CN1322312C

CN1322312C - 一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置

Info

Publication number: CN1322312C
Application number: CNB2006100115814A
Authority: CN
Inventors: 房建成; 徐帆; 盛蔚; 杨胜; 刘百奇; 张海鹏
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: CN1818556A

Abstract

一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，包括三个开环光纤陀螺、加速度计组件、信号采集模块、数据处理模块、数据传输接口和机械骨架。机械骨架由T型结构体和底板组成，X轴开环光纤陀螺安装在底板上，Y轴开环光纤陀螺和Z轴开环光纤陀螺安装于T型结构体上。加速度计组件安装在机械骨架上，信号采集和数据处理模块都安装于T型结构体上。该装置采用三个小体积开环光纤陀螺和三个硅微加速度计作为惯性敏感元件，既减小了惯性测量装置体积，又保证了测量精度；通过合理结构设计，有效利用了空间，进一步减小了系统的体积和质量。本发明具有体积小、重量轻、动态范围大、抗冲击和成本低等特点，可应用于航空航天等领域。

Description

一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于开环光纤陀螺和硅微加速度计的捷联惯性测量装置，用于测量载体的加速度和旋转角速率，特别是一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，适用于小体积、低成本的捷联式惯性导航系统。

背景技术

导航系统已经深入到我们生活中，其中惯性导航作为导航系统的核心一直受到各国的关注，各国都投入了大量的人力物力进行研究。而惯性测量装置是惯性导航系统的核心，它的精度、体积和成本直接影响导航系统的各项指标。随着陀螺技术的发展，捷联式惯性导航系统因其相对于平台式惯性导航系统具有小体积、低成本的优势而得到迅速发展，捷联惯性测量装置技术研究受到了各国的普遍重视，并在航空航天、交通运输、电力能源等领域有着广泛的应用前景。

战术武器作用时间较短有低成本、小型化要求，这对其中的惯性测量系统提出了很高要求，传统惯性测量装置大多采用机械式惯性器件，其中平台式惯性测量装置体积大、重量大、价格昂贵；现在比较成熟的机械陀螺捷联惯性测量装置，由于机械陀螺惯性器件存在高速转子，动态范围较小，抗震性差，且传统机械陀螺体积较大不能满足小型化要求；目前，国内研制的激光陀螺捷联惯性测量装置和闭环光纤陀螺惯性测量装置，也都存在着体积较大、重量大的问题，不能满足小型化需要。现有的战术武器导航系统由于采用这些传统的、成熟的惯性测量装置，因此存在体积大、重量大、成本高的特点，故传统惯性器件惯性测量装置和现有的激光陀螺、闭环光纤陀螺惯性测量装置不能满足新型战术武器小型化发展的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种体积小、重量轻、动态范围大、抗冲击、成本低的捷联惯性测量装置。

本发明的技术解决方案是：一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置由X轴开环光纤陀螺、Y轴开环光纤陀螺和Z轴开环光纤陀螺、加速度计组件、数据处理模块、信号采集模块、底板和T型结构体组成，T型结构体通过螺栓与底板固联组成了该惯性测量装置的机械骨架。X轴开环光纤陀螺安装在底板上，Y轴开环光纤陀螺和Z轴开环光纤陀螺安装于T型结构体的侧面上，三个陀螺的敏感轴相互正交，构成了该惯性测量装置的测量坐标系。加速度计组件固定在底板和T型结构体的侧面上，信号采集模块和数据处理模块都安装于T型结构体上。通过信号线与陀螺、加速度计的输出端子相连。

所述的T型结构体通过螺栓与底板固联组成机械骨架采用铝合金材料，其加工、装配有严格公差配合满足一体化设计要求，保证三个陀螺定位面互相垂直，结构简单，加工方便，减小了该惯性测量装置的体积。底板和T型结构体表面涂有绝缘层，在机械骨架螺钉巢内嵌入由尼龙棒做成的衬套，隔离陀螺壳体和机械骨架，增强了系统的可靠性，降低了采集信号的噪声，提高系统精度。

所述的加速度计组件主要由X轴硅微加速度计、Y轴硅微加速度计、Z轴硅微加速度计组成，三个硅微加速度计及其外围电路焊在电路板上，三个电路板由接插件连接成一体，通过导线输出信号给信号采集模块。

所述的信号采集模块主要完成对温度、X轴开环光纤陀螺、Y轴开环光纤陀螺和Z轴开环光纤陀螺和加速度计组件的输出信号的采样，采用差分、比例、偏置放大前置处理，经模数转换、模拟滤波，得到高精度采集数据。该模块共采集8路模拟信号，除了三路陀螺信号、三路加速度计信号，同时还采集加速度计芯片温度及环境温度以便系统进行温度补偿。

