CN112595315A - 一种多仪表混合冗余惯性测量单元 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多仪表混合冗余惯性测量单元，包括本体和安装在本体上的5只陀螺；其中，铝合金本体提供五个陀螺安装基准面，每个基准面安装一个陀螺，分别记为第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ、第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT，其中第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ相互正交，设有70型一体化激光陀螺和98型光纤陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型激光陀螺或98型光纤陀螺；第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT上设有70型和50型机抖式激光陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型或者50型机抖式激光陀螺。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学陀螺捷联惯性导航系统的惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)，尤其是涉及多型激光陀螺和光纤陀螺混合可选搭配的多表冗余IMU，属于惯性导航技术领域。
背景技术
基于光学陀螺的捷联惯性导航系统作为控制系统主要设备之一，具有结构简单，工作寿命长，力学环境适应性强，可靠性更高等特点，目前已成为航天运载火箭、航空器、卫星等航天器的核心制导控制设备。光学陀螺目前工程常用的主要有机抖式激光陀螺和光纤陀螺两种，其中激光陀螺动态精度更高，可以满足中高精度的应用需求；光纤陀螺动态精度略低，一般应用于中低精度场合，但光纤陀螺在重量和成本方面有较大的优势。多表冗余设计通过采用惯性仪表冗余来提高捷联惯导系统可靠性，与采用多套系统备份的系统冗余相比，具有相同仪表数量下可靠性更高、硬件成本相对更低，且可通过数据融合技术提高系统精度等优点，是捷联惯导系统可靠性设计的一种常用手段。
随着航空航天技术的发展，以及民用航天应用和需求的兴起，一方面对捷联惯导系统的要求越来越多样化，另一方面由于成本的限制，对捷联惯导系统的通用性要求也越来越高。目前在新一代火箭研发中，为适应不同发射任务对火箭运载能力的不同需求，主要通过提高控制系统的通用性来降低火箭设计和制造成本。而对于控制系统而言，由于不同发射任务对入轨精度和发射成本的要求不同，为提高同一运载火箭可承接的发射任务范围，对控制系统的任务多样性也提出了更高的要求。综上，传统的单一仪表类型和规格的IMU设计已难以满足目前控制系统对惯导设备任务多样性和通用性的要求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种多仪表混合冗余惯性测量单元，用于根据任务需求灵活选择不同类型和精度仪表实现光学陀螺捷联惯性导航系统，提供实现惯导设备以及控制系统通用化，提高控制系统任务多样性、降低设计和使用成本的一种途径。
本发明解决技术的方案是：一种多仪表混合冗余惯性测量单元，该测量单元包括本体和安装在本体上的5只陀螺；
其中，铝合金本体提供五个陀螺安装基准面，每个基准面安装一个陀螺，分别记为第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ、第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT，其中第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ相互正交，设有70型一体化激光陀螺和98型光纤陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型激光陀螺或98型光纤陀螺；第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT上设有70型和50型机抖式激光陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型或者50型机抖式激光陀螺。
当安装在第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT的陀螺均为50型一体化激光陀螺时，50型一体化激光陀螺的抖动频率在500Hz-580Hz之间，且频率差不低于20Hz。
