相对于载体平台5以角速率ω_D转动，且角速率ω_D与角速率ω_in的转动方向相反。角速率ω_D与角速率ω_in的抵消合成值为ω_C，ω_C由第二陀螺仪2测量。

第二陀螺仪2的测量值角速率ω_B输出到处理模块4，处理模块4经逻辑判断和处理，最终得到载体平台5的角速率测量值ω_output。

本发明进一步提供一种基于上述测量系统的测量方法，其中，根据载体平台5角速率ω_in的不同，处理模块4的逻辑判断和处理过程不同。

首先，转动平台3的转动控制情况：

(1)当第一陀螺仪1测量输出值ω_A大于正向角速率阈值ω_T+，则转动平台3以第一陀螺仪1的最大角速率测量值ω_AMax负方向转动。

(2)当第一陀螺仪1测量输出值ω_A小于负向角速率阈值ω_T-，则转动平台3以第一陀螺仪1的最大角速率测量值ω_AMax正方向转动。

(3)当第一陀螺仪1测量输出值ω_A处于正向角速率阈值ω_T+和负向角速率阈值ω_T-的范围内，则转动平台静止。

其次，载体平台5的角速率测量值的输出情况：

(1)当第一陀螺仪1测量输出值ω_A＝ω_AMax，则载体平台5的角速率测量值为ω_AMax+ω_B。

(2)当第一陀螺仪1测量输出值ω_A＝-ω_AMax，则载体平台5的角速率测量值为-ω_AMax-ω_B。

(3)当第一陀螺仪1测量输出值-ω_AMax＜ω_A＜ω_AMax，则载体平台5的角速率测量值为ω_A。

综上所述，本方法可将陀螺仪的测量范围扩展到±(ω_AMax+ω_BMax)，ω_BMax为第二陀螺仪2的最大角速率测量值。

在具体应用实例中，第一陀螺仪1和第二陀螺仪2是现成的陀螺仪产品，其测量范围分别是±ω_AMax，±ω_BMax，用于测量载体平台相对于惯性空间的角速率。

在具体应用实例中，转动平台3通常包括转动机构301、传动机构302和产品安装平面303。将第二陀螺仪2固连在上面，同时由处理模块控制静止或者以确定的角速率转动。

在具体应用实例中，处理模块4用于控制转动平台3和输出载体平台5的转动角速率测量值。

在具体应用实例中，载体平台5为待测量其转动角速率的对象，如飞行器等。

本发明进一步可通过两个或两个以上固定测量范围的陀螺仪可满足更大测量范围的测量需求。扩展后的测量范围大于所使用的陀螺仪中任意一个陀螺仪的本身测量范围。扩展测量范围后，各个陀螺仪本身测量精度保持不变，所组成系统的测量精度可与各个陀螺仪的一致。所述陀螺仪自身的最大测量范围是固定的。

处理模块4可接收并处理各个陀螺仪的测量值，产生转动平台3的控制指令，输出载体平台的角速度测量值。

参见图3，为本发明在一个具体实例中的实际应用。它包括第一陀螺仪1、第二陀螺仪2、转动平台3和处理模块4。第一陀螺仪1、第二陀螺仪2均采用MEMS惯组ADIS16350，最大测量范围为±300°/s，处理模块4为嵌入式控制器，转动平台3选用速率转台。第一陀螺仪1、第二陀螺仪2、速率转台、嵌入式控制器均采用现成成熟产品。第一陀螺仪1和速率平台固连在载体平台5中，且第一陀螺仪1的测量输入轴、速率转台的旋转轴与载体平台5的某一坐标系轴平行。嵌入式控制器用来接收第一陀螺仪1和第二陀螺仪2的测量输出数据，并控制速率转台静止或以确定角速率运动。本实施例通过数据处理模型的分析，对本发明方法进行说明。

