CN100533060C - 用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于陀螺经纬仪定位与定向技术，尤其是涉及用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置。为提供一种用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置，该装置可以自动完成粗寻北，可以提高陀螺经纬仪的响应速度、寻北精度。本发明采用的技术方案是：包括依次相连的电子罗盘、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、电机驱动模块、步进电机、连轴器、减速器、旋转平台，数字信号处理器可根据电子罗盘输出的角度值所反映的与北方向的差值大小决定步进电机的方向，并通过控制复杂可编程逻辑器件决定步进电机的运转速度，数字信号处理器还通过陀螺下放装置与陀螺经纬仪相连。本发明主要用于制造用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置。

Description

用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置
技术领域
本发明属于陀螺经纬仪定位与定向技术，尤其是涉及用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置。
背景技术
现代控制理念中，已经越来越多的强调减少对仪器的人为干预，加强其本身的自动化、智能化和自诊断能力。现代寻北测量中，人们也正在致力于寻北智能化、自动化的研究。现阶段，国内的机械陀螺仪寻北大多还是应用跟踪逆转点法和中天法。跟踪逆转点法寻北，操作人员劳动强度大、易疲劳，导致测量过程中对光标位置记录会产生较大误差，使得测量精度和速度受到很大影响，所以跟踪逆转点法一般在粗寻北时采用；而中天法测量精度高，观测具有省力、眼睛不易疲劳、观测者在观测过程中可以应付外界来往人员及其它突发因素的干扰等优点。但中天法要求在一定的北方向角度范围内寻北，否则此方法将失效，无法完成寻北过程。
传统的寻北过程首先利用跟踪逆转点法粗寻北，然后再利用中天法精寻北，两种方法结合来完成整个寻北任务。这种结合寻北方法的寻北时间将达到20～30分钟，寻北消耗时间较长。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置，该装置可以自动完成粗寻北，无需人工参与，可以提高陀螺经纬仪的响应速度、寻北精度和自动化程度。本发明采用的技术方案是：用电子罗盘实现陀螺仪粗寻北装置，包括依次相连的电子罗盘、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、电机驱动模块、步进电机、连轴器、减速器、旋转平台，电子罗盘和陀螺经纬仪安装在旋转平台上，用于接收陀螺经纬仪输出的光标像的电荷耦合器件采集模块与数字信号处理器相连，还包括分别与数字信号处理器相连键盘和显示***，数字信号处理器可根据电子罗盘输出的角度值所反映的与北方向的差值大小输出决定步进电机的运转速度和方向的信号到复杂可编程逻辑器件，数字信号处理器还通过陀螺下放装置与陀螺经纬仪相连。
所说的数字信号处理器通过串口电平转换模块与电子罗盘相连。
所说的电荷耦合器件采集模块与数字信号处理器相连，是电荷耦合器件采集模块的输出通过A/D转换芯片转换得到数字信号再输出到数字信号处理器。
本发明具备以下效果：由于本发明采用了电子罗盘、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、电机驱动模块、步进电机、连轴器、减速器、旋转平台结构，自动实现陀螺经纬仪粗寻北，因而本发明可带来下列效果：
(1)粗寻北过程自动完成，重复精度高，可靠性好；
(2)粗寻北过程无需人工参与，对仪器使用者要求低，可缩短寻北时间；
(3)陀螺经纬仪在任意方向位置即可进行寻北工作。
附图说明
图1全自动智能寻北***结构示意图。
图2为步进电机控制转动***结构示意图。
图3为总体***结构示意图。图中，1陀螺仪，2经纬仪，3电子罗盘，4步进电机，5转台，6减速***。
图4为电子罗盘反馈控制电机示意图。
图5为DSP与C100接口示意图。
图6为控制区分类示意图。
图7为电子罗盘粗寻北软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例一全自动智能寻北***，进一步说明本发明。
全自动智能寻北***如图1所示，把全自动测量***放置于测量地点。***上电自检，自检通过后开始自动调平，然后电子罗盘开始工作，测得的北方向信号输入给数字信号处理器DSP，根据数据处理结果由复杂可编程逻辑器件CPLD通过电机驱动模块驱动步进电机，经回转***，把陀螺经纬仪照准部往大致北方向靠近，如此反复，最终实现陀螺经纬仪粗寻北；陀螺经纬仪在粗北方向，DSP控制陀螺下放装置下放陀螺仪灵敏部，同时反映陀螺房运动信息的光标信号通过陀螺经纬仪的光路***成像，光标像由CCD(电荷耦合器件)采集模块接收，通过CCD的光电转换，光标信号由光信号转变为反映光强的电压信号。电压信号为模拟信号，通过A/D转换芯片转换得到数字信号，然后数字信号处理器DSP对输入的数字信号进行预处理和寻北运算，最后再把运算结果送到显示模块。键盘输入为人机接口模块，通过对其控制可以实现所需的各种操作。
