CN113984036A - 一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体，三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，探测组件连接有控制解算存储通讯电路，便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU，光源控制电路用于为光源组件中的光源的供电，电源控制电路用于控制三轴光纤陀螺的供电，姿态和重力传感器连接探测组件，光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU均连接控制解算存储通讯电路与现有技术相比，本发明具有降低了功耗、延长了使用时间、抗冲击和抗振动性能好等优点。

Description

一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及三轴光纤陀螺测姿系统领域，尤其是涉及一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统及其控制方法。

背景技术

随着地下钻探要求无人化，智能化，数字化的不断提升，对地下钻探测量精度要求不断提高急需一种高精度，高可靠，高效率的姿态航向测量设备。目前测量设备主要有三种方式：三轴磁罗盘加三轴加速度计方式、机械陀螺加三轴加速度计寻北方式和光纤陀螺加三轴加速度计通过转位寻北方式。

下面对这三种方式的弊端分别进行分析。

三轴磁罗盘加三轴加速度计方式存在以下弊端：

1.1)磁罗盘精度低一般航向角只能达到±1.5°；

1.2)需要无磁钢做外套，成本及加工难度大；

1.3)容易被铁磁物质干扰；

1.4)不能在测量中进行自标定。

机械陀螺加三轴加速度计寻北方式存在以下弊端：

2.1)由于有挠性连接杆，及转动部件，导致抗振性差；

2.2)长时间精度漂移大；

2.3)外围电路复杂，需要16K信号发生电路，电机伺服控制电路，调制解调电路，姿态解算电路，电源转换电路。

光纤陀螺加三轴加速度计通过转位寻北方式存在以下弊端：

3.1)一般采用一至三个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成IMU模块通过转位方式进行寻北。造成结构复杂，体积大；

3.2)一至二个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成的系统在大于60°后航向精度降低，不能进行连续测量；

3.3)采用三个光纤陀螺模块和三个石英加速度计组成的系统，内部含有3套光源，3套Sagnec信号检测伺服电路，三套光路组件，同时需要给石英加速度计提供±12V以上的电源，造成功耗高，电压高，防爆要求高。不适合用电池供电。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的光纤陀螺加三轴加速度计通过转位寻北方式结构复杂，功耗大的缺陷而提供一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体，所述三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，所述探测组件连接有控制解算存储通讯电路，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU，所述光源控制电路用于为所述光源组件中的光源的供电，所述电源控制电路用于控制所述三轴光纤陀螺的供电，所述姿态和重力传感器连接所述探测组件，所述光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU均连接所述控制解算存储通讯电路。

进一步地，所述姿态和重力传感器为三轴MEMS加速度计或MEMS倾角传感器。

进一步地，所述光源组件包括一个光源、一个第一耦合器、三个第二耦合器和三个检测单元，每个所述检测单元包括一个光纤环、一个Y波导和一个探测器，所述Y波导连接所述光纤环，所述第一耦合器分别连接三个第二耦合器和光源，每个所述第二耦合器还分别连接检测单元的Y波导和探测器，所述三个检测单元的光纤环以两两正交的方式连接所述架体。

进一步地，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括Z轴模块、X轴模块和Y轴模块，所述Z轴模块、X轴模块和Y轴模块分别连接有一个检测单元，所述Z轴模块、X轴模块和Y轴模块以两两正交的方式连接所述架体，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统为立方体结构。

进一步地，所述探测组件包括依次连接的光信号检测差分放大电路和信号检测伺服电路，所述信号检测伺服电路连接所述姿态和重力传感器。

进一步地，所述信号检测伺服电路包括模数转换芯片、信号汇总预处理芯片、信号控制处理模块、数模转换芯片、辅助闭环芯片和温度采集芯片，所述模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片和辅助闭环芯片依次连接，所述信号控制处理芯片还分别连接所述温度采集芯片和姿态和重力传感器。

进一步地，所述模数转换芯片的型号为AD9235，所述信号汇总预处理芯片的型号为STM32F4XX，所述信号控制处理模块包括相互连接的FPGA芯片和STM32F4XX芯片，所述数模转换芯片的型号为AD9744，所述辅助闭环芯片的型号为AD5883，所述温度采集芯片的型号为DS18B20。

