CN114264303B - 轻小型高精度复合式惯性导航系统及导航模式切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻小型高精度复合式惯性导航系统及导航模式切换方法，导航系统包括基座、通过第一轴承转动安装在基座上的外旋转框、通过第二轴承转动设置于外旋转框上的内旋转框和设置于内旋转框上的惯性测量组件，内旋转框和外旋转框的一端设置分别有驱动组件、另一端分别设置有锁紧机构，驱动组件包括超声波电机和角度传感器，锁紧机构包括动盘、碟簧、线圈、壳体和定盘，动盘分别与内旋转框和外旋转框接触，碟簧设置于动盘、定盘和壳体之间，碟簧通过线圈产生的磁场进行伸缩，实现对动盘支撑和远离，线圈通过控制电流通入改变磁场。采用超声波电机和电磁锁，可在恶劣力学环境下快速锁紧与解锁，满足复杂力学环境使用需要。

Description

轻小型高精度复合式惯性导航系统及导航模式切换方法

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种轻小型高精度复合式惯性导航系统及导航模式切换方法。

背景技术

带旋转机构的捷联惯性系统，简称“复合式惯性系统”，近年来国内提出的一种介于捷联惯性系统与平台惯性系统之间的新型惯性导航系统。在系统组成方面，与传统的捷联惯性导航系统相比较，复合式惯性系统增加了一套旋转机构；与传统的平台惯性系统相比较，复合式惯性系统对旋转机构的旋转精度大幅降低，加工难度大大降低。在性能上，复合式惯性系统在采用了旋转机构后，结合标定算法，可以具备自标定功能，解决惯性系统定期需上高精度转台标定的问题；可以具有很高的寻北精度；可以利用旋转机构运动，获取优于传统捷联惯性系统数倍的导航精度。复合式惯性系统已经在飞行器制导与控制系统、车辆定位定向/瞄准系统以及水上/水下航行器当中得到了应用，其中代表性的产品为具有自标定、自对准、自检测功能的“三自捷联惯导”，以及可以大幅提高导航精度的“旋转调制惯导”。许多单位和研究机构开始投入精力，开展复合式惯性系统的研究及其应用，开展相关工作。

现有的“三自捷联惯导”一般均采用了销锁或端齿盘锁紧，在导航过程需要锁紧，可以承受恶劣力学环境。但因此无法在导航过程通过旋转来提高导航精度。现有的带有双轴旋转机构的“旋转调制惯导”可以同时具备自标定、自对准、自检测的三自功能，但由于不带锁紧机构，恶劣复杂的力学环境下，电机控制难度大。传统的销锁或端齿盘锁紧与解锁过程时间长（一般为5s），并且在恶劣力学环境下容易发生锁紧与解锁失败，因此也无法在此场合应用。超声波电机具有功率密度大、低速大力矩输出、电磁兼容优异、响应速度快、断电自锁的特点，在复合式惯导中应用，有利于降低重量，减小体积。国内虽然有单位开展了相关研究工作，但超声波电机自锁力矩不足，无法满足振动条件要求，同时由于传统的销锁或端齿盘锁紧与超声波电机断电自锁性能发生矛盾，容易导致无法可靠锁紧。在锁紧问题上一直未能取得突破，是超声波电机在复合式惯导中一直未正式应用的主要原因。

专利申请号为CN201610181486.2的中国专利公开了一种具有自标定、自对准、自诊断功能的捷联惯导系统，采用螺杆带动压紧杆运动进行锁止的方式进行解锁和锁定，专利申请号为CN201721488027.5的中国专利公开了一种三自惯组伺服控制系统，采用齿盘进行锁止，主要解决的是屏蔽问题，专利申请号为CN202010160480.3的中国专利公开了一种旋转式惯导驱动与锁紧一体化装置及其使用方法，采用两个电机实现对齿轮的锁紧和解锁，两个电机通过电流实现控制。以上锁紧方式至少存在以下几个问题：导航过程不具备旋转调制的功能、重量较大、体积较大、无法满足有恶劣力学环境的应用场合、旋转机构效率低，在大的振动条件下需要保持通电伺服，而且装调难度大，不利于批量化生产、超声波电动机的断电锁紧力矩在振动环境下受旋转框刚性影响大，因此难以应用于具有较大的冲击、振动和过载，同时对产品轻小型化要求严格的场合。

