CN117629174A - 一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，包括：安装基准面、铝材外壳、第一电路板安装台阶、电机安装台阶、第一电路板、第二电路板、第三电路板、伺服编码电机、光纤陀螺仪支架、光纤陀螺仪及不锈钢盖子，所述伺服编码电机通过电机安装台阶设置于铝材外壳中，所述第一电路板和第二电路板通过第一电路板安装台阶堆叠式设置于铝材外壳的顶部一侧；所述光纤陀螺仪通过光纤陀螺仪支架设置于伺服编码电机的上方，所述光纤陀螺仪支架与所述伺服编码电机相连接；其工作过程包括标定、自检、位置数据采集、当地地理纬度估计以及寻北结果计算等步骤。本发明的整体结构更加合理且高效，还提供了针对性的配套工作过程，能够有效地提高寻北精度。

Description

一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置

技术领域

本发明涉及一种陀螺寻北仪，尤其涉及一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置。

背景技术

陀螺寻北仪是一款通过测量地球自转角速度，以确定所附载体的真实寻北方向值，旨在尽可能不受外界磁场或其他环境的干扰和影响，属于一个高精度的寻北设备。但是现有的陀螺寻北仪普遍采用多个陀螺仪来实现对载体方位角、俯仰角以及倾斜角的测量，不仅仅存在成本高和体积大的问题，还由于光纤陀螺本身存在零偏、量化噪声、零偏不稳定以及刻度系数误差等问题，会给光纤陀螺采样数据引进不良误差，进而降低寻北精度，无法满足寻北应用的高精度需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是需要提供一种优化了产品的结构及其工作过程的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，旨在能够合理地控制产品的成本和体积，并提高寻北精度。

对此，本发明提供一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，包括：安装基准面、铝材外壳、第一电路板安装台阶、电机安装台阶、第一电路板、第二电路板、第三电路板、伺服编码电机、光纤陀螺仪支架、光纤陀螺仪以及不锈钢盖子，所述铝材外壳设置于所述安装基准面上，所述电机安装台阶设置于所述铝材外壳的底部，所述第一电路板安装台阶设置于所述铝材外壳的顶部一侧，所述伺服编码电机通过所述电机安装台阶设置于所述铝材外壳之中，所述第一电路板和第二电路板通过所述第一电路板安装台阶堆叠式设置于所述铝材外壳的顶部一侧；且所述第一电路板和第二电路板靠近所述伺服编码电机一侧的外边缘，与所述伺服编码电机的外边缘形状一致；所述光纤陀螺仪通过所述光纤陀螺仪支架设置于所述伺服编码电机的上方，所述第三电路板设置于所述光纤陀螺仪支架上，所述光纤陀螺仪支架与所述伺服编码电机相连接，以使得所述光纤陀螺仪支架跟随所述伺服编码电机进行转动；所述光纤陀螺仪的安装方向与所述伺服编码电机的安装方向相垂直，所述不锈钢盖子盖在所述铝材外壳的上方；

所述陀螺寻北装置的工作过程包括：

步骤S1，对所述光纤陀螺仪进行标定，并针对所述光纤陀螺仪支架通过所述伺服编码电机设置初始零位，使得所述光纤陀螺仪的敏感轴与所述铝材外壳的安装基准面保持一致或者垂直；

步骤S2，依次对所述光纤陀螺仪、伺服编码电机、光纤陀螺仪支架的加速度计以及安装基准面的倾斜角度进行自检，直到自检通过则跳转至步骤S3；

步骤S3，通过所述伺服编码电机带动所述光纤陀螺仪支架及其光纤陀螺仪按照预设角度进行转动，对四个预设位置的位置数据进行采样；

步骤S4，根据所述光纤陀螺仪的数据对当地地理纬度进行估计；

步骤S5，结合四个预设位置的位置数据和当地地理纬度进行计算，输出寻北结果。

本发明的进一步改进在于，所述第一电路板和第二电路板的形状和大小一致，且所述第一电路板和第二电路板的安装孔位之间设置有限位安装柱，所述限位安装柱的底部设置有外螺纹螺柱，所述限位安装柱的顶部为内螺纹中空螺柱。

