CN112504256A - 一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，属于惯性导航系统的寻北技术领域，包括：第一基座，第一基座的上端、下端、左端、右端、前端和后端均开设有第一凹槽；惯性测量单元，设于第一基座，实现惯性器件数据采集；其中，惯性测量单元包括第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺和90型激光陀螺，可测量其相对于惯性空间的运动角速度，并形成脉冲信号，第一50型激光陀螺固定设置在第一基座左侧的第一凹槽内，第二50型激光陀螺固定设置在第一基座上侧的第一凹槽内，90型激光陀螺固定设置在第一基座前侧的第一凹槽内。本发明在保证高精度寻北测量的前提下，降低了设备的成本、体积和重量，便于设备的使用维护和批量化生产。

Description

一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪

技术领域

本发明涉及惯性导航系统的寻北技术领域，更具体地说，涉及一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪。

背景技术

激光陀螺寻北仪是利用激光陀螺仪和加速度计测得地球自转角速率分量值和陀螺轴向水平误差角，经过解算得到寻北仪本体参考轴与真北方向的夹角，即北向方位角。

寻北仪的测量精度主要取决于惯性器件的精度水平，为此，通常采用三个相同的高精度激光陀螺组成同型寻北仪进行寻北测量，然而这种搭配方式造成了设备硬成本高、体积和重量大等问题，增加了设备的运输、操作难度。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，本产品在保证高精度寻北测量的前提下，在保证高精度寻北测量的前提下，降低了设备的成本、体积和重量。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，包括：

第一基座，所述第一基座的上端、下端、左端、右端、前端和后端均开设有第一凹槽；

惯性测量单元，设于所述第一基座，实现惯性数据采集；其中，所述惯性测量单元包括第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺和90型激光陀螺，可测量其相对于惯性空间的运动角速度，并形成脉冲信号，所述第一50型激光陀螺固定设置在第一基座左侧的第一凹槽内，所述第二50型激光陀螺固定设置在第一基座上侧的第一凹槽内，所述90型激光陀螺固定设置在第一基座前侧的第一凹槽内，所述第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺和90型激光陀螺的敏感轴相互垂直并满足右手定则；

主控板，设于所述第一基座，所述主控板与惯性测量单元信号连接，接收脉冲信号，所述主控板内设有寻北仪软件；以及

上位机，所述上位机与主控板信号连接，实现数据的接收、处理、显示、保存以及指令控制。本发明在保证高精度寻北测量的前提下，降低了设备的成本、体积和重量，便于设备的安装使用及后期维护。

作为本发明的一种优选方案，所述惯性测量单元还包括加速度计，测量其相对于惯性空间的运动线加速度，并形成电流信号；其中，所述加速度计设置有三个，且三个加速度计分别固定设置在第一基座后侧、右侧和下侧的第一凹槽内，三个所述加速度计的敏感轴分别与第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺和90型激光陀螺的敏感轴相互平行。

作为本发明的一种优选方案，还包括设置在第一基座后侧的IF板，接收所述电流信号，并转换成脉冲信号，发送至主控板。

作为本发明的一种优选方案，还包括方形框支架，所述方形框支架设置有两个，所述主控板和IF板分别通过螺钉固定设置在两个方形框支架的内壁之间，两个所述方形框支架均通过四个螺钉与第一基座的前端和后端连接，两个所述方形框支架靠近第一基座的端部四角处与第一基座之间均垫有细圆柱，以实现方形框支架不与第一基座接触。

作为本发明的一种优选方案，所述寻北仪软件包括数据采集模块、误差补偿模块、对外通讯模块、状态监测模块和寻北解算模块，所述数据采集模块采集第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺、90型激光陀螺和加速度计的数据，并基于所述误差补偿模型对采集数据修正，获得寻北仪在地理坐标系中的加速度和角速度信息，所述寻北解算模块通过Kalman滤波器和寻北算法，实时估计输出北向方位等信息。

作为本发明的一种优选方案，所述第一基座的下侧设置有第二基座，所述第二基座的上端开设有圆形凹槽，所述圆形凹槽的内壁设置有单轴旋转机构，且单轴旋转机构与第一基座的下端连接。

