CN201159646Y - 捷联式多位置陀螺罗盘 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种捷联式多位置陀螺罗盘，陀螺安装在陀螺座上，陀螺座安装在精密转台的主轴上，陀螺敏感轴与转台的回转轴垂直，精密转台由同轴安装的力矩电机、测角机构、轴承及其控制电路等组成。在转台伺服电路的控制下，精密转台在360°圆周内的多个位置准确定位，在不同位置上通过采集陀螺输出进行周期调制与最小二乘估计，实现高精度寻北。本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘用于各种应用条件下的自主寻北，并将寻北结果通过数字接口、光学基准传递给光电瞄准机构，实现对方位信息的传递，在陀螺精度一定的情况下，将寻北精度提高了数倍。

Description

捷联式多位置陀螺罗盘

技术领域

本实用新型涉及陀螺罗盘(寻北仪)，特别是一种在360°圆周内多位置转停的高精度陀螺罗盘。

背景技术

在军事应用领域(如导弹系统发射，炮兵阵地测量，为战术战略导弹机动发射初始定向等)和工程测量应用领域中(如矿山开巷道、铁路修隧道、森林、城市交通建设等)，都存在着自主定向问题，陀螺寻北仪作为快速获取精确方位信息的一种技术手段，对精确导航，提高工程测量的效率和精度是至关重要的。这一问题的关键有三个：一是自主方式寻北(最佳方式是不依赖外界，是信息的独立保守系统)；二是定向时间快(机动发射导弹武器系统要求定向作业时间小于5分钟)；三是定向精度高(机动发射导弹武器系统定向精度要求10～20″)。但目前国内自主定向研究开发的现状与当前机动发射导弹武器的要求极其不相称，有的已成为型号发展的“瓶颈”。

通常设计的寻北仪采用两位置、三位置、四位置、连续旋转等多种方案，但这些寻北方案没有从机理上分析出陀螺精度、转位数与寻北精度间的关系，测量精度相对比较低，对于现代的快速高精度自主定向尚存在一定困难。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服已有寻北方案的缺点，采用多位置测量和最小二乘估计实现高精度的自主寻北。本实用新型的技术方案具有独创性。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是：

一种捷联式多位置陀螺罗盘，包括专用支架、精调平和粗调平机构、陀螺罗盘，是通过测量地球自转角速率分量实现寻北的寻北系统，用于为其它设备提供北向参考；其中，

专用支架下端设有粗调平机构，上端设有精调平机构，精调平机构上方与陀螺罗盘相连；

精调平机构的带有机械和电限位的精密转台上平面，固接陀螺罗盘的精密轴系，精密轴系上端固接惯性测量组件的陀螺组件，陀螺组件在精密轴系支承下旋转，伺服控制电路驱动精密轴系在360°圆周内的多个位置转动和定位；

数据解算系统，包括数据采集电路及寻北算法；

各部件按常规连接固定。

所述的陀螺罗盘，其所述精密轴系，包括精密轴承、力矩电机和轴角编码器，各部件按常规连接固定；力矩电机、轴角编码器分别与伺服控制电路电连接，伺服控制电路控制力矩电机和轴角编码器，实现轴系的快速转位和角位置精密测量。

所述的陀螺罗盘，其所述惯性测量组件包括陀螺组件、水准仪、光学基准、外罩组件，各部件按常规连接固定；其中，

陀螺组件：包括动调陀螺、陀螺座和温控罩，当转台锁定时，陀螺组件用于敏感地球的自转角速率分量；

水准仪：包括相互正交的第一水准仪和第二水准仪，用于调整陀螺组件工作平面的水平；

光学基准：包括棱镜座和直角棱镜，用于实现将解算出的大地方位通过经纬仪向被标定设备传递；

外罩组件：包括外罩和显示面板，显示面板和控制键设于外罩上，显示面板用于温控信息和方位信息的输出、显示。

所述的陀螺罗盘，其所述数据采集电路：当转台锁定时，用于采集陀螺数据，对寻北算法的实现提供硬件电路保证；

寻北算法：转台在圆周内多个位置进行锁定，数据采集电路采集转台锁定时陀螺数据；寻北算法将这些多位置数据进行最小二乘拟合，估计出地球自转角速度北向分量在测量坐标系上的投影，从而解算出北向角度。

所述的陀螺罗盘，其所述多个位置，至少五个位置。

所述的陀螺罗盘，其所述精调平机构，调平精度≥10″。

本实用新型从提高寻北精度与易于工程实现的角度出发，创造性的提出了基于多位置测量和最小二乘估计的高精度、多位置、自主寻北系统方案，可以大幅提高寻北精度，满足工程测量及军事应用等多种领域的需要。

本实用新型的优越性：

1、采用多位置测量和最小二乘拟合技术，有效提高了陀螺罗盘的寻北精度；

2、转动惯量小，配合精度高，实现快速、连续、自主寻北工作；

3、结构紧凑，体积小，重量轻，便于携带。

附图说明

图1是寻北矢量图；

图2是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘系统工作过程示意图；

图3是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘寻北仪外形结构图；

图4是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘结构图；

图5(a)、图5(b)、图5(c)是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘惯测组件主视图、右视图、俯视图；

