CN112963480B - 一种机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置及减振方法，属惯性导航领域，包括惯性传感器安装框架、S型折叠梁减振装置、折叠梁减振装置安装座和安装基座。本发明有如下技术效果：本发明可以使惯性传感器装配体在径向平动和摇摆运动的方向解耦，减少惯性传感器装配体在共振区的复杂振动响应，改善惯性传感器装配体的隔振性能；本发明对减振器的形变进行实时测量、控制和消除，进一步减小惯性传感器装配体与载体之间由于减振器带来的误差；将S型折叠梁减振装置的形变实时地输入到机抖激光陀螺惯性导航系统中，与惯性器件测量得到的惯性传感器装配体角速度和加速度信号进行整合处理，从而得到载体高精度的实时姿态和位置输出。

Description

一种机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置及减振方法，属惯性导航领域。

背景技术

由于激光陀螺具有精度高、体积小、可靠性高、温度敏感度低等特点，越来越成为惯性导航系统中首选的角速率传感器。为了消除激光陀螺固有的“闭锁误差”，机抖激光陀螺利用机械抖动部件通过周期性的抖动来使激光陀螺敏感到的角速率远离闭锁区域。但不可避免的是，机抖激光陀螺机械抖动部件的抖动会对惯性导航系统中的其它敏感器件产生不利影响；同时，安装机抖激光陀螺惯性导航系统的载体运动产生的各种振动也会对惯性导航系统内部的惯性传感器(如加速度计)带来干扰。因此，为了充分发挥机抖激光陀螺的优势，保证惯性导航系统获得更高的应用精度，需要对机抖激光陀螺惯性导航系统的减振装置进行合理设计。

文献1为国防科技大学罗青的博士学位论文《航天器飞轮系统微振动特性及隔振方法研究》(2014年)，该文献介绍了一种基于折叠梁的反作用飞轮被动隔振系统，文献分析了航天器反作用飞轮系统的结构动力学特性及被动隔振装置的隔振性能，同时对反作用飞轮与被动隔振装置之间的耦合动力学关系进行了数值仿真研究。论文采用的基于折叠梁的被动隔振装置具有多自由度的隔振能力，不仅可以有效降低反作用飞轮的微振动扰动力和力矩输出，还能满足反作用飞轮对指向精度的要求。

但是航天器用的反作用飞轮为一个单框架控制力矩陀螺(SGCMG)，工作方式为单向转动，最大转速为6000rev/min，即工作频率最大为100Hz，扰动频率也以低频为主，而二频机抖激光陀螺机械抖动部件的工作方式为往复扭转运动，抖动频率在300Hz以上，不仅转速是非线性的，而且方向也是随时变化的；扰动频率不仅包括低频扰动，也包括了高频扰动，如果不进行合理设计，这些扰动会对机抖激光陀螺惯性导航系统的精度造成严重影响，因此就对设计机抖激光陀螺惯性导航系统的减振装置提出了更高的要求。同时，文献1也没有对粘贴压电陶瓷片的折叠梁构成的隔振系统进行详细分析。

文献2为国防科技大学光电科学与工程学院李耿等申请的发明专利《一种用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振控制方法》(专利号ZL201510946171.8)，该专利设计了一种由机抖激光陀螺、机抖激光陀螺安装壳体、N个主动式抖动消振辐条、1块用于采集信号的压电陶瓷片、2N-1块用于驱动的压电陶瓷片以及集成电路模块组成的用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振装置，并基于此装置发明了一种用于机抖激光陀螺的主动式抖动消振控制方法。该装置在一片主动式抖动消振辐条上粘有1块用于采集信号的压电陶瓷片，可以敏感到机抖激光陀螺抖轮的微小抖动形变，利用压电陶瓷特有的逆压电效应将微小形变转换成电信号输入到抖动信号采集处理系统中，通过主动式抖动消振控制方法得到主动式抖动消振驱动电压并输出到用于驱动的2N-1块压电陶瓷片上，从而实现主动式抖动消振的效果。该专利可以有效地降低机抖激光陀螺中机械抖动部件抖动对安装基座和其它敏感设备的影响，但是在由三个或者多个机抖激光陀螺组成的惯性导航系统中，为了进一步消除由机抖激光陀螺抖动带来的振动及耦合误差，减少外界环境对惯性导航系统内部惯性传感器的干扰，还需要对整个惯性导航系统进行整体性的振动测量、控制和消除

