CN110986940A

CN110986940A - 一种捷联式半球谐振陀螺惯导

Info

Publication number: CN110986940A
Application number: CN201911072732.0A
Authority: CN
Inventors: 乐晋; 冷悦; 艾文宇; 刘和平; 杜勇
Original assignee: 717th Research Institute of CSIC
Current assignee: 717th Research Institute of CSIC
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明实施例提供一种捷联式半球谐振陀螺惯导，包括半球谐振陀螺惯性测量组件和与其外部连接的导航计算机。所述惯性测量组件包括半球谐振陀螺、石英挠性加速度计、半球谐振陀螺信号处理模块和I/F转换模块。本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导，半球谐振陀螺和石英挠性加速度计能够输出加速度、角速度等惯性测量信息；通过导航计算机接收角运动信息和线运动信息进行导航解算，能够自主提供位置、速度、姿态等导航信息。本发明采用半球谐振陀螺，与传统的光学陀螺惯导相比，具有集成度高、结构简单的优点，降低了导航系统的体积和功耗，提高了导航系统的可靠性。

Description

一种捷联式半球谐振陀螺惯导

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种捷联式半球谐振陀螺惯导。

背景技术

捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System，SINS)是在平台式惯导系统基础上发展而来的，它是一种无框架系统，一般由三个速率陀螺、三个线加速度计和微型计算机组成。陀螺仪和加速度计直接固连在载体上。

捷联惯导系统由于省去了复杂的机电平台，通过冗余技术提高其容错能力。并且，由于诸如激光陀螺、光纤陀螺等固态惯性器件的出现，计算机技术的快速发展和计算理论的日益完善，捷联惯导的优越性日趋显露。

传统的捷联惯性导航系统采用激光陀螺，其测量精度较高。然而激光陀螺的体积大、成本高昂，且光学组件构造复杂，在对系统尺寸、功耗、成本有严格要求的情况下，现有的方案无法满足要求。与现有的光学陀螺惯导相比，在同等工作性能下，半球谐振陀螺惯导具有体积、功耗、成本及性能的综合优势。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种捷联式半球谐振陀螺惯导，解决现有捷联惯性导航系统的尺寸、功耗和成本难以达到要求的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明实施例提供一种捷联式半球谐振陀螺惯导，包括半球谐振陀螺惯性测量组件和与其外部连接的导航计算机；

所述惯性测量组件包括半球谐振陀螺、石英挠性加速度计、半球谐振陀螺信号处理模块和I/F转换模块；所述半球谐振陀螺用于测量载体相对于惯性系的角运动信息，所述石英挠性加速度计用于测量载体相对于惯性系的线运动信息，所述半球谐振陀螺信号处理模块用于采集所述角运动信息并发送至导航计算机，所述I/F转换模块用于将石英挠性加速度计输出的电流信号转换为脉冲信号并发送至导航计算机；其中，所述脉冲信号携带所述线运动信息；

所述导航计算机用于接收所述角运动信息和线运动信息进行导航解算，获得导航信息。

进一步，所述导航计算机包括导航解算模块、信息I/O模块和电源模块；

所述导航解算模块用于接收所述角运动信息和线运动信息进行导航解算，获得导航信息，并通过信息I/O模块输出导航信息；所述电源模块一端分别连接导航计算机各电气组件和惯性测量组件，另一端连接外部电源，用于接收外部电源进行电源滤波，并将外部电源转换为各电气组件和惯性测量组件所需的低压电源，为导航计算机各电气组件和惯性测量组件供电。

进一步，所述惯性测量组件还包括IMU电源模块，所述IMU电源模块连接导航计算机的电源模块，用于接收所述低压电源，为惯性测量组件的各部件供电。

进一步，所述惯性测量组件包括箱体，所述箱体内包括本体腔体和电子腔体，所述本体腔体内安装有惯性测量组件，所述电子腔体内安装有导航计算机；

所述惯性测量组件包括本体座，所述本体座包括多个安装面，四个半球谐振陀螺和四个石英挠性加速度计分别安装于本体座的各个安装面上。

进一步，所述电子腔体的外表面安装有散热片。

进一步，所述半球谐振陀螺直径为5～8cm。

本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导，半球谐振陀螺和石英挠性加速度计能够输出加速度、角速度等惯性测量信息；通过导航计算机接收角运动信息和线运动信息进行导航解算，能够自主提供位置、速度、姿态等导航信息。本发明采用半球谐振陀螺，与传统的光学陀螺惯导相比，具有集成度高、结构简单的优点，降低了导航系统的体积和功耗，提高了导航系统的可靠性。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导的内部组成示意图；

图2为本发明实施例提供的半球谐振陀螺惯性测量组件的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导的整体结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、箱体，2、半球谐振陀螺，3、本体座，4、石英挠性加速度计，5、导航计算机。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

针对现有捷联惯性导航系统的尺寸、功耗和成本难以达到要求的问题，本发明实施例提供了一种捷联式半球谐振陀螺惯导，图1为本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导的模块结构示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种捷联式半球谐振陀螺惯导，包括半球谐振陀螺惯性测量组件和与其外部连接的导航计算机；

图2为本发明实施例提供的半球谐振陀螺惯性测量组件的结构示意图，如图2所示，所述惯性测量组件包括半球谐振陀螺2、石英挠性加速度计4、半球谐振陀螺信号处理模块和I/F转换模块；所述半球谐振陀螺2用于测量载体相对于惯性系的角运动信息，所述石英挠性加速度计4用于测量载体相对于惯性系的线运动信息，所述半球谐振陀螺信号处理模块用于采集所述角运动信息并发送至导航计算机，所述I/F转换模块用于将石英挠性加速度计输出的电流信号转换为脉冲信号并发送至导航计算机；其中，所述脉冲信号携带所述线运动信息；

