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一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法
【專利摘要】本發(fā)明一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法，屬于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其隔離滾轉(zhuǎn)的方法的【技術(shù)領(lǐng)域】；解決的技術(shù)問(wèn)題為提供一種能夠?qū)Ω咚僮孕d體進(jìn)行滾轉(zhuǎn)隔離、精度較高的具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法；采用的技術(shù)方案為：所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括慣性測(cè)量單元和導(dǎo)航解算模塊，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還包括外殼和電機(jī)本體，電機(jī)本體包括電機(jī)控制器、電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子，慣性測(cè)量單元固定設(shè)置在電機(jī)本體的電機(jī)轉(zhuǎn)子上，慣性測(cè)量單元通過(guò)滑環(huán)分別向?qū)Ш浇馑隳K和電機(jī)控制器傳輸電信號(hào)，導(dǎo)航解算模塊通過(guò)輸入輸出接口向外界傳遞信息，輸入輸出接口設(shè)置在外殼上；適用于導(dǎo)航與制導(dǎo)領(lǐng)域。
【專利說(shuō)明】一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法，屬于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其隔離滾轉(zhuǎn)的方法的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱慣導(dǎo))用于導(dǎo)航和制導(dǎo)，其工作過(guò)程是利用三軸加速度計(jì)、三軸陀螺對(duì)載體的加速度、角速度等慣性參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后利用這些慣性參數(shù)解算出載體的姿態(tài)、速度和位置等信息；慣導(dǎo)產(chǎn)品應(yīng)用在導(dǎo)彈、魚(yú)雷、無(wú)人機(jī)、智能炸彈等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)已經(jīng)成熟，但將慣導(dǎo)應(yīng)用于像火箭炮等高轉(zhuǎn)速的自旋載體上時(shí)，由于自旋載體的角速度較大(約為20r/s)，受慣導(dǎo)關(guān)鍵元器件——陀螺在大量程和高精度兩個(gè)性能指標(biāo)上很難同時(shí)兼?zhèn)涞募s束，使得火箭炮等自旋載體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的精確制導(dǎo)很難實(shí)現(xiàn)，在現(xiàn)有技術(shù)上想要提高制導(dǎo)精度很難。
[0003]目前將慣導(dǎo)應(yīng)用于高轉(zhuǎn)速自旋載體上的成功應(yīng)用案例較少，在國(guó)外，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)70年代已經(jīng)開(kāi)始研制將高速自旋載體的滾轉(zhuǎn)角速度與慣導(dǎo)隔離開(kāi)來(lái)的滾轉(zhuǎn)隔離慣導(dǎo)，經(jīng)歷了數(shù)十年，已有多個(gè)型號(hào)的滾轉(zhuǎn)隔離慣導(dǎo)產(chǎn)品在飛行器上進(jìn)行了飛行試驗(yàn)，最近，Litton公司設(shè)計(jì)的LN-200MU，其重量為1.5磅、面積為35平方英寸，性能已滿足商用需求；在國(guó)內(nèi)，近期出現(xiàn)了一種利用偏心質(zhì)量塊的重力作用來(lái)解決高速旋轉(zhuǎn)隔離的方案，但此方案隔離外部旋轉(zhuǎn)時(shí)偏心質(zhì)量塊會(huì)在重力作用和摩擦力作用下不停搖擺，使得內(nèi)核與外部載體的位置關(guān)系不確定，應(yīng)用具有一定的局限性，此外，還出現(xiàn)了另外一種滾轉(zhuǎn)隔離方案，該方案是在載體上安裝高量程陀螺來(lái)測(cè)量載體的旋轉(zhuǎn)速度，將此轉(zhuǎn)速信息反饋給帶電機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而控制慣性模塊反向旋轉(zhuǎn)，以消除載體的高轉(zhuǎn)速對(duì)慣性測(cè)量單元(IMU)帶來(lái)的影響，對(duì)于此方案，由于高量程的陀螺其精度一般很低，所以以此類陀螺的轉(zhuǎn)速信息來(lái)控制慣性模塊的反向旋轉(zhuǎn)，誤差較大，很難滿足內(nèi)核慣性器件的應(yīng)用環(huán)境;現(xiàn)階段亟需一種能應(yīng)用在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的、誤差較小、精度較高的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，以滿足高速自旋載體精確制導(dǎo)的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