参见图4所示，为本发明方法在具体应用中的数据处理模型。模型中的模块Win为载体平台某轴坐标系相对于惯性空间的转动角速率值，其设置为一个周期为1Hz，幅值为800°/s的正弦波，模拟输入载体平台5绕某轴坐标系的转动角速度。模块GyroA和模块GyroB是第一陀螺仪1和第二陀螺仪2的测量等效模型，其最大测量输出范围为±300°/s。模块W_T+和模块W_T-分别为第一陀螺仪1的测量输出正、负角速率阈值。模块WA_+Max和模块WA_-Max为第一陀螺仪1的测量正、负向的最大值，其数值分别为300和-300。载体平台5的转动加速度测量输出值为W_Output，其计算公式如下式(1)所示，W_A和W_B为第一陀螺仪1和第二陀螺仪2的测量值。

参见图5和图6，为本发明方法的数据处理模型仿真输出曲线。图5中W_Output载体平台5的转动加速度测量输出值，则可知测量范围为为±600°/s，是第一陀螺仪1和第二陀螺仪2的两倍。图6的曲线为载体平台5的转动角速速模拟输入值与测量输出值得对比曲线，可知在±600范围内，两个数值的曲线重合。

经上述的数据处理模型分析，说明利用本发明方法将两个测量输出范围为±300°/s的陀螺仪的组合使用，可将测量范围扩展到±600°/s，且保持测量精度不变。

以上仅是本发明的一种实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，它包括第一陀螺仪(1)、第二陀螺仪(2)、转动平台(3)和处理模块(4)，所述第一陀螺仪(1)和转动平台(3)固连并位于载体平台(5)上，所述第二陀螺仪(2)固连在转动平台(3)上，所述第一陀螺仪(1)和第二陀螺仪(2)通过组合以测量出载体平台(5)某一个坐标轴相对于惯性空间的转动角速率；

对所述转动平台(3)的转动控制：

I、当第一陀螺仪(1)测量输出值ω_A大于正向角速率阈值ω_T+，则转动平台(3)以第一陀螺仪(1)的最大角速率测量值ω_AMax负方向转动；

II、当第一陀螺仪(1)测量输出值ω_A小于负向角速率阈值ω_T-，则转动平台(3)以第一陀螺仪(1)的最大角速率测量值ω_AMax正方向转动；

III、当第一陀螺仪(1)测量输出值ω_A处于正向角速率阈值ω_T+和负向角速率阈值ω_T-的范围内，则转动平台静止；

对所述载体平台(5)的角速率测量值的输出：

I、当第一陀螺仪(1)测量输出值ω_A＝ω_AMax，则载体平台(5)的角速率测量值为ω_AMax+ω_B，ω_B为第二陀螺仪(2)的测量值角速率；

II、当第一陀螺仪(1)测量输出值ω_A＝-ω_AMax，则载体平台(5)的角速率测量值为-ω_AMax-ω_B；

III、当第一陀螺仪(1)测量输出值-ω_AMax＜ω_A＜ω_AMax，则载体平台(5)的角速率测量值为ω_A。

2.根据权利要求1所述的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，所述载体平台(5)用来以角速率ω_in转动，所述第一陀螺仪(1)的测量值ω_A提供给处理模块(4)，所述处理模块(4)控制转动平台(3)相对于载体平台(5)静止，或者向所述转动平台(3)发出大小为ω_D角速率控制指令。

3.根据权利要求2所述的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，所述转动平台(3)用来相对于载体平台(5)以角速率ω_D转动，且角速率ω_D与角速率ω_in的转动方向相反；所述角速率ω_D与角速率ω_in的抵消合成值为ω_C，ω_C由所述第二陀螺仪(2)测量；所述第二陀螺仪(2)的测量值角速率ω_B输出到处理模块(4)，所述处理模块(4)经逻辑判断和处理，最终得到载体平台(5)的角速率测量值ω_output。

4.根据权利要求1或2或3所述的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，所述转动平台(3)包括转动机构(301)、传动机构(302)和产品安装平面(303)，所述第二陀螺仪(2)固连在产品安装平面(303)上面，同时由处理模块(4)控制转动机构(301)、传动机构(302)静止或者以确定的角速率转动。

5.根据权利要求1或2或3所述的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，所述处理模块(4)用于控制转动平台(3)和输出载体平台(5)的转动角速率测量值。

6.根据权利要求1或2或3所述的可扩展陀螺仪测量范围的测量系统，其特征在于，所述载体平台(5)为待测量其转动角速率的对象。

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