发明内容

为解决背景技术中问题，本发明提供如下技术方案：一种轻小型高精度复合式惯性导航系统，包括基座、通过第一轴承转动安装在基座上的外旋转框、通过第二轴承转动设置于外旋转框上的内旋转框、设置于内旋转框上的惯性测量组件，所述内旋转框和外旋转框的一端设置分别有驱动组件、另一端分别设置有锁紧机构，所述驱动组件包括超声波电机和角度传感器，所述锁紧机构包括动盘、碟簧、线圈、壳体和定盘，所述动盘分别与内旋转框和外旋转框接触，所述碟簧设置于动盘、定盘和壳体之间，所述碟簧通过线圈产生的磁场进行伸缩，实现对动盘支撑和远离，所述线圈通过控制电流通入改变磁场。

优选的，所述锁紧机构包括动盘、线圈、壳体、定盘、永磁体和摩擦片，所述线圈和永磁体连为一体。

优选的，所述控制电流的方式为：

式中，S_a为安全系数，I₀为电磁锁单位锁紧力矩对应的电流值，M为旋转惯性矩，A为加速度计敏感到的加速度，ε为阻尼比，f为加速度频率，f₀为固有频率。

本发明还公开了基于轻小型高精度复合式惯性导航系统的导航模式切换方法，包括以下步骤：

S1、通过仿真和试验，建立旋转机构力学环境下的驱动特性模型，包含内环驱动特性和外环驱动特性：

其中，T _s 为环境加速度，W _e 为环境力频率，A _d 为电机跟随相位延迟，将Z _T 量化成图表；

S2、设置安全相位η_k；

S3、在复合式惯性导航系统工作时，实时采集并分析陀螺与加速度计数据，评估振动、过载、冲击等力学环境情况，获取当前力学环境参数：

其中，T _v 为环境加速度，W _v 为环境力频率；

S4、将[Z _h η_k]与Z _T 图表进行比较，当T _v =T _s ，W _v =W _e 时，对比A _d 与η_k，若内外环A _d <η_k,则判定力学环境较好，内、外环旋转机构驱动满足，控制锁紧机构解锁，惯组进入双轴旋转调制导航状态；

当力学环境变差，外环A _d ≥η_k，内环A _d <η_k，内环外环旋转机构难以高精度伺服，内环旋转机构驱动满足时，控制锁紧机构锁紧外环，惯组进入单轴旋转调制导航状态；

当力学环境恶劣，内外环A _d ≥η_k，内、外环旋转机构难以高精度伺服，控制锁紧机构锁紧，惯组进入纯捷联导航状态，同时根据力学环境恶劣程度，测量转位机构框架角，补偿惯组的航向角及姿态信息。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的轻小型高精度复合式惯性导航系统采用集成了角度传感器的超声波电机和电磁锁，可以在恶劣力学环境下快速锁紧与解锁，具备“三自捷联惯导”和“旋转调制惯导”全部功能，可以满足恶劣复杂的力学环境使用需要，在使用上具有更好的灵活性，同时具有轻小型的特点。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明锁紧机构示意图之一；

图3为本发明锁紧机构示意图之二。

附图标记：1、基座；2、外旋转框；3、内旋转框；4、惯性测量组件；5、超声波电机；6、角度传感器；71、动盘；72、碟簧；73、线圈；74、壳体；75、定盘；76、永磁体；77、摩擦片；11、第一轴承；21、第二轴承。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的轻小型高精度复合式惯性导航系统，包括基座1、通过第一轴承11转动安装在基座1上的外旋转框2、通过第二轴承21转动设置于外旋转框2上的内旋转框3、设置于内旋转框3上的惯性测量组件4，内旋转框3和外旋转框2的一端设置分别有驱动组件、另一端分别设置有锁紧机构，驱动组件包括超声波电机5和角度传感器6，锁紧机构包括动盘71、碟簧72、线圈73、壳体74和定盘75，动盘71分别与内旋转框3和外旋转框2接触，碟簧72设置于动盘71、定盘75和壳体74之间，定盘75和壳体74在此处用于安装和固定，碟簧72通过线圈73产生的磁场进行伸缩，实现对动盘71支撑和远离，线圈73通过控制电流通入改变磁场。惯性测量组件4包括三只加速度计、三只陀螺仪，通过螺钉固定在内旋转框3上，加速度计采集电路，电机控制电路和信号采集控制电路安装在基座上。实施例1的锁紧方式：线圈73通电，碟簧72受磁场压缩，实现解锁，断电，碟簧解压，压住动盘71。

实施例2

如图3所示，与实施例1不同的是锁紧机构包括动盘71、线圈73、壳体74、定盘75、永磁体76和摩擦片77，线圈73和永磁体76连为一体。实施例2的锁紧方式：分别为线圈通入正向电流和反向电流，通过同名磁极相互排斥,异名磁极相互吸引的原理实现摩擦片对动盘71的控制。

