CN212903235U - 一种小型化惯性测量单元及定位定向设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种小型化惯性测量单元及定位定向设备，涉及惯性测量组合技术领域，包括承载骨架、三个光纤陀螺、加表陶瓷垫片、三个加速度计以及四个减振垫，由于惯性测量单元的质心、空间四点减振的中心、三个加速度计主轴的交点以及三个光纤陀螺的法线交点均位于同一点上，通过采用该四点共心的方式可合理设计减振垫、光纤陀螺和加速度计的位置，可减小线角耦合并提高测量精度和整机的减振性能；同时将其中一个光纤陀螺套设于其中一个支耳外，可以有效降低惯性测量单元的回转半径，进而降低整机重量。因此，本申请不仅可减小惯性测量单元的回转半径并降低整机重量，还可减小线角耦合并提高减振性能和测量精度，实现了惯性测量单元的小型化和高精度。

Description

一种小型化惯性测量单元及定位定向设备

技术领域

本申请涉及惯性测量组合技术领域，特别涉及一种小型化惯性测量单元及定位定向设备。

背景技术

惯性测量单元是惯性测量组合的核心部件。惯性测量组合的振动适应性决定了惯性测量单元在使用环境中的动态特性，即惯性测量单元的振动特性的设计要做到以下两点：1、惯性测量单元的固有频率和车、舰船、弹舱段等的固有频率存在明显差异；2、惯性测量单元的减振设计需避免角线耦合。而对于光纤陀螺而言，光纤环的外径直接决定了光纤陀螺的整体精度，即光纤陀螺外径越大，精度越高，但随着光纤陀螺外径的增加，会使得整机重心偏移、敏感体回转半径增加的问题变得尤为突出，而重心偏移会导致整机重心和减振中心不重合，出现线角耦合问题，进而使得惯性器件引入伪运动信号，导致测量失准，影响惯性测量组合振动冲击的性能。

带内减振垫结构的单轴自标定惯导控制器虽可以有效避免由于转位机构刚度欠缺所带来的精度损失，但是由于现有技术中的减振垫通常布置于惯性测量单元中间面上的四个点，其需要额外占用空间，使得惯性测量单元的回转半径变大，进而导致惯组整机的径向尺寸变大，而外径较小的导弹、火箭舱段等设备是无法装下径向尺寸较大的惯组，且还会增加整体重量。此外，由于采用平面四点方式进行减振垫的布局会存在承载力矩方向刚度不够，导致小的质心偏差便会带来大的弹性应变，进而引发影响惯性测量组合精度的线角耦合问题出现。

发明内容

本申请实施例提供一种小型化惯性测量单元及定位定向设备，以解决相关技术中由于减振垫安装需额外占用空间而导致惯性测量单元回转半径大的问题以及由于惯性测量单元的减振设计不合理而存在的线角耦合问题。

第一方面，提供了一种小型化惯性测量单元，包括承载骨架，所述承载骨架的外壁上设有四个支耳，四个所述支耳依次连接构成四面体；

三个光纤陀螺，三个所述光纤陀螺两两空间正交安装于所述承载骨架的外壁上，其中一个所述光纤陀螺套设于其中一个所述支耳外；

加表陶瓷垫片，所述加表陶瓷垫片安装于所述承载骨架的内壁上，且其上设有两两空间正交的三个加速度计；

四个减振垫，四个所述减振垫分别对应安装于四个所述支耳上并组成空间四点减振；

其中，所述惯性测量单元的质心、空间四点减振的中心、三个所述加速度计主轴的交点以及三个所述光纤陀螺的法线交点位于同一点上。

一些实施例中，所述四面体为长方体，所述长方体的两侧对面为正方形。

所述承载骨架的非承力部位设为空腔。

所述减振垫为T型减振垫。

所述承载骨架为硬铝合金材料。

第二方面，提供了一种定位定向设备，包括前述的小型化惯性测量单元。

一些实施例中，所述定位定向设备还包括安装支座，所述安装支座上设有减振垫安装接口，所述安装支座用于容纳所述小型化惯性测量单元。

所述定位定向设备还包括转位驱动机构，所述转位驱动机构位于所述安装支座下方并与所述安装支座固连。

所述转位驱动机构包括齿盘副和底座，所述齿盘副包括上齿盘和下齿盘，所述上齿盘与所述安装支座固连，所述下齿盘与所述底座固连。

所述安装支座为U型支座。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：不仅可减小惯性测量单元的回转半径并降低整机重量，还可减小线角耦合进而保证整机的减振性能和测量精度，实现了惯性测量单元的小型化和高精度。

