CN103344226A - 一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 - Google Patents
一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103344226A CN103344226A CN2013102653099A CN201310265309A CN103344226A CN 103344226 A CN103344226 A CN 103344226A CN 2013102653099 A CN2013102653099 A CN 2013102653099A CN 201310265309 A CN201310265309 A CN 201310265309A CN 103344226 A CN103344226 A CN 103344226A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- omega
- mems
- module
- north
- gyro
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于MEMS旋转技术的寻北***,***分为导航模块和转台模块,导航模块包括:MEMS组件、MEMS数据采集模块、导航计算机;转台模块包括:转动台面、转台微控制器、电机驱动模块、电机、测角模块、测角元件信号调理电路、导电滑环;电机与电机驱动模块相连接,转动台面固定在电机上;测角模块通过导电滑环与转动台面的转轴连接,控制与转动台面的转轴连接的转台微控制器及测角元件信号调理电路,调节转动台面的转角。本发明还公开了一种基于MEMS寻北***的寻北方法。相对于现有技术本发明结构更加紧凑、体积小、重量轻。根据旋转运动的工作模式,构建动态寻北方法,提高寻北精度,缩短寻北时间,具有精度高、携带方便等优点。
Description
技术领域
本发明公开了一种基于MEMS旋转技术的寻北***及其对应的寻北方法,涉及惯性技术领域。
背景技术
寻北是建立真北方向的技术,目前高精度的寻北方法主要有惯性法、天文观测法、大地测量法、卫星定位法、参照物法等多种寻北方法。但是,在一些有遮挡的复杂地形和天侯等条件下,天文观测法、大地测量法、卫星定位法和参照物法都会受到不同程度的制约,难于实现高精度的寻北功能。相比较而言,惯性法才能够不受自然条件、环境的干扰,独立完成寻北任务,具有连续工作时间长、精度高等特点,是常用的寻北方式。
一般地,基于惯性法的寻北***,其组成部件主要有陀螺、加速度计、I/F转换电路、直流电源等,通过测量当地地理水平面上地球转速分量的方法,推算当地真北方向,因此,陀螺是***的关键部件。在不同的时期,寻北仪的研制与陀螺的发展密切相关,目前常用的陀螺有液浮陀螺、动力调谐陀螺、静电陀螺、光纤陀螺等,精度较高,但是体积和成本也很高。而MEMS陀螺虽然精度低,但是体积和成本很小,可以作为寻北***的研制方向。
为了实现提高***精度的同时,压低成本,国内外专家学者都着手研究新型的惯性导航***,即基于旋转调制技术的惯性导航***。这种旋转调制技术能够通过规则、周期运动改变惯性组件的信息输出,实现提高***精度的目标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是设计一种基于MEMS旋转技术的寻北***及其对应的寻北算法,将旋转调制技术应用与MEMS寻北***中,结合旋转调制技术本身的优点,改善MEMS器件精度低的弊端,研制小体积、低成本、高精度的旋转的MEMS寻北***。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
一种基于MEMS旋转技术的寻北***,包括导航模块和转台模块,
所述导航模块包括:MEMS组件、MEMS数据采集模块、导航计算机;
所述转台模块包括:转动台面、转台微控制器、电机驱动模块、电机、测角模块、测角元件信号调理电路、导电滑环;
MEMS组件设置在转动台面上,MEMS数据采集模块检测MEMS组件的初始方向信息,传输给导航计算机;电机驱动模块与MEMS数据采集模块相连接,接受MEMS数据采集模块的数据反馈;
转动台面的转轴处设置导电滑环,测角模块通过导电滑环采集转动台面的转角数据,转角数据经过测角元件信号调理电路传输至导航计算机;
导航计算机处理接收到的转动台面的转角数据和MEMS数据采集模块采集到的MEMS组件的初始方向信息,经过寻北解算发送控制信号至转台微控制器,转台微控制器将控制信号传输至电机驱动模块,电机驱动模块控制电机转动,进而带动固定在电机上的转动台面转动,将MEMS组件转动至真北方向。
进一步的,所述MEMS组件为三个正交安装的陀螺和三个正交安装的加速度计。
与所述基于MEMS旋转技术的寻北***所对应的寻北算法具体如下:
(1)建立陀螺的等效输出模型:
