專利名稱：陀螺尋北儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種車載陀螺尋北儀。
聯邦德國專利DE3541259上公開了一種“指北定向裝置”，采用準捷聯方式，具有二自由度的常平架，擾性陀螺的兩個互為正交的角速率敏感軸保持在近似水平狀態，以克服不同緯度引起的測北誤差，陀螺每個敏感軸方向各安裝一只加速度計，用來補償哪怕是近似水平也要產生的測北誤差，陀螺的兩個敏感軸分別測得地球自轉角速度沿該軸的分量，兩個加速度計分別測得重力加速度在兩個敏感軸的分量，信號處理裝置將重力加速度分量換算成兩個敏感軸相對水平面的偏差角，并按換算比例與其陀螺信號相疊加，以消除地球自轉角速度的垂直分量，最終出地球自轉角速度的水平分量在兩個敏感軸上的分量，從而計算出偏北角。很顯然，使陀螺敏感軸處于近似水平的目的，是便于減少緯度影響，因為在不同緯度下，地球自轉角速度的垂直分量是不同的，而敏感軸處于近似水平狀態，可使陀螺敏感到的垂直分量很小，用加速度計測的信號用模擬方式加以近似的修正。專利DE3541259必須具有復雜的、可調水平的二自由度常平架機構，必須使用兩個加速度計才能實現對重力加速度在兩個敏感軸方向的分量的測量，對地球自轉角速度垂直分量的修正是近似的，信號處理裝置采用模擬方案，無法實現尋北過程的復雜計算。總之，DE3541259是陀螺穩定平臺功能的擴展。
本發明的目的是提供一種利用多位置捷聯測北的陀螺尋北儀裝置，以便在車體大角度傾斜且無需調平及知道地理緯度的情況下進行精確的測量。
本發明的目的是通過以下措施實現的一個擾性陀螺和一個加速度計，安裝在可實現多位置轉動的步進旋轉裝置上，通過該裝置上的單軸轉臺的位置變化，陀螺測出地球自轉角速度分量，加速度計測出各位置的重力加速度分量，并送入信號處理裝置進行處理。因此，本發明包括a.陀螺，可在單軸轉臺上進行對稱的多位置測量，測得各位置地球自轉角速度沿其敏感軸的分量，并以此測量方式消除陀螺的系統誤差。
b.加速度計，沿陀螺的一個敏感軸安裝，實現與陀螺在各位置的同步測量，以計算敏感軸所在平面相對水平面的偏角，并以此測量方式消除加速度計的系統誤差。
c.步進旋轉裝置，用來實現陀螺和加速度計的位置轉換，將單軸轉臺置于平面軸系結構上并控制其具有足夠的抗扭轉剛度，以避免對陀螺產生附加的速率干擾，采用步進電機驅動單軸轉臺轉動以實現位置轉換，并用光電脈沖發生器和位置記憶器配合使用，以確定單軸轉臺的零位及其他轉動位置。
d.信號處理裝置，以微處理器作為控制部件，控制單軸轉臺歸零及其此后的轉動角度，在收到陀螺輸出值、加速度輸出值、單軸轉臺轉動的位置數及每次轉動的角度后，予以實時處理，輸出偏北角，緯度及車體傾斜角。
本發明解決了以下問題a.無需限制陀螺敏感軸在近似水平狀態下，因此取消了類似陀螺穩定平臺的復雜的調平機構。
b.用一只加速度計取代兩只加速度計，同樣可以測出陀螺敏感軸相對水平面的傾斜角。
c.無需外加緯度信號即可完成精確測北，同時本發明可測出緯度和車體的傾斜角。
d.信號處理裝置由模擬電路、數字電路及微處理器組成，可實現對信號的復雜計算。
e.在多位置下測量，可消除陀螺及加速度計的系統誤差，從而可以提高測北精度。
f.計算機濾波和計算機平滑技術可提高儀表的抗干擾能力。
附
圖1為本發明所建立的坐標系附圖2為本發明的原理示意圖附圖3為步進旋轉裝置的結構原理圖附圖4為本發明的信號處理裝置原理方框圖附圖5為本發明的信號處理裝置的控制流程圖下面將結合實施例進行詳細說明用擾性陀螺測量的最終目的是得到地球自轉角速度的水平分量在直角坐標上的兩個分量，用加速度計測量的目的，是得到陀螺敏感軸所在平面與水平面的夾角，由此建立如圖1所示的坐標系οξηψ-地理坐標，οψ軸為鉛垂方向οXοYοZο-車體參考坐標系，οYο軸平行于車體縱軸φ-車體偏北方位角
οX1Y1Z1-尋北儀參考坐標系，οX1軸平行于陀螺的敏感軸α、β-車體的傾斜角地球自轉角速度和重力加速度g在οηξψ各軸上的分量表達式可寫成
其中，Aθ、Aβ、Aα、Aψ-坐標轉換的矩陣因子ψ-緯度最終可導出
其中，K1陀螺的刻度因數K2加速度計的刻度因數U1i陀螺在各位置下的輸出值U2i加速度計在各位置下的輸出值N 步進旋轉裝置轉動的位置數θi步進旋轉裝置各位置的角度根據上述數學模型，確定本發明的結構組成包括參考附圖2，a.安裝在單軸轉臺(3)上的速率型擾性陀螺(1);
