CN113483727A - 一种自主式小型化定向设备及寻北方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自主式小型化定向设备及寻北方法，设备包括水平伺服机构、俯仰伺服机构、控制电路、操作面板、陀螺寻北组件、转台、转动基座以及机械结构，水平、俯仰伺服机构相连接，机械结构上安装观测设备，水平、俯仰伺服机构分别实现观测设备的水平、俯仰方向转动调节；陀螺寻北组件位于转台内部，与转台一同旋转，通过通信接口与主控板相连。寻北方法采用改进的分段式寻北方案，先进行四位置寻北，解算得到粗寻北值，然后根据四位置寻北的结果，使第二段两位置寻北的初始位置停在陀螺寻北组件敏度最高的东西朝向再次进行寻北，得到的精寻北值与粗寻北值相结合，得到最终寻北值，采用分段式寻北可使寻北精度得到较大提升，降低寻北设备成本。

Description

一种自主式小型化定向设备及寻北方法

技术领域

本发明涉及寻北定向设备技术领域，具体涉及一种自主式小型化定向设备及寻北方法。

背景技术

目前常用的定向设备主要有磁定向设备(磁罗盘、电子罗盘)、陀螺经纬仪/全站仪、天文观测经纬仪及卫星定向设备等。定向主要应用于测量领域，高精度的定向技术在军事方面的应用主要有炮兵阵地以及导弹发射阵地测量；武器发射载体的快速方位测定；飞机、舰船的初始方位校准；目标定位系统(激光测距、声波测距、雷达测距)的方位指引等。在民用领域更为广泛，基础控制网布设、各类运动载体、工程测量等均对定向有具体的指标需求。

现有的定位设备有：磁定向设备，其操作简单、反应快，但是受复杂电磁环境影响较大，在高纬度地区误差较高。陀螺经纬仪/全站仪采用几何定向法，定向精度依赖于已知的起算点、水平方位角的数据精度，需知道起算点的坐标及方位或者两个已知点，应用场景有限。卫星定向设备常通过基线两端的卫星定位接收机来确定基线角度，受卫星定位精度影响大，且基线长度越长精度越大，设备体积较难控制。定向精度与定向时间是提高定向设备性能的关键指标。

发明内容

为了解决上述背景技术中存在的问题，本发明公开了一种自主式小型化定向设备，采用光纤陀螺寻北技术，在几个特定方位处采集光纤陀螺数据，根据不同位置光纤陀螺敏感到的不同地球自转角速度分量来求解北向夹角,只需要满足静基座的测量环境，寻北精度较高。

为了达到上述效果，本发明提供的技术方案如下：一种自主式小型定向设备，所述定向设备包括水平伺服机构、俯仰伺服机构、控制电路、操作面板、陀螺寻北组件、转台、转动基座以及机械结构，其中，所述水平伺服机构、俯仰伺服机构通过一机械结构相连接，所述机械结构上安装观测设备，水平伺服机构、俯仰伺服机构分别实现所述观测设备的水平转动、俯仰方向转动调节；

所述陀螺寻北组件位于转台内部，与转台一同旋转，通过通信接口与主控板相连，实现数据交互及寻北组件对转台的控制；

所述转台为观测设备主体的可整体水平旋转的部分，位于转动基座上方。

进一步的，所述水平伺服机构包含水平驱动器、水平伺服电机、水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆、滑环及水平光电编码器，主控板与水平驱动器固定连接，水平驱动器与水平伺服电机固定连接，水平伺服电机输出端与水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆依次连接；其中，所述水平蜗轮、水平蜗杆作为水平传动机构，所述滑环安装在所述水平传动机构上方，保证载荷数据信号在转动过程中的可靠传输，水平光电编码器安装在所述水平传动机构的传动轴方向，水平光电编码器作为绝对位置传感器为方位转动提供角度参考，将水平伺服电机的输出传递到中心转轴上以控制转台的水平转动。

进一步的，所述俯仰伺服机构包括俯仰驱动器、俯仰伺服电机、俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆和俯仰光电编码器，主控板与俯仰驱动器固定连接，俯仰驱动器与俯仰伺服电机固定连接，俯仰伺服电机输出端与俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆依次连接，所述俯仰蜗轮、俯仰蜗杆作为俯仰传动机构，俯仰光电编码器安装在所述俯仰传动机构的传动轴方向，将俯仰伺服电机的输出传递到俯仰转轴上以控制俯仰伺服机构的转动。