本发明的进一步改进在于，所述外螺纹螺柱的直径与所述内螺纹中空螺柱的内径相对应。

本发明的进一步改进在于，所述光纤陀螺仪支架还包括第二电路板安装台阶，所述第二电路板安装台阶水平设置于所述光纤陀螺仪支架的底部，所述第三电路板可拆卸设置于所述第二电路板安装台阶上， 所述光纤陀螺仪水平设置于竖直设立的所述光纤陀螺仪支架上。

本发明的进一步改进在于，所述光纤陀螺仪支架上设置有至少两个长条形安装槽，两个长条形安装槽分别设置于所述光纤陀螺仪支架的上部和下部。

本发明的进一步改进在于，所述铝材外壳的四周内壁上对称设置有转动避位弧形凹槽。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S201，判断所述光纤陀螺仪是否正常工作，若是，则跳转至步骤S202，若否，则反馈光纤陀螺仪不通过信号；

步骤S202，判断所述伺服编码电机是否正常工作，若是，则控制所述伺服编码电机回到所述初始零位，并跳转至步骤S203，若否，则反馈伺服编码电机不通过信号；

步骤S203，判断所述光纤陀螺仪支架的加速度计，若是，则跳转至步骤S204，若否，则反馈加速度计不通过信号；

步骤S204，判断所述安装基准面的倾斜角度是否在预设角度范围之内，所述预设角度范围为20°，若是，则跳转至步骤S3，若否，则反馈安装基准面的倾斜角度不通过信号。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S3，发送寻北指令，通过所述伺服编码电机带动所述光纤陀螺仪支架及其光纤陀螺仪自初始零位开始进行数据采样，在完成当前位置的数据采样后顺时针旋转901°，并在旋转后完成下一个位置的数据采样，以此方式依次转动并进行四个位置的数据采样，对每个位置采样相同时间的光纤陀螺仪的数据之后，进行滤波输出，取每个位置的平均值作为四个预设位置的位置数据，并分别记作：W1、W2、W3和W4。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S4中，根据所述光纤陀螺仪的数据对当地维度进行估计的过程包括以下子步骤：

步骤S401，通过公式计算出测量状态的姿态信息pitch和roll，accx、accy和accz分别表示加速度计在静态输出的三轴比力值；

步骤S402，通过公式计算所述陀螺寻北装置从安装状态到水平状态的姿态旋转矩阵c；

步骤S403，通过公式'推算出当前状态下垂直方向的地球自转角速度分量/>，其中，/>表示的是地球的自转角速度；

步骤S404，通过公式估计当地地理纬度/>。

本发明的进一步改进在于，所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S501，通过公式计算地球自转角速度在当地北向分量和天向分量/>；

步骤S502，通过公式计算第一方位角talph1，A表示第一中间变量；

步骤S503，判断第一方位角talph1是否接近0°或180°，若是，则跳转至步骤S504，若否，则跳转至步骤S505；

步骤S504，通过公式计算第二方位角talph2, 当w3>0时，寻北方位yaw= 360-/>；否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束，B表示第二中间变量；

步骤S505，当w2>0时，寻北方位yaw= 360-否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：首先对基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置进行了结构的优化，使得整体的结构更加合理且高效，在有限的空间内，合理且高效地集成了光纤陀螺仪、加速度计以及转位结构；在此基础上，还提供了相配套的工作过程，通过与转位结构相连接的光纤陀螺仪支架水平设置加速度计，以便通过加速度计得相应的倾斜角度和当地地理纬度信息，接着将光纤陀螺仪敏感轴的角速度投影在水平面内，最后经过针对性的计算得出更为精准可靠的实际寻北方位。本发明能够合理地控制产品的成本和体积，并有效地提高了产品的寻北精度，以更好地满足寻北应用的高精度需求。