本发明实施例全自动智能寻北***是通过以下技术方案实现的。如图2所示数字信号处理器DSP可以根据电子罗盘输出的角度值所反映的与北方向的差值大小来决定步进电机的运转速度和方向。如图3所示，陀螺经纬仪和电子罗盘固定安装在同一旋转平台，采用步进电机通过联轴器对旋转平台进行驱动，并经过减速比为R＝90的减速器实现平稳紧凑的传动。
本发明实施例应用美国生产的KVH C100电子罗盘。KVH C100分辨率为0.1°，寻北精度为0.5°，满足整个***粗寻北所需的精度。KVH C100提供了多种接口供用户使用。包括串口(Serial Port)、数字口(Digital Port)、模拟口(Analog Port)、电源输入(Power Inputs)。本专利利用串口进行数据通讯。
采用天津国科电子公司的57DYGH-8001-02型步进电机，步距角为1.8°，驱动器采用GK—2HB15—8D型步进电机驱动模块。
步进电机的控制及电子罗盘数据的采集由数字信号处理器DSP(Digital SignalProcessor)和复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)完成，如图4所示，数字信号处理器DSP通过IO2控制步进电机旋转方向，通过IO0，IO1控制复杂可编程逻辑器件CPLD达到控制步进电机速度的目的。数字控制采用DSP型号为TI公司的TMS320F206PZ，CPLD型号为Al tera公司的EMP7064SLC44-10。
1.电子罗盘的校准
KVH C100电子罗盘提供了三种校准方法：八点校准法、三点校准法和旋转校准法。三点校准法可以校准精确的航向，所以本实施例采用此方法进行校准。
为了进行三点校准，需要有一个精确的外部参考方向。按照提示定位电子罗盘到0°，120°，240°。当电子罗盘近似地指向正确的方向时，输入精确的航向，该值从JT15陀螺经纬仪的电子经纬仪读出。
并不需要初始方向必须输入000°，也没必要按特定的序列输入三个参考航向。三点校准后的电子罗盘精度完全依靠三个参考方向的精度而定。
2.电子罗盘数据采集
如图5是DSP与KVH C100电子罗盘串口通讯的控制电路示意图。电子罗盘偏离北向角度值通过RXD引脚以NMEA0183标准的ASCII码形式输出。NMEA0183语句由19个字节组成，信号通过RS232电平转换后，由DSP的RX引脚采集。DSP通过串口每采集一个角度值，需要连续采集19个字节，每个字节最高位为0，低7位为ASCII码。在传输过程中，每个字节加上一个开始位和一个停止位，一共为10位。数据采集由DSP的异步串口中断子程序来完成，每一次中断采集一个字节，所以每次角度值读数需要19个异步串口中断。然后对采集到的NMEA0183格式的数据进行拆分，提取其中的角度值，进行分析比较，进而控制回转***，从而达到粗寻北自动化的目的。
3.初寻北转台速度控制
设电子罗盘读数，也即陀螺经纬仪照准部与真北方向角度偏差值为A，针对***的控制要求，控制***应遵循的控制规则为：当A较大时，要求控制作用快速、灵敏；当A较小时，要求控制作用平稳、缓慢；当陀螺经纬仪照准部与真北方向角度偏差值接近电子罗盘所指示的粗寻北角度时，要求***进行位置跟踪。将整个控制过程根据陀螺经纬仪实际转过的角度分为3个控制区：高速区、低速区和跟踪区。如图6所示，当0°<A≤10°时，回转控制***运行在跟踪区，此时转台转速为0.04转/分；当10°<A≤30°时，回转***运行在低速区，此时转台转速为0.31转/分；当30°<A≤180°时，回转***运行在高速区，此时转台转速为1.22转/分。
数字信号处理器粗寻北操作软件流程图如图7所示。软件控制程序使用C语言和汇编语言混合编程的方法来实现。
本***实现了陀螺寻北仪的自动粗寻北。设计了基于DSP的步进电机的控制电路、编制了自动粗寻北***的控制程序。实验表明，自动粗寻北***可以有效的代替人工跟踪逆转点粗寻北方法，极大提高了整个寻北速度，一定程度上提高了寻北精度。

Claims (2)

1.一种用电子罗盘实现陀螺经纬仪粗寻北的装置，其特征在于，包括依次相连的电子罗盘、数字信号处理器、复杂可编程逻辑器件、电机驱动模块、步进电机、连轴器、减速器、旋转平台，电子罗盘和陀螺经纬仪安装在旋转平台上，用于接收陀螺经纬仪输出的光标像的电荷耦合器件采集模块的输出通过A/D转换芯片转换得到数字信号再输出到数字信号处理器，还包括分别与数字信号处理器相连的键盘和显示***，数字信号处理器可根据电子罗盘输出的角度值所反映的与北方向的差值大小决定步进电机的方向，并通过控制复杂可编程逻辑器件决定步进电机的运转速度，数字信号处理器还通过陀螺下放装置与陀螺经纬仪相连。
2.根据权利要求1所述的一种用电子罗盘实现陀螺经纬仪粗寻北的装置，其特征在于，所说的数字信号处理器通过串口电平转换模块与电子罗盘相连。
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