作为本申请的一种优选实施方案，所述机械接口上设有安装槽口，所述安装槽口为燕尾型，在所述安装槽口一侧设有一用于固定、拆除的拨杆。

作为本申请的一种优选实施方案，所述观测设备为光电观测仪或者雷达主机。

更进一步的，所述定向设备包含三脚架，所述转动基座固定在三脚架上方，转动基座内部包含电源转换板、连接器和固定外壳，所述机械结构、陀螺寻北组件、控制电路、操作面板及水平伺服机构、俯仰伺服机构一体化设置于转台内部。

基于上述自主式小型定向设备，本申请还提供一种寻北方法，所述方法采用改进的分段式寻北方案，首先进行四位置寻北，解算得到粗寻北值，然后根据所述四位置寻北的结果，使第二段两位置寻北的初始位置停在陀螺寻北组件敏度最高的东西朝向再次进行寻北，得到的精寻北值与粗寻北值相结合，得到最终寻北值。

进一步的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：进行陀螺寻北组件的经纬度设定、参数设定；

步骤二：发出寻北开始指令，陀螺寻北组件收到指令后归零；

步骤三：归零后先进行四位置寻北，在零度位置采集陀螺寻北组件内部的光纤陀螺和加速度计的数据，设定第一测量点的纬度为φ，地球自转角速度为ω_e，则第一测量点位置测得的角速度ω₁为：

ω₁＝ω_ecosφcosα+ε(t₁) (1)

顺时针转动90°并采集数据，依次转动在三、四位置采集数据：

ω₂＝ω_ecosφcos(α+90°)+ε(t₂) (2)

ω₃＝ω_ecosφcos(α+180°)+ε(t₃) (3)

ω₄＝ω_ecosφcos(α+270°)+ε(t₄) (4)

由于在短时间内，光纤陀螺的漂移为常量即：ε(t₁)＝ε(t₂)＝ε(t₃)＝ε(t₄),则

由式(5)可知，不需要纬度信息即可解算出粗寻北值α，公式如下：

步骤四：根据所述粗寻北值，使水平伺服机构旋转陀螺寻北组件到西向位置，数据采集完成后再次转动180°并采集数据，通过两位置寻北法解算精寻北值，第五位置和第六位置的输出公式为：

ω₅＝ω_ecosφcosα+ε(t₅) (7)

ω₆＝ω_ecosφcos(α+180)+ε(t₆) (8)

将式(5)(6)相减得ω₅-ω₆＝2ω_ecosφcosa，即最终寻北值

进一步的，所述步骤二中，陀螺寻北组件收到指令后先归零指的是：设备的水平伺服机构转动到零位位置，零位位置为上一次寻北结果中西向位置对应的水平伺服结构的编码器值。

本发明有益效果在于：

(1)所述的寻北软件算法，可以利用台子的伺服结构可以配合陀螺寻北设备完成自主定向功能；

(2)所述的软件功能可以使设备能通过内置的陀螺自主完成定向、定位信息的解算；

(3)所述的按键交互面板功能可以在无外接电子设备的情况下向设备直接输入定向所需的地理信息、相关载荷的标定、修正信息；

(4)所述的按键交互面板功能可允许操作人员手动进行寻北操作、设备的电动转动等功能，可用于搭载设备进行电动观测等场景，多功能优点明显；

(5)所述的燕尾结构，可以保证设备架设多种配套载荷时的机械对接面水平；

(6)所述的设备，三脚架、转台、陀螺寻北组件、瞄具之间均采用快拆接口设计，方便拆装，可提高测试效率。

(7)设备，结构紧凑，架设稳固，搭载多种载荷的能力较强。

附图说明

图1设备总体示意图；

图2安装燕尾接口示意图；

图3数据采集功能流程图；

图4寻北解算功能流程图；

图5车下光电侦察作业模式工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

自主式小型定向设备主要由水平伺服机构、俯仰伺服机构、控制电路、操作面板、陀螺寻北设备等组成，用于实现水平、俯仰角度的测量，并通过伺服电机控制设备转动。具有寻北功能，可通过软件控制进行自动陀螺寻北，人员只需架设好设备即可，无需手动对准、装订参数或手动转动转台方向。可实现手动、电动俯仰、水平角度的调节。同时设备上部的机械结构可作为光电观测仪、雷达主机等观测设备的承载平台。设备总体图为图1。