附图说明

图1是本发明一种实施例的爆炸结构示意图；

图2是本发明一种实施例的结构示意图；

图3是本发明一种实施例的工作过程示意图；

图4是本发明一种实施例的简单架构原理示意图；

图5是本发明一种实施例的地球自转角速度及其分量和纬度的示意图。

附图标识：1-安装基准面；2-产品安装孔；3-连接器固定螺丝；4-金属连接器；5-第一电路板安装台阶；6-光纤陀螺仪；7-陀螺固定螺丝；8-第三电路板；9-第二固定电路板螺丝；10-铝材外壳；11-伺服编码电机固定螺丝；12-电机安装台阶；13-第一电路板；14-限位安装柱；15-第二电路板；16-第一固定电路板螺丝；17-伺服编码电机；18-陀螺支架安装孔；19-第二电路板安装台阶；20-陀螺支架固定螺丝；21-光纤陀螺安装孔；22-光纤陀螺仪支架；23-长条形安装槽；24-不锈钢盖子；25-盖子固定螺丝。

具体实施方式

在本发明的描述中，如果涉及到方位描述，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。如果某一技术特征被称为“设置”、“固定”、“连接”、“安装”在另一个技术特征，可以直接设置、固定、连接在另一个技术特征上，也可以间接地设置、固定、连接、安装在另一个技术特征上。

在本发明的描述中，如果涉及到“若干”，其含义是一个以上；如果涉及到 “多个”，其含义是两个以上；如果涉及到“大于”、“小于”、“超过”，均应理解为不包括本数；如果涉及到“以上”、“以下”、“以内”，均应理解为包括本数。如果涉及到“第一”、“第二”等，应当理解为仅用于相同或是相似技术特征名称的区分，而不能理解为暗示/指明技术特征的相对重要性，不能理解为暗示/指明技术特征的数量，也不能理解为暗示/指明技术特征的先后关系。

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。

如图1至图5所示，本实施例提供一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，包括：安装基准面1、铝材外壳10、第一电路板安装台阶5、电机安装台阶12、第一电路板13、第二电路板15、第三电路板8、伺服编码电机17、光纤陀螺仪支架22、光纤陀螺仪6以及不锈钢盖子24，所述铝材外壳10设置于所述安装基准面1上，所述电机安装台阶12设置于所述铝材外壳10的底部，所述第一电路板安装台阶5设置于所述铝材外壳10的顶部一侧，所述伺服编码电机17通过所述电机安装台阶12设置于所述铝材外壳10之中，所述第一电路板13和第二电路板15通过所述第一电路板安装台阶5堆叠式设置于所述铝材外壳10的顶部一侧；且所述第一电路板13和第二电路板15靠近所述伺服编码电机17一侧的外边缘，与所述伺服编码电机17的外边缘形状一致；所述光纤陀螺仪6通过所述光纤陀螺仪支架22设置于所述伺服编码电机17的上方，所述第三电路板8设置于所述光纤陀螺仪支架22上，所述光纤陀螺仪支架22与所述伺服编码电机17相连接，以使得所述光纤陀螺仪支架22跟随所述伺服编码电机17进行转动；所述光纤陀螺仪6的安装方向与所述伺服编码电机17的安装方向相垂直，所述不锈钢盖子24盖在所述铝材外壳10的上方；

所述陀螺寻北装置的工作过程包括：

步骤S1，对所述光纤陀螺仪6进行标定，并针对所述光纤陀螺仪支架22通过所述伺服编码电机17设置初始零位，使得所述光纤陀螺仪6的敏感轴与所述铝材外壳10的安装基准面1保持一致或者垂直；

