CN201181213Y - 单轴陀螺自寻北导航装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单轴陀螺自寻北导航装置，它包括：一个单轴陀螺、安装水平翻转轴和陀螺安装基面的方位转台、通过方位转轴与方位转台连接的基座、方位力矩电机、方位轴转动定位机构、水平轴转动定位机构、方位轴电位计和水平轴电位计；所述光学陀螺的测量敏感轴垂直于水平翻转轴和陀螺安装基面；水平翻转轴与方位转轴相互垂直；两个X、Y倾角传感器安装在方位转台上，两者的敏感轴相互垂直并且同时垂直于方位轴，X倾角传感器的敏感轴平行于水平翻转轴。本实用新型结构简单，可靠性高，适用于地面惯性导航。

Description

单轴陀螺自寻北导航装置

技术领域

本实用新型涉及一种惯性导航仪器，特别涉及一种只使用一个单轴陀螺的自寻北导航装置。

背景技术

利用单轴陀螺，例如单轴光纤陀螺或者单轴激光陀螺，进行捷联寻北测量时通常是将陀螺安装在一个方位转台上，陀螺敏感轴垂直于转台的方位轴，也就是说陀螺敏感轴处于“水平”状态。为了实现倾斜寻北测量，转台台体或者基座上还需要安装一个双轴或者两个单轴倾角传感器，例如加速度表，用于测量安装基面的倾角。为了在不同方向上测量地速和消除陀螺常值漂移，方位转台需要在0°，90°，180°，有时还需要在270°方位上精确定位。由于陀螺敏感轴处于“水平”状态，陀螺不能敏感载体的方位转动因此不具有导航功能。

为了进行导航，通常采用由三个正交安装的单轴陀螺和三个或者两个正交安装的加速度表构成复杂的三轴捷联惯导装置。但是对大多数机动车辆的导航，实际上并不需要很高寻北和导航精度，更需要精度适当的低成本寻北和导航装置，而没有必要采用复杂和昂贵的三轴捷联装置。此外，常用的三轴捷联惯导装置中，陀螺和加速度表直接固联在被测载体上而没有回转机构。但是在进行捷联寻北测量时，由于没有回转机构，无法将陀螺调整在需要的方向上进行测量，从而使寻北精度的提高受到限制。因此有些具有寻北功能的三轴捷联惯导装置中不得不将陀螺和加速度表安装在一个方位转台上因而大大增加了装置的复杂性。

为了最大限度的降低成本，出现了只采用一个单轴陀螺，例如一个单轴光纤陀螺或者一个单轴激光陀螺和两个加速度表的简易导航装置并且被大量用于机动车辆的导航。这种简易单轴陀螺导航装置中陀螺的敏感轴必须“垂直”安装，因此不具有寻北功能。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种单轴陀螺自寻北导航装置，以解决在只采用一个单轴陀螺的简易导航装置中实现寻北的功能。

本实用新型所述的单轴陀螺自寻北导航装置的结构包括：一个通过陀螺安装基面安装在水平翻转轴上的单轴陀螺、水平翻转轴连接的水平力矩电机、安装水平翻转轴和陀螺安装基面的方位转台、通过方位转轴与方位转台连接的基座、驱动方位轴进行方位转动的方位力矩电机、与方位轴同轴安装的方位轴定位盘和方位压轮组成方位轴转动定位机构、与水平轴同轴安装的水平轴定位盘和水平压轮组成水平轴转动定位机构、分别与方位轴和水平轴相连且构成方位轴和水平翻转轴伺服回路传感器的线性方位轴电位计和线性水平轴电位计；所述单轴陀螺的测量敏感轴垂直于水平翻转轴和陀螺安装基面；水平翻转轴与方位转轴相互垂直；两个X、Y倾角传感器安装在方位转台上，两者的敏感轴相互垂直并且同时垂直于方位轴，X倾角传感器的敏感轴平行于水平翻转轴。