b.安裝在單軸轉臺(3)上，沿陀螺(1)的一個敏感軸上的加速度計(2);
c.步進旋轉裝置實現陀螺(1)、加速度計(2)的多位置轉換，參考附圖3，其結構為c1.單軸轉臺(3)與平面軸系(23)及步進電機(5)都固定在內框架(22)上，其中，控制平面軸系(23)具有足夠的抗扭轉剛度，同時又能被步進電機(5)驅動，步進電機(5)經減速器(4)帶動單軸轉臺(3)轉動;
c2.光電脈沖發生器(10)通過柔性連接軸(9)與減速器(4)的齒輪連接，用來監測單軸轉臺(3)的轉角，位置記憶器(19)安裝在內框架(22)上，當步進電機(5)驅動單軸轉臺(3)轉動時，與單軸轉臺(3)連接的扇形齒輪(21)帶動齒輪(20)轉動一個位置并打開相應的微動開關(18)，使位置記憶器(19)記憶單軸轉臺(3)所處的位置，光電脈沖發生器(10)的零位信號和位置記憶器(19)的位置信號配合使用，保證了測量基準的一致性和歸零動作的一致性;
c3.電纜(16)一端固定在與單軸轉臺(3)連接的內導環(15)上，另一端固定在與殼體(11)連接的外導環(17)上，用來傳遞電源與測量信號，內框架(22)通過四個平板型橡膠減震器(12)連接在殼體(11)上，在殼體(11)上安裝導向活塞桿(13)和阻尼環(14)，并用硅橡膠環(24)固連，當內框架(22)受到干擾，減震裝置可以使其迅速衰減并防止角振動。
d.信號處理裝置，附圖5為該裝置的控制流程圖，可以看出，微處理器(6)控制步進旋轉裝置的單軸轉臺(3)歸零及其此后的轉動角度，并對來自溫度傳感器(36)的溫度漂移信號進行相關處理，對來自陀螺(1)、加速度計(2)在各位置下測得的輸出值U1i、U2i作矩陣運算，最后輸出偏北角、緯度及車體的傾角，由顯示器(7)顯示，因此，該裝置具有，參考附圖4d1.光電脈沖發生器(10)和位置記憶器(19)的信號，經過光電隔離電路(28)輸入微處理器(6)，當兩路信號同時出現時，單軸轉臺(3)處于基準零位，否則，微處理器(6)將控制步進電機(5)運轉使單軸轉臺(3)歸零;
d2.微處理器(6)經過光電隔離電路(28)，向驅動電路(41)發出轉角脈沖，控制步進電機(5)做正向或反向轉動，同時光電脈沖發生器(10)將單軸轉臺(3)的轉角信號送入微處理器(6)，從而控制單軸轉臺(3)轉到預定的測量位置θi;
d3.陀螺力矩器(33)、(34)的電流信號，通過采樣電阻(31)、(32)送入濾波電路(42)，經阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)，送入微處理器(6)，使陀螺(1)的信號得到了濾波、平滑和模/數轉換，在微處理器(6)內做為主信號u1i參加運算;
d4.加速度計(2)信號，通過阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)送入微處理器(6)，作為主信號U2i參加運算;
d5.溫度傳感器(36)的信號，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)送入微處理器(6)，對陀螺(1)信號進行溫度相關處理，以消除陀螺溫度漂移帶來的測量誤差。
該尋北陀螺儀的工作過程是這樣的電源接通后，陀螺馬達電源(25)向陀螺馬達(27)供電，交流電源(26)向陀螺力矩再平衡電路(30)和陀螺角度傳感器(39)供電，DC/DC電源(40)給出各電路及微處理器(6)用的直流電，微處理器(6)開始計時，按預定時間起動步進電機(5)使單軸轉臺(3)轉到基準零位(第一個位置)，發出吸合指令使繼電器(29)吸合，因此陀螺力矩再平衡電路(30)閉合，陀螺(1)處于正常工作狀態，到達測量時間后，微處理器(6)發出選擇信號，控制選擇開關(37)分別將第一個位置的陀螺信號、加速度計信號及溫度信號送入微處理器(6)，然后再一次起動步進電機(5)并接收光電脈沖發生器(10)送回的角度信號，到達預定轉角后，步進電機(5)停轉，微處理器(6)開始在第二個位置下采集陀螺(1)、加速度計(2)及溫度傳感器(36)的信號，同樣，第三位置，直到最后一個位置，全部數據采集完成，微處理器(6)按程序進行運算，最后將計算出的偏北角、緯度和車體的傾角送入顯示器。