当安装在第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ均为70型一体化激光陀螺时，两只70型一体化激光陀螺的抖动频率在350Hz-450Hz之间，且频率差不低于20Hz。
所述陀螺安装基准面平面度不低于0.01mm，正交的安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
上述多仪表混合冗余惯性测量单元还包括加表组合体4，加表组合体4包括加表本体和五个安装在加表本体上的加速度计；
加表本体提供五个加表安装基准面，每个基准面安装一个加速度计，分别记为第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面GZ、第四加表安装基准面AS、第五加表安装基准面AT，其中第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面AZ相互正交。
各加表安装基准面要求平面度不低于0.01mm，正交的加表安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
所述本体还提供加表组合安装基准面AA，该加表组合安装基准面AA用于加表组合体，加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ平行。
所述加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ之间的平行度不低于0.02mm。
所述本体上有多处走线孔与减重槽，负载状态下IMU本体结构模态不低于1200Hz。
所述加表组合体还包括陶瓷垫片，陶瓷垫片采用地热导率的可加工陶瓷材料制成，安装在加表组合体安装基准面上，用于提高加表组合体与加表组合安装基准面AA之间的隔热性能。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过两型激光陀螺和两型光纤陀螺可互换设计，以及陀螺电气接口的统一标准化定义，机械接口兼容各型陀螺要求，解决了传统IMU设计精度、重量，以及硬件成本等指标固定，任务能力较为单一的问题，可以满足不同发射任务对IMU精度和硬件成本的不同要求，提高了IMU的通用性和任务多样性。
(2)、本发明通过IMU结构设计、频率配置以及设计优化光纤陀螺滤波器等措施，解决了光纤陀螺和机抖式激光陀螺共IMU安装时，光纤陀螺受激光陀螺的抖动干扰而导致精度下降的问题，有效抑制了光纤陀螺的精度损失。
(3)、本发明通过IMU结构设计、频率配置，解决了激光陀螺抖动耦合问题，有效抑制了陀螺抖动耦合误差，保障了陀螺精度。
(4)、本发明IMU上设计有母板电路，一方面通过电缆实现与各仪表的电气连接，实现IMU的电气汇总；另一方面实现IMU对外的输入输出。
(5)、本发明对四型激光和光纤陀螺的电气接口进行了统一的标准化定义，并使用422串口实现陀螺数据的传输，通讯协议统一，实现了陀螺的即换即用。
(6)为避免激光陀螺之间，特别是全激光陀螺状态下的抖动耦合问题，本发明对IMU本体从拓扑结构到局部尺寸都进行了设计优化，提高了本体刚度，降低了结构重量，同时对适用陀螺抖频的范围进行了明确要求。
附图说明
图1为本发明实施例中多仪表混合冗余IMU正视图；
图2为本发明实施例中多仪表混合冗余IMU背视图；
图3为本发明实施例中多仪表混合冗余IMU的铝合金本体正视图；
图4为本发明实施例中多仪表混合冗余IMU的铝合金本体背视图；
图5为本发明实施例中加表组合体图；
图6为本发明实施例中加表本体图；
图7为本发明实施例中减振器图；
图8为本发明实施例中本体母板图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
典型的光学陀螺捷联惯导IMU形式为：惯性仪表(光学陀螺和加速度计)安装在铝合金本体上，并配套部分功能电路，形成IMU。其中为降低尺寸效应对加速度计输出的影响，加速度计通常集成安装在一个加表本体上。捷联惯导系统一般采用内减振的软捷联方式，因此IMU上安装有数个减振器和安装在本体1上的5只陀螺、加表组合体4、电路母板5、光纤陀螺数据滤波器、6个IF电路模块6；其中，加表组合体4包括加表本体9和五个安装在加表本体9上的加速度计10。
其中，铝合金本体1提供五个陀螺安装基准面，每个基准面安装一个陀螺，分别记为第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ、第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT，其中第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ相互正交，设有70型一体化激光陀螺和98型光纤陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型激光陀螺或98型光纤陀螺；第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT上设有70型和50型机抖式激光陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型或者50型机抖式激光陀螺。