所述的数据处理模块主要完成对模数转换器的控制，以及对采集的陀螺和加速度计信号的数字滤波、误差补偿等，并将处理后的数据输出给导航计算机。

本发明所述的开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，采用小体积开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，克服了机械陀螺惯性器件动态范围较小、抗震性差的缺点，使惯性测量装置具有动态范围大、抗冲击、低成本的性能；通过结构优化设计，采用T型结构体和底板组成机械骨架，使惯性测量装置减小了体积、降低了重量；采用陀螺壳体与机械骨架共地隔离结构和绝缘设计，提高了惯性测量装置的抗噪能力、精度和可靠性。

本发明的优点：(1)采用小体积开环光纤陀螺和硅微加速度计作为惯性敏感元件，既减小了惯性测量装置的体积，又保证了测量精度；(2)通过结构优化设计，采用T型结构体和底板组成机械骨架，有效利用了空间，进一步减小了体积和质量；(3)采用绝缘设计，消除了陀螺外壳与机械骨架共地的影响，提高了系统的精度和可靠性；(4)采用陀螺壳体与机械骨架共地隔离结构，提高了系统的抗噪能力；(5)采用Ti公司生产的C6000系列DSP芯片做处理器，具有高速、浮点、高性能特点，易得到高精度惯性器件数据。

附图说明

图1为本发明的一种光纤捷联测量装置整体结构示意图；

图2为本发明的整体组件爆破图；

图3为本发明的机械骨架示意图；

图4为本发明的陀螺壳体与机械骨架共地隔离结构示意图；

图5为本发明的加速度计组件示意图；

图6为本发明的数据采集和处理结构示意图；

图7为本发明的信号采集模块电路原理图；

图8(A)、图8(B)、图8(C)为本发明的数据处理模块电路原理图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于开环光纤陀螺和硅微加速度计的小体积捷联惯性测量装置结构示意图。

参见图2所示，本发明由底板1、T型结构体2、X轴开环光纤陀螺31、Y轴开环光纤陀螺32、Z轴开环光纤陀螺33、加速度计组件4、数据处理模块5和信号采集模块6组成。T型结构体用螺栓固联在底板1上。X轴开环光纤陀螺31固定在底板1的上表面，Y轴开环光纤陀螺32和Z轴开环光纤陀螺33分别安装在T型结构体2两个互相垂直的侧表面。加速度计组件4由三个硅微加速度计和配套的模拟电路组成，安装于底板1和T型结构体2上。数据处理模块5和信号采集模块6都安装于T型结构体2上，通过导线与开环光纤陀螺、硅微加速度计的输出端子相连。

如图3所示，机械骨架主要由底板1和T型结构体2组成，采用铝合金材料，减轻了机械结构重量，底板1和T型结构体2的加工、装配有严格公差配合满足一体化设计要求，保证三个陀螺定位面的互相垂直。由于陀螺壳体共地，通电时会产生噪声，并且降低系统可靠性，因此在机械骨架表面涂有绝缘层，在陀螺安装螺钉巢内加绝缘衬套。如图4所示机械骨架内嵌入由尼龙棒做成的V形衬套7，这样就把陀螺壳体与机械骨架分开，增强了系统的可靠性，降低了采集信号的噪声，提高系统精度。

如图5所示，加速度计组件主要由X轴硅微加速度计41、Y轴硅微加速度计42、Z轴硅微加速度计43组成，三个硅微加速度计采用Model1221，三个硅微加速度计焊在电路板上，三个电路板由接插件连接成一体，通过导线输出信号给信号采集模块6。

如图6所示，本发明采集开环光纤陀螺、硅微加速度计和温度信号后传给DSP进行数据处理，再通过接口电路传输给其他设备。其中信号采集模块6电路原理图如图7所示，由差分放大电路、滤波电路、ADS8345及其外围电路组成，本发明的信号采集模块6主要完成对温度、三个开环光纤陀螺31、32、33和三个硅微加速度计41、42、43的输出信号的采样、模拟滤波、放大及模数转换等功能。其中X轴开环光纤陀螺31、Y轴开环光纤陀螺32和Z轴开环光纤陀螺33均采用小体积的开环光纤陀螺VG941-3AM。为提高本惯性测量装置的精度，开环光纤陀螺和硅微加速度计输出设计了前置放大电路。为充分发挥陀螺的性能，将其信号输出与模拟地进行差分放大，然后再利用一级放大器将双极性输出转化为0～+5V单极性输出，以进行A/D转换；本发明采用的硅微加速度计是差分输出，经过一级放大器转换为单端双极性输出，同样再经过一级放大器转换为0～+5V单极性输出后进行A/D转换。该模块共采集8路模拟信号，除了三路陀螺信号、三路加速度计信号，同时还采集加速度计芯片温度及环境温度以便系统进行温度补偿。A/D转换芯片选用的是TI公司的ADS8345。该芯片具有：16位转换精度；8通道单端输入；高达100K的转换速率；5V单电源供电；与DSP兼容的同步串行接口。它可以以较小的软件开销实现与TI的C6000DSP平台的无缝接口，操作简单。为提高A/D转换精度，发挥DSP高速数字信号处理的优势，可以采用过采样技术提高A/D转换分辨率。

