CN110645982B - 一种基于球型惯导平台的集散化电气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，针对轻小体积、高集成度、高可靠电气系统的使用需求，采用集中主控计算机、高速串行总线、电路功能集散单元的创新设计架构。通过采用柔性电路互联技术，实现了适应球曲形基座结构的基座电路，同时轴角测量电路、无刷力矩电机驱动电路、台体惯性信息测量电路作为电路功能集散单元形式就近安装在球形框架端部和台体上，使电气系统满足了轻小体积使用要求；通过高速串行总线实现数据信息交互，有效减少了信号传输线的数量和轴端体积，同时增强了数据通信的灵活性和扩展能力。电路功能单元对外接口统一为高速串行总线接口，实现了电路功能模块的任意插拔配置。

Description

一种基于球型惯导平台的集散化电气系统

技术领域

本发明涉及一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，特别应用于具有轻小型化、高可靠能力要求的惯性导航设备，属于惯性导航领域。

背景技术

随着对高精度、快速机动、实战化等制约武器性能因素的重视，新一代战略武器对惯导系统提出的更为严苛的高精度、轻小型化和高可靠能力的使用需求，采用电路/本体小型一体化设计，台体近似于一个球形，内框架、外框架为一个球面的新型球型平台惯导系统是具有里程碑意义的解决方案。

平台电气系统作为实现惯性平台各项功能和指标要求的重要组成部分。现有武器型号惯性平台均为平台本体和平台电路箱两件化设计。其中，平台本体电路安装于台体和轴端框架上，实现惯性仪表，包括陀螺仪、加速度计、姿态角传感器和力矩电机，输出信号的放大、整流和滤波；平台电路箱电路实现惯性仪表输出信号的补偿解算、平台的温度控制和稳定控制等功能；平台本体电路和平台电路箱电路之间通过并行总线完成信号的传输。显然现有的电气系统规模庞大，并不能满足新一代平台电路箱和平台本体小型一体化电气系统的高标准要求。因此必须打破常规，采用新技术、新架构和新理念的集成创新设计实现具有更小体积、更强球形结构适应性、模块组装和功能扩展性、更高使用性能的全新型电气系统。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于串行总线的三轴球型惯导平台用集散化电气系统，电气系统采用集中控制计算机+高速串行总线+电路功能集散单元的创新架构，整个具有电气系统体积小、球型结构适应性强、使用性能高的优点，同时可实现电路功能模块可插拔配置，电气系统的模块组装性和功能扩展性强。

本发明的技术方案是：

提供一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，包括平台台体电路、内环框架电路、外环框架电路以及基座电路；球型惯导平台包括平台台体、内环框架和外环框架；平台台体通过台体轴承安装在内环框架上并能够在台体电机的驱动下绕平台台体轴线转动，内环框架通过内环轴承安装在外环框架上并能够在内环框架电机的驱动下绕内环框架轴线转动，外环框架通过外环轴承安装于基座上并能够在外环框架电机的驱动下绕外环框架轴线转动；初始安装时，平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线三轴方向相互正交，构成右手直角坐标系，在惯性导航系统中定义三条轴线的初始位置为惯性空间；

所述平台台体电路包括三个石英加速度计、石英表输出电路、三个光纤陀螺仪、陀螺输出电路以及温控/稳定控制电路；三个石英加速度计分别敏感惯性坐标系下的三个方向线加速度并通过石英表输出电路发送给基座上的集中控制计算机；三个光纤陀螺仪敏感惯性坐标系下三个方向的角速度并通过陀螺输出电路发送给温控/稳定控制电路；温控/稳定控制电路采集每个光纤陀螺仪和石英加速度计的温度，并由内部运动控制SiP处理器进行温度计算后驱动加温功率电路完成温度控制，同时运动控制SiP处理器基于陀螺输出电路输出的三个方向角速度信号分别生成台体电机、内环电机、外环电机的力矩指令使得平台台体稳定在惯性坐标系下；

内环框架电路包括台体电机、台体电机驱动电路、台体姿态角传感器以及台体轴角测量电路；台体电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的台体电机力矩指令控制台体电机驱动平台台体转动，台体姿态角传感器敏感平台台体转动角度并通过台体轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；

外环框架电路包括内环电机、内环电机驱动电路、内环姿态角传感器以及内环轴角测量电路；内环电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的内环电机力矩指令控制内环电机驱动内环框架转动，内环姿态角传感器敏感内环框架转动角度并通过内环轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；