当安装在第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT的陀螺均为50型一体化激光陀螺时，50型一体化激光陀螺的抖动频率在500Hz-580Hz之间，且频率差不低于20Hz。
当安装在第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ均为70型一体化激光陀螺时，两只70型一体化激光陀螺的抖动频率在350Hz-450Hz之间，且频率差不低于20Hz。
所述陀螺安装基准面平面度不低于0.01mm，正交的安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
加表本体9提供五个加表安装基准面，每个基准面安装一个加速度计，分别记为第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面GZ、第四加表安装基准面AS、第五加表安装基准面AT，其中第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面AZ相互正交。
优选地，各加表安装基准面要求平面度不低于0.01mm，正交的加表安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
所述本体1还提供加表组合安装基准面AA，该加表组合安装基准面AA用于加表组合体4，加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ平行。
优选地，所述加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ之间的平行度不低于0.02mm。
优选地，所述本体1为一体化的本体结构，材料为铸铝合金。
优选地，所述加表本体9为一体化的本体结构，材料为铸铝合金。
优选地，所述本体1上有多处走线孔与减重槽，负载状态下IMU本体结构模态不低于1200Hz。
优选地，所述加表组合体还包括陶瓷垫片11，陶瓷垫片11采用地热导率的可加工陶瓷材料制成，安装在加表组合体安装基准面上，用于提高加表组合体与加表组合安装基准面AA之间的隔热性能。
优选地，所述陶瓷垫片11安装后平面度不低于0.02mm。
优选地，电路母板5直接安装在本体上，用于完成陀螺、加速度计的电气关系汇总，以及惯性测量单元与惯导计算机、电源电路的电气连接。
优选地，所述本体1和加表本体9通过高分子阻尼橡胶材料连接为一体。
优选地，所述IF电路模块直接安装到IMU本体上，五个IF模块分为两组，其中3个安装在IMU本体的-Y向，另外2个安装在IMU本体的+X向，IF电路模块通过将加速度计原始输出的电流信号(I)转换成频率信号(F)，实现了AD转换的同时保证了转换的精度。
优选地，上述多仪表混合冗余惯性测量单元还包括由8个减振器构成的减振系统，所述减振器直接安装在IMU本体上，所构成的减振系统沿箭体坐标系三个方向的线振动频率不高于100Hz，三向角振动频率不高于160Hz，线振动放大倍数不高于3.5。
光纤陀螺数据滤波器，所述的光纤陀螺数据滤波器烧写在本体母板内，基本要求：(1)滤波器阶数不高于12阶，(2)滤波器截止频率不低于100Hz；具体滤波器参数需根据激光陀螺和光纤陀螺的噪声频谱进行设计和调整。
实施例：
如图1和图2所示，本发明提供了一种多仪表混合冗余IMU，为一种5只陀螺和5只加速度计的十表冗余IMU，5只仪表(陀螺或者加速度计)中3只相互正交，另2只斜置。该多仪表混合冗余IMU组成部分包括：铝合金本体1(图1标注)，三个大陀螺2(图2标注)，两个小陀螺3(图1标注)，加表组合体4(图1标注)，母板电路5(图1标注)，五个IF转换电路模块6(图1和图2标注)，八个减振器7(图1标注)，以及两个陀螺转接底板8(图2标注)。
3只正交陀螺可安装70型激光陀螺或98型光纤陀螺，2只斜置陀螺可安装50型激光陀螺或60型光纤陀螺。IMU结构设计需要同时满足激光陀螺和光纤陀螺的力学要求，并解决了5只激光陀螺的抖动耦合，以及光纤陀螺与激光陀螺混合安装时受到激光陀螺抖动干扰导致陀螺精度损失的问题。
本发明为满足不同任务对IMU精度、重量和成本的要求，IMU设计中可兼容98型和60型大小两种一体化光纤陀螺，以及70型和50型一体化机抖式激光陀螺。其中98型光纤陀螺和70型激光陀螺精度较高，可互换安装；60型光纤陀螺和50型激光陀螺精度略低，可互换安装。