进一步地，所述探测组件还连接有RS232接口。

本发明还提供一种如上所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统的控制方法，包括以下步骤：

测姿步骤：探测组件通过姿态和重力传感器测量重力阴影，通过三轴光纤陀螺探测地球自转的角速度，然后基于地球自转为15°/H的原理，采用投影坐标转换的方式进行测姿；

电源控制步骤：控制解算存储通讯电路根据三轴MEMS IMU的探测数据，判断系统处于静止状态还是运动状态，若系统处于运动状态，则打开光源控制电路、关闭电源控制电路；若系统处于静止状态，则打开光源控制电路以及电源控制电路，执行测姿步骤。

进一步地，所述测姿步骤还包括将三轴MEMS IMU的探测数据与姿态和重力传感器和三轴光纤陀螺的探测数据，进行算法组合，从而进行测姿。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明设有控制解算存储通讯电路，控制电源控制电路上电时序，光源板电路上电时序，加速度计板上电时序；通过三轴MEMS IMU判断系统处于静止状态还是运动状态，在运动状态时，关闭电源控制电路，降低了功耗，延长了使用时间；

(2)本发明通过一体化设计将三轴光纤陀螺，三轴高精度MEMS加速度计，控制解算存储通讯电路集成在小型化结构内，通过三轴加速度计测量重力投影和三轴光纤陀螺敏感地球自转的角速度通过投影坐标转换方式，不用旋转光纤陀螺就能测量出地球真北方向，同时通过投影坐标转换的方式，可以对全方位进行测量而不损失精度；由于没有运动部件，去除了石英挠性加速度计，整机的抗冲击，抗振动性能极为出色。

(3)所有测量部件安装在光路骨架上形成固连，减少因安装造成的测量误差，同时提高了整体的结构强度；只用+5V电源即可工作；减少防爆认证难度。

附图说明

图1为本发明便携式三轴光纤陀螺测姿系统的结构示意图；

图中，1、外壳，2、探测电路板，3、Z轴模块，4、盘纤板，5、X轴模块，6、加表电路板，7、前盖板，8、探测板，9、系统电路板，10、Y轴模块，11、电源电路板，12、光源，13、光源电路板，14、底座，15、后盖板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体，三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，探测组件连接有控制解算存储通讯电路，便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU，光源控制电路用于为光源组件中的光源供电，电源控制电路用于为三轴光纤陀螺供电，姿态和重力传感器连接探测组件，光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMS IMU均连接控制解算存储通讯电路。

下面对各部分进行具体描述。

一、光源组件

光源组件包括一个光源、一个第一耦合器、三个第二耦合器和三个检测单元，每个检测单元包括一个光纤环、一个Y波导和一个探测器，Y波导连接光纤环，第一耦合器分别连接三个第二耦合器和光源，每个第二耦合器还分别连接检测单元的Y波导和探测器，三个检测单元的光纤环以两两正交的方式连接架体。

二、探测组件

探测组件包括依次连接的光信号检测差分放大电路和信号检测伺服电路，信号检测伺服电路连接姿态和重力传感器。

信号检测伺服电路包括模数转换芯片、信号汇总预处理芯片、信号控制处理模块、数模转换芯片、辅助闭环芯片和温度采集芯片，模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片和辅助闭环芯片依次连接，信号控制处理芯片还分别连接温度采集芯片和姿态和重力传感器。

模数转换芯片的型号为AD9235，信号汇总预处理芯片的型号为STM32F4XX，信号控制处理模块包括相互连接的FPGA芯片和STM32F4XX芯片，数模转换芯片的型号为AD9744，辅助闭环芯片的型号为AD5883，温度采集芯片的型号为DS18B20。

信号汇总预处理芯片用于对信号进行汇总与预处理，FPGA芯片和STM32F4XX芯片相互配合进行信号控制处理，本实施例中，信号控制处理模块中的FPGA芯片用于进行信号控制，信号控制处理模块中的STM32F4XX芯片用于进行信号处理。

