CN112539743A - 一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于陀螺仪寻北仪的连续寻北方位更新方法和系统，所述方法具体包括：S101：利用寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，所述寻北仪对所述多方位测量数据方位解算，获得第n次寻北的方位和姿态数据；S102：主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；S103：所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。

Description

一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法和系统
技术领域
本发明涉及陀螺寻北仪的寻北方法，特别是一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法和系统。
背景技术
激光陀螺寻北仪是惯性技术的重要应用成果之一，通过高精度的激光陀螺敏感地球自转角速度在载体坐标系的分量来确定北向，能够全天候、可靠地工作，不受外部环境如地球磁场、地形、气候等影响，且可以在没有任何外部方位信息的情况下实现自主寻北功能，测出寻北系统在当地位置与真北方向的夹角。
连续寻北是实现寻北仪长时间工作值班，保持数据更新的有效方法，其核心是在第一次寻北结束后，利用高精度激光陀螺短时间高精度导航的特性进行姿态更新，实时输出当前真北方位，在两次寻北有效时间节点间也能够保持真北方位输出，达到寻北仪实时更新系统北向方位的目的。
目前的寻北方法普遍为采用多位置寻北方法，并结合相应误差补偿方法，以抵消陀螺常值零偏和随机漂移对寻北精度的影响。这种方法需要在上位机或嵌入式控制板的控制下操纵电机带动转位机构，惯性测量单元以恒定角速度连续旋转，通过连续旋转周期性改变姿态矩阵使系统缓慢变化的误差在转动周期内均值尽量接近零。这类方法可减少系统误差累加、提高系统对准可观测度，但也带来寻北过程准备时间的加长。
鉴于传统的惯性高精度寻北方法需要较长的准备时间，传统寻北方法已无法满足时空基准系统对于快速性的需求。为进一步提升高精度激光陀螺寻北仪的使用效率，需要对寻北方位更新方法进行优化，寻找兼顾快速性与高精度的时空基准解决方案。
发明内容
为解决上述问题至少之一，本发明提供一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方法和系统，
一方面，本发明公开了一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方法，包括
寻北仪包括：导航计算机、惯性测量单元、嵌入式驱动板和电机及转位机构；
主控上位机用于控制所述寻北仪；
所述方法包括：
S101：利用寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，所述寻北仪对所述多方位测量数据进行方位解算，获得第n次寻北的方位和姿态数据；
S102：主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；
S103：所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。
所述第n次寻北具体包括：
所述主控上位机发送寻北转位指令；
所述嵌入式驱动板根据所述寻北转位指令控制所述电机及转位机构进行转位；
所述电机和转位机构带动所述惯性测量单元转动到预定角位置并获取惯组角位置数据；
所述惯性测量单元将不同角位置的测量数据发送至所述导航计算机；
所述导航计算机根据所述测量数据进行寻北实时解算，获得方位和姿态数据并发送至主控上位机，所述导航计算机接收所述惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，并利用所述姿态矩阵对所述惯性测量单元数据反解。
所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计。
所述多方位测量数据包括加速度和角速度。
所述姿态更新解算得到的数据包括方位和姿态数据。
另一方面，本发明提供了一种基于陀螺寻北仪的寻北方位更新系统，包括：
主控上位机和寻北仪，
其中，寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，所述寻北仪对所述多方位测量数据方位解算，获得第n次寻北的方位和姿态数据；
主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；
所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。
所述寻北仪包括：导航计算机、惯性测量单元、嵌入式驱动板、电机和转位机构，
其中，
所述主控上位机发送寻北转位指令；
所述嵌入式驱动板根据所述寻北转位指令控制所述电机及转位机构进行转位；
所述电机和转位机构带动所述惯性测量单元转动到预定角位置；
所述惯性测量单元将不同角位置的测量数据发送至所述导航计算机；
所述导航计算机根据所述测量数据进行寻北实时解算，获得方位和姿态数据并发送至主控上位机，所述导航计算机接收电机及转位机构发送的惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，并利用所述姿态矩阵对所述惯性测量单元数据反解。
本发明的有益效果如下：
与现有技术相比较，本发明为进一步提升高精度激光陀螺寻北仪的使用效率，对寻北方位更新方法进行优化，兼顾快速性与高精度的时空基准，避免因使用场地的复杂情况引起的方位变化造成寻北误差。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的一个实施例的一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法的流程图；
图2示出本发明的一个实施例的一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新系统的结构框图；
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
一方面，本发明的一个实施例提供一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法，利用寻北与导航过程并行的处理方法在寻北过程中保持准确的姿态更新.如图1所示，具体包括以下步骤：
根据考察任务情况，预先设置寻北时长为24小时；
本领域的技术人员应该知道，上述的24小时仅为一个例子，具体时长根据考察情况而定。
执行主体包括主控上位机和陀螺寻北仪，