所述的一种多仪表混合冗余IMU仪表(陀螺或加表)的测量矩阵为：
仪表的测量矩阵及安装定向可由以下方式确定：O-X1Y1Z1为箭体坐标系，其中OX1为纵轴，OY1为法向轴，OZ1为横向轴；O-XsYsZs为本体组件测量坐标系，斜置S陀螺或加表的测量轴向OS轴，正向与OXs、OYs、OZs轴正向的夹角分别为127.0°、46.6°、66°，斜置T陀螺或加表的测量轴向OT轴，正向与OXs、OYs、OZs轴正向的夹角分别为46.5°、71.0°、49.6°；本体组件需相对于箭体坐标系整体斜置，本体组件测量坐标系O-XsYsZs与箭体坐标系O-X1Y1Z1的关系如下：
所述的铝合金本体1如图3、图4所示。为一体化的本体结构，材料为铸铝合金，通过精密铸造、精密加工生产。铝合金本体1提供GX、GY、GZ、GS、GT和AA，共6个安装基准面，分别用于安装5个陀螺和1个加表组合体。其中GX、GY、GZ、GS和GT的面法线方向满足上述多仪表混合冗余IMU仪表(陀螺或加表)的测量矩阵的约束，AA与GZ平行，GX、GY与GZ相互正交。各安装基准面平面度不低于0.01mm，正交安装基准面间的垂直度不低于0.02mm，平行安装基准面间的平行度不低于0.02mm。铝合金本体上有多处走线孔与减重槽。IMU本体设计是实现陀螺抖动解耦与抑制激光陀螺对光纤陀螺噪声干扰的基础，要求重量轻，结构刚度高，负载状态下IMU本体结构模态不低于1200Hz，并尽量提高IMU的转动惯量。设计中基于有限元仿真，对本体的拓扑结构以及部分较为敏感的局部尺寸进行了优化。本体整体结构形式为框架式，结构内部设计有多个斜置用于仪表安装及加强的筋板，设计中根据仿真结果对筋板的位置、局部尺寸以及减重孔的尺寸进行了优化调整，在降低结构重量的同时提高了机构刚度。
所述大陀螺2可以是70型一体化激光陀螺或者98型一体化光纤陀螺，分别使用3个M5内六角圆柱头螺钉(带弹簧垫圈、平垫)或4个M5开槽盘头螺钉(带弹簧垫圈、平垫)紧固，安装在铝合金本体1(图1标注)的GX、GY、GZ三个安装基准面上。要求三只70型一体化激光陀螺的抖动频率在300Hz-450Hz之间，且频率差不低于20Hz。
所述小陀螺3可以是50型一体化激光陀螺或60型一体化光纤陀螺，安装在铝合金本体1(图1标注)的GS、GT两个安装基准面上。其中50型一体化激光陀螺通过4个M4开槽盘头螺钉紧固，60型一体化光纤陀螺先通过4个M4内六角圆柱头螺钉固定在陀螺过渡底板8上，再通过4个M4开槽盘头螺钉紧固。要求两只50型一体化激光陀螺的抖动频率在500Hz-580Hz之间，且频率差不低于20Hz。
所述加表组合体的结构如图5所示，其由加表本体9、五个加速度计10、两个测温传感器12和三个陶瓷垫片11组成，通过3个M4螺钉(带弹簧垫圈、平垫)直接安装到IMU本体上。其中，两个测温传感器安装在靠近加表组合体中心的位置，为温补系统提供温度反馈；陶瓷垫片11采用地热导率的可加工陶瓷材料，安装在加表组合体安装基准面上，有助于提高加表组合体与IMU之间的隔热性能。加速度计9加表通过3个M3螺钉(带弹簧垫圈、平垫)紧固在加表本体的AX、AY、AZ、AS和AT五个基准面上，加表组合体。陶瓷垫片11安装后需要研磨，保证整体平面度不低于0.02mm。
所述的加表本体如图6所示，采用铝合金型材，精密加工生产。加表本体提供AX、AY、AZ、AS和AT五个基准面，在加表本体系内面法向满足下式所示的测量矩阵，如此保证IMU上对应陀螺和加速度计的测量轴线平行。各安装基准面要求平面度不低于0.01mm，正交安装基准面间的垂直度不低于0.02mm，
所述的减振器如图7所示，两个铝合金结构件通过高分子阻尼橡胶材料连接为一体，橡胶材料决定了减振器的刚度系数和阻尼系数，并整体上体现为减振系统的一阶谐振频率和放大倍数。八个减振器分别通过2个M4螺钉紧固安装在IMU本体上，使用防松胶放松，构成IMU的八点减振系统。要求减振系统沿箭体坐标系三个方向的线振动频率不高于100Hz，角振动频率不高于160Hz，线振动放大倍数不高于3.5。
所述的本体母板如图8所示，完成陀螺、加速度计及功能电路的电气关系汇总，陀螺输出的滤波处理，以及与惯导计算机、电源电路等的电气连接。通过5个M3螺钉(带弹簧垫圈、平垫)直接安装到IMU本体上。
所述的IF电路模块通过4个M2.5螺钉(带弹簧垫圈、平垫)直接安装到IMU本体上。五个IF模块分为两组，其中3个安装在IMU本体的-Y向，如图1所示；另外2个安装在IMU本体的+X向，本体母板下边，如图2所示。