探测组件还连接有RS232接口。

三、姿态和重力传感器

姿态和重力传感器为三轴MEMS加速度计或MEMS倾角传感器。

四、具体结构

便携式三轴光纤陀螺测姿系统的架体包括探测板8、Z轴模块3、X轴模块5、Y轴模块10、光源电路板13、电源电路板11、探测电路板2、系统电路板9、外壳1、底座14、前盖板7、后盖板15、盘纤板4和加表电路板6。探测板8由四个连接板构成，为无上下盖的长方体结构，Z轴模块6、X轴模块5和Y轴模块10分别连接在探测板8中两两正交的三个面上；Z轴模块6、X轴模块5和Y轴模块10用于安装有一个光源组件，探测板8对应安装有两个探测组件，探测电路板2上对应安装最后一个探测组件，探测电路板2位于探测板8的上端。

盘纤板4用于固定光源组件的光纤环，加表电路板6用于连接接口电路。

光源控制电路安装于光源电路板13，电源控制电路安装于电源电路板11，控制解算存储通讯电路安装于系统电路板9，外壳1、底座14、前盖板7和后盖板15连接成封闭式立方体结构。

本实施例还提供一种如上所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统的控制方法，包括以下步骤：

测姿步骤：探测组件通过姿态和重力传感器测量重力阴影，通过三轴光纤陀螺探测地球自转的角速度，然后基于地球自转为15°/H的原理，采用投影坐标转换的方式进行测姿；

电源控制步骤：控制解算存储通讯电路根据三轴MEMS IMU的探测数据，判断系统处于静止状态还是运动状态，若系统处于运动状态，则打开光源控制电路、关闭电源控制电路；若系统处于静止状态，则打开光源控制电路以及电源控制电路，执行测姿步骤。

所述测姿步骤还包括将三轴MEMS IMU的探测数据与姿态和重力传感器和三轴光纤陀螺的探测数据，进行算法组合，从而进行测姿。

具体实施：

本实施例提供一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，包括三个Φ70高精度单轴光纤环、三个Y波导、一个1*3耦合器(第一耦合器)、三个2*2耦合器(第二耦合器)、一个SLD光源(光源)、一个高精度的三轴MEMS加速度计、一个三轴MEMS IMU、一个光源控制电路、一个型号为HTPF08J-404的信号检测伺服电路、一个控制解算通讯电路、光路骨架、基座、外壳和连接器，光路骨架上安装有光路骨架光纤盘。

下面进行具体描述。

1、采用高精度MEMS加速度计，或高精度MEMS倾角传感器作为姿态及重力测量传感器，通过PCB板装配在光路骨架上。

2、三个小直径高精度单轴光纤环分别以正交方式安装在光路骨架上。

3、耦合器和波导分别安装在光路骨架光纤盘的纤面上。

4、光源通过螺钉加导热垫直接安装在光路骨架上。

5、信号检测伺服电路板采用高速模数转换芯片AD9235作为信号采集芯片，FPGA和一个STM32F4XX芯片作为信号控制处理芯片，另一个STM32F4XX芯片作为信号汇总预处理芯片，高速数模转换芯片AD9744作为闭环控制芯片，AD5883作为辅助闭环芯片，通过DS18B20作为温度采集芯片补偿温度引起的漂移。可同步采集三轴高精度MEMS加速度计信号，三轴MEMS IMU信号采集。通过RS422总线，同电源转换控制解算通讯电路板进行通讯。

6、控制解算存储通讯电路，主要作用正电源转负电源，电源稳压滤波，控制光纤陀螺电源上电时序，光源板电路上电时序，加速度计板上电时序，姿态航向解算，LED显示屏驱动，也可根据外部信号进入寻北测量。

7、通过和一个三轴MEMS IMU进行算法组合提高运动中定位定向精度，也可以单独使用三轴MEMS IMU进行短时间姿态方位保持，并检测系统状态，关闭光纤陀螺电源降低功耗，延长使用时间。