为实现发明的目的，小型自主定向设备的总体设计方案如下：

一种自主式小型定向设备，所述定向设备包括水平伺服机构、俯仰伺服机构、控制电路、操作面板、陀螺寻北组件、转台、转动基座以及机械结构，其中，所述水平伺服机构、俯仰伺服机构通过一机械结构相连接，所述机械结构上安装观测设备，水平伺服机构、俯仰伺服机构分别实现所述观测设备的水平转动、俯仰方向转动调节；

所述陀螺寻北组件位于转台内部，与转台一同旋转，通过通信接口与主控板相连，实现数据交互及寻北组件对转台的控制；

所述转台为观测设备主体的可整体水平旋转的部分，位于转动基座上方。

进一步的，所述水平伺服机构包含水平驱动器、水平伺服电机、水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆、滑环及水平光电编码器，主控板与水平驱动器固定连接，水平驱动器与水平伺服电机固定连接，水平伺服电机输出端与水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆依次连接；其中，所述水平蜗轮、水平蜗杆作为水平传动机构，所述滑环安装在所述水平传动机构上方，保证载荷数据信号在转动过程中的可靠传输，水平光电编码器安装在所述水平传动机构的传动轴方向，水平光电编码器作为绝对位置传感器为方位转动提供角度参考，将水平伺服电机的输出传递到中心转轴上以控制转台的水平转动。

如图1所示，本方案中的机械设计为：

a.1)水平伺服机构

水平伺服机构用于控制设备进行水平方向的转动，并测量水平角度，主要由伺服电机、减速机构、蜗轮、蜗杆、滑环及光电编码器等组成。

水平伺服机构具有手动和电动两种工作模式。采用蜗轮、蜗杆传动系统。

a.2)俯仰伺服机构

俯仰伺服机构用于控制设备进行俯仰方向的转动，并测量俯仰角度，主要由伺服电机、减速机构、蜗轮、蜗杆和光电编码器等组成。

俯仰伺服机构具有手动和电动两种工作模式。采用蜗轮、蜗杆传动方式。

a.3)机械接口

设备用于承载光电观测仪、雷达主机等具备通用接口的载荷，为确保机械接口的通用性，光电观测仪和雷达主机等载荷设备的机械接口均采用相同的燕尾方式，使设备的适装性大大增强，具体结构形式如图2所示。

进一步的，所述俯仰伺服机构包括俯仰驱动器、俯仰伺服电机、俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆和俯仰光电编码器，主控板与俯仰驱动器固定连接，俯仰驱动器与俯仰伺服电机固定连接，俯仰伺服电机输出端与俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆依次连接，所述俯仰蜗轮、俯仰蜗杆作为俯仰传动机构，俯仰光电编码器安装在所述俯仰传动机构的传动轴方向，将俯仰伺服电机的输出传递到俯仰转轴上以控制俯仰伺服机构的转动。

b.1)控制电路

控制电路用于与陀螺寻北组件、便携操控终端、光电观测仪等外部设备进行交互。设备具有实现角度测量、数据通讯、信息显示及信息处理等功能。综合接口和性能要求，采用ARM7来实现功能并满足指标。并将部分参数存储在FLASH中，防止掉电后数据丢失；用I2C转串口的芯片来扩展RS232-C通讯端口以满足多个单体设备的通讯要求；为了充分利用硬件资源，提高系统可靠性，显示驱动模块和电机驱动合用一块CPU。

b.2)操作面板

操作面板由显示屏和操作按键组成，用于对设备进行设置或操作，并显示角度等相关信息。使操作人员可在没有连接手持终端等外接设备的情况下进行寻北操作。

b.3)电气接口

设备主要与光电观测仪、雷达主机、陀螺寻北组件、便携操控终端以及携行电池发生电气交联。同时为了兼容用户现有信息终端，在设备上预留了北斗接口和信息终端接口具体交联信息如表1所示。

表1 设备电气接口表

序号	交联设备	接口方式	交互信号	备注
					1	光电观测仪	CAN口	距离、角度、视频、
2	雷达主机	RS422口	控制信息
					3	陀螺寻北设备	RS422口	北向信息	内部接口
4	便携操控终端	CAN口	距离、角度、视频、控制命令
					5	携行电源		电源
6	北斗接口	RS232口	北向信息、位置信息	预留
					7	信息终端	RS232口	目标信息、位置信息	预留