權利要求
1.一種捷聯方式聯接的車載尋北陀螺儀，其特征在于包括a.陀螺，安裝在可實現多位置轉動的步進旋轉裝置的單軸轉臺上，通過單軸轉臺的位置變化，測出在各位置上的地球自轉角速度沿其敏感軸方向的分量，并以此測量方式消除陀螺的系統誤差；b.一個加速度計，沿陀螺的一個敏感軸方向安裝在單軸轉臺上，與陀螺同步測量，測出在各位置上的重力加速度分量，以計算陀螺敏感軸所在平面相對水平面的偏角，并以此測量方式消除加速度計的系統誤差；c.步進旋轉裝置，其中，以步進電機驅動單軸轉臺轉動，并用光電脈沖發生器及位置記憶器配合使用，以確定單軸轉臺的零位及其他各轉動位置；d.信號處理裝置，以微處理器作為控制部件，控制單軸轉臺歸零及其此后的轉動角度，在收到陀螺輸出值、加速度輸出值、單軸轉臺轉動的位置數及每次轉動的角度后，予以實時處理，輸出車體的偏北角、緯度及車體傾斜角。
2.根據權利要求1所述的尋北陀螺儀，其特征在于步進旋轉裝置實現陀螺(1)、加速度計(2)的多位置轉換，因此該裝置具有a.單軸轉臺(3)與平面軸系(23)及步進電機(5)都固定在內框架(22)上，步進電機經減速器(4)帶動單軸轉臺(3)轉動，其中，控制平面軸系(23)具有足夠的抗扭轉剛度，同時又能被步進電機(5)驅動;b.光電脈沖發生器(10)通過柔性連接軸(9)與減速器(4)的齒輪連接，用來監測單軸轉臺(3)的轉角，位置記憶器(19)安裝在內框架(22)上，當步進電機(5)驅動單軸轉臺(3)轉動時，與單軸轉臺(3)連接的扇形齒輪(21)帶動齒輪(20)轉動一個位置并打開相應的微動開關(18)，使位置記憶器記憶單軸轉臺(3)所處的位置;c.內框架(22)通過四個平板型橡膠減震器(12)連接在殼體(11)上，在殼體(11)上安裝導向活塞桿(18)和阻尼環(14)，并用硅橡膠環(24)固連，當內框架(22)受到干擾，減震裝置可以使其迅速衰減并防止角振動。
3.根據權利要求1所述的尋北陀螺儀，其特征在于信號處理裝置，控制單軸轉臺(3)歸零及其此后的轉動角度，完成對信號的處理，a.光電脈沖發生器(10)和位置記憶器(19)的信號，經過光電隔離電路(28)輸入微處理器(6)，當這兩路信號同時出現時，單軸轉臺(3)處于基準零位，否則，微處理器(6)將控制步進電機(5)運轉使單軸轉臺(3)歸零;b.微處理器(6)經過光電隔離電路(28)，向驅動電路(41)發出轉角脈沖，控制步進電機(5)做正向或反向轉動，同時光電脈沖發生器(10)將單軸轉臺(3)的轉角信號送入微處理器(6)，從而控制單軸轉臺(3)轉到預定的測量位置;c.陀螺力矩器(33)、(34)的電流信號，通過采樣電阻(31)、(32)送入濾波電路(42)，經阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)，送入微處理器(6);d.加速度計(2)信號，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)、A/D變換器(8)送入計算機(6)參加運算;e.溫度傳感器(36)信號，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(37)、電位平移電路(38)、A/D變換器(8)送入微處理器(6)，對陀螺(1)信號進行溫度相關處理，以消除陀螺溫度漂移帶來的測量誤差。
全文摘要
本發明涉及一種車載陀螺尋北儀，采用多位置捷聯測北方法，將陀螺和一個加速度計，安裝在可實現多位置轉動的步進旋轉裝置上，通過該裝置上的單軸轉臺的位置變化，陀螺測出在各位置上的地球自轉角速度分量，加速度計同步測出重力加速度分量，將這兩路信號送入信號處理裝置，由該裝置中的微處理器實時處理，輸出偏北角、當地的緯度及車體的傾角。該尋北儀可以在車體大角度傾斜，而且無需調平陀螺敏感軸所在的平面以及知道當地地理緯度的情況下進行精確的測量。
文檔編號G01C19/38GK1052371SQ9010368
公開日1991年6月19日 申請日期1990年5月23日 優先權日1990年5月23日
發明者于永泰, 于祖蔭 申請人:航空航天部第一設計研究院十五所
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