，所要解決的技術(shù)問(wèn)題為提供一種能夠?qū)Ω咚僮孕d體進(jìn)行滾轉(zhuǎn)隔離、精度較高的具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及其滾轉(zhuǎn)隔離方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測(cè)量單元和導(dǎo)航解算模塊，所述慣性測(cè)量單元包括陀螺和加速度計(jì)，所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還包括外殼和電機(jī)本體，所述慣性測(cè)量單元、導(dǎo)航解算模塊和電機(jī)本體均設(shè)置在外殼的內(nèi)部，其中，所述電機(jī)本體包括電機(jī)控制器、電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子，所述慣性測(cè)量單元固定設(shè)置在電機(jī)本體的電機(jī)轉(zhuǎn)子上，所述慣性測(cè)量單元通過(guò)滑環(huán)分別向?qū)Ш浇馑隳K和電機(jī)控制器傳輸電信號(hào)，所述導(dǎo)航解算模塊通過(guò)輸入輸出接口向外界傳遞信息，所述輸入輸出接口設(shè)置在外殼上；所述電機(jī)本體為無(wú)刷直流力矩電機(jī)；所述慣性測(cè)量單元還包括結(jié)構(gòu)體、采集軟件、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊；所述導(dǎo)航解算模塊包括導(dǎo)航計(jì)算機(jī)處理器、配套電路和導(dǎo)航軟件。
[0006]一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)隔離方法，所述滾轉(zhuǎn)隔離方法包括以下步驟:運(yùn)用于載體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行后，慣性測(cè)量單元中的陀螺測(cè)量載體的滾轉(zhuǎn)角速率，慣性測(cè)量單元將該滾轉(zhuǎn)角速率信息通過(guò)滑環(huán)傳遞給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)接收到的滾轉(zhuǎn)角速率信息來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于載體的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，使固定于電機(jī)轉(zhuǎn)子上的慣性測(cè)量單元的轉(zhuǎn)速處于其滾轉(zhuǎn)角量程范圍內(nèi)；所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行前，先行啟動(dòng)電機(jī)控制器，使電機(jī)控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)子相對(duì)于預(yù)測(cè)的載體旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
本發(fā)明中，在傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱慣導(dǎo))的基礎(chǔ)上增設(shè)了電機(jī)，將電機(jī)和慣導(dǎo)一起設(shè)置在一個(gè)外殼的內(nèi)部，將外殼及其內(nèi)部的器件一起直接安裝在待測(cè)載體上，將電機(jī)的殼體固定在外殼的內(nèi)部，將慣導(dǎo)中的慣性測(cè)量單元(MU)與電機(jī)轉(zhuǎn)子固連后一起套在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上，MU通過(guò)滑環(huán)分別向?qū)Ш浇馑隳K和電機(jī)控制器傳輸電信號(hào)；工作時(shí)，當(dāng)MU中的陀螺檢測(cè)到載體有滾轉(zhuǎn)角時(shí)，將測(cè)量到的滾轉(zhuǎn)角速率通過(guò)滑環(huán)傳遞給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)接收到的滾轉(zhuǎn)角速率信息控制電機(jī)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)IMU相對(duì)于載體的旋轉(zhuǎn)方向反向旋轉(zhuǎn)，最大程度地消除了載體的高速旋轉(zhuǎn)，使IMU的轉(zhuǎn)速處于其滾轉(zhuǎn)角量程范圍內(nèi)，避免了在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下陀螺產(chǎn)生交叉耦合和加速度計(jì)產(chǎn)生敏感量特性，由此避免了陀螺的角速度測(cè)量誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載體姿態(tài)角變化時(shí)產(chǎn)生的角速率，此外，由于整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間短、轉(zhuǎn)速大，所以可使?jié)L轉(zhuǎn)隔離裝置先行啟動(dòng)，使其在零時(shí)刻前以某一速率(例如30 /s)相對(duì)載體逆向旋轉(zhuǎn)，借此改善滾轉(zhuǎn)隔離效果；以本發(fā)明中滾轉(zhuǎn)角隔離之后的平臺(tái)作為慣導(dǎo)的測(cè)量平臺(tái)，再配合專項(xiàng)的傳遞對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，可以大大地提高慣導(dǎo)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的導(dǎo)航和制導(dǎo)精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖中:1為慣性測(cè)量單元，2為導(dǎo)航解算模塊，3為外殼，4為電機(jī)控制器，5為電機(jī)定子，6為電機(jī)轉(zhuǎn)子,7為滑環(huán)，8為輸入輸出接口，9為轉(zhuǎn)軸，10為第一軸承，11為第二軸承，12為電機(jī)殼體。