图8(A)、图8(B)、图8(C)为数据处理模块5电路原理图，本发明的数据处理模块5主要完成对模数转换器ADS8345的控制，以及对采集的陀螺和加速度计信号的数字滤波、误差补偿等，并将处理后的数据通过通信模块向导航计算机输出。本系统选用的是高速数字信号处理器-TMS320C6711，它是TI公司推出的一款高端的32位浮点型DSP芯片，主频100MHz时，指令周期为10ns，最高处理速度可达900MFLOPS(百万次浮点操作/秒)。6711的片内存储器资源相对较少，只8K字节的程序、数据缓存L1和64K字节的缓存L2，没有用户可使用的ROM。需要外扩用于运行程序的高速SRAM，以及存储程序的FLASH。SRAM选用IDT公司的IDT71V416S10，读写速度为10ns，容量为256K×16bit，采用两片并联的方式；FLASH为慢速设备，速度已不是其主要指标，其容量满足要求即可，选用AMD公司的AM29LV800，容量为1M×8bit，速度为90ns。利用DSP的另一个多通道缓冲串口(McBSP)扩展了串行数据FLASH，用于存储一些重要参数。可实现系统定期标定后的补偿系数的重新装定。在数据处理模块电路板上还有时钟逻辑电路，它利用系统时钟，设计了高精度分频器得到4ms秒脉冲信号以及8ms定时信号。其中4ms秒脉冲信号经光耦隔离后输出，8ms定时信号引入DSP产生外部定时中断。时钟逻辑电路还实现逻辑译码及时序控制等功能；与外部的通讯采用异步串口通讯，通过扩展异步通信芯片实现RS422高速串行通信。异步串口扩展通常是由UART芯片和电平转换芯片组成。本系统采用的是TI公司的TL16C550及MAXIM公司的带有光耦隔离的电平转换芯片MAX1490，波特率为115200bps。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1、一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：它由X轴开环光纤陀螺(31)、Y轴开环光纤陀螺(32)和Z轴开环光纤陀螺(33)、加速度计组件(4)、数据处理模块(5)、信号采集模块(6)、底板(1)和T型结构体(2)组成，T型结构体(2)通过螺栓与底板(1)固联组成了该惯性测量装置的机械骨架，X轴开环光纤陀螺(31)安装在底板(1)上，Y轴开环光纤陀螺(32)和Z轴开环光纤陀螺(33)安装于T型结构体(2)的两个互相垂直的侧表面上，三个陀螺的敏感轴相互正交，构成了该惯性测量装置的测量坐标系；加速度计组件(4)固定在底板(1)和T型结构体(2)的侧面上，信号采集模块(6)和数据处理模块(5)都安装于T型结构体(2)上，通过信号线与陀螺、加速度计的输出端子相连。

2、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的T型结构体(2)和底板(1)固联组成的机械骨架均采用铝合金材料加工，底板(1)和T型结构体(2)表面涂有绝缘层，在机械骨架螺钉巢内嵌入由尼龙棒做成的衬套(7)，隔离陀螺壳体和机械骨架。

3、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的加速度计组件(4)主要由X轴硅微加速度计(41)、Y轴硅微加速度计(42)、Z轴硅微加速度计(43)组成，三个硅微加速度计及其外围电路焊在电路板上，三个电路板由接插件连接成一体，通过导线输出信号给信号采集模块。

4、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的信号采集模块(6)主要完成对温度、X轴开环光纤陀螺(31)、Y轴开环光纤陀螺(32)和Z轴开环光纤陀螺(33)和加速度计组件(4)的输出信号的采样，依次经过差分放大处理、A/D转换、模拟滤波，得到高精度采集数据，该模块共采集8路模拟信号，除了三路陀螺信号、三路加速度计信号，同时还采集加速度计芯片温度及环境温度以便系统进行温度补偿。

5、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的数据处理模块(5)主要完成对模数转换器的控制，以及对采集的陀螺和加速度计信号的数字滤波、误差补偿等，并将处理后的数据输出给导航计算机。

6、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的数据处理模块(5)采用Ti公司生产的C6000系列DSP芯片做处理器。

7、根据权利要求1所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的X轴开环光纤陀螺(31)、Y轴开环光纤陀螺(32)和Z轴开环光纤陀螺(33)均采用小体积的开环光纤陀螺VG941-3AM。

8、根据权利要求3所述的一种小体积开环光纤陀螺捷联惯性测量装置，其特征在于：所述的三个硅微加速度计采用Model1221。