文献3为国防科技大学光电科学与工程学院李耿等在“2014能源、材料与信息工程国际会议”上发表的论文《Isotropic design method of suspension system ofdithered RLG strap-down inertial measurement unit(机抖激光陀螺惯性测量单元各向同性悬置系统设计方法)》，该论文针对应用机抖激光陀螺的双轴旋转惯性导航系统，设计了一种各向同性、对心安装的八点悬置安装方式以隔离惯性测量单元和双轴转台框架之间传输的振动，同时采用以中心惯量主轴对称的方式来安装激光陀螺和加速度计，保证了双轴转台的正交垂直精度和角位置定位精度，也保证了激光陀螺和加速度计的输出信号在双轴旋转方案中各转位下的重复性和稳定性，提高了双轴旋转惯性导航系统的精度。由于该专利的应用场景为双轴旋转系统，惯性测量单元在全空间中旋转，因此需要八点悬置安装方式来保证全空间工作的可靠性和稳定性，而在不需要旋转机构的惯性导航系统中，仅需考虑垂直于水平面的单向支撑系统的导航、定位及姿态测量精度，同时也可以降低系统的成本和设计难度。文献3中所用的八点悬置安装方式采用的是被动减振装置，减振器为橡胶减振器，其一致性较难保证，而且减振器的减振阻尼为非线性的低通滤波器，对动态范围较大的复杂应用环境的适应性较差，难以满足惯性导航系统对实时运动姿态测量的要求。因此需要对引起姿态不同步的减振装置进行控制以提高惯性导航系统的姿态测量精度以及位置测量精度。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术中提到的现有惯性导航系统中减振装置存在的不足，设计一种应用于机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置和方法，该装置的结构简单，易于实施，运用该方法可以有效地测量由机抖激光陀螺和加速度计组成的惯性传感器组件在空间中的振动，隔离外部载体通过安装基座传递到惯性传感器组件上的扰动误差。同时可以将安装基座与惯性传感器组件之间的姿态误差进行实时补偿从而实现对于载体高精度的动态实时姿态输出和位置输出。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置，包括惯性传感器安装框架、S型折叠梁减振装置、折叠梁减振装置安装座和安装基座；所述惯性传感器安装框架为正六面体形状，其一个顶角切去一个正三棱锥后剩下的三角形平面平行于安装基座，所述三角形平面与安装基座上表面有一定距离，此距离应保证惯性传感器安装框架在大冲击的情况下不会与安装基座产生碰撞损坏惯性传感器安装框架上安装的惯性传感器件；与所述三角形平面相对的三个面上分别安装三个机抖激光陀螺和三个加速度计，三个机抖激光陀螺的敏感轴相互正交，三个加速度计的敏感轴相互正交；所述S型折叠梁减振装置有三个，其最上面的横梁和最下面的横梁均为中间横梁长度的一半，且各连接有两根短竖梁，三个S型折叠梁减振装置上面的短竖梁通过安装法兰固定在惯性传感器安装框架剩下的三个面的中心，下面的短竖梁通过安装法兰分别固定在3个折叠梁减振装置安装座上，以两根短竖梁中心连线作为法线，三个S型折叠梁减振装置的法线正交于惯性传感器安装框架的质心；所述三个折叠梁减振装置安装座以圆周对称的方式固定在安装基座上，其径向截面为直角梯形或直角三角形，直角梯形或直角三角形的斜面分别与相对的惯性传感器安装框架的三个面平行；在S型折叠梁减振装置上面和下面的两个横梁的上下两个表面上分别粘贴有四块压电陶瓷片，所述四块压电陶瓷片中最下面的一块用于检测下面横梁的形变，另外三块用于实现对上面横梁和下面横梁形变的控制，也即在S型折叠梁减振装置的主变形方向(法线方向)进行减振控制。

本发明还提供一种基于上述装置的减振方法，包括以下步骤：

S1、粘贴在S型折叠梁减振装置下面横梁下表面的压电陶瓷片采集因横梁形变而产生的电压信号Vi，发送给机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振控制单元；

S2、机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振控制单元将电压信号Vi通过比例、积分、微分控制算法转化成可控减振装置的控制电压信号Vo；

S3、将机抖激光陀螺惯性导航系统可控减振装置的控制电压信号Vo通过放大驱动电路输出到另外三块压电陶瓷片上，用于实现对上面横梁和下面横梁形变的控制，从而对S型折叠梁减振装置的形变进行补偿；