步骤S2，依次对所述光纤陀螺仪6、伺服编码电机17、光纤陀螺仪支架22的加速度计以及安装基准面1的倾斜角度进行自检，直到自检通过则跳转至步骤S3；

步骤S3，通过所述伺服编码电机17带动所述光纤陀螺仪支架22及其光纤陀螺仪6按照预设角度进行转动，对四个预设位置的位置数据进行采样；

步骤S4，根据所述光纤陀螺仪6的数据对当地地理纬度进行估计；

步骤S5，结合四个预设位置的位置数据和当地地理纬度进行计算，输出寻北结果。

如图1所示，本实施例所述安装基准面1的侧边优选设置有产品安装孔2，以便用于将所述陀螺寻北装置进行整体安装。还优选包括所述金属连接器4，所述金属连接器4通过连接器固定螺丝3设置于所述铝材外壳10的一侧，所述铝材外壳10优选为航空铝材外壳。所述安装基准面1和铝材外壳10组成一个工字型的外轮廓设计，进而能够将所述金属连接器4容纳式设置于所述工字型的凹槽中，便于保护并保证所述金属连接器4的稳定可靠性。所述光纤陀螺仪6优选通过陀螺固定螺丝7水平设置于所述光纤陀螺仪支架上，以便于所述伺服编码电机17相连接；所述伺服编码电机17可选采用MS5015-V3伺服编码电机。所述第三电路板8可选通过所述第二固定电路板螺丝9设置于所述第二电路板安装台阶19上，所述第二电路板安装台阶19与所述光纤陀螺仪支架22相垂直。所述伺服编码电机17优选通过伺服编码电机固定螺丝11设置于所述电机安装台阶12上。所述第一电路板13和第二电路板15通过所述限位安装柱14和第一固定电路板螺丝16设置于所述第一电路板安装台阶5上。所述光纤陀螺仪6通过所述光纤陀螺安装孔21安装于所述光纤陀螺仪支架22上，所述光纤陀螺仪支架22底部的第二电路板安装台阶19优选通过陀螺支架安装孔18与所述伺服编码电机17的顶部相连接。所述不锈钢盖子通过盖子固定螺丝25与所述铝材外壳的顶部相连接。

值得说明的是，本实施例所述第一电路板13和第二电路板15通过所述第一电路板安装台阶5堆叠式设置于所述铝材外壳10的顶部一侧；且所述第一电路板13和第二电路板15靠近所述伺服编码电机17一侧的外边缘，与所述伺服编码电机17的外边缘形状一致；进而能够充分且合理地利用所述伺服编码电机17一侧的垂直空间实现主控电路板的堆叠式设计，在较小的尺寸空间之中，很好地实现了更多集成电路的设计，并且通过所述第一电路板安装台阶5实现嵌入式的堆叠设计，进一步保证了结构的稳定和可靠性能。

再进一步的，如图1所示，本实施例所述第一电路板13和第二电路板15的形状和大小一致，且所述第一电路板13和第二电路板15的安装孔位之间设置有限位安装柱14，所述限位安装柱14的底部设置有外螺纹螺柱，所述限位安装柱14的顶部为内螺纹中空螺柱；所述外螺纹螺柱的直径与所述内螺纹中空螺柱的内径相对应。本实施例通过所述限位安装柱14的设置，不仅仅能够很好地实现对所述第一电路板13和第二电路板15的固定和限位作用，还能够按照预设距离实现所述第一电路板13和第二电路板15之间的隔离，避免出现短路或是热量互相影响的问题；除此之外，所述限位安装柱14的底部设置有外螺纹螺柱，进而能够通过底部的外螺纹螺柱直接锁紧和固定所述第一电路板13；所述限位安装柱14的顶部为内螺纹中空螺柱，进而能够与第一固定电路板螺丝16相配合实现所述第二电路板15的锁紧和固定。所述外螺纹螺柱的直径与所述内螺纹中空螺柱的内径相对应，就能够保证各种安装孔径一致，很好地提高了装配结构的物料共用性。

本实施例所述光纤陀螺仪6通过所述光纤陀螺仪支架22设置于所述伺服编码电机17的上方，所述第三电路板8设置于所述光纤陀螺仪支架22上，以便使得所述光纤陀螺仪6的电路板与主控电路板实现分离式设计；所述光纤陀螺仪支架22与所述伺服编码电机17相连接，以使得所述光纤陀螺仪支架22跟随所述伺服编码电机17进行转动；所述光纤陀螺仪6的安装方向与所述伺服编码电机17的安装方向相垂直，进而能够很好地在所述伺服编码电机17的转动过程中，带动所述光纤陀螺仪6按照预设角度进行转动。

本实施例所述光纤陀螺仪支架22还包括第二电路板安装台阶19，所述第二电路板安装台阶19水平设置于所述光纤陀螺仪支架22的底部，所述第三电路板8可拆卸设置于所述第二电路板安装台阶19上， 所述光纤陀螺仪6水平设置于竖直设立的所述光纤陀螺仪支架22上。