陀螺寻北仪包括：导航计算机、嵌入式驱动板、电机及转位机构和惯性测量单元。
开启第一次寻北，主控上位机向嵌入式驱动板发送寻北转位指令，所述嵌入式驱动板控制电机及转位机构带动惯性测量单元完成指令中设定好的转位，所述惯性测量单元采集不同角度的测量数据，包括加速度和角速度；所述转位机构的码盘上传惯组角位置数据，所述导航计算机利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，所述导航计算机接收所述测量数据，对测量数据进行寻北实时解算得到方位和姿态数据(a1和b1)，并将a1和b1发送至主控上位机。
继续执行连续寻北指令，主控上位机向嵌入式驱动板发送寻北转位指令，所述嵌入式驱动板控制电机及转位机构带动惯性测量单元完成指令中设定好的转位，所述惯性测量单元采集不同角度的测量数据，所述测量数据包括加速度和角速度；所述导航计算机接收所述测量数据，对测量数据进行姿态更新解算，所述姿态更新解算以上一次寻北获得的方位和姿态数据(an和bn)位解算初值，所述姿态更新解算的值包括方位和姿态数据，并将an+1和bn+1发送至主控上位机；所述导航计算机利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，并利用所述姿态矩阵对所述惯性测量单元数据反解，所述数据反解包括旋转角补偿。
其中，n为大于1的自然数。
其中，惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计，惯性测量单元固定在转位机构上，跟随转位机构到达预定的角位置；所述陀螺仪包括但不限于激光陀螺仪和光纤陀螺仪。
所述旋转角补偿指电机及转位机构从1号角位置转到2号角位置转动的角度，惯性测量单元的角位置变了，导航计算机在计算的时候为了保持载体坐标系的一致，在进行寻北方位解算时会将转过的角度补偿回来。
若寻北时长大于超过24小时，主控上位机发送终止命令，寻北仪停止寻北。
在实际使用中，寻北仪设定的场地有人员经过走动、发动机震动等，会导致寻北仪发生位移，人眼察觉不到的角秒甚至角分级变化，寻北方位一直是变化的，本实施例通过连续的寻北方位更新实现了高精度跟踪，解决了上述问题至少之一。
在另一个实施例中，本发明提供了一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新系统，如图2所示，具体包括
主控上位机和寻北仪，
其中，寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，所述寻北仪对所述多方位测量数据方位解算，获得第n次寻北的方位和姿态数据；
主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；
所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。
所述寻北仪包括：导航计算机、惯性测量单元、嵌入式驱动板、电机及转位机构，
其中，
所述主控上位机发送寻北转位指令；
所述嵌入式驱动板根据所述寻北转位指令控制所述电机及转位机构进行转位；
所述电机和转位机构带动所述惯性测量单元转动到预定角位置；
所述惯性测量单元将不同角位置的测量数据发送至所述导航计算机；
所述导航计算机根据所述测量数据进行寻北实时解算，获得方位和姿态数据并发送至主控上位机，所述导航计算机接收电机及转位机构发送的惯组角位置数据，并进行转位机构旋转角补偿。
其中
所述惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新方法，其特征在于，
寻北仪包括：导航计算机、惯性测量单元、嵌入式驱动板和电机及转位机构；
主控上位机用于控制所述寻北仪；
所述方法包括：
S101：利用寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，所述寻北仪对所述多方位测量数据进行方位解算以获得第n次寻北的方位和姿态数据；
S102：主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；
S103：所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述第n次寻北具体包括：
所述主控上位机发送寻北转位指令；
所述嵌入式驱动板根据所述寻北转位指令控制所述电机及转位机构进行转位；
所述电机和转位机构带动所述惯性测量单元转动到预定角位置并获取惯组角位置数据；
所述惯性测量单元将不同角位置的测量数据发送至所述导航计算机；
所述导航计算机根据所述测量数据进行寻北实时解算，获得方位和姿态数据并发送至主控上位机，所述导航计算机接收所述惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，并利用所述姿态矩阵对所述惯性测量单元数据反解。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述惯性测量单元包括陀螺仪和加速度计。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述多方位测量数据包括加速度和角速度。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述姿态更新解算得到的数据包括方位和姿态数据。
6.一种基于陀螺寻北仪的连续寻北方位更新系统，其特征在于，包括：
主控上位机和寻北仪，
其中，寻北仪进行第n次寻北，获取多方位测量数据和惯组角位置数据，所述寻北仪对所述多方位测量数据方位解算，获得第n次寻北的方位和姿态数据；
主控上位机将所述第n次寻北的所述方位和姿态数据作为第n+1次姿态更新解算的初值；
所述主控上位机将所述初值发送给所述寻北仪以进行第n+1次寻北，直到寻北时长大于等于预定时长时终止寻北，其中n为自然数。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，
所述寻北仪包括：导航计算机、惯性测量单元、嵌入式驱动板、电机和转位机构，
其中，
所述主控上位机发送寻北转位指令；
所述嵌入式驱动板根据所述寻北转位指令控制所述电机及转位机构进行转位；
所述电机和转位机构带动所述惯性测量单元转动到预定角位置；
所述惯性测量单元将不同角位置的测量数据发送至所述导航计算机；
所述导航计算机根据所述测量数据进行寻北实时解算，获得方位和姿态数据并发送至主控上位机，所述导航计算机接收电机及转位机构发送的惯组角位置数据，利用所述惯组角位置数据获得所述惯性测量单元相对于寻北仪坐标系的姿态矩阵，并利用所述姿态矩阵对所述惯性测量单元数据反解。
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