图6是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘轴系结构图；

图7是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘精调平机构外形结构图；

图8是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘专用支架外形结构图。

具体实施方式

本实用新型是这样实现的：如图1所示，通过陀螺敏感轴I测量地球自转角速率北向分量ω_N在测量坐标系a和b上的投影实现寻北的一种寻北系统。

系统工作流程是这样实现的：如图2所示，设转台初始位置时棱镜法线I(测量坐标系a)与真北夹角为ψ，数据采集电路通过数字串口与伺服控制电路进行握手通讯，伺服控制电路向数据采集电路报告当前测角装置测得的当前角位置信息后，数据采集电路采集当前位置的陀螺数据，完成第一位置采样；伺服控制电路控制转台转动到第二位置并向数据采集电路报告第二位置角位置信息，数据采集电路采集第二位置数据，完成第二位置采样；如此重复，在完成一周转位之后，数据采集电路用最小二乘法对数据进行实时处理，估计出棱镜法线I与真北夹角为

；最后通过数字接口向外发送寻北结果。

转台360°圆周内按一定角度间隔旋转时，在一周n个转角位置θ_i＝(i-1)×2π/n，i＝1，2....n上，陀螺输出的数学模型为：

y_i＝R+acosθ_i+bsinθ_i+w_i

式中，y_i为陀螺输出(已转换为角速度)；

R为陀螺常值漂移；

w_i为陀螺测量噪声；

a＝ω_Ncosψ，b＝ω_Nsinψ，其中ω_N为地球自转角速率的北向分量；

θ_i＝(i-1)×2π/n，i＝1，2....n；

通过最小二乘处理对陀螺数学模型的系数进行估计。令：

Y＝[y₁，y₂...y_n]^T，X＝[R，a，b]^T，W＝[w₁，w₂...w_n]^T。

$A=\left[\begin{array}{ccc}1& \cos {\mathrm{\θ}}_1& \sin {\mathrm{\θ}}_1\\ 1& \cos {\mathrm{\θ}}_2& \sin {\mathrm{\θ}}_2\\ \·\·\·& \·\·\·& \·\·\·\\ 1& \cos {\mathrm{\θ}}_n& \sin {\mathrm{\θ}}_n\end{array}\right]$

组成线性方程：Y＝AX+W

其最小二乘解为：

当{w_i}为零均值白噪声时，

均为无偏估计。

在求得和后，即可计算方位角的估计值

本实用新型动调陀螺快速寻北仪，包括陀螺罗盘1和专用支架2两大部分，总体外形结构如图3所示，其中精调平机构3与陀螺罗盘1固定安装为一体，保证陀螺罗盘1在车载或其它工况下进行调平，粗调平机构4与专用支架2固定安装为一体，满足专用支架2的调平要求。

陀螺罗盘1主要包括：惯测组件5、轴系6、电控箱7、电缆8，其外形结构如图4所示，惯测组件5完成数据采集，轴系6为惯测组件5提供旋转机构，电控箱7内部安装电路板及电源模块等，电缆8实现惯测组件5与电控箱7的连接。

惯测组件5主要由动调陀螺9、水准仪10、棱镜11、面板12、外罩13等组成，其外形结构如图5所示。动调陀螺9安装在陀螺座14上，其上用温控罩15将其密封，陀螺座14与连接座16固定，实现与轴系主轴之间的连接。水准仪10和棱镜11安装在过渡板17上，过渡板17与轴系壳体固连，实现结构的长期稳定，达到水准仪10免标校和棱镜11提供系统标定基准的目的。外罩13主要提供显示面板窗口、基准棱镜窗口。

轴系6主要由主轴18、轴承19、力矩电机20、编码器21、壳体22等组成，其结构如图6所示。力矩电机20及编码器21依次装在主轴18上，电机座固定在箱体内部，这种安装方案可以节省空间，使电机的转动更为平稳。轴承19选用成对使用的滚子轴承，其优点是轴承制造是已消除了游隙，给装调工作带来了方便。

精调平机构3包括平板23、卡簧24、微调旋钮25，其结构如图7所示，调节微调旋钮25将陀螺罗盘1调平至10″的精度。

专用支架2上设计有指示粗调平的圆水泡26(10′)，用三个粗调平机构4对支架上表面调平，粗调平机构4结构稳固可靠，操作简易，通过两个圆柱销27将陀螺罗盘1定位在支架上，其结构如图8所示。

Claims (5)

1.一种捷联式多位置陀螺罗盘，包括专用支架、精调平和粗调平机构、陀螺罗盘，是通过测量地球自转角速率分量实现寻北的寻北系统，用于提供北向参考；其特征在于，

专用支架下端设有粗调平机构，上端设有精调平机构，精调平机构上方与陀螺罗盘相连；

精调平机构的带有机械和电限位的精密转台上平面，固接陀螺罗盘的精密轴系，精密轴系上端固接惯性测量组件的陀螺组件，陀螺组件在精密轴系支承下旋转，伺服控制电路驱动精密轴系在360°圆周内的多个位置转动和定位；

数据解算系统，包括数据采集电路及寻北算法；

各部件按常规连接固定。

2.如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述精密轴系，包括精密轴承、力矩电机和轴角编码器，各部件按常规连接固定；力矩电机、轴角编码器分别与伺服控制电路电连接，伺服控制电路控制力矩电机和轴角编码器，实现轴系的快速转位和角位置精密测量。

3.如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述惯性测量组件包括陀螺组件、水准仪、光学基准、外罩组件，各部件按常规连接固定；其中：

陀螺组件：包括动调陀螺、陀螺座和温控罩，当转台锁定时，陀螺组件用于敏感地球的自转角速率分量；

水准仪：包括相互正交的第一水准仪和第二水准仪，用于调整陀螺组件工作平面的水平；

光学基准：包括棱镜座和直角棱镜，用于实现将解算出的大地方位通过经纬仪向被标定设备传递；

外罩组件：包括外罩和显示面板，显示面板和控制键设于外罩上，显示面板用于温控信息和方位信息的输出、显示。

4.如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述多个位置，至少五个位置。

5.如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述精调平机构，调平精度≤10″。

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