本申请实施例提供了一种小型化惯性测量单元及定位定向设备，包括承载骨架、三个光纤陀螺、加表陶瓷垫片、三个加速度计以及四个减振垫，将其中一个光纤陀螺套设于其中一个支耳外，即支耳穿过了光纤陀螺的中间空腔，其可以有效降低惯性测量单元的回转半径，进而降低整机重量；另外，惯性测量单元的质心、空间四点减振的中心、三个加速度计主轴的交点以及三个光纤陀螺的法线交点均位于同一点上，通过采用该四点共心的方式可合理设计减振垫、光纤陀螺和加速度计的位置，解决承载力矩方向刚度不够的问题，从而减小线角耦合并提高测量精度和整机的减振性能。因此，本申请不仅可减小惯性测量单元的回转半径并降低整机重量，还可减小线角耦合进而保证整机的减振性能和测量精度，实现了惯性测量单元的小型化和高精度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种小型化惯性测量单元的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的图1的右视图；

图3为本申请实施例提供的惯性测量单元在另一视角的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的图3的右视图；

图5为本申请实施例提供的惯性测量单元的爆炸图；

图6为本申请实施例提供的定位定向设备的爆炸图。

图中：1-承载骨架，11-支耳，2-光纤陀螺，3-加表陶瓷垫片，4- 减振垫，5-加速度计，6-转位驱动机构，61-齿盘副，62-底座，7-安装支座，8-外罩，9-上盖板，10-下盖板。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供了一种小型化惯性测量单元及定位定向设备，其能解决相关技术中由于减振垫安装需额外占用空间而导致惯性测量单元回转半径大的问题以及由于惯性测量单元的减振设计不合理而存在的线角耦合问题。

参见图1至图5所示，本申请实施例提供一种小型化惯性测量单元，其包括承载骨架1、三个光纤陀螺2、加表陶瓷垫片3、四个减振垫4和三个加速度计5，承载骨架1用于承载敏感体组件等核心部件，优选的，该承载骨架1的材质为硬铝合金，该材料的相对密度较小且质量轻、强度高，具有易加工和成本低的优点，承载骨架1的外壁上设有四个支耳11，四个支耳11依次连接构成四面体，且承载骨架1的外壁上还设有三个光纤陀螺安装基面，内壁上设有三个加表安装基面；三个光纤陀螺2两两空间正交安装于承载骨架1外壁上的光纤陀螺安装基面上，其中一个光纤陀螺2套设于其中一个支耳11外，即支耳11 穿过了光纤陀螺2的中间空腔；加表陶瓷垫片3安装于承载骨架1内壁上的加表安装基面上，且加表陶瓷垫片3上设有两两空间正交的三个加速度计5；四个减振垫4分别对应安装于四个支耳11上并组成空间四点减振，其中，惯性测量单元的质心、空间四点减振的中心、三个加速度计5主轴的交点以及三个光纤陀螺2的法线交点位于同一点上，实现了“四点共心”，且四点的设计位置误差均小于2mm，进而保证了整机的减振性能；另外，合理设计的整机承力结构、减振布置方式、陀螺加表位置可以减小线角耦合，降低加表杆臂。优选的，四个支耳11依次连接构成的四面体为长方体，且长方体的两相对侧面为正方形，即减振垫4分布在长方体的四个互不相邻的顶点位置，可便于调节惯性测量单元质心和减振结构中心的位置关系，进而减小线角耦合带来的陀螺加表的测量误差；优选的，减振垫4为T型减振垫。

此外，根据“四点共心”原则，加表安装基面位于结构的惯性中心，其安装框架位于承担减振垫4、光纤陀螺2承力筋条框架的中心，既起到加表安装支座作用，又起到主要承载架构的作用；同时通过合理规划光纤陀螺2和加速度计5的安装承力面和主要承力筋架，降低了整机重量并能兼顾各敏感器件动态环境的适应性；且通过合理规划减振垫4、光纤陀螺2的布置位置，有效降低了测量单元的回转半径。

因此，本申请相比传统的共面四点减振垫结构，能够减小约一个减振垫外径(约34mm)的回转直径，其适用于单轴旋转调制惯导控制器，尤其适用于装配高精度大尺寸陀螺的惯导控制器。

优选的，由于光纤陀螺2安装螺接作用区域设为筋条结构，将承载骨架1的非承力部位设为空腔，具有方便走线、走纤与减重的优势。

参见图6所示，本申请实施例还提供一种定位定向设备，该定位定向设备安装有上述一种小型化惯性测量单元，惯性测量单元外套设有外罩8，罩壳顶部固定有上盖板9，底部固定有下盖板10。由于小型化惯性测量单元具有回转半径小、整机重量小以及线角耦合小的优势，并保证了整机的减振性能和测量精度，因此，进而实现了定位定向设备的小型化和高精度。

优选的，定位定向设备还包括安装支座7，其用于容纳小型化惯性测量单元，安装支座7为空间四点减振器提供了安装接口，安装支座7 上设有基准面，通过该基准面可控制其与上齿盘的相对姿态关系。优选的，安装支座7为U型支座，该U型支座与承载骨架1形状相匹配，保证支耳11可正常安装且各个部件之间具有相同的初始形位公差，U 型设计还有利于减小定位定向设备的尺寸，进而降低整机重量。