值得说明的是，如图1所示，本实施例所述光纤陀螺仪支架22上设置有至少两个长条形安装槽23，两个长条形安装槽23分别设置于所述光纤陀螺仪支架22的上部和下部，便于在需要的时候增加配重块的设计，所述配重块的形状和大小不限，可以根据实际情况进行调整，只需要跟所述长条形安装槽23进行更换式的装配即可，因此，在本实施例中没有画出。之所以这样进行优化设计，是为了更好地保证转位结构的重心尽量居中，以提高产品的精准程度。本实施例所述铝材外壳10的四周内壁上对称设置有转动避位弧形凹槽，以便为转位结构实现更好的避位设计。

如图4所示，本实施例所述光纤陀螺仪6优选采用的是单轴光纤陀螺仪，所述加速度计可以采用双轴或三轴的加速度计。所述转动机构也称转位结构，包括所述伺服编码电机17和光纤陀螺仪支架22等结构件。

本实施例的主要原理是通过单轴光纤陀螺仪，在静止状态，测量地球自转角速度在所述光纤陀螺仪6的敏感轴向上的分量，所述光纤陀螺仪6的敏感轴向平行于陀螺寻北装置的安装基准面1，通过转位结构，比如伺服编码电机17或者无刷电机带动所述光纤陀螺仪6转动相对间隔90°的方位，采集不同位置的地球自转角速度分量。由于所述陀螺寻北装置的安装基准面1可能处于非水平状态，可以通过转位结构上的加速度计得相应的所述安装基准面1的倾斜角度和当地地理纬度信息，将所述光纤陀螺仪6的敏感轴的角速度投影在水平面内，最后经过针对性的计算得出转位结构相对于初始位置的实际真北方位。

其中，单轴光纤陀螺仪从原理上分析，在某一个位置就可以独立解算出当地的寻北值，但是光纤陀螺仪6本身存在零偏、量化噪声、零偏不稳定性和刻度系数误差等问题，会给光纤陀螺采样数据引进不良误差，进而降低寻北精度。因此本实施例通过位置标定，以及采用多位置采样的技术方案来消减所述光纤陀螺仪6的自身误差。

本实施例所述步骤S1用于实现位置标定。所述光纤陀螺仪6通过螺纹连接于所述光纤陀螺仪支架22，所述光纤陀螺仪支架22固定于所述伺服编码电机17，可以跟随所述伺服编码电机17转动，所述伺服编码电机17的定子部分固定连接至所述铝材外壳10的底座；加速度计芯片布设在所述光纤陀螺仪支架22的水平台面上，用于测量所述光纤陀螺仪6的倾斜角度。标定主要是分为两部分：第一、器件标定，包括三轴或者两轴的加速度计标定，以及所述光纤陀螺仪6的标定；第二、系统标定，主要针对所述光纤陀螺仪支架22通过所述伺服编码电机17设置初始零位，使所述光纤陀螺仪6的敏感轴与所述铝材外壳10的安装基准面1保持一致或者垂直，在实际应用中可以利用光学仪器或者高精度转台实现标定。

本实施例优选采用四位置快速采样，总体采样时间控制在3min以内。在位置标定之后，所述陀螺寻北装置在上电工作之前首先经过一个自检过程，依次对所述光纤陀螺仪6、伺服编码电机17、光纤陀螺仪支架22的加速度计以及安装基准面1的倾斜角度进行自检，即默认包括自检所述光纤陀螺仪6是否正常工作，所述伺服编码电机17是否正常工作，加速度计是否正常，所述安装基准面1的倾斜角度是否在合理范围内，本实施例控制倾斜角度范围在20°以内，以保证采样数据的可靠性。

更为具体的，本实施例所述步骤S2用于实现自检，包括以下子步骤：

步骤S201，判断所述光纤陀螺仪6是否正常工作，若是，则跳转至步骤S202，若否，则反馈光纤陀螺仪6不通过信号；

步骤S202，判断所述伺服编码电机17是否正常工作，若是，则控制所述伺服编码电机17回到所述初始零位，并跳转至步骤S203，若否，则反馈伺服编码电机17不通过信号；