作为本申请的一种优选实施方案，如图2所示，所述机械接口上设有安装槽口，所述安装槽口为燕尾型，在所述安装槽口一侧设有一用于固定、拆除的拨杆。

作为本申请的一种优选实施方案，所述观测设备为光电观测仪或者雷达主机。

更进一步的，如图3所示，所述定向设备包含三脚架，所述转动基座固定在三脚架上方，转动基座内部包含电源转换板、连接器和固定外壳，所述机械结构、陀螺寻北组件、控制电路、操作面板及水平伺服机构、俯仰伺服机构一体化设置于转台内部。

实施例2

基于上述自主式小型定向设备，本申请还提供一种寻北方法，如图4所示，所述方法采用改进的分段式寻北方案，首先进行四位置寻北，解算得到粗寻北值，然后根据所述四位置寻北的结果，使第二段两位置寻北的初始位置停在陀螺寻北组件敏度最高的东西朝向再次进行寻北，得到的精寻北值与粗寻北值相结合，得到最终寻北值。

自主式小型化定向设备软件主要由光电观测仪、雷达主机、陀螺寻北设备等设备的嵌入式控制软件和便携操控终端软件组成。其中陀螺寻北设备的寻北软件会自动解析转台的角度信息并与转台主控进行交互，以完成多个位置的信息采集并自动解算寻北角度，便携操控终端软件及设备的屏幕按键会提供寻北基础信息的输入接口，如设备所在地址的经度、纬度等信息。其中数据采集功能流程图如图3所示，寻北解算功能流程图如图4所示。

进一步的，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：进行陀螺寻北组件的经纬度设定、参数设定；

步骤二：发出寻北开始指令，陀螺寻北组件收到指令后归零；

步骤三：归零后先进行四位置寻北，在零度位置采集陀螺寻北组件内部的光纤陀螺和加速度计的数据，设定第一测量点的纬度为φ，地球自转角速度为ω_e，则第一测量点位置测得的角速度ω₁为：

ω₁＝ω_ecosφcosα+ε(t₁) (1)

顺时针转动90°并采集数据，依次转动在三、四位置采集数据：

ω₂＝ω_ecosφcos(α+90°)+ε(t₂) (2)

ω₃＝ω_ecosφcos(α+180°)+ε(t₃) (3)

ω₄＝ω_ecosφcos(α+270°)+ε(t₄) (4)

由于在短时间内，光纤陀螺的漂移为常量即：ε(t₁)＝ε(t₂)＝ε(t₃)＝ε(t₄),则

由式(5)可知，不需要纬度信息即可解算出粗寻北值α，公式如下：

步骤四：根据所述粗寻北值，使水平伺服机构旋转陀螺寻北组件到西向位置，数据采集完成后再次转动180°并采集数据，通过两位置寻北法解算精寻北值，第五位置和第六位置的输出公式为：

ω₅＝ω_ecosφcosα+ε(t₅) (7)

ω₆＝ω_ecosφcos(α+180)+ε(t₆) (8)

将式(5)(6)相减得ω₅-ω₆＝2ω_ecosφcosa，即最终寻北值

由上式可知，采用两位置寻北时需要确定纬度信息，如果在已知当前纬度信息的情况下，则将输入的纬度信息代入计算，若未输入纬度信息则按照程序中预设的纬度信息进行解算(精度较低)。

进一步的，所述步骤二中，陀螺寻北组件收到指令后先归零指的是：设备的水平伺服机构转动到零位位置，零位位置为上一次寻北结果中西向位置对应的水平伺服结构的编码器值，采用分段式六位置寻北可使寻北精度得到较大提升，降低了寻北设备成本。

进入观测点后，通过台子的架设自主式小型化定向设备，由设备的按键操作面板或便携操控终端实现自身经纬度定位信息的获取与输入，操控设备进行自动陀螺寻北定向，随后使用光电观测仪载荷(昼间用电视模块，夜间用热像模块)观测目标，自主式小型化定向设备通过光电载荷发射激光测量目标角度，目标信息及设备信息经便携操控终端处理后，由便携操控终端通过有线方式或者无线方式发送给其他终端或者移动设备。工作流程图如图5所示。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述定向设备包括水平伺服机构、俯仰伺服机构、控制电路、操作面板、陀螺寻北组件、转台、转动基座以及机械结构，其中，所述水平伺服机构、俯仰伺服机构通过一机械结构相连接，所述机械结构上安装观测设备，水平伺服机构、俯仰伺服机构分别实现所述观测设备的水平转动、俯仰方向转动调节；