优选的，定位定向设备还包括转位驱动机构6，转位驱动机构6 位于安装支座7下方，其包括齿盘副61和底座62，齿盘副61包括上齿盘和下齿盘，上齿盘与安装支座7固连，下齿盘与底座62固连，齿盘副61负责包括光纤陀螺2和加速度计5在内的敏感体的锁紧，底座62上安装有整机电子器件、印制板、转位电机、锁紧电机、主轴、光栅等，主轴与上齿盘固连，转位电机驱动主轴带动小型化惯性测量单元转位；锁紧电机控制主轴升降实现上下齿盘啮合(锁紧)、分离(解锁)。其中，由于转位驱动机构6所采用的驱动方式为单轴直驱，其结构级数少，可避免采用传统的蜗轮蜗杆多级传动及锁紧方式所带来的误差，不仅具有成本低廉且可靠性高的优势，还减小了定位定向设备的尺寸。

下面结合仿真数据对本申请实施例进一步解释。

表1为本发明实施例提供的惯性测量单元中主要材料的物理性能。

表1惯性测量单元中的主要材料的物理性能

对本申请实施例提供的惯性测量单元进行振动模态分析以及不同载荷下的热变形分析。其中，振动模态分析结果如表2所示。

表2惯性测量单元的振动模态分析结果

模态(阶)	1	2	3	4	5	6
							频率(Hz)	2471.2	2833.9	3612.5	3724.8	4101.3	4276.2

根据仿真分析结果，本申请的惯性测量单元的一阶频率达到 2000Hz以上，表明结构整体刚度符合要求，同时能够避开弹载、车载环境的固有频率，避免共振。

按照工况环境的元器件功耗对本申请的惯性测量单元施加载荷，并对不同载荷下的惯性测量单元进行热变形分析，且计算得到敏感体各部位因热应力产生的变形，并得出以下结果：三个加速度计5之间的安装误差变化量、三个光纤陀螺2之间的安装误差变化量均小于10″，因此，本申请的结构设计满足惯性敏感体的精度要求。

另外，本申请的惯性测量单元经过结构仿真优化后，在满足使用刚度要求的情况下，其仅为陀螺、加表器件总重量(共计约4.7kg)的 1.4倍，且承载骨架结构重量仅2.0kg、沿轴回转直径约为陀螺外径(约 160mm)的1.55倍。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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申请和简化描述，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申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种小型化惯性测量单元，其特征在于，包括：

承载骨架(1)，所述承载骨架(1)的外壁上设有四个支耳(11)，四个所述支耳(11)依次连接构成四面体；

三个光纤陀螺(2)，三个所述光纤陀螺(2)两两空间正交安装于所述承载骨架(1)的外壁上，其中一个所述光纤陀螺(2)套设于其中一个所述支耳(11)外；

加表陶瓷垫片(3)，所述加表陶瓷垫片(3)安装于所述承载骨架(1)的内壁上，且其上设有两两空间正交的三个加速度计(5)；

四个减振垫(4)，四个所述减振垫(4)分别对应安装于四个所述支耳(11)上并组成空间四点减振；

其中，所述惯性测量单元的质心、空间四点减振的中心、三个所述加速度计(5)主轴的交点以及三个所述光纤陀螺(2)的法线交点位于同一点上。

2.如权利要求1所述的一种小型化惯性测量单元，其特征在于：所述四面体为长方体，所述长方体的两侧对面为正方形。

3.如权利要求1所述的一种小型化惯性测量单元，其特征在于：所述承载骨架(1)的非承力部位设为空腔。

4.如权利要求1所述的一种小型化惯性测量单元，其特征在于：所述减振垫(4)为T型减振垫。

5.如权利要求1所述的一种小型化惯性测量单元，其特征在于：所述承载骨架(1)为硬铝合金材料。

6.一种定位定向设备，其特征在于，包括：如权利要求1至5任一项所述的小型化惯性测量单元。

7.如权利要求6所述的一种定位定向设备，其特征在于：所述定位定向设备还包括安装支座(7)，所述安装支座(7)上设有减振垫安装接口，所述安装支座(7)用于容纳所述小型化惯性测量单元。

8.如权利要求7所述的一种定位定向设备，其特征在于：所述定位定向设备还包括转位驱动机构(6)，所述转位驱动机构(6)位于所述安装支座(7)下方并与所述安装支座(7)固连。

9.如权利要求8所述的一种定位定向设备，其特征在于：所述转位驱动机构(6)包括齿盘副(61)和底座(62)，所述齿盘副(61)包括上齿盘和下齿盘，所述上齿盘与所述安装支座(7)固连，所述下齿盘与所述底座(62)固连。

10.如权利要求7所述的一种定位定向设备，其特征在于：所述安装支座(7)为U型支座。

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