步骤S203，判断所述光纤陀螺仪支架22的加速度计，若是，则跳转至步骤S204，若否，则反馈加速度计不通过信号；

步骤S204，判断所述安装基准面1的倾斜角度是否在预设角度范围之内，所述预设角度范围为20°，若是，则跳转至步骤S3，若否，则反馈安装基准面1的倾斜角度不通过信号。

本实施例所述步骤S3用于采用四位置数据。在所述步骤S3中，发送寻北指令，通过所述伺服编码电机17带动所述光纤陀螺仪支架22及其光纤陀螺仪6自初始零位开始进行数据采样，在完成当前位置的数据采样后顺时针旋转901°，并在旋转后完成下一个位置的数据采样，以此方式依次转动并进行四个位置的数据采样，对每个位置采样相同时间的光纤陀螺仪6的数据之后，进行滤波输出，取每个位置的平均值作为四个预设位置的位置数据，并分别记作：W1、W2、W3和W4。

转位结构的伺服编码电机17需要有一个初始零位，此零位值必须和陀螺寻北装置的壳体寻北方向一致，该步骤在陀螺标定环节一起完成，即在步骤S1中完成。然后通过步骤S2进行自检完毕后，机构静止在初始零位采样数据w1,做均值处理；然后转位结构顺时针转动90°，静止状态继续采样数据W2, 同理每次转动90°方位，依次采样w3和w4。公式表达如下：、/>、/>、/>。上式中n表示每个采样位置的采样个数，i表示采样序号。

如图5所示，地球是自西向东旋转，旋转轴向正方向指向地理北极，且垂直于地球赤道平面。地球在自转角速度w大约等于15°/h，可认为地球自转是在做匀速旋转，可以作为一个天然的指北基准。所述光纤陀螺仪6通过转位结构，旋转间隔90°的方位，采集所述陀螺寻北装置测量平面内地球自转角度的投影，利用该关系可以粗略计算出当地地理纬度。通过公式表达为。

上式中w1和w2分别表示光纤陀螺仪在转位结构相差90度的位置的采样值，根据实际使用情况，在国内使用的大部分环境是处在北半球，故地球自转角速度在当地天向方向分量会是一个正值，不存在负根。

因为所述陀螺寻北装置的安装基准面1在使用中大多数情况是非水平状态的，所以可以使用转位结构上面的三轴加速度计，计算出测量状态的第一姿态信息pitch 和第二姿态信息roll，构成姿态旋转矩阵，将w1和w2投影在水平面内。通过公式表达为：；式中accx、accy、accz分别表示三轴加速度计在静态输出的比力值。/>， c表示从所述陀螺寻北装置的安装状态到水平状态的姿态旋转矩阵。

由于w1和w2是通过转位结构顺时针旋转90°测量得到的地球自转角速度分量，故将两次测量值所在位置构成寻北仪安装状态坐标系，并推算出此状态下垂直方向的地球自转角速度分量：'；式中wn0表示水平状态下地球自转角速度三个分量。通过图5中的几何关系得出较为准确的当地地理纬度：。

因此，本实施例所述步骤S4用于实现当地地理纬度估计。在所述步骤S4中，根据所述光纤陀螺仪6的数据对当地维度进行估计的过程包括以下子步骤：

步骤S401，通过公式计算出测量状态的姿态信息pitch和roll，accx、accy和accz分别表示加速度计在静态输出的三轴比力值；

步骤S402，通过公式计算所述陀螺寻北装置从安装状态到水平状态的姿态旋转矩阵c；

步骤S403，通过公式'推算出当前状态下垂直方向的地球自转角速度分量/>，其中，/>表示的是地球的自转角速度；

步骤S404，通过公式估计当地地理纬度/>。

经过试验分析，四位置寻北和双位置寻北本质一样，四位置寻北相当于是经过两次双位置寻北的加权平均，精度有所提高，同时寻北时间和寻北采点位置相应增加一倍。而且在不同方位下的寻北结果理论精度是不一致的，当测量方位处在南北方向附近或是在方位0°和180°附近时，寻北精度会下降，相反寻北测量方位在东西方向或者在90°和270°附近时精度有所提高。基于这个理论和实际考量，本实施例对采样的四位置光纤陀螺值进行了优选计算，选出合适的三个位置进行计算寻北，三个位置中相距180°的两个进行双位置寻北，最后一个位置采样的结果判断具体象限即可，这样既能够保证高精度的要求，同时也能够兼顾响应速度的快速性能要求。即本实施例调整四位置的初始位置即可，相应的寻北结果反向旋转90°便是真实初始寻北方位。