基座电路包括外环电机、外环电机驱动电路、外环姿态角传感器、外环轴角测量电路、集中控制计算机以及集成电源模块；外环电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的外环电机力矩指令控制外环电机驱动外环框架转动，外环姿态角传感器敏感外环框架转动角度并通过外环轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；集中控制计算机监听台体轴角测量电路、内环轴角测量电路、外环轴角测量电路发送的转动角度数据以及温控/稳定控制电路发送的三个电机力矩指令，接收石英表输出电路发送的三个方向加速度数据，并进行导航解算后将解算结果向外发送给上级系统；集成电源模块根据弹上母线电源转换成集散化电气系统所需的二次电源。

优选的，台体姿态角传感器、内环姿态角传感器、外环姿态角传感器分别安装在平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线负向的轴承上，台体电机、内环电机、外环电机分别安装在平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线正向轴承上。

优选的，平台台体为球形，平台台体电路的陀螺输出单元电路、石英表输出单元电路及温控/稳定控制电路分别采用圆形电路板，三个圆形电路板按照面积由小到大叠装内嵌在平台台体上1/3球体内，剩余2/3球体放置三个光纤陀螺仪和三个石英加速度计。

优选的，基座电路包括外环电机驱动电路、外环轴角测量电路、集中控制计算机电路以及集成电源模块分别设置电路板，电路板之间柔性互连，贴装在基座球曲面内壁上。

优选的，台体电机驱动电路和台体轴角测量电路分别设置电路板内嵌于内环框架上；内环电机驱动电路和内环轴角测量电路分别设置电路板内嵌于外环框架上。

优选的，所述集散化电气系统采用集中控制计算机、高速串行总线、电路功能单元的架构；温度/稳定控制电路、陀螺输出电路、石英表输出电路、台体轴角测量电路、内环轴角测量电路、外环轴角测量电路、台体电机驱动电路、内环电机驱动电路、外环电机驱动电路统称为电路功能集散单元，作为从机通过高速串行总线通讯；集中控制计算机电路作为高速串行总线的主机，接收各从机发送的数据，进行导航解算后将解算结果通过1553B总线向外发送给上级系统。

优选的，所述高速串行总线采用RS485总线；RS485总线采用差分平衡传输方式，通信速率设置为大于900kbps，满足一根RS485总线上7个从机的数据通讯量和实时性的要求。

优选的，所述RS485总线分为物理传输层、数据链路层和总线协议层三部分；通过梳理各从机的拓扑结构，在主机端安装上拉电阻和下拉电阻、在物理最远端的从机安装端接电阻，使得RS485总线阻抗匹配，保证了RS485总线物理传输层的高可靠性；主机和从机均识别RS485总线通讯过程中出现的字节传输错误，并在发生错误时复位总线，保证了RS485总线数据链路层的高可靠性；主机和从机均对数据进行帧头、帧尾和CRC校验，并对校验错误的数据进行标识及错误率计算保证了RS485总线协议层的高可靠性。

优选的，所有功能集散单元电路对外接口均统一为RS485总线接口，各单元电路作为从机能够挂接在总线上或移除。

优选的，基座为2/3封闭球体结构，基座电路、内环框架电路、外环框架电路以及平台台体电路均设置在球体结构内部。

本发明与现有技术相比的优点如下：

(1)一体小型化设计程度更高。球型惯导平台电气系统采用电路/平台本体一体化设计，相比于传统的以数字并行总线为架构的电气系统，首次采用了高速串行总线实现台体内部电路和平台本体外基座电路的数据传输，只需2根串行差分线即可同时挂接多个单元模块电路，因此有效减少了信号传输的数量以及轴端体积。同时，基座电路做5块柔性互联电路板，贴装在球曲面形基座内壁上；轴角测量单元电路和无刷力矩电机驱动单元电路就近直接内嵌于球型框架上；台体电路采用3块圆形电路板，叠装内嵌在1/3球冠内。因此，整个平台电气系统一体小型化、更强球型结构适应性和更高使用性能的优点。