作为本发明的一种优选方案，所述单轴旋转机构包括电机、旋变电路、信号处理电路和驱动电路，所述信号处理电路将来自所述旋变电路的模拟信号进行采集和信号调理后，获得单轴旋转机构当前位置信息，并反馈给所述驱动电路，所述驱动电路产生相应的控制信号，控制所述电机带动惯性测量单元绕天向轴进行转动。

作为本发明的一种优选方案，还包括外部电源，所述外部电源通过一个插座分别给主控板、IF板、单轴旋转机构、第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺、90型激光陀螺和三个加速度计供电。

作为本发明的一种优选方案，所述第一基座为长方体基座。

一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的使用方法，包括如下步骤：

S1、将第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺90型激光陀螺和加速度计装配在第一基座内，将单轴旋转机构置于第一基座底部，连接主控板和IF板，完成设备装配后，将寻北仪固定连接在安装板上；

S2、通过供电电缆连接外部电源，供电电压为24V，通过通讯电缆连接上位机接口，进行控制指令发送和上传数据显示；

S3、寻北仪上电后自动进行初始化配置，并对各组件的工作状态进行检测，若均检测成功，则进入“就绪”状态；

S4、通过上位机向寻北仪发送“寻北”命令帧，寻北仪接收到命令后，控制单轴旋转机构旋转到第一位置，并开始进行数据采集，并进行误差补偿，利用Kalman滤波器实时估计方位角；

S5、待采集完成后，控制单轴旋转机构绕天向轴转动180°到第二位置，进行相同时间的数据采集和滤波估计，方位角随着Kalman滤波器的稳定而逐渐收敛并趋近真值；

S6、寻北仪重新导航回到参考位置，对外输出参考位置相对于北向的夹角。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明采用了异构型的第一50型激光陀螺、第二50型激光陀螺和90型激光陀螺，具有体积小、重量轻，节约了安装空间，便于设备的运输和使用维护。

(2)本发明通过优化寻北策略、延长寻北时间，达到了同型高精度寻北仪的精度水平。

(3)本发明由于采用高精度的90型激光陀螺以及低精度第一50型激光陀螺和第二50型激光陀螺的组合方式，降低了硬件设计成本，有利于规模化批量生产。

附图说明

图1为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的立体图；

图2为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的第一爆炸立体图；

图3为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的第二爆炸立体图；

图4为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的原理功能框图；

图5为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪中惯性测量单元以及主控板处的原理功能框图；

图6为本发明一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪中寻北仪软件处的原理图。

图中标号说明：

1、第一基座；2、惯性测量单元；21、第一50型激光陀螺；22、第二50型激光陀螺；23、90型激光陀螺；24、加速度计；3、主控板；4、IF板；5、单轴旋转机构；6、第一凹槽；7、方形框支架；8、细圆柱；9、第二基座；10、圆形凹槽。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

请参阅图1-6，一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，包括：

第一基座1，第一基座1的上端、下端、左端、右端、前端和后端均开设有第一凹槽6，第一基座1为长方体基座；

惯性测量单元2，设于第一基座1，实现惯性数据采集；其中，惯性测量单元2包括第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺22和90型激光陀螺23，可测量其相对于惯性空间的运动角速度，并形成脉冲信号，第一50型激光陀螺21固定设置在第一基座1左侧的第一凹槽6内，第二50型激光陀螺22固定设置在第一基座1上侧的第一凹槽6内，90型激光陀螺23固定设置在第一基座1前侧的第一凹槽6内，第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺22和90型激光陀螺23的敏感轴相互垂直并满足右手定则；

惯性测量单元2还包括加速度计24，测量其相对于惯性空间的运动线加速度，并形成电流信号；其中，加速度计24设置有三个，且三个加速度计24分别固定设置在第一基座1后侧、右侧和下侧的第一凹槽6内，三个加速度计24的敏感轴分别与第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺22和90型激光陀螺23的敏感轴相互平行；

