CN1023620C

CN1023620C - 陀螺寻北仪

Info

Publication number: CN1023620C
Application number: CN 90103687
Authority: CN
Inventors: 于永泰; 于祖荫
Original assignee: NO 15 INST NO 1 DESIGN INST MINISTRY OF AERONAUTIC AND ASTRANANTIC INDUSTRY
Current assignee: NO 15 INST NO 1 DESIGN INST MINISTRY OF AERONAUTIC AND ASTRANANTIC INDUSTRY
Priority date: 1990-05-23
Filing date: 1990-05-23
Publication date: 1994-01-26
Anticipated expiration: 2005-05-23
Also published as: CN1052371A

Abstract

本发明涉及一种车载陀螺寻北仪，采用多位置捷联测北方法，将陀螺和一个加速度计，安装在可实现多位置转动的步进旋转装置上，通过该装置上的单轴转台的位置变化，陀螺测出在各位置上的地球自转角速度分量，加速度计同步测出重力加速度分量，将这两路信号送入信号处理装置，由该装置中的微处理器实时处理，输出偏北角、当地的纬度及车体的倾角。该寻北仪可以在车体大角度倾斜，而且无需调平陀螺敏感轴所在的平面以及知道当地地理纬度的情况下进行精确的测量。

Description

本发明涉及一种车载陀螺寻北仪。

联邦德国专利DE3541259上公开了一种“指北定向装置”，采用准捷联方式，具有二自由度的常平架，扰性陀螺的两个互为正交的角速率敏感轴保持在近似水平状态，以克服不同纬度引起的测北误差，陀螺每个敏感轴方向各安装一只加速度计，用来补偿哪怕是近似水平也要产生的测北误差，陀螺的两个敏感轴分别测得地球自转角速度沿该轴的分量，两个加速度计分别测得重力加速度在两个敏感轴的分量，信号处理装置将重力加速度分量换算成两个敏感轴相对水平面的偏差角，并按换算比例与其陀螺信号相叠加，以消除地球自转角速度的垂直分量，最终得出地球自转角速度的水平分量在两个敏感轴上的分量，从而计算出偏北角。很显然，使陀螺敏感轴处于近似水平的目的，是便于减少纬度影响，因为在不同纬度下，地球自转角速度的垂直分量是不同的，而敏感轴处于近似水平状态，可使陀螺敏感到的垂直分量很小，用加速度计测的信号用模拟方式加以近似的修正。专利DE3541259必须具有复杂的、可调水平的二自由度常平架机构，必须使用两个加速度计才能实现对重力加速度在两个敏感轴方向的分量的测量，对地球自转角速度垂直分量的修正是近似的，信号处理装置采用模拟方案，无法实现寻北过程的复杂计算。总之，DE3541259是陀螺稳定平台功能的扩展。

本发明的目的是提供一种利用多位置捷联测北的陀螺寻北仪装置，以便在车体大角度倾斜且无需调平及无需知道地理纬度的情况下进行精确的测量。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一个扰性陀螺和一个加速度计，安装在可实现多位置转动的步进旋转装置上，通过该装置上的单轴转台的位置变化，陀螺测出地球自转角速度分量，加速度计测出各位置的重力加速度分量，并送入信号处理装置进行处理。因此，本发明包括：

a.陀螺安装在单轴转台上进行对称的多位置测量，测得各位置地球自转角速度沿其敏感轴的分量，并以此测量方式消除陀螺的***误差。

b.加速度计沿陀螺的一个敏感轴安装，实现与陀螺在各位置的同步测量，以计算敏感轴所在平面相对水平面的偏角，并以此测量方式消除加速度计的***误差。

c.步进旋转装置用来实现陀螺和加速度计的位置转换，将单轴转台置于平面轴系结构上并控制其具有足够的抗扭转刚度，以避免对陀螺产生附加的速率干扰，采用步进电机驱动单轴转台转动以实现位置转换，并用光电脉冲发生器和位置记忆器配合使用，以确定单轴转台的零位及其他转动位置。

d.信号处理装置以微处理器作为控制部件，控制单轴转台归零及其此后的转动角度，在收到陀螺输出值、加速度计输出值、单轴转台转动的位置数及每次转动的角度后，予以实时处理，输出偏北角，纬度及车体倾斜角。

本发明解决了以下问题：

a.无需限制陀螺敏感轴在近似水平状态下，因此取消了类似陀螺稳定平台的复杂的调平机构。

b.用一只加速度计取代两只加速度计，同样可以测出陀螺敏感轴相对水平面的倾斜角。

c.无需外加纬度信号即可完成精确测北，同时本发明可测出纬度和车体的倾斜角。

d.信号处理装置由模拟电路、数字电路及微处理器组成，可实现对信号的复杂计算。

e.在多位置下测量，可消除陀螺及加速度计的***误差，从而可以提高测北精度。

f.计算机滤波和计算机平滑技术可提高仪表的抗干扰能力。

附图1为本发明所建立的坐标系

附图2为本发明的原理示意图

附图3为步进旋转装置的结构原理图

附图4为本发明的信号处理装置原理方框图

附图5为本发明的信号处理装置的控制流程图

下面将结合实施例进行详细说明：

用扰性陀螺测量的最终目的是得到地球自转角速度的水平分量在直角坐标上的两个分量，用加速度计测量的目的，是得到陀螺敏感轴所在平面与水平面的夹角，由此建立如图1所示的坐标系：