(2)模块组装性和功能扩展性更强。由于本发明采用了基于高速串行总线的集散化电气系统架构，集中主控计算机和电路功能集散单元对外接口电路统一为高速串行总线接口，实现电气系统内部各电路功能之间交互通信，串行通信速率为921.6kbps以上，单元电路间通讯速率快，传输的信息多，单条串行总线最大实现了7个单元电路的挂接。电路功能模块可方便挂接在总线上或移除，即实现电路功能模块任意插拔配置，可根据不同平台的功能要求配置姿态角测量、稳定控制、温度控制、仪表控制等电路功能模块，提高电气系统的统一化和标准化程度。

附图说明

图1为本发明三轴球型惯导平台结构示意图；

图2为本发明三轴球型惯导平台功能电路组成图；

图3为本发明三轴球型惯导平台电气系统架构图；

图4为本发明三轴球型惯导平台电气系统电路功能单元前端数字总线化原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种三轴球型惯导平台采用平台台体+三轴两框架结构，包括平台台体、台体轴承、台体轴姿态角传感器、台体轴无刷力矩电机、内环框架、内环轴承、内环轴姿态角传感器、内环轴无刷力矩电机、外环框架、外环轴承、外环轴姿态角传感器、外环轴无刷力矩电机。其中，台体近似于一个球形，内框架和外框架为一个球面。

三轴稳定平台台体通过台体轴承安装在内环框架上、内环框架通过内环轴承安装在外环框架上、外环框架通过外环轴承安装于基座上；初始安装时，台体轴承、内环轴承、外环轴承三轴安装方向相互正交，构成右手直角坐标系，在惯性导航系统中定义三轴的初始位置为惯性空间。台体轴承、内环轴承和外环轴承的负向轴承一端均安装姿态角传感器，正向轴承一端均安装无刷力矩电机。

平台台体包括台体光纤陀螺、内环光纤陀螺、外环光纤陀螺以及台体石英加速度计、内环石英加速度计、外环石英加速度计、以及Pt电阻、加热片；台体光纤陀螺和台体石英加速度计的安装方向与台体轴正向重合、内环光纤陀螺和内环石英加速度计的安装方向与内环轴正向重合、外环光纤陀螺和外环石英加速度计的安装方向与外环轴正向重合，即三个陀螺仪的敏感轴方向、三个石英加速度计的敏感轴方向均与各框架轴重合。

惯导平台系统根据光纤陀螺测量的平台台体相对敏感轴的角速度，经稳定控制计算后驱动力矩电机带动框架转动，实现将平台台体坐标系稳定在惯性空间方向。因此，整个惯导平台系统隔离载体在空间中的角运动，保证整个平台台体相对于惯性空间位置始终不发生变化。此时，根据三个石英加速度计敏感到的三个方向的加速度，其二次积分即可计算到载体实时位置。同时由于光纤陀螺和石英加速度计输出精度受温度波动影响较大，平台系统通过台体内装的Pt电阻和加热片，实现平台台体恒温控制，提高仪表精度。

三轴惯导平台功能电路组成如图2所示。为了适应更小体积、更苛刻球型结构适应性和更高使用性能需求，该平台电气系统首次采用了一体小型化设计，取消了电路箱，将电气系统和平台本体合二为一，显著提高了电气系统的集成化水平。其中，台体功能集散单元电路包括陀螺输出单元电路、石英表输出单元电路和平台温度/稳定控制单元电路，由3块电路板叠装内嵌于台体1/3球冠内；轴端单元电路包括3套轴角测量单元电路和3套无刷力矩电机驱动单元电路，分别与轴端的姿态角传感器和无刷力矩电机就近安装，内嵌于轴端框架和基座两侧；集中控制计算机电路、集成电源以及外环轴角测量电路、外环电机驱动电路为了适应球曲面型基座结构，采用了柔性互联的方式，贴装在球型曲面基座内壁。基座为2/3封闭球体结构，基座电路、内环框架电路、外环框架电路以及平台台体电路均设置在球体结构内部，节省平台系统空间，便于平台平放于桌面上。

目前由于各武器型号惯导平台具体需求不同，而电气系统的内聚耦合性较强，所以存在不同的技术方案，无法实现统一化设计。如图3所示，球型惯导平台电气系统框架采用集中控制计算机+高速串行总线+电路功能集散单元的创新形式，实现平台电气系统的统一设计。集中控制计算机实现平台导航控制功能、导航数据采集和对外1553B通信；高速串行总线实现集中控制计算机和各电路功能集散单元之间控制流、数据流和监测信息流的交互和通信；电路功能集散单元电路实现轴端和台体仪表的信息采集和功能控制，可根据使用需求进行组合选配，电气系统具有很强的模块组装性，可针对具体平台需求快速方便速实现电系统设计。