如上所述的单轴陀螺自寻北导航装置，其中的方位轴转动定位机构和水平轴转动定位机构结构由定位盘和压轮构成，定位盘的外圆有精确并且均匀分布在若干角度上的若干个燕尾槽即定位槽口，压轮设在定位盘外圆的定位槽口对应处，与一个提供压力使其嵌入定位槽口内的弹簧连接；方位轴转动定位机构的定位盘的外圆有精确并且均匀分布在0°、90°、180°三个燕尾槽，或在270°也分布一个燕尾槽；水平轴转动定位机构的定位盘的外圆只有0°和90°两个燕尾槽口。

本实用新型所具有的积极有益效果：

1.只使用一个单轴陀螺，特别是一个单轴光学陀螺构成的一种低成本和高可靠的捷联式自寻北惯性导航装置。

2.寻北测量时，水平翻转轴转动，使陀螺敏感轴处于“水平”状态，然后依靠方位轴转动，使陀螺敏感轴在0°，90°，180°和270°方位上定位并且测量各位置上陀螺敏感到的地速分量。以单轴陀螺代替双轴陀螺进行全方位寻北测量而无需粗寻北过程。

3.通过上述多位寻北测量消除陀螺常值漂移对寻北精度的影响。

4.当水平翻转轴转动，使陀螺敏感轴处于“垂直”状态并且依靠方位轴转动，使水平翻转轴在上述0°方位位置上定位，此时陀螺从寻北状态转换为导航状态从而变成一个简单的惯性导航装置。

5.由于寻北测量过程中同时完成了陀螺漂移的测量，因此在转换为航向保持状态之后省去陀螺测漂过程从而提高装置的反应时间。

6.由于设置了倾角传感器，装置可以在安装基面倾斜条件下寻北；而在导航状态下可部分地补偿因陀螺敏感轴倾斜带来的某些误差。

7.旋转定位控制采用的“定位盘燕尾槽-压轮”结构，简单可靠。

8.利用线性电位计，例如线性光电电位计或者线性塑料电位计，作为简单的“轴-角”变换器测量两个转轴，方位轴和水平翻转轴的概略转角位置，以便实现转轴的位置判断。

附图说明

图1为本实用新型寻北状态的示意图。

图2为本实用新型导航状态的示意图。

图3为本实用新型寻北状态的俯视示意图。

图4为本实用新型旋转定位机构的结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，光学陀螺1通过陀螺安装基面16安装在水平翻转轴，即X轴2上。水平翻转轴2可以在水平X电机3的驱动下绕水平翻转轴转动。光学陀螺1的测量敏感轴17垂直于水平翻转轴2和陀螺安装基面16。

水平翻转轴2和陀螺安装基面16一起安装在方位转台5上。方位转台5通过方位转轴11与基座10相连。水平翻转轴2与方位转轴11相互垂直。方位力矩电机7驱动方位轴11进行方位转动。方位定位盘9与压轮8配合使方位转台5在0°，90°，180°有时还包括270°四个位置上精确定位。

倾角传感器6和12安装在方位转台5上。两者的敏感轴相互垂直并且同时垂直于方位轴11。X倾角传感器6的敏感轴18平行于水平翻转轴2，如图3。图4为定位盘和压轮机构。与方位轴同轴安装的方位轴定位盘9和方位压轮8组成方位轴转动定位机构。定位盘9的外圆有精确并且均匀分布在0°、90°、180°和270°的四个燕尾槽即定位槽口。当方位轴11转动时，方位压轮8可依靠弹簧21的压力嵌入0°燕尾槽22内，或者嵌入90°、180°、270°的燕尾槽23、24、25内，也可在力矩电机7的驱动下从槽口移出。在进行多位寻北测量时以此实现陀螺敏感轴的方位转动定位。

方位定位盘9在0°上定位时，即方位压轮8嵌入0°槽口时，水平翻转轴平行于方位定位盘9的0°和180°槽口连线即零位线20。

通常本装置在载体，例如机动车辆上安装时，此零位线沿载体前进方向安装。

水平轴定位盘15和水平压轮13的结构与方位轴定位盘9和方位压轮8相似，不同的是水平轴定位盘15的外圆只有0°和90°两个燕尾槽口。水平压轮13嵌入水平轴定位盘15的0°燕尾槽时，光学陀螺1的敏感轴处在“水平”位置也即本装置的寻北测量状态；水平压轮13嵌入水平轴定位盘15的90°燕尾槽口时，光学陀螺1的敏感轴17精确平行于方位轴即处于“垂直”状态，也即本装置的导航状态。