所述陀螺寻北组件位于转台内部，与转台一同旋转，通过通信接口与主控板相连，实现数据交互及寻北组件对转台的控制；

所述转台为观测设备主体的可整体水平旋转的部分，位于转动基座上方。

2.根据权利要求1所述的一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述水平伺服机构包含水平驱动器、水平伺服电机、水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆、滑环及水平光电编码器，主控板与水平驱动器固定连接，水平驱动器与水平伺服电机固定连接，水平伺服电机输出端与水平减速机构、水平蜗轮、水平蜗杆依次连接；其中，所述水平蜗轮、水平蜗杆作为水平传动机构，所述滑环安装在所述水平传动机构上方，保证载荷数据信号在转动过程中的可靠传输，水平光电编码器安装在所述水平传动机构的传动轴方向，水平光电编码器作为绝对位置传感器为方位转动提供角度参考，将水平伺服电机的输出传递到中心转轴上以控制转台的水平转动。

3.根据权利要求1所述的一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述俯仰伺服机构包括俯仰驱动器、俯仰伺服电机、俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆和俯仰光电编码器，主控板与俯仰驱动器固定连接，俯仰驱动器与俯仰伺服电机固定连接，俯仰伺服电机输出端与俯仰减速机构、俯仰蜗轮、俯仰蜗杆依次连接，所述俯仰蜗轮、俯仰蜗杆作为俯仰传动机构，俯仰光电编码器安装在所述俯仰传动机构的传动轴方向，将俯仰伺服电机的输出传递到俯仰转轴上以控制俯仰伺服机构的转动。

4.根据权利要求1所述的一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述机械接口上设有安装槽口，所述安装槽口为燕尾型，在所述安装槽口一侧设有一用于固定、拆除的拨杆。

5.根据权利要求1至4任一项所述的一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述观测设备为光电观测仪或者雷达主机。

6.根据权利要求5所述的一种自主式小型定向设备，其特征在于，所述定向设备包含三脚架，所述转动基座固定在三脚架上方，转动基座内部包含电源转换板、连接器和固定外壳，所述机械结构、陀螺寻北组件、控制电路、操作面板及水平伺服机构、俯仰伺服机构一体化设置于转台内部。

7.一种寻北方法，其特征在于，

所述方法采用改进的分段式寻北方案，首先进行四位置寻北，解算得到粗寻北值，然后根据所述四位置寻北的结果，使第二段两位置寻北的初始位置停在陀螺寻北组件敏度最高的东西朝向再次进行寻北，得到的精寻北值与粗寻北值相结合，得到最终寻北值。

8.根据权利要求7所述的一种寻北方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：进行陀螺寻北组件的经纬度设定、参数设定；

步骤二：发出寻北开始指令，陀螺寻北组件收到指令后归零；

步骤三：归零后先进行四位置寻北，在零度位置采集陀螺寻北组件内部的光纤陀螺和加速度计的数据，设定第一测量点的纬度为φ，地球自转角速度为ω_e，则第一测量点位置测得的角速度ω₁为：

ω₁＝ω_ecosφcosa+ε(t₁) (1)

顺时针转动90°并采集数据，依次转动在三、四位置采集数据：

ω₂＝ω_ecosφcos(α+90°)+ε(t₂) (2)

ω₃＝ω_ecosφcos(α+180°)+ε(t₃) (3)

ω₄＝ω_ecosφcos(α+270°)+ε(t₄) (4)

由于在短时间内，光纤陀螺的漂移为常量即：ε(t₁)＝ε(t₂)＝ε(t₃)＝ε(t₄)，则

由式(5)可知，不需要纬度信息即可解算出粗寻北值α，公式如下：

步骤四：根据所述粗寻北值，使水平伺服机构旋转陀螺寻北组件到西向位置，数据采集完成后再次转动180°并采集数据，通过两位置寻北法解算精寻北值，第五位置和第六位置的输出公式为：

ω₅＝ω_ecosφcosα+ε(t_s) (7)

ω₆＝ω_ecosφcos(α+180)+ε(T₆) (8)

将式(5)(6)相减得ω₅-ω₆＝2ω_ecosφcosα，即最终寻北值

9.根据权利要求8所述的一种寻北方法，其特征在于，所述步骤二中，陀螺寻北组件收到指令后先归零指的是：设备的水平伺服机构转动到零位位置，零位位置为上一次寻北结果中西向位置对应的水平伺服结构的编码器值。

Images