主控板3，主控板3设置在第一基座1的前侧，主控板3与惯性测量单元2信号连接，接收脉冲信号，主控板3内设有寻北仪软件，主控板3内设有寻北仪软件，具体的，寻北仪软件包括数据采集模块、误差补偿模块、对外通讯模块、状态监测模块和寻北解算模块，数据采集模块采集第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺22、90型激光陀螺23和加速度计24的数据，并基于误差补偿模型对采集数据修正，获得寻北仪在地理坐标系中的加速度和角速度信息，寻北解算模块通过Kalman滤波器和寻北算法，实时估计输出北向方位等信息；

IF板4，IF板4设置在第一基座1的后侧，接收电流信号，并转换成脉冲信号，发送至主控板3；

上位机，上位机与主控板3信号连接，实现数据的接收、处理、显示、保存以及指令控制；

第一基座1的下侧设置有第二基座9，第二基座9的上端开设有圆形凹槽10，圆形凹槽10的内壁设置有单轴旋转机构5，且单轴旋转机构5与第一基座1的下端连接，具体的，单轴旋转机构5包括电机、旋变电路、信号处理电路和驱动电路，信号处理电路将来自旋变电路的模拟信号进行采集和信号调理后，获得单轴旋转机构5当前位置信息，并反馈给驱动电路，驱动电路产生相应的控制信号，控制电机带动惯性测量单元2绕天向轴进行转动，需要进行说明的是：旋变电路、信号处理电路和驱动电路均是本领域技术人员的公知常识，故此不再对其详细赘述，电机的输出端与第一基座1的下端中心处固定连接；

为了实现对主控板3和IF板4的安装，本发明还包括方形框支架7，方形框支架7设置有两个，主控板3和IF板4分别通过螺钉固定设置在两个方形框支架7的内壁之间，两个方形框支架7均通过四个螺钉与第一基座1的前端和后端连接，两个方形框支架7靠近第一基座1的端部四角处与第一基座1之间均垫有细圆柱8，以实现方形框支架7不与第一基座1接触；

为了实现供电，本发明还包括还包括外部电源，外部电源通过一个插座分别给主控板3、IF板4、单轴旋转机构5、第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺22、90型激光陀螺23和三个加速度计24供电作为本发明的一种优选方案，主控板固定设置在第一基座的左右靠上侧内壁之间。

具体的，本发明在使用时，包括如下步骤：

S1、将第一50型激光陀螺21、第二50型激光陀螺2290型激光陀螺23和加速度计24装配在第一基座1内，将单轴旋转机构5置于第一基座1底部，连接主控板3和IF板4，完成设备装配后，将寻北仪固定连接在安装板上图中未出示；

S2、通过供电电缆连接外部电源，供电电压为24V，通过通讯电缆连接上位机接口，进行控制指令发送和上传数据显示；

S3、寻北仪上电后自动进行初始化配置，并对各组件的工作状态进行检测，若均检测成功，则进入“就绪”状态；

S4、通过上位机向寻北仪发送“寻北”命令帧，寻北仪接收到命令后，控制单轴旋转机构5旋转到第一位置，并开始进行数据采集，并进行误差补偿，利用Kalman滤波器实时估计方位角；

S5、待采集完成后，控制单轴旋转机构5绕天向轴转动180°到第二位置，进行相同时间的数据采集和滤波估计，方位角随着Kalman滤波器的稳定而逐渐收敛并趋近真值；

S6、寻北仪重新导航回到参考位置，对外输出参考位置相对于北向的夹角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，包括：

第一基座(1)，所述第一基座(1)的上端、下端、左端、右端、前端和后端均开设有第一凹槽(6)；

惯性测量单元(2)，设于所述第一基座(1)，实现惯性数据采集；其中，所述惯性测量单元(2)包括第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)和90型激光陀螺(23)，可测量其相对于惯性空间的运动角速度，并形成脉冲信号，所述第一50型激光陀螺(21)固定设置在第一基座(1)左侧的第一凹槽(6)内，所述第二50型激光陀螺(22)固定设置在第一基座(1)上侧的第一凹槽(6)内，所述90型激光陀螺(23)固定设置在第一基座(1)前侧的第一凹槽(6)内，所述第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)和90型激光陀螺(23)的敏感轴相互垂直并满足右手定则；

