CN110849361B - 无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，包括：底板、腔体和外罩；底板安装在腔体的底部，外罩安装在腔体上；腔体外部的X轴正方向上安装有X轴敏感环，负方向上安装有光源组件；腔体外部的Y轴正方向上安装有Y轴敏感环，负方向上安装有导航板和接口板；腔体外部的顶部安装有陀螺主板，腔体的内部顶端安装有Z轴敏感环，腔体内还安装有加表组件，且Z轴敏感环位于加表组件的上部；X轴敏感环、Y轴敏感环和Z轴敏感环均与陀螺主板相连；陀螺主板和加表组件均通过接口板与导航板相连；底板上安装有电源组件，且电源组件位于加表组件的下部。本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统散热性能好。

Description

无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统

技术领域

本发明涉及捷联惯性导航技术领域，更具体的说是涉及一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统。

背景技术

一个典型的无人驾驶系统包括环境感知、规划决策以及车辆运动控制三部分，它们旨在解决“我在哪”、“目的地在哪”以及“怎样到达”的问题，其中环境感知中的定位技术是解决“我在哪”问题的关键所在。定位技术给出的车体定位结果不仅被应用到无人驾驶的全局与局部路径规划当中，而且还影响着每个车辆运动控制周期中相关参数的计算。汽车智能化等级越高，机器驾驶占比就越多，定位精度对规划决策与运动控制的影响也随之快速增大。所以，解决智能汽车高精定位导航问题是实现正确规划决策以及精确运动控制的基础之一。

目前，利用惯导技术是进行精确自主式导航的主要途径，特别是在无人驾驶系统中，特别容易受到周围环境的影响，在其他传感器受到干扰无法正常定位导航时，高精度高稳定性的捷联惯导系统就是最后的“生命线”。随着光纤惯导产业化，光纤惯导系统有可能成为高精度轻小型无人驾驶的惯性解决方案，在光纤捷联惯性导航系统中，通过用加速度计来测量载体的加速度信息，用光纤陀螺仪来测量载体的角速度信息来推算出载体的瞬时速度、位置以及姿态。

目前，现有的MEMS惯导系统受温度影响很大，集成后的散热效果也不是很好。例如，一种210mm×160mm×160mm的光纤惯导系统，惯导部件≤6kg，GNSS天线≤0.2kg，尺寸大、重量重，不能很好的满足轻小型的要求，而且正常惯导系统内部升温达到8℃左右十分影响工作性能。

因此，如何提供一种散热性能好的符合无人驾驶系统的导航要求的惯导系统是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，针对结构进行了改进，散热性能好。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，包括：底板、腔体和外罩；所述底板安装在所述腔体的底部，所述外罩安装在所述腔体上；

所述腔体外部的X轴正方向上安装有X轴敏感环，负方向上安装有光源组件；

所述腔体外部的Y轴正方向上安装有Y轴敏感环，负方向上安装有导航板和接口板；

所述腔体外部的顶部安装有陀螺主板，所述腔体的内部顶端安装有Z轴敏感环，所述腔体内还安装有加表组件，且所述Z轴敏感环位于所述加表组件的上部；

所述X轴敏感环、所述Y轴敏感环和所述Z轴敏感环均与所述陀螺主板相连；所述陀螺主板和所述加表组件均通过所述接口板与所述导航板相连；

所述底板上安装有电源组件，且所述电源组件位于所述加表组件的下部。

优选的，所述导航板和所述接口板均通过螺钉安装在所述腔体外部。

优选的，所述底板、所述腔体和所述外罩均采用铝合金材料。

优选的，所述外罩的顶部设置有外接插件。

优选的，所述X轴敏感环、所述Y轴敏感环和所述Z轴敏感环均为直径为70mm的光纤敏感环。

优选的，采用长度为350m，直径为135μm的光纤制作直径为70mm的光纤敏感环。

优选的，所述导航板包括1个FPGA和2个DSP；所述FPGA与所述接口板连接，2个所述DSP均与所述FPGA相连。

优选的，所述陀螺主板和所述导航板均采用3.3V供电。

优选的，所述Z轴敏感环和所述加表组件之间预留有空隙。

优选的，所述加表组件通过突出部与所述腔体相连。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，将热源分开放置，使系统达到热稳定时温度在合适的范围内，将电源组件安装在整个惯导系统的底部，可以更好的通过地面或者安装平台进行热传递。

因此，本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统散热性能好，且整体采用三轴一体结构设计，能够很好的满足无人驾驶轻小型的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统的结构示意图一；