S4、在三个S型折叠梁减振装置上同时进行S1、S2和S3的步骤，以实现在全空间范围内机抖激光陀螺惯性导航系统的振动变形可测可控。

本发明所述方法的原理为：S型折叠梁减振装置的主变形方向为其法线方向，四块压电陶瓷片中粘贴在下面横梁下表面的一块压电陶瓷片可以敏感到S型折叠梁减振装置主变形方向实时的形变量，利用此形变量可以计算出补偿控制电压，从而驱动其它三块压电陶瓷片对S型折叠梁减振装置的形变进行补偿，从而控制和消除外部载体通过安装基座传递到惯性传感器装配体上的扰动误差。

本发明有如下技术效果：

1)由于三个S型折叠梁减振装置的主形变方向相交于惯性传感器安装框架的质心，因此可以使惯性传感器装配体在径向平动和摇摆运动的方向解耦，减少惯性传感器装配体在共振区的复杂振动响应，改善惯性传感器装配体的隔振性能；

2)利用减振器上安装的压电陶瓷片的逆压电效应，对减振器的形变进行实时测量、控制和消除，进一步减小惯性传感器装配体与载体之间由于减振器带来的误差；

3)在S型折叠梁减振装置上安装的压电陶瓷片将S型折叠梁减振装置的形变实时地输入到机抖激光陀螺惯性导航系统中，与惯性器件测量得到的惯性传感器装配体角速度和加速度信号进行整合处理，从而得到载体高精度的实时姿态和位置输出。

附图说明

图1为本发明的减振装置减振原理示意图；

图2为本发明的总体结构装配侧视图1；

图3为本发明的总体结构装配侧视图2；

图4为本发明的惯性传感器装配体及安装基座上视图；

图5为本发明的S型折叠梁减振装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理及具体实施方式做进一步介绍。

本发明基于以下原理：与文献3提出的各向同性、对心安装的八点减振安装方式类似，本发明将惯性传感器安装框架简化成一个正六面体，如图1所示，将此正六面体中任意一个顶角置于水平面上，同时以与此顶角和其相对顶角间的连线作为垂线将此正六面体垂直立于水平面上，这样，正六面体中与此顶角相连的三个互相垂直的面相对于这个垂线就是各向同性的，此垂线就是正六面体的中心惯量主轴，而这三个互相垂直的面的中心点与正六面体中心的连线方向就是三个S型折叠梁减振装置的安装方向(也即S型折叠梁减振装置的主变形方向)。这样的安装方式同样可以达到文献3所述的各向同性、对心安装、减振装置的位置完全等价的效果，如图1所示，设M点为所述正六面体100的8个顶角中的任意一个，N点为顶角M在此六面体100上的对顶角，顶角N在水平面S内，对顶角连线MN垂直于水平面S，A、B、C点分别为与顶角N相连的3个互相垂直的面上的中心点，O点为此正六面体100的几何中心，将此正六面体100的几何中心点O与各个面的中心点A、B、C点分别相连得到的OA、OB、OC连线的方向即为本发明的减振器安装方向X、Y、Z方向，这三个方向互相垂直且相交于正六面体100的几何中心O点。

按照文献3中的步骤，在以该垂线为中心轴的三个相互垂直且相连的面上对称地安装机抖激光陀螺和加速度计如图2所示，则3个机抖激光陀螺、3个加速度计、3个S型折叠梁减振装置和正六面体的质心就一定在所述的垂线上，而且该垂线即为此惯性传感器装配体的中心惯量主轴，通过以此中心惯量主轴对称地加工或添加配重就可以将此惯性传感器装配体的质心调整到3个S型折叠梁减振装置的主变形方向的延长线上,从而实现惯性传感器装配体径向平动和摇摆运动的解耦。

如图2和图3所示，本发明包括惯性传感器安装框架200、第一S型折叠梁减振装置501、第二S型折叠梁减振装置502、第三S型折叠梁减振装置503、第一折叠梁减振装置安装座601、第二折叠梁减振装置安装座602、第三折叠梁减振装置安装座603和安装基座600。惯性传感器安装框架200为正六面体形状，其中一个顶角切去一个正三棱锥后剩下的三角形平面平行于安装基座600上表面，与所述三角形平面相对的三个面上分别从外向内挖有3个圆形腔体，3个圆形腔体以该顶点与其六面体对顶点的连线对称，3个加速度计401、402、403分别安装在3个圆形腔体中，且3个加速度计的敏感轴互相正交；同样在此3个面上从外向内挖有3个长方形腔体，3个长方形腔体以该顶点与其六面体对顶点的连线对称，3个机抖激光陀螺301、302、303分别安装在3个长方形腔体内，且3个机抖激光陀螺的敏感轴互相正交。