球形惯导平台电气系统数据传输使用RS485串行总线形式，RS485总线采用差分平衡传输方式，对传输线上的噪声干扰具有显著的抑制作用；设置总线通信速率为921.6kbps，可满足一根轴端RS485总线上7个单元电路包括3个轴角测量单元电路、3个无刷力矩电机驱动单元电路和1个平台温度/稳定控制单元电路，数据通讯量和实时性的要求。RS485总线设计过程中，通过分析总线上各通信站点的分布，设计了合理的拓扑结构；在总线接口电路设计中采取了阻抗匹配、防浪涌等措施，保证了RS485总线物理传输层的高可靠性。针对传输线常见的诸如帧格式错误、溢出错误等通信错误进行了处理，当发生字节传输错误时能及时复位总线，并恢复正常通信，保证了RS485总线数据链路层的高可靠性。在总线数据通信过程中，主站点和各从站点均对收到的数据进行帧头、帧尾和CRC校验，保证了通信数据的完整和有效；通过优化通信软件算法，对校验错误的数据进行标识、统计错误个数及计算总线通讯错误率，保证了RS485总线协议层的高可靠性。

如图4所示，球型惯导平台电气系统采用高速串行总线集散化设计的关键技术之一就是电路功能单元前端数字总线化技术。对于球型惯导平台系统，“前端”包括球形轴端和台体，电路功能集散单元电路包括轴角测量单元电路、无刷力矩电机驱动单元电路、陀螺输出单元电路、石英表输出单元电路、平台温度/稳定控制单元电路等。

前端电路功能集散单元采用了功能模块化设计，对外接口电路统一为高速RS485串行总线。其中，轴角测量单元电路对内实现姿态角传感器输出信号的采集及姿态角的补偿解算，对外通过RS485总线输出框架角数据；无刷力矩电机驱动单元电路对外通过RS485总线接收力矩控制命令和框架角数据，对内实现电机驱动控制；台体前端各单元电路对内实现台体稳定控制、温度控制、石英表输出采集、陀螺输出采集，对外通过RS485总线输出惯性导航信息和自监测信息。各电路功能模块可方便挂接在总线上或移除，即实现电路功能模块可插拔配置，可根据不同平台的功能要求配置姿态角测量、惯性信息采集、电机驱动、台体温度/稳定控制、仪表控制等电路功能模块，提高了电气系统的统一化和标准化程度。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：包括平台台体电路、内环框架电路、外环框架电路以及基座电路；球型惯导平台包括平台台体、内环框架和外环框架；平台台体通过台体轴承安装在内环框架上并能够在台体电机的驱动下绕平台台体轴线转动，内环框架通过内环轴承安装在外环框架上并能够在内环框架电机的驱动下绕内环框架轴线转动，外环框架通过外环轴承安装于基座上并能够在外环框架电机的驱动下绕外环框架轴线转动；初始安装时，平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线三轴方向相互正交，构成右手直角坐标系，在惯性导航系统中定义三条轴线的初始位置为惯性空间；

所述平台台体电路包括三个石英加速度计、石英表输出电路、三个光纤陀螺仪、陀螺输出电路以及温控/稳定控制电路；三个石英加速度计分别敏感惯性坐标系下的三个方向线加速度并通过石英表输出电路发送给基座上的集中控制计算机；三个光纤陀螺仪敏感惯性坐标系下三个方向的角速度并通过陀螺输出电路发送给温控/稳定控制电路；温控/稳定控制电路采集每个光纤陀螺仪和石英加速度计的温度，并由内部运动控制SiP处理器进行温度计算后驱动加温功率电路完成温度控制，同时运动控制SiP处理器基于陀螺输出电路输出的三个方向角速度信号分别生成台体电机、内环电机、外环电机的力矩指令使得平台台体稳定在惯性坐标系下；

内环框架电路包括台体电机、台体电机驱动电路、台体姿态角传感器以及台体轴角测量电路；台体电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的台体电机力矩指令控制台体电机驱动平台台体转动，台体姿态角传感器敏感平台台体转动角度并通过台体轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；

外环框架电路包括内环电机、内环电机驱动电路、内环姿态角传感器以及内环轴角测量电路；内环电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的内环电机力矩指令控制内环电机驱动内环框架转动，内环姿态角传感器敏感内环框架转动角度并通过内环轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；