8、光源控制电路单独安装在SLD光源附近光路骨架上，减少干扰。

9、同时具有一个RS232接口与外部通讯，以接受命令传输数据。

10、可以通过连接器接口对整机进行程序更新，参数标定设置。可以通过RS232接口对FPGA进行参数配置。

工作原理：

本实施例通过一体化设计将三轴光纤陀螺，三轴MEMS加速度计，控制解算存储通讯电路集成在小型化结构内，众所周知地球自转为15°/H，通过三轴加速度计测量重力投影和三轴光纤陀螺敏感地球自转的角速度通过投影坐标转换方式，不用旋转光纤陀螺就能测量出地球真北方向，同时通过投影坐标转换的方式，可以对全方位进行测量而不损失精度。由于没有运动部件，去除了石英挠性加速度计，整机的抗冲击，抗振动性能极为出色。整机寻北时功耗小于6W。瞬态冲击电流小于1.6A。所有测量部件安装在光路骨架上形成固连，减少因安装造成的测量误差，同时提高了整体的结构强度。只用+5V电源即可工作。减少防爆认证难度。采用陀螺控制电路，和姿态解算电路分开设计的方案，提高系统的可维护性。同时控制解算存储通讯电路板可以通过上位机对系统进行标定，对信号检测伺服电路上的FPGA进行配置简化标定测试流程。具有外接显示功能，能通过LED模块实时显示方位和俯仰角，本实施例非常适合要求高精度测量钻机攻角方位，以及任何需要测量载体的方向及俯仰角。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，包括三轴光纤陀螺、姿态和重力传感器和支撑整个系统的架体，所述三轴光纤陀螺包括光源组件和探测组件，其特征在于，所述探测组件连接有控制解算存储通讯电路，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMSIMU，所述光源控制电路用于为所述光源组件中的光源的供电，所述电源控制电路用于控制所述三轴光纤陀螺的供电，所述姿态和重力传感器连接所述探测组件，所述光源控制电路、电源控制电路和三轴MEMSIMU均连接所述控制解算存储通讯电路。

2.根据权利要求1所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述姿态和重力传感器为三轴MEMS加速度计或MEMS倾角传感器。

3.根据权利要求1所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述光源组件包括一个光源、一个第一耦合器、三个第二耦合器和三个检测单元，每个所述检测单元包括一个光纤环、一个Y波导和一个探测器，所述Y波导连接所述光纤环，所述第一耦合器分别连接三个第二耦合器和光源，每个所述第二耦合器还分别连接检测单元的Y波导和探测器，所述三个检测单元的光纤环以两两正交的方式连接所述架体。

4.根据权利要求3所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统还包括Z轴模块、X轴模块和Y轴模块，所述Z轴模块、X轴模块和Y轴模块分别连接有一个检测单元，所述Z轴模块、X轴模块和Y轴模块以两两正交的方式连接所述架体，所述便携式三轴光纤陀螺测姿系统为立方体结构。

5.根据权利要求1所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述探测组件包括依次连接的光信号检测差分放大电路和信号检测伺服电路，所述信号检测伺服电路连接所述姿态和重力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述信号检测伺服电路包括模数转换芯片、信号汇总预处理芯片、信号控制处理模块、数模转换芯片、辅助闭环芯片和温度采集芯片，所述模数转换芯片、信号控制处理芯片、数模转换芯片和辅助闭环芯片依次连接，所述信号控制处理芯片还分别连接所述温度采集芯片和姿态和重力传感器。

7.根据权利要求6所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述模数转换芯片的型号为AD9235，所述信号汇总预处理芯片的型号为STM32F4XX，所述信号控制处理模块包括相互连接的FPGA芯片和STM32F4XX芯片，所述数模转换芯片的型号为AD9744，所述辅助闭环芯片的型号为AD5883，所述温度采集芯片的型号为DS18B20。

8.根据权利要求6所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统，其特征在于，所述探测组件还连接有RS232接口。

9.一种如权利要求1所述的一种便携式三轴光纤陀螺测姿系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

测姿步骤：探测组件通过姿态和重力传感器测量重力阴影，通过三轴光纤陀螺探测地球自转的角速度，然后基于地球自转为15°/H的原理，采用投影坐标转换的方式进行测姿；

电源控制步骤：控制解算存储通讯电路根据三轴MEMSIMU的探测数据，判断系统处于静止状态还是运动状态，若系统处于运动状态，则打开光源控制电路、关闭电源控制电路；若系统处于静止状态，则打开光源控制电路以及电源控制电路，执行测姿步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测姿步骤还包括将三轴MEMSIMU的探测数据与姿态和重力传感器和三轴光纤陀螺的探测数据，进行算法组合，从而进行测姿。

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