通过公式表达如下，；式中/>和/>分别表示地球自转角速度在地理北向和天向的分量，此公式也对应图5。下面选择w1、w3进行计算寻北方位，并用w2判断具体的寻北象限：/>，式中A表示第一中间变量。当w2>0时，寻北方位yaw= 360-/>;否则寻北方位yaw =/>。

更为具体的，本实施例所述步骤S5用于计算寻北结果，包括以下子步骤：

步骤S501，通过公式计算地球自转角速度在当地北向分量和天向分量/>；该步骤S501的计算依据来自于图5中的几何关系和步骤S3中得出的光纤陀螺仪6的采样数据；

步骤S502，通过公式计算第一方位角talph1；A表示第一中间变量；

步骤S503，判断第一方位角talph1是否接近0°或180°，若是，则所求方位处在南北方向附近，即跳转至步骤S504；若否，则通过W2判断该寻北方位所处的象限来决定寻北真值，即跳转至步骤S505；

步骤S504，通过公式计算第二方位角talph2, 当w3>0时，寻北方位yaw= 360-/>；否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束；B表示第二中间变量；

步骤S505，当w2>0时，寻北方位yaw= 360-否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束。

综上所述，本实施例首先对基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置进行了结构的优化，使得整体的结构更加合理且高效，在有限的空间内，合理且高效地集成了光纤陀螺仪6、加速度计以及转位结构；在此基础上，还提供了相配套的工作过程，通过与转位结构相连接的光纤陀螺仪支架22水平设置加速度计，以便通过加速度计得相应的倾斜角度和当地地理纬度信息，接着将光纤陀螺仪6敏感轴的角速度投影在水平面内，最后经过针对性的计算得出更为精准可靠的实际寻北方位。本实施例能够合理地控制产品的成本和体积，并有效地提高了产品的寻北精度，以更好地满足寻北应用的高精度需求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，包括：安装基准面、铝材外壳、第一电路板安装台阶、电机安装台阶、第一电路板、第二电路板、第三电路板、伺服编码电机、光纤陀螺仪支架、光纤陀螺仪以及不锈钢盖子，所述铝材外壳设置于所述安装基准面上，所述电机安装台阶设置于所述铝材外壳的底部，所述第一电路板安装台阶设置于所述铝材外壳的顶部一侧，所述伺服编码电机通过所述电机安装台阶设置于所述铝材外壳之中，所述第一电路板和第二电路板通过所述第一电路板安装台阶堆叠式设置于所述铝材外壳的顶部一侧；且所述第一电路板和第二电路板靠近所述伺服编码电机一侧的外边缘，与所述伺服编码电机的外边缘形状一致；所述光纤陀螺仪通过所述光纤陀螺仪支架设置于所述伺服编码电机的上方，所述第三电路板设置于所述光纤陀螺仪支架上，所述光纤陀螺仪支架与所述伺服编码电机相连接，以使得所述光纤陀螺仪支架跟随所述伺服编码电机进行转动；所述光纤陀螺仪的安装方向与所述伺服编码电机的安装方向相垂直，所述不锈钢盖子盖在所述铝材外壳的上方；

所述陀螺寻北装置的工作过程包括：

步骤S1，对所述光纤陀螺仪进行标定，并针对所述光纤陀螺仪支架通过所述伺服编码电机设置初始零位，使得所述光纤陀螺仪的敏感轴与所述铝材外壳的安装基准面保持一致或者垂直；