主控板(3)，设于所述第一基座(1)，所述主控板(3)与惯性测量单元(2)信号连接，接收脉冲信号，所述主控板(3)内设有寻北仪软件；以及

上位机，所述上位机与主控板(3)信号连接，实现数据的接收、处理、显示、保存以及指令控制。

2.根据权利要求1所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述惯性测量单元(2)还包括加速度计(24)，测量其相对于惯性空间的运动线加速度，并形成电流信号；其中，所述加速度计(24)设置有三个，且三个加速度计(24)分别固定设置在第一基座(1)后侧、右侧和下侧的第一凹槽(6)内，三个所述加速度计(24)的敏感轴分别与第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)和90型激光陀螺(23)的敏感轴相互平行。

3.根据权利要求2所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，还包括设置在第一基座(1)后侧的IF板(4)，接收所述电流信号，并转换成脉冲信号，发送至主控板(3)。

4.根据权利要求3所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，还包括方形框支架(7)，所述方形框支架(7)设置有两个，所述主控板(3)和IF板(4)分别通过螺钉固定设置在两个方形框支架(7)的内壁之间，两个所述方形框支架(7)均通过四个螺钉与第一基座(1)的前端和后端连接，两个所述方形框支架(7)靠近第一基座(1)的端部四角处与第一基座(1)之间均垫有细圆柱(8)，以实现方形框支架(7)不与第一基座(1)接触。

5.根据权利要求1所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述寻北仪软件包括数据采集模块、误差补偿模块、对外通讯模块、状态监测模块和寻北解算模块，所述数据采集模块采集第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)、90型激光陀螺(23)和加速度计(24)的数据，并基于所述误差补偿模型对采集数据修正，获得寻北仪在地理坐标系中的加速度和角速度信息，所述寻北解算模块通过Kalman滤波器和寻北算法，实时估计输出北向方位等信息。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述第一基座(1)的下侧设置有第二基座(9)，所述第二基座(9)的上端开设有圆形凹槽(10)，所述圆形凹槽(10)的内壁设置有单轴旋转机构(5)，且单轴旋转机构(5)与第一基座(1)的下端连接。

7.根据权利要求6所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述单轴旋转机构(5)包括电机、旋变电路、信号处理电路和驱动电路，所述信号处理电路将来自所述旋变电路的模拟信号进行采集和信号调理后，获得单轴旋转机构(5)当前位置信息，并反馈给所述驱动电路，所述驱动电路产生相应的控制信号，控制所述电机带动惯性测量单元(2)绕天向轴进行转动。

8.根据权利要求7所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，还包括外部电源，所述外部电源通过一个插座分别给主控板(3)、IF板(4)、单轴旋转机构(5)、第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)、90型激光陀螺(23)和三个加速度计(24)供电。

9.根据权利要求8所述的一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪，其特征在于，所述第一基座(1)为长方体基座。

10.一种高精度低成本异构型激光陀螺寻北仪的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将第一50型激光陀螺(21)、第二50型激光陀螺(22)90型激光陀螺(23)和加速度计(24)装配在第一基座(1)内，将单轴旋转机构(5)置于第一基座(1)底部，连接主控板(3)和IF板(4)，完成设备装配后，将寻北仪固定连接在安装板上；

S2、通过供电电缆连接外部电源，供电电压为24V，通过通讯电缆连接上位机接口，进行控制指令发送和上传数据显示；

S3、寻北仪上电后自动进行初始化配置，并对各组件的工作状态进行检测，若均检测成功，则进入“就绪”状态；

S4、通过上位机向寻北仪发送“寻北”命令帧，寻北仪接收到命令后，控制单轴旋转机构(5)旋转到第一位置，并开始进行数据采集，并进行误差补偿，利用Kalman滤波器实时估计方位角；

S5、待采集完成后，控制单轴旋转机构(5)绕天向轴转动180°到第二位置，进行相同时间的数据采集和滤波估计，方位角随着Kalman滤波器的稳定而逐渐收敛并趋近真值；

S6、寻北仪重新导航回到参考位置，对外输出参考位置相对于北向的夹角。

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