其中,s为旋转坐标系,b为机体坐标系,C表示旋转矩阵,Ω为旋转角速率,t为旋转时间,ωx、ωy、ωz分别为陀螺输出的x、y、z轴分量;
(2)通过将步骤(1)的模型联立如下公式,求得陀螺初始方向与真北方向的夹角θ:
本发明采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:选用MEMS陀螺和加速度计组成惯性测量设备,极大地减小了***的体积和重量,更容易携带。利用旋转技术,调制了MEMS陀螺和加速度计的误差形式,与MEMS***的常用形式相比,使***的精度得到了近一个数量级。在构建转动机构时,采用了传输与控制相分离的模式,使***结构更加紧凑、体积小、重量轻。根据旋转运动的工作模式,构建动态寻北方法,提高寻北精度,缩短寻北时间,具有精度高、携带方便等优点。
附图说明
图1是本发明MEMS旋转***的方案设计图。
图2是MEMS旋转技术的寻北***示意图,
其中:1.MEMS组件,2.转动台面,3.导航计算机,4.MEMS数据采集模块,5.测角模块,6.电机驱动模块。
图3是MEMS旋转技术寻北***的分体模块示意图。
图4是本发明的逻辑流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明:
如图1所示,本发明公开的一种基于MEMS旋转技术的寻北***主要分为导航模块以及转台模块,导航模块包括MEMS组件、MEMS数据采集模块、导航计算机;转台模块包括转动台面、测角模块、转台微控制器、电机驱动模块。
所述基于MEMS旋转技术的寻北***,其***示意图和分体模块示意图分别如图2、图3所示:
导航模块包括:MEMS组件、MEMS数据采集模块、导航计算机,上述设备都安装在与转台模块固定连接的支架上;MEMS组件包括三个正交安装的陀螺和三个正交安装的加速度计;MEMS数据采集模块与MEMS组件连接,检测MEMS组件的信息,传输给导航计算机;
转台模块包括:转动台面、转台微控制器、电机驱动模块、电机、测角模块、测角元件信号调理电路、导电滑环;电机与电机驱动模块相连接,电机上固定转动台面;测角模块通过导电滑环与转动台面的转轴连接,控制与转动台面的转轴连接的转台微控制器及测角元件信号调理电路,调节转动台面的转角。
基于MEMS旋转技术的寻北***通过MEMS组件与转动台面相连,转动台面的正反、转停等转动带动MEMS组件转动,电机驱动模块与测角模块、MEMS采集模块、导航计算机固连,并固定在外壳上,通过导电滑环与MEMS组件及转动台面进行信号传输。采用信号传输与监控分离的模式,将转动机构的转台微控制器、电机驱动模块和测角元件信号调理电路构造成一个整体,与MEMS组件的后台控制***相结合,做成一个独立的控制***;将三维正交的MEMS陀螺和加速度计放置在转动机构的旋转台面,两者通过信号传输接口相联系。
本发明的逻辑流程图如图4所示,其具体实施步骤如下:
一、构建MEMS惯性组件的信号采集及控制***。
MEMS旋转惯性组件主要实现的功能包含:数据采集、初始对准、误差标定、寻北。所以,包含的软、硬件设备有MEMS惯性组件、导航计算机、输入输出接口、电源、***解算软件。
具体的工作流程如下:
1.***的启动和自检测,***启动后,通过自检测程序检测各个部分的工作是否正常。它是保证***能进入正常工作状态,并提高***可靠性的措施。
2.***的初始化,***的初始化包括:导航平台的初始对准,在计算机中用对准程序确定姿态矩阵的初始值;惯性仪表的校准,它是提高***精度的重要保证。
由于MEMS器件的精度较低,通过旋转方式的调制,可以使器件的精度提高一个数量级左右。具体的实现过程如下:
由周期性旋转运动得旋转坐标轴相对机体轴的坐标转换矩阵为
其中,s为旋转坐标系,b为机体坐标系,θ为旋转角度,C表示旋转矩阵,Ω为旋转角速率,t为旋转时间。
根据MEMS陀螺的零偏矩阵、安装误差矩阵和标度因数误差矩阵公式:
(1)零偏矩阵BG
BG=[Bgx Bgy Bgz]T
其中,Bgx为x轴向陀螺的零偏量,Bgy为y轴向陀螺的零偏量,Bgz为z轴向陀螺的零偏量。
(2)安装误差矩阵θG
其中,θgxz为z轴向陀螺的安装误差系数在x轴向的分量,θgxy为y轴向陀螺的安装误差系数在x轴向的分量,θgyz为z轴向陀螺的安装误差系数在y轴向的分量,θgyx为x轴向陀螺的安装误差系数在y轴向的分量,θgzy为y轴向陀螺的安装误差系数在z轴向的分量,θgzx为x轴向陀螺的安装误差系数在z轴向的分量。
(3)标度因数误差矩阵KG
KG=diag[kgx kgy kgz]
其中,kgx为x轴向陀螺的标度因数误差系数,kgy为y轴向陀螺的标度因数误差系数,kgz为z轴向陀螺的标度因数误差系数。
得到MEMS陀螺在旋转坐标系下的输出为:
ωm=(I+KG)(I+θG)ω+BG+δω≈(I+KG+θG)ω+BG+δω
同理,加速度计在旋转坐标系下的输出为;
fm=(I+KA)(I+θA)f+BA+δf≈(I+KA+θA)f+BA+δf