【具體實(shí)施方式】
[0011]如圖1所示，一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測(cè)量單元I和導(dǎo)航解算模塊2，所述慣性測(cè)量單元I包括陀螺和加速度計(jì)，所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還包括外殼3和電機(jī)本體，所述慣性測(cè)量單元1、導(dǎo)航解算模塊2和電機(jī)本體均設(shè)置在外殼3的內(nèi)部，其中，電機(jī)殼體12的外壁與外殼3的內(nèi)壁固連；所述電機(jī)本體包括電機(jī)控制器4、電機(jī)定子5和電機(jī)轉(zhuǎn)子6，所述慣性測(cè)量單元I固定設(shè)置在電機(jī)本體的電機(jī)轉(zhuǎn)子6上，電機(jī)轉(zhuǎn)子6套在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸9上，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子、MU部分通過(guò)第一軸承10與電機(jī)定子5連接；所述慣性測(cè)量單元I通過(guò)滑環(huán)7分別向?qū)Ш浇馑隳K2和電機(jī)控制器4傳輸電信號(hào)，所述電機(jī)轉(zhuǎn)子、IMU部分通過(guò)第二軸承11與滑環(huán)7連接，所述滑環(huán)7用于旋轉(zhuǎn)部分和非旋轉(zhuǎn)部分之間傳遞電信號(hào)，完成非旋轉(zhuǎn)部分向旋轉(zhuǎn)部分提供電源、旋轉(zhuǎn)部分向非旋轉(zhuǎn)部分傳送慣性信息的過(guò)程，本實(shí)施例中的滑環(huán)額定轉(zhuǎn)速不低于20r/s、滑環(huán)通道不少于12條、每條通道的額定電流不低于2A;所述導(dǎo)航解算模塊2通過(guò)輸入輸出接口 8向外界傳遞信息，所述輸入輸出接口 8設(shè)置在外殼3上。
[0012]本實(shí)施例中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)，電機(jī)本體為無(wú)刷直流力矩電機(jī)，所述電機(jī)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以輸出大于其軸承摩擦力的扭矩，使電機(jī)轉(zhuǎn)子和IMU部分的轉(zhuǎn)速能夠維持在小于陀螺的滾轉(zhuǎn)角量程范圍內(nèi)；
所述慣性測(cè)量單元I還包括結(jié)構(gòu)體、采集軟件、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊，本實(shí)施例中的包括陀螺和加速度計(jì)的傳感器采用ADI公司的小體積6自由度傳感器ADIS16375，所述信號(hào)調(diào)理電路包括調(diào)理電路、轉(zhuǎn)換電路、采集電路和晶振等，所述電源模塊包括DC/DC變換器等，所述采集軟件通過(guò)SPI接口將慣性參數(shù)發(fā)送給導(dǎo)航解算模塊2 ；
所述導(dǎo)航解算模塊2包括導(dǎo)航計(jì)算機(jī)處理器(DSP)、配套電路和導(dǎo)航軟件，本實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)處理器采用TI公司的TMS320C6713，其主要的功能為接收IMU的測(cè)量輸出，利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)航解算；所述配套電路的功能主要包括電源適配、信號(hào)調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換、串行通?目等;
所述導(dǎo)航軟件包括慣性傳感器的校正和姿態(tài)、位置及速度的解算，在捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中，姿態(tài)信息保存在捷聯(lián)矩陣中，捷聯(lián)矩陣是實(shí)現(xiàn)由機(jī)體坐標(biāo)系到平臺(tái)坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方向余弦矩陣(也稱姿態(tài)矩陣)，根據(jù)捷聯(lián)矩陣可以單值地確定飛行器的姿態(tài)角，因此，飛行器姿態(tài)的實(shí)時(shí)解算其實(shí)就是對(duì)捷聯(lián)矩陣進(jìn)行及時(shí)修正；對(duì)捷聯(lián)矩陣進(jìn)行及時(shí)修正常用的有三種解算:歐拉角法、方向余弦法和四元數(shù)法，這三種算法中，四元數(shù)法的漂移誤差最小，實(shí)際應(yīng)用中的姿態(tài)解算大多采用四元數(shù)法，本發(fā)明中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也采用四元數(shù)法進(jìn)行姿態(tài)解算，采用東北天坐標(biāo)系作為慣性導(dǎo)航坐標(biāo)系。