步骤S2，依次对所述光纤陀螺仪、伺服编码电机、光纤陀螺仪支架的加速度计以及安装基准面的倾斜角度进行自检，直到自检通过则跳转至步骤S3；

步骤S3，通过所述伺服编码电机带动所述光纤陀螺仪支架及其光纤陀螺仪按照预设角度进行转动，对四个预设位置的位置数据进行采样；

步骤S4，根据所述光纤陀螺仪的数据对当地地理纬度进行估计；

步骤S5，结合四个预设位置的位置数据和当地地理纬度进行计算，输出寻北结果。

2.根据权利要求1所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述第一电路板和第二电路板的形状和大小一致，且所述第一电路板和第二电路板的安装孔位之间设置有限位安装柱，所述限位安装柱的底部设置有外螺纹螺柱，所述限位安装柱的顶部为内螺纹中空螺柱。

3.根据权利要求2所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述外螺纹螺柱的直径与所述内螺纹中空螺柱的内径相对应。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述光纤陀螺仪支架还包括第二电路板安装台阶，所述第二电路板安装台阶水平设置于所述光纤陀螺仪支架的底部，所述第三电路板可拆卸设置于所述第二电路板安装台阶上， 所述光纤陀螺仪水平设置于竖直设立的所述光纤陀螺仪支架上。

5.根据权利要求4所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述光纤陀螺仪支架上设置有至少两个长条形安装槽，两个长条形安装槽分别设置于所述光纤陀螺仪支架的上部和下部。

6.根据权利要求4所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述铝材外壳的四周内壁上对称设置有转动避位弧形凹槽。

7.根据权利要求1至3任意一项所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述步骤S2包括以下子步骤：

步骤S201，判断所述光纤陀螺仪是否正常工作，若是，则跳转至步骤S202，若否，则反馈光纤陀螺仪不通过信号；

步骤S202，判断所述伺服编码电机是否正常工作，若是，则控制所述伺服编码电机回到所述初始零位，并跳转至步骤S203，若否，则反馈伺服编码电机不通过信号；

步骤S203，判断所述光纤陀螺仪支架的加速度计，若是，则跳转至步骤S204，若否，则反馈加速度计不通过信号；

步骤S204，判断所述安装基准面的倾斜角度是否在预设角度范围之内，所述预设角度范围为20°，若是，则跳转至步骤S3，若否，则反馈安装基准面的倾斜角度不通过信号。

8.根据权利要求1至3任意一项所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述步骤S3，发送寻北指令，通过所述伺服编码电机带动所述光纤陀螺仪支架及其光纤陀螺仪自初始零位开始进行数据采样，在完成当前位置的数据采样后顺时针旋转901°，并在旋转后完成下一个位置的数据采样，以此方式依次转动并进行四个位置的数据采样，对每个位置采样相同时间的光纤陀螺仪的数据之后，进行滤波输出，取每个位置的平均值作为四个预设位置的位置数据，并分别记作：W1、W2、W3和W4。

9.根据权利要求8所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述步骤S4中，根据所述光纤陀螺仪的数据对当地维度进行估计的过程包括以下子步骤：

步骤S401，通过公式计算出测量状态的姿态信息pitch和roll，accx、accy和accz分别表示加速度计在静态输出的三轴比力值；

步骤S402，通过公式计算所述陀螺寻北装置从安装状态到水平状态的姿态旋转矩阵c；

步骤S403，通过公式'推算出当前状态下垂直方向的地球自转角速度分量/>，其中，/>表示的是地球的自转角速度；

步骤S404，通过公式估计当地地理纬度/>。

10.根据权利要求9所述的基于感应地球自转原理的陀螺寻北装置，其特征在于，所述步骤S5包括以下子步骤：

步骤S501，通过公式计算地球自转角速度在当地北向分量/>和天向分量/>；

步骤S502，通过公式计算第一方位角talph1，A表示第一中间变量；

步骤S503，判断第一方位角talph1是否接近0°或180°，若是，则跳转至步骤S504，若否，则跳转至步骤S505；

步骤S504，通过公式计算第二方位角talph2, 当w3>0时，寻北方位yaw= 360-/>；否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束，B表示第二中间变量；

步骤S505，当w2>0时，寻北方位yaw= 360-；否则寻北方位yaw =/>，输出寻北结果并结束。