线性方位轴电位计14和线性水平轴电位计4分别与方位轴11和水平轴2相连。两个电位计均以固定的直流电压供电，其输出电压概略代表两个转轴在近似360°范围内的转动角位置。通过简单的标定即可确定转轴对应各定位槽口的概略输出电压。采集此电压并且与设定的电压进行比较，构成简单的方位轴和水平轴闭环伺服控制回路，同时完成转台的零位槽口和其他槽口位置、极限位置的概略判断以及防止冲闯的减速控制等。极限位置的限位目的是防止转台转动超过360°造成转台引线的过度扭伤。

寻北测量时，水平X轴电机3驱动水平轴2转动，当水平压轮13嵌入水平轴定位盘15的0°燕尾槽内时，水平X轴电机3断电，光学陀螺1的敏感轴17被定位在“水平”位置。与此同时方位电机7驱动方位轴11转动，当方位压轮8嵌入方位定位盘9的0°燕尾槽内时，方位电机7断电，此时为第一个寻北测量位置，此过程称为方位“寻零”过程。记录第一位置的陀螺输出N1，然后方位电机7驱动方位轴11转动，当方位压轮8嵌入方位定位盘9的90°燕尾槽内时方位电机7断电，此时为第二个寻北测量位置，记录第二位置的陀螺输出N2。同样，在180°和270°上记录陀螺的输出N3和N4。在安装基面水平状态下可得到在第一个寻北测量位置上水平轴的偏北角：

${\mathrm{\α}}_N=\mathrm{arctg}\frac{N3-N1}{N4-N2}$

在完成寻北测量之后，装置可转换为导航状态。转换过程是：方位轴转动，完成方位“寻零”。然后水平翻转轴2转动，水平轴压轮13嵌入水平轴定位盘15的90°燕尾槽口时，光学陀螺1的敏感轴17精确平行于方位轴即处于“垂直”状态。此时本装置完成了从寻北状态到导航状态的转换。为了节省时间，上述方位轴和水平翻转轴的转动过程可同时进行。

在载体安装基面倾斜时，陀螺敏感轴将不在水平面内，此时利用两个倾角传感器给出基面的倾斜信息，进行座标变换实现倾斜寻北。

Claims (2)

1、一种单轴陀螺自寻北导航装置，其特征在于它的结构包括：一个通过陀螺安装基面安装在水平翻转轴上的单轴陀螺、水平翻转轴连接的水平力矩电机、安装水平翻转轴和陀螺安装基面的方位转台、通过方位转轴与方位转台连接的基座、驱动方位轴进行方位转动的方位力矩电机、与方位轴同轴安装的方位轴定位盘和方位压轮组成方位轴转动定位机构、与水平轴同轴安装的水平轴定位盘和水平压轮组成水平轴转动定位机构、分别与方位轴和水平轴相连且构成方位轴和水平翻转轴伺服回路传感器的线性方位轴电位计和线性水平轴电位计；所述单轴陀螺的测量敏感轴垂直于水平翻转轴和陀螺安装基面；水平翻转轴与方位转轴相互垂直；两个X、Y倾角传感器安装在方位转台上，两者的敏感轴相互垂直并且同时垂直于方位轴，X倾角传感器的敏感轴平行于水平翻转轴。

2、如权利要求1所述的一种单轴陀螺自寻北导航装置，其特征在于：其中的方位轴转动定位机构和水平轴转动定位机构结构由定位盘和压轮构成，定位盘的外圆有精确并且均匀分布在若干角度上的若干个燕尾槽即定位槽口，压轮设在定位盘外圆的定位槽口对应处，与一个提供压力使其嵌入定位槽口内的弹簧连接；方位轴转动定位机构的定位盘的外圆有精确并且均匀分布在0°、90°、180°三个燕尾槽，或在270°也分布一个燕尾槽；水平轴转动定位机构的定位盘的外圆只有0°和90°两个燕尾槽口。

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