οξηψ-地理坐标，οψ轴为铅垂方向

OX₀Y₀Z₀-车体参考坐标系，OY₀轴平行于车体纵轴

φ-车体偏北方位角

OX₁Y₁Z₁-寻北仪参考坐标系，OX₁轴平行于陀螺的敏感轴

α、β-车体的倾斜角

地球自转角速度We和重力加速度g在οηξψ各轴上的分量表达式可写成

其中，A_θA_βA_αA_ψ-坐标转换的矩阵因子

λ-纬度

最终可导出：

其中，K₁陀螺的刻度因数

K₂加速度计的刻度因数

U_1i陀螺在各位置下的输出值

U_2i加速度计在各位置下的输出值

N步进旋转装置转动的位置数

θ_i步进旋转装置各位置的角度

根据上述数学模型，确定本发明的结构组成包括：参考附图2，

a.安装在单轴转台（3）上的速率型扰性陀螺（1）;

b.安装在单轴转台（3）上，沿陀螺（1）的一个敏感轴上的加速度计（2）;

c.步进旋转装置实现陀螺（1）、加速度计（2）的多位置转换，参考附图3，其结构为：

c₁.单轴转台（3）与平面轴系（23）及步进电机（5）都固定在内框架（22）上，其中，控制平面轴系（23）具有足够的抗扭转刚度，同时又能被步进电机（5）驱动，步进电机（5）经减速器（4）带动单轴转台（3）转动;

c₂.光电脉冲发生器（10）通过柔性连接轴（9）与减速器（4）的齿轮连接，用来监测单轴转台（3）的转角，位置记忆器（19）安装在内框架（22）上，当步进电机（5）驱动单轴转台（3）转动时，与单轴转台（3）连接的扇形齿轮（21）带动齿轮（20）转动一个位置并打开相应的微动开关（18），使位置记忆器（19）记忆单轴转台（3）所处的位置，光电脉冲发生器（10）的零位信号和位置记忆器（19）的位置信号配合使用，保证了测量基准的一致性和归零动作的一致性;

c₃.电缆（16）一端固定在与单轴转台（3）连接的内导环（15）上，另一端固定在与壳体（11）连接的外导环（17）上，用来传递电源与测量信号，内框架（22）通过四个平板型橡胶减震器（12）连接在壳体（11）上，在壳体（11）上安装导向活塞杆（13）和阻尼环（14），并用硅橡胶环（24）固连，当内框架（22）受到干扰，减震装置可以使其迅速误差并防止角振动。

d.信号处理装置，附图5为该装置的控制流程图，可以看出，微处理器（6）控制步进旋转装置的单轴转台（3）归零及其此后的转动角度，并对来自温度传感器（36）的温度漂移信号进行相关处理，对来自陀螺（1）、加速度计（2）在各位置下测得的输出值U_1i、U_2i作矩阵运算，最后输出偏北角、纬度及车体的倾角，由显示器（7）显示，因此，该装置具有，参考附图4

d₁.光电脉冲发生器（10）和位置记忆器（19）的信号，经过光电隔离电路（28）输入微处理器（6），当两路信号同时出现时，单轴转台（3）处于基准零位，否则，微处理器（6）将控制步进电机（5）运转使单轴转台（3）归零;

d₂.微处理器（6）经过光电隔离电路（28），向驱动电路（41）发出转角脉冲，控制步进电机（5）做正向或反向转动，同时光电脉冲发生器（10）将单轴转台（3）的转角信号送入微处理器（6），从而控制单轴转台（3）转到预定的测量位置θ_i;

d₃.陀螺力矩器（33）、（34）的电流信号，通过采样电阻（31）、（32）送入滤波电路（42），经阻抗变换器（35）、滤波电路（43）、选择开关（37）、电位平移电路（38）和A/D变换器（8），送入微处理器（6），使陀螺（1）的信号得到了滤波、平滑和模/数转换，在微处理器（6）内做为主信号U_1i参加运算;

d₄.加速度计（2）信号，通过阻抗变换器（35）、滤波电路（43）、选择开关（37）、电位平移电路（38）和A/D变换器（8）送入微处理器（6），作为主信号U_2i参加运算;

d₅.温度传感器（36）的信号，通过阻抗变换器（35）、选择开关（37）、电位平移电路（38）和A/D变换器（8）送入微处理器（6），对陀螺（1）信号进行温度相关处理，以消除陀螺温度漂移带来的测量误差。