所述导航计算机用于接收所述角运动信息和线运动信息进行导航解算，获得导航信息。导航信息包括载体的位置、速度、姿态。

具体地，半球谐振陀螺信号处理模块一端连接半球谐振陀螺，另一端连接导航计算机，用于采集半球谐振陀螺输出的角运动信息并发送至导航计算机。I/F转换模块一端连接石英挠性加速度计，另一端与导航计算机连接，用于将石英挠性加速度计输出的电流信号转换为脉冲信号并发送至导航计算机，所述脉冲信号携带有载体相对于惯性系的线运动信息。惯性测量组件包括传感器组件，导航计算机获取传感器组件采集的原始数据，此处，传感器组件包括半球谐振陀螺和石英挠性加速度计。原始数据包括半球谐振陀螺和石英挠性加速度计采集的数据。

导航计算机接收惯性测量组件输出的惯性运动信息，并完成初始对准、捷联惯性导航力学编排解算、导航参数输出、设备状态监控输出等功能。此处，惯性运动信息包括载体相对于惯性系的角运动信息和线运动信息。

进一步地，传感器组件还测量惯性测量组件内部的温度、频率等监控信息，并发送至导航计算机。导航计算机接收监控信息后，根据温度、频率等是否在预设阈值范围内，判断是否发生故障。

可以理解的是，半球谐振陀螺惯导利用半球谐振陀螺、石英挠性加速度计测量载体相对于惯性系的角运动、线运动信息，经过数据处理与误差补偿后，进行捷联惯性导航解算，得到载体位置、速度以及姿态等导航信息。与现有的光学陀螺惯导相比，在同等工作性能下，半球谐振陀螺惯导具有体积、功耗、成本及性能的综合优势，具体表现在：

(1)半球谐振陀螺的谐振子由超低损耗的高纯度熔融石英材料制成，内部物理损耗小、失效因素少，具有可靠性高、寿命长且全寿命免维护的独特优点；

(2)半球谐振陀螺谐振子的驻波进动系数仅由谐振子结构决定，因此陀螺的比例因子稳定性极好，适合长距离导航应用；

(3)半球谐振陀螺直径仅为5～8cm，重量小于300g，且无高功率光源或抖动部件，与传统光学陀螺相比体积缩小约10～20倍、重量减轻5～8倍，功耗更低。

本发明结合半球谐振陀螺的特点，提供了一种集体积小、重量轻等诸多优良特性于一体的捷联式半球谐振陀螺惯导系统。半球谐振陀螺和石英挠性加速度计能够输出加速度、角速度等惯性测量信息，通过导航计算机能够自主提供位置、速度、姿态等导航信息，且具有系统自检、状态监测、故障报警的功能。

基于上述实施例的内容，作为本发明的一种可选实施例，参照图1，所述导航计算机包括导航解算模块、信息I/O模块和电源模块；

所述导航解算模块用于接收所述角运动信息和线运动信息进行导航解算，获得导航信息，并通过信息I/O模块输出导航信息；所述电源模块一端分别连接导航计算机各电气组件和惯性测量组件，另一端连接外部电源，用于接收外部电源进行电源滤波，并将外部电源转换为各电气组件和惯性测量组件所需的低压电源，为导航计算机各电气组件和惯性测量组件供电。此处，导航计算机各电气组件包括导航解算模块、信息I/O模块和电源模块。

基于上述实施例的内容，作为本发明的一种可选实施例，所述惯性测量组件还包括IMU电源模块，所述IMU电源模块连接导航计算机的电源模块，用于接收所述低压电源，为惯性测量组件的各部件供电。

基于上述实施例的内容，作为本发明的一种可选实施例，图3为本发明实施例提供的捷联式半球谐振陀螺惯导的整体结构示意图，参照图3，所述惯性测量组件包括箱体1，所述箱体1内包括本体腔体和电子腔体，所述本体腔体内安装有惯性测量组件，所述电子腔体内安装有导航计算机5；

所述惯性测量组件包括本体座3，所述本体座3包括多个安装面，四个半球谐振陀螺2和四个石英挠性加速度计4分别安装于本体座3的各个安装面上。

具体地，本实施例对半球谐振陀螺惯导的结构采取分腔设计，将惯性测量组件设置于一个单独的本体腔体内，将导航计算机5设置在电子腔体内。本实施例通过分腔设计，使得系统工作时，能够将导航计算机产生的热量对半球谐振陀螺和石英挠性加速度计的影响降至最低。

进一步地，本体腔体采用磁屏蔽设计，本体腔体内表面设有一层磁屏蔽材料。电子腔体用于安装导航计算机5，为保障导航计算机内各模块的稳定工作，本实施例通过热仿真分析设计，合理布置导航计算机内各模块的安装方式，同时在电子腔体外表面安装散热片，以增强散热效率，避免导航计算机内各模块因温度过高而失效，提高系统长时间工作的稳定性。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，包括半球谐振陀螺惯性测量组件和与其外部连接的导航计算机；

2.根据权利要求1所述的捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，所述导航计算机包括导航解算模块、信息I/O模块和电源模块；

3.根据权利要求2所述的捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，所述惯性测量组件还包括IMU电源模块，所述IMU电源模块连接导航计算机的电源模块，用于接收所述低压电源，为惯性测量组件的各部件供电。

4.根据权利要求1所述的捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，所述惯性测量组件包括箱体，所述箱体内包括本体腔体和电子腔体，所述本体腔体内安装有惯性测量组件，所述电子腔体内安装有导航计算机；

5.根据权利要求1所述的捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，所述电子腔体的外表面安装有散热片。

6.根据权利要求1所述的捷联式半球谐振陀螺惯导，其特征在于，所述半球谐振陀螺直径为5～8cm。