所述的光纤陀螺数据滤波器：根据激光陀螺抖动噪声频谱以及光纤陀螺动力学特性完成滤波器的理论设计，然后开展激光陀螺和光纤陀螺共基座安装静态导航测试，获得光纤陀螺的实际噪声频谱，最终完成滤波器参数调整，实现对激光陀螺抖动噪声的有效抑制，避免光纤陀螺的精度损失。滤波器一般要求：(1)滤波器阶数不高于12阶，(2)滤波器截止频率不低于100Hz。滤波器传递函数如下式所示。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于包括本体(1)和安装在本体(1)上的5只陀螺；
其中，铝合金本体(1)提供五个陀螺安装基准面，每个基准面安装一个陀螺，分别记为第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ、第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT，其中第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ相互正交，设有70型一体化激光陀螺和98型光纤陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型激光陀螺或98型光纤陀螺；第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT上设有70型和50型机抖式激光陀螺兼容的机械接口和电气接口，用于安装70型或者50型机抖式激光陀螺。
2.根据权利要求1所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于当安装在第四陀螺安装基准面GS、第五陀螺安装基准面GT的陀螺均为50型一体化激光陀螺时，50型一体化激光陀螺的抖动频率在500Hz-580Hz之间，且频率差不低于20Hz。
3.根据权利要求1所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于当安装在第一陀螺安装基准面GX、第二陀螺安装基准面GY、第三陀螺安装基准面GZ均为70型一体化激光陀螺时，两只70型一体化激光陀螺的抖动频率在300Hz-450Hz之间，且频率差不低于20Hz。
4.根据权利要求1所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于所述陀螺安装基准面平面度不低于0.01mm，正交的安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
5.根据权利要求1所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于还包括加表组合体(4)，加表组合体(4)包括加表本体(9)和五个安装在加表本体(9)上的加速度计(10)；
加表本体(9)提供五个加表安装基准面，每个基准面安装一个加速度计，分别记为第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面GZ、第四加表安装基准面AS、第五加表安装基准面AT，其中第一加表安装基准面AX、第二加表安装基准面AY、第三加表安装基准面AZ相互正交。
6.根据权利要求5所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于各加表安装基准面要求平面度不低于0.01mm，正交的加表安装基准面间的垂直度不低于0.02mm。
7.根据权利要求5所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于所述本体(1)还提供加表组合安装基准面AA，该加表组合安装基准面AA用于加表组合体(4)，加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ平行。
8.根据权利要求7所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于所述加表组合安装基准面AA与第三陀螺安装基准面GZ之间的平行度不低于0.02mm。
9.根据权利要求1所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于所述本体(1)上有多处走线孔与减重槽，负载状态下IMU本体结构模态不低于1200Hz。
10.根据权利要求5所述的一种多仪表混合冗余惯性测量单元，其特征在于所述加表组合体还包括陶瓷垫片(11)，陶瓷垫片(11)采用地热导率的可加工陶瓷材料制成，安装在加表组合体安装基准面上，用于提高加表组合体与加表组合安装基准面AA之间的隔热性能。
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2020
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