图2为本发明的一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统的结构示意图二；

图3为本发明的一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统的结构示意图三；

图4为本发明的一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统的结构示意图四；

图5为本发明提供的光纤惯导系统在3789.6Hz下的共振图；

图6为本发明提供的光纤惯导系统在20℃下工作1h的升温图；

图7为本发明提供的光纤惯导系统在60℃下工作2.5h的升温图；

图8为本发明提供的光纤惯导系统信号流程图。

在附图1～4中：

1、底板，2、腔体，3、外罩，4、X轴敏感环，5、Y轴敏感环，6、Z轴敏感环，7、光源组件，8、导航板，9、加表组件，10、接口板，11、陀螺主板，12、电源组件，13、外接插件，14、突出部。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例公开了一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，包括：底板1、腔体2和外罩3；所述底板1安装在所述腔体2的底部，所述外罩3安装在所述腔体2上；

所述腔体2外部的X轴正方向上安装有X轴敏感环4，负方向上安装有光源组件7；

所述腔体2外部的Y轴正方向上安装有Y轴敏感环5，负方向上安装有导航板8和接口板10；

所述腔体2外部的顶部安装有陀螺主板11，所述腔体2的内部顶端安装有Z轴敏感环6，所述腔体2内还安装有加表组件9，且所述Z轴敏感环6位于所述加表组件9的上部；

所述X轴敏感环4、所述Y轴敏感环5和所述Z轴敏感环6均与所述陀螺主板11相连；所述陀螺主板11和所述加表组件9均通过所述接口板10与所述导航板8相连；

所述底板1上安装有电源组件12，且所述电源组件12位于所述加表组件9的下部。

本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统将陀螺板、各种电路板和电源组件隔离开，即将热源分开放置，使系统达到热稳定时温度在合适的范围内，将二次电源安装在整个惯导系统的底部，可以更好的通过地面或者安装平台进行热传递，实现更好的散热。

此外，本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统采用三轴一体化结构，使得体积减小，减轻重量，并提高了同等重量下的结构强度，同时考虑了振动设计，便于无人驾驶汽车的安装和使用。而且，本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统采用的结构设计使得热量分布更加均匀，散热更加快速。相对于现有的惯导系统散热更好，体积更小，重量更轻，精度更高，更能适应无人驾驶的实际情况。

此外，对于安装的具体方式可以选用螺钉的方式，这里不再一一描述。

为了进一步优化上述技术方案，所述导航板8和所述接口板10均通过螺钉安装在所述腔体2外部，并且接口板10位于所述导航板8的上部。

为了进一步优化上述技术方案，所述底板1、所述腔体2和所述外罩3均采用铝合金材料。采用铝合金材料使得重量小于2kg，满足轻小型的要求。

为了进一步优化上述技术方案，所述外罩3的顶部设置有外接插件13，参见附图3，外接插件包括：J30J-21ZK和J30J-25ZK。

其中，J30J-21ZK是输入外部电源，与电源组件相连，还可以用于输出陀螺加表信号，J30J-25ZK用于输入卫星信号和里程计信号等其他信号，以便进行组合导航。

为了进一步优化上述技术方案，所述X轴敏感环4、所述Y轴敏感环5和所述Z轴敏感环6均为直径为70mm的光纤敏感环。采用长度为350m，直径为135μm的光纤制作直径为70mm的光纤敏感环。

为了进一步优化上述技术方案，所述导航板8包括1个FPGA和2个DSP；所述FPGA与所述接口板10连接，2个所述DSP均与所述FPGA相连。

陀螺信号和加速度计信号通过接口板10传递给导航板8中的FPGA，并通过DSP计算，再由接口板10将数据由外接插件13输出给外部的计算机，其中FPGA可以任选其中1个DSP工作，保证了工作的可靠性。

为了进一步优化上述技术方案，所述陀螺主板11和所述导航板8均采用3.3V供电。

为了进一步优化上述技术方案，所述Z轴敏感环6和所述加表组件9之间预留有空隙，更有利于热量传导。参见附图4，所述加表组件9通过突出部14与所述腔体2相连。

本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统结构示意图请参见附图1～6。

如果有卫星信号输入，考虑到组合导航系统中GNSS与INS数据的同步要求高、交互频繁，且信息处理和算法复杂度高。板卡也产生不可忽视的热量，可考虑在壳体内部接口板和导航板进行额外接插件设计，可实现卫星/SINS组合导航，并且使各自可单独维修替换。

无人驾驶汽车十分需要惯导系统轻小型化，而轻小型惯导系统散热一般存在很大问题，汽车启动后工作环境一般在0～70℃，而惯导系统的工作温度一般要考虑地区因素和安装位置，一般工作范围是-40～60℃。使用新设计的一体化结构，三轴一体的设计使得占用的空间更小，减轻重量并提高了同等重量下的结构强度，同时考虑了振动设计，便于无人驾驶汽车的安装和使用。