实施例3

为了进一步提高锁止效果，实施例3根据实际使用情况设计一种控制电流的方式为：

式中，Sa为安全系数，I₀为电磁锁单位锁紧力矩对应的电流值，M为旋转惯性矩，A为加速度计敏感到的加速度，ε为阻尼比，f为加速度频率，f₀为固有频率。由于给定电流和实际工况存在误差，导致给定电流无法对电机轴进行锁止，因此需要实时对电流进行调整，以保证其实现锁止。

实施例4

本发明还公开了一种基于轻小型高精度复合式惯性导航系统的导航模式切换方法，包括以下步骤：

S1、通过仿真和试验，建立旋转机构力学环境下的驱动特性模型，包含内环驱动特性和外环驱动特性：

其中，T _s 为环境加速度，W _e 为环境力频率，A _d 为电机跟随相位延迟，将Z _T 量化成图表；

S2、设置安全相位η_k；

S3、在复合式惯性导航系统工作时，实时采集并分析陀螺与加速度计数据，评估振动、过载、冲击等力学环境情况，获取当前力学环境参数：

其中，T _v 为环境加速度，W _v 为环境力频率；

S4、将[Z _h η_k]与Z _T 图表进行比较，当T _v =T _s ，W _v =W _e 时，对比A _d 与η_k，若内外环A _d <η_k,则判定力学环境较好，内、外环旋转机构驱动满足，控制锁紧机构解锁，惯组进入双轴旋转调制导航状态；

当力学环境变差，外环A _d ≥η_k，内环A _d <η_k，内环外环旋转机构难以高精度伺服，内环旋转机构驱动满足时，控制锁紧机构锁紧外环，惯组进入单轴旋转调制导航状态；

当力学环境恶劣，内外环A _d ≥η_k，内、外环旋转机构难以高精度伺服，控制锁紧机构锁紧，惯组进入纯捷联导航状态，同时根据力学环境恶劣程度，测量转位机构框架角，补偿惯组的航向角及姿态信息。

该导航切换方法可以自行根据工况进行选择，以保证获取最佳数据。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种轻小型高精度复合式惯性导航系统的导航模式切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过仿真和试验，建立旋转机构力学环境下的驱动特性模型，包含内环驱动特性和外环驱动特性：

其中，T_s为环境加速度，W_e为环境力频率，A_d为电机跟随相位延迟，将Z_T量化成图表；

S2、设置安全相位η_k；

S3、在复合式惯性导航系统工作时，实时采集并分析陀螺与加速度计数据，评估振动、过载、冲击力学环境情况，获取当前力学环境参数：

其中，T_v为环境加速度，W_v为环境力频率；

S4、将[Z_hη_k]与Z_T图表进行比较，当T_v=T_s，W_v=W_e时，对比A_d与η_k，若内外环A_d<η_k,则判定力学环境较好，内、外环旋转机构驱动满足，控制锁紧机构解锁，惯组进入双轴旋转调制导航状态；

当力学环境变差，外环A_d≥η_k，内环A_d<η_k，内环外环旋转机构难以高精度伺服，内环旋转机构驱动满足时，控制锁紧机构锁紧外环，惯组进入单轴旋转调制导航状态；

当力学环境恶劣，内外环A_d≥η_k，内、外环旋转机构难以高精度伺服，控制锁紧机构锁紧，惯组进入纯捷联导航状态，同时根据力学环境恶劣程度，测量转位机构框架角，补偿惯组的航向角及姿态信息；

其中，复合式惯性导航系统包括基座（1）、通过第一轴承（11）转动安装在基座（1）上的外旋转框（2）、通过第二轴承（21）转动设置于外旋转框（2）上的内旋转框（3）和设置于内旋转框（3）上的惯性测量组件（4），所述内旋转框（3）和外旋转框（2）的一端设置分别有驱动组件、另一端分别设置有锁紧机构，其特征在于：所述驱动组件包括超声波电机（5）和角度传感器（6），所述锁紧机构包括动盘（71）、碟簧（72）、线圈（73）、壳体（74）和定盘（75），所述动盘（71）分别与内旋转框（3）和外旋转框（2）接触，所述碟簧（72）设置于动盘（71）、定盘（75）和壳体（74）之间，所述碟簧（72）通过线圈（73）产生的磁场进行伸缩，实现对动盘（71）支撑和远离，所述线圈（73）通过控制电流通入改变磁场。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述锁紧机构包括动盘（71）、线圈（73）、壳体（74）、定盘（75）、永磁体（76）和摩擦片（77），所述线圈（73）和永磁体（76）连为一体。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述控制电流的方式为：

式中，S_a为安全系数，I₀为电磁锁单位锁紧力矩对应的电流值，M为旋转惯性矩，A为加速度计敏感到的加速度，ε为阻尼比，f为加速度频率，f₀为固有频率。

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