基座电路包括外环电机、外环电机驱动电路、外环姿态角传感器、外环轴角测量电路、集中控制计算机以及集成电源模块；外环电机驱动电路根据温控/稳定控制电路发送的外环电机力矩指令控制外环电机驱动外环框架转动，外环姿态角传感器敏感外环框架转动角度并通过外环轴角测量电路发送给温控/稳定控制电路；集中控制计算机监听台体轴角测量电路、内环轴角测量电路、外环轴角测量电路发送的转动角度数据以及温控/稳定控制电路发送的三个电机力矩指令，接收石英表输出电路发送的三个方向加速度数据，并进行导航解算后将解算结果向外发送给上级系统；集成电源模块根据弹上母线电源转换成集散化电气系统所需的二次电源；

所述集散化电气系统采用集中控制计算机、高速串行总线、电路功能单元的架构；温度/稳定控制电路、陀螺输出电路、石英表输出电路、台体轴角测量电路、内环轴角测量电路、外环轴角测量电路、台体电机驱动电路、内环电机驱动电路、外环电机驱动电路统称为电路功能集散单元，作为从机通过高速串行总线通讯；集中控制计算机电路作为高速串行总线的主机，接收各从机发送的数据，进行导航解算后将解算结果通过1553B总线向外发送给上级系统；

所有功能集散单元电路对外接口均统一为RS485总线接口，各单元电路作为从机能够挂接在总线上或移除，实现电路功能模块可插拔配置；RS485总线采用差分平衡传输方式，对传输线上的噪声干扰具有显著的抑制作用；设置总线通信速率为921.6kbps，满足一根轴端RS485总线上7个单元电路包括3个轴角测量单元电路、3个无刷力矩电机驱动单元电路和1个平台温度/稳定控制单元电路，数据通讯量和实时性的要求；

球型惯导平台集散化电气系统通过集中控制计算机、高速串行总线、电路功能集散单元实现平台电气系统的一体化结构，其中，集中控制计算机实现平台导航控制功能、导航数据采集和对外1553B通信；高速串行总线实现集中控制计算机和各电路功能集散单元之间控制流、数据流和监测信息流的交互和通信；电路功能集散单元电路实现轴端和台体仪表的信息采集和功能控制，可根据使用需求进行组合选配，电气系统具有很强的模块组装性，可针对具体平台需求快速方便速实现电系统设计。

2.根据权利要求1所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：台体姿态角传感器、内环姿态角传感器、外环姿态角传感器分别安装在平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线负向的轴承上，台体电机、内环电机、外环电机分别安装在平台台体轴线、内环框架轴线、外环框架轴线正向轴承上。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：平台台体为球形，平台台体电路的陀螺输出单元电路、石英表输出单元电路及温控/稳定控制电路分别采用圆形电路板，三个圆形电路板按照面积由小到大叠装内嵌在平台台体上1/3球体内，剩余2/3球体放置三个光纤陀螺仪和三个石英加速度计。

4.根据权利要求3所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：基座电路包括外环电机驱动电路、外环轴角测量电路、集中控制计算机电路以及集成电源模块分别设置电路板，电路板之间柔性互连，贴装在基座球曲面内壁上。

5.根据权利要求4所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：台体电机驱动电路和台体轴角测量电路分别设置电路板内嵌于内环框架上；内环电机驱动电路和内环轴角测量电路分别设置电路板内嵌于外环框架上。

6.根据权利要求书1所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：所述高速串行总线采用RS485总线；RS485总线采用差分平衡传输方式，通信速率设置为大于900kbps。

7.根据权利要求书1所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：所述RS485总线分为物理传输层、数据链路层和总线协议层三部分；通过梳理各从机的拓扑结构，在主机端安装上拉电阻和下拉电阻、在物理最远端的从机安装端接电阻，使得RS485总线阻抗匹配；主机和从机均识别RS485总线通讯过程中出现的字节传输错误，并在发生错误时复位总线；主机和从机均对数据进行帧头、帧尾和CRC校验，对校验错误的数据进行标识及错误率计算。

8.根据权利要求书4所述的一种基于球型惯导平台的集散化电气系统，其特征在于：基座为2/3封闭球体结构，基座电路、内环框架电路、外环框架电路以及平台台体电路均设置在球体结构内部。

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