光纤惯导传统的方式是使用两腔体，将电路板和陀螺加速度计分开安置，但是这种设计体积大重量重，虽散热良好但是不能满足轻小型化要求，不太适用于无人驾驶系统；而一般的轻小型化系统采用MEMS组件而并非石英加速度计和光纤陀螺组合，存在散热差，精度低，可靠性差的问题。本发明设计的惯导系统用于无人驾驶系统，进行了结构优化，实现一体化设计，而且并充分考虑一体化结构的散热设计；采用铝合金材料使得重量更轻，散热优良；采用直径70mm的光纤敏感环和石英加速度计提高了光纤捷联惯导系统的精度；导航电路核心的处理器以及控制器为一片FPGA与两片DSP，两个DSP可以任选一片进行工作，保证了工作的可靠性，所选器件均为高温器件，电路布局将发热器件分立放置，充分考虑散热模块，充分考虑车载振动和高低温工作环境；可提高各项导航数据的实时测量精度。

采用三轴一体结构设计，参见附图1～4，将X、Y轴光纤敏感环放在腔体外部，将Z轴光纤敏感环和加表组件放在腔体内部，如图2所示，导航板和接口板放置在腔体外部Y轴负方向，同时导航板上有两个DSP和一个FPGA，可以提高导航板的可靠性，将陀螺主板放置在Z轴上方，光源组件放置在X轴负方向，加表组件放在腔体Z轴光纤敏感环下方且位于电源组件的上方，电源组件紧贴底板，如图2和图3所示，上述设计使得体积减小，使得热量分布更加均匀，且散热更加快速，并且使用铝合金材料使得整体重量小于2kg。

采用长度为350m直径为135μm光纤，实现光纤敏感环直径为70mm下，10s平滑精度为0.2°/h，而加表组件的10s平滑精度为60μg，远高于现有MEMS惯导系统精度，实现了轻小型光纤惯导系统的高精度设计。而且使用铝合金材料进行一体化设计，在减少重量和体积的基础上提高了结构强度，如图5所示的振动形变图。

将陀螺板、各种电路板和电源组件隔离开，因加速度计正常升温会有10℃的增幅，为了减小加速度计升温对光纤敏感环的影响，在Z轴方向加速度计和Z轴光纤敏感环之间预留有空气隔层防止热量直接传导，有利于散热。导航板DSP主要负责内部接口控制，包括采集数据接口、内部控制接口与温度监测，导航板FPGA主要负责外部接口控制，电源组件紧贴底板，有利于传导散热，外部接插件为J30-21ZK和J30J-25ZK，电源组件分别为加表组件、导航板和陀螺主板供电，陀螺主板和导航板采用3.3V供电，功耗低，减小发热。

参见附图6和附图7，本发明提供的光纤惯导系统正常工作升温幅度不超过4℃，而常规惯导系统升温达到8℃左右，甚至是10℃，因此，通过实验数据可知，本发明提供的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统能够在满足轻小型要求的基础上实现了有效散热。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，包括：底板、腔体和外罩；所述底板安装在所述腔体的底部，所述外罩安装在所述腔体上；

所述腔体外部的X轴正方向上安装有X轴敏感环，负方向上安装有光源组件；

所述腔体外部的Y轴正方向上安装有Y轴敏感环，负方向上安装有导航板和接口板；

所述腔体外部的顶部安装有陀螺主板，所述腔体的内部顶端安装有Z轴敏感环，所述腔体内还安装有加表组件，且所述Z轴敏感环位于所述加表组件的上部；

所述X轴敏感环、所述Y轴敏感环和所述Z轴敏感环均与所述陀螺主板相连；所述陀螺主板和所述加表组件均通过所述接口板与所述导航板相连；

所述底板上安装有电源组件，且所述电源组件位于所述加表组件的下部；

所述X轴敏感环、所述Y轴敏感环和所述Z轴敏感环均为直径为70mm的光纤敏感环；

所述加表组件通过突出部与所述腔体相连。

2.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述导航板和所述接口板均通过螺钉安装在所述腔体外部。

3.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述底板、所述腔体和所述外罩均采用铝合金材料。

4.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述外罩的顶部设置有外接插件。

5.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，采用长度为350m，直径为135μm的光纤制作直径为70mm的光纤敏感环。

6.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述导航板包括1个FPGA和2个DSP；所述FPGA与所述接口板连接，2个所述DSP均与所述FPGA相连。

7.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述陀螺主板和所述导航板均采用3.3V供电。

8.根据权利要求1所述的无人驾驶用轻小型一体化光纤惯导系统，其特征在于，所述Z轴敏感环和所述加表组件之间预留有空隙。

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