如图4所示，本发明中3个机抖激光陀螺301、302、303、3个加速度计401、402、403、惯性传感器安装框架200的中心惯量主轴即为3个机抖激光陀螺301、302、303和3个加速度计401、402、403安装的对称轴，通过以中心惯量主轴对称地增加配重，可以方便地将质心匹配到惯性传感器安装框架200的几何中心点。

S型折叠梁减振装置如图5所示，最上面的横梁S1和最下面的横梁S2均为中间横梁S3长度的一半，且各连接有两根短竖梁S4、S5，三个S型折叠梁减振装置上面的短竖梁S4通过安装法兰S6固定在惯性传感器安装框架剩下的三个面的中心，下面的短竖梁S5通过安装法兰S7分别固定在3个折叠梁减振装置安装座上，以两根短竖梁中心连线作为法线(也即S型折叠梁减振装置的主变形方向)，三个S型折叠梁减振装置的法线正交于惯性传感器安装框架的质心；在上面的横梁S1和下面的横梁S2上下两个面上分别粘贴有四块压电陶瓷片S8、S9、S10、S11，其中压电陶瓷片S8用于检测下面横梁S2的形变，另外三块压电陶瓷片S9、S10、S11用于对上面横梁S1和下面横梁S2形变的控制，也即在S型折叠梁减振装置的主变形方向进行减振控制。

S型折叠梁减振装置的主变形方向如图5中的箭头所示，此方向与图1所示的通过正六面体几何中心的三个方向X、Y、Z方向重合，这样就可以保证此惯性传感器装配体的中心惯量主轴通过装配体的质心，从而实现惯性传感器装配体径向平动和摇摆运动的解耦。

Claims (2)

1.一种机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振装置，其特征在于：所述装置包括惯性传感器安装框架、S型折叠梁减振装置、折叠梁减振装置安装座和安装基座；所述惯性传感器安装框架为正六面体形状，其一个顶角切去一个正三棱锥后剩下的三角形平面平行于安装基座，所述三角形平面与安装基座上表面有一定距离，此距离应保证惯性传感器安装框架在大冲击的情况下不会与安装基座产生碰撞损坏惯性传感器安装框架上安装的惯性传感器件；与所述三角形平面相对的三个面上分别安装三个机抖激光陀螺和三个加速度计，三个机抖激光陀螺的敏感轴相互正交，三个加速度计的敏感轴相互正交；所述S型折叠梁减振装置有三个，其最上面的横梁和最下面的横梁均为中间横梁长度的一半，且各连接有两根短竖梁，三个S型折叠梁减振装置上面的短竖梁通过安装法兰固定在惯性传感器安装框架剩下的三个面的中心，下面的短竖梁通过安装法兰分别固定在3个折叠梁减振装置安装座上，以两根短竖梁中心连线作为法线，三个S型折叠梁减振装置的法线正交于惯性传感器安装框架的质心；所述三个折叠梁减振装置安装座以圆周对称的方式固定在安装基座上，其径向截面为直角梯形或直角三角形，直角梯形或直角三角形的斜面分别与相对的惯性传感器安装框架的三个面平行；在S型折叠梁减振装置上面和下面的两个横梁的上下两个表面上分别粘贴有四块压电陶瓷片，所述四块压电陶瓷片中最下面的一块用于检测下面横梁的形变，另外三块用于实现对上面横梁和下面横梁形变的控制，也即在S型折叠梁减振装置的主变形方向进行减振控制。

2.一种基于权利要求1所述减振装置的减振方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、粘贴在S型折叠梁减振装置下面横梁下表面的压电陶瓷片采集因横梁形变而产生的电压信号Vi，发送给机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振控制单元；

S2、机抖激光陀螺惯性导航系统的可控减振控制单元将电压信号Vi通过比例、积分、微分控制算法转化成可控减振装置的控制电压信号Vo；

S3、将机抖激光陀螺惯性导航系统可控减振装置的控制电压信号Vo通过放大驱动电路输出到另外三块压电陶瓷片上，用于实现对上面横梁和下面横梁形变的控制，从而对S型折叠梁减振装置的形变进行补偿；

S4、在三个S型折叠梁减振装置上同时进行S1、S2和S3的步骤，以实现在全空间范围内机抖激光陀螺惯性导航系统的振动变形可测可控。

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