该陀螺寻北仪的工作过程是这样的：电源接通后，陀螺马达电源（25）向陀螺马达（27）供电，交流电源（26）向陀螺力矩再平衡电路（30）和陀螺角度传感器（39）供电，DC/DC电源（40）给出各电路及微处理器（6）用的直流电，微处理器（6）开始计时，按预定时间起动步进电机（5）使单轴转台（3）转到基准零位（第一个位置），发出吸合指令使继电器（29）吸合，因此陀螺力矩再平衡电路（30）闭合，陀螺（1）处于正常工作状态，到达测量时间后，微处理器（6）发出选择信号，控制选择开关（37）分别将第一个位置的陀螺信号信号、加速度计信号及温度信号送入微处理器（6），然后再一次起动步进电机（5）并接收光电脉冲发生器（10）送回的角度信号，到达预定转角后，步进电机（5）停转，微处理器（6）开始在第二个位置下采集陀螺（1）、加速度计（2）及传感器（36）的信号，同样，第三位置，直到最后一个位置，全部数据采集完成，微处理器（6）按程序进行运算，最后将计算出的偏北角、纬度和车体的倾角送入显示器。

Claims

1、一种捷取方式联接的车载陀螺寻北仪，包括陀螺、加速度计、信号处理装置，其特征在于：具有步进旋转装置。

a.陀螺安装在可实现多位置转动的步进旋转装置的单轴转台上，通过单轴转台的位置变化，测出在各位置上的地球自转角速度沿其敏感轴方向的分量，并以此测量方式消除陀螺的***误差；

b.一个加速度计沿陀螺的一个敏感轴方向安装在单轴转台上，与陀螺同步测量，测出在各位置上的重力加速度分量，以计算陀螺敏感轴所在平面相对统误差；

c.步进旋转装置以步进电机驱动单轴转台转动，并用光电脉冲发生器及位置记忆器配合使用，以确定单轴转台的零位及其他各转动位置；

d.信号处理装置以微处理器作为控制部件，控制单轴转台归零及其此后的转动角度，在收到陀螺输出值、加速度输出值、单轴转台转动的位置数及每次转动的角度后，予以实时处理，输出车体的偏北角、纬度及车体倾斜角。

2、根据权利要求1所述的陀螺北仪，其特征在于：步进旋转装置实现陀螺（1）、加速度计（2）的多位置转换，因此该装置具有：

a.单轴转台（3）与平面轴系（23）及步进电机（5）都固定在内框架（22）上，步进电机经减速器（4）带动单轴转台（3）转动，其中，控制平面轴系（23）具有足够的抗扭转刚度，同时又能被步进电机（5）驱动;

b.光电脉冲发生器（10）通过柔性连接轴（9）与减速器（4）的齿轮连接，用来监测单轴转台（3）的转角，位置记忆器（19）安装在内框架（22）上，当步进电机（5）驱动单轴转台（3）转动时，与单轴转台（3）连接的扇形齿轮（21）带动齿轮（20）转动一个位置并打开相应的微动开关（18），使位置记忆器记忆单轴转台（3）所处的位置;

c.内框架（22）通过四个平板型橡胶减震器（12）连接在壳体（11）上，在壳体（11）上安装导向活塞杆（18）和阻尼环（14），并用硅橡胶环（24）固连，当内框架（22）受到干扰，减震装置可以使其迅速衰减并防止角振动。

3、根据权利要求1所述的陀螺寻北仪，其特征在于：信号处理装置，控制单轴转台（3）归零及其此后的转动角度，完成对信号的处理。

a.光电脉冲发生器（10）和位置记忆器（19）的信号，经过光电隔离电路（28）输入微处理器（6），当这两路信号同时出现时，单轴转台（3）处于基准零位，否则，微处理器（6）将控制步进电机（5）运转使单轴转台（3）归零;

b.微处理器（6）经过光电隔离电路（28），向驱动电路（41）发出转角脉冲，控制步进电机（5）做正向或反向转动，同时光电脉冲发生器（10）将单轴转台（3）的转角信号送入微处理器（6），从而控制单轴转台（3）转到预定的测量位置;

c.陀螺力矩器（33）、（34）的电流信号，通过采样电阻（31）、（32）送入滤波电路（42），经阻抗变换器（35）、滤波电路（43）、选择开关（37）、电位平移电路（38）和A/D变换器（8），送入微处理器（6）;

d.加速度计（2）信号，通过阻抗变换器（35）、选择开关（37）、电位平移电路（38）、A/D变换器（8）送入计算机（6）参加运算;

e.温度传感器（36）信号，通过阻抗变换器（35）、选择开关（37）、电位平移电路（38）、A/D变换器（8）送入微处理器（6），对陀螺（1）信号进行温度相关处理，以消除陀螺温度漂移带来的测量误差。