[0013]本發(fā)明中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)隔離方法，包括以下步驟:運(yùn)用于載體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行后，慣性測(cè)量單元I中的陀螺測(cè)量載體的滾轉(zhuǎn)角速率，慣性測(cè)量單元I將該滾轉(zhuǎn)角速率信息通過(guò)滑環(huán)7傳遞給電機(jī)控制器4，電機(jī)控制器4根據(jù)接收到的滾轉(zhuǎn)角速率信息來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子6相對(duì)于載體的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，使固定于電機(jī)轉(zhuǎn)子6上的慣性測(cè)量單元I的轉(zhuǎn)速處于其滾轉(zhuǎn)角量 程范圍內(nèi)；為了擁有更好的滾轉(zhuǎn)隔離效果，所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行前，可先行啟動(dòng)電機(jī)控制器4，使電機(jī)控制器4控制電機(jī)轉(zhuǎn)子6相對(duì)于預(yù)測(cè)的載體旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括慣性測(cè)量單元(I)和導(dǎo)航解算模塊(2)，所述慣性測(cè)量單元(I)包括陀螺和加速度計(jì)，其特征在于:所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)還包括外殼(3)和電機(jī)本體，所述慣性測(cè)量單元(I)、導(dǎo)航解算模塊(2)和電機(jī)本體均設(shè)置在外殼(3)的內(nèi)部，其中，所述電機(jī)本體包括電機(jī)控制器(4)、電機(jī)定子(5)和電機(jī)轉(zhuǎn)子(6)，所述慣性測(cè)量單元(I)固定設(shè)置在電機(jī)本體的電機(jī)轉(zhuǎn)子(6 )上，所述慣性測(cè)量單元(I)通過(guò)滑環(huán)(7 )分別向?qū)Ш浇馑隳K(2 )和電機(jī)控制器(4 )傳輸電信號(hào)，所述導(dǎo)航解算模塊(2 )通過(guò)輸入輸出接口(8)向外界傳遞信息，所述輸入輸出接口(8)設(shè)置在外殼(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:所述電機(jī)本體為無(wú)刷直流力矩電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:所述慣性測(cè)量單元(I)還包括結(jié)構(gòu)體、采集軟件、信號(hào)調(diào)理模塊和電源模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有滾轉(zhuǎn)隔離功能的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于:所述導(dǎo)航解算模塊(2 )包括導(dǎo)航計(jì)算機(jī)處理器、配套電路和導(dǎo)航軟件。
5.一種如權(quán)利要求1所述的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)隔離方法，其特征在于:所述滾轉(zhuǎn)隔離方法包括以下步驟:運(yùn)用于載體上的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行后，慣性測(cè)量單元(I)中的陀螺測(cè)量載體的滾轉(zhuǎn)角速率，慣性測(cè)量單元(I)將該滾轉(zhuǎn)角速率信息通過(guò)滑環(huán)(7)傳遞給電機(jī)控制器(4 )，電機(jī)控制器(4 )根據(jù)接收到的滾轉(zhuǎn)角速率信息來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子(6 )相對(duì)于載體的旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)，使固定于電機(jī)轉(zhuǎn)子(6)上的慣性測(cè)量單元(I)的轉(zhuǎn)速處于其滾轉(zhuǎn)角量程范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的滾轉(zhuǎn)隔離方法，其特征在于:所述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行前，先行啟動(dòng)電機(jī)控制器(4)，使電機(jī)控制器(4)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子(6)相對(duì)于預(yù)測(cè)的載體旋轉(zhuǎn)方向進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103822632SQ201410074206
【公開(kāi)日】2014年5月28日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】杜曉強(qiáng), 高松山, 田向杰, 唐艷平, 葉新生 申請(qǐng)人:山西科泰微技術(shù)有限公司