其中,I为陀螺和加速度计玲偏常值的单位系数矩阵;ωm、fm为陀螺和加速度计在旋转系下的实际输出,KG和KA为陀螺和加速度计的标度因数误差系数,θG和θA为陀螺和加速度计的安装误差系数,BG和BA为陀螺和加速度计的零偏,δω和δf为陀螺和加速度计的随机性误差。
根据坐标转换矩阵得陀螺和加速度计在机体系下的等效输出为:
由上述两式可知,旋转运动调制了x轴和y轴上惯性器件的误差,改变了误差输出形式,将无规律性的误差调制为具有规则的余弦形式的误差输出,在周期积分解算中,可以部分地被消除。
3.惯性仪表的误差补偿,为了保证***的精度,必须通过实际模型和经验参数对惯性仪表进行补偿。
4.寻北功能实现,设置MEMS惯性组件绕其中心轴连续恒速旋转,使得陀螺的非随机误差得到周期性调制。
5.信息输出与控制,***的控制***包含PC104主板、电源模块、串口扩展板、接口转换模块、转动机构的驱动器等。通过主板和驱动器向转动机构发送指令,控制转动机构周期性的工作,并将MEMS组件的采集信号传输给PC104主板,完成信息的解算和寻北功能。
二、构建基于MEMS的小型转动机构。该小型转动机构包含:转动台面;微控制器单元;电机驱动模块;电动机;测角元件;测角元件信号调理电路;导电滑环。可以使转动机构保持稳定的周期运动。
采用信号传输与监控分离的模式,将转动机构的微控制器单元、电机驱动模块和测角元件信号调理电路构造成一个整体,与MEMS组件的后台控制***相结合,做成一个独立的控制***;将三维正交的MEMS陀螺和加速度计放置在转动机构的旋转台面。两者通过信号传输接口相联系,一方面可以节省空间,另一方面方便了转动机构与后台控制***间的信号传输。
三、构建基于MEMS旋转技术的寻北算法。
陀螺的等效输出模型为:
通过陀螺敏感轴的初始方向与真北方向的夹角θ计算,即如下公式:
结合上述两式,得到陀螺的动态输出为:
则为:
写成矩阵形式为:
ω'=AX
由矩阵求解及最小二乘估计,得到计算公式为:
θ=arctan(X(1,1)/X(2,1))。
Claims (3)
1.一种基于MEMS旋转技术的寻北***,其特征在于包括导航模块和转台模块,
所述导航模块包括:MEMS组件、MEMS数据采集模块、导航计算机;
所述转台模块包括:转动台面、转台微控制器、电机驱动模块、电机、测角模块、测角元件信号调理电路、导电滑环;
MEMS组件设置在转动台面上,MEMS数据采集模块检测MEMS组件的初始方向信息,传输给导航计算机;电机驱动模块与MEMS数据采集模块相连接,接受MEMS数据采集模块的数据反馈;
转动台面的转轴处设置导电滑环,测角模块通过导电滑环采集转动台面的转角数据,转角数据经过测角元件信号调理电路传输至导航计算机;
导航计算机处理接收到的转动台面的转角数据和MEMS数据采集模块采集到的MEMS组件的初始方向信息,经过寻北解算发送控制信号至转台微控制器,转台微控制器将控制信号传输至电机驱动模块,电机驱动模块控制电机转动,进而带动固定在电机上的转动台面转动,将MEMS组件转动至真北方向。
2.如权利要求1所述的一种基于MEMS旋转技术的寻北***,其特征在于:所述MEMS组件为三个正交安装的陀螺和三个正交安装的加速度计。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310265309.9A CN103344226B (zh) | 2013-06-27 | 2013-06-27 | 一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201310265309.9A CN103344226B (zh) | 2013-06-27 | 2013-06-27 | 一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN103344226A true CN103344226A (zh) | 2013-10-09 |
CN103344226B CN103344226B (zh) | 2015-11-18 |
Family
ID=49279042
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201310265309.9A Active CN103344226B (zh) | 2013-06-27 | 2013-06-27 | 一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN103344226B (zh) |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103512570A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-15 | 北京信息科技大学 | 一种预置45°带解算失效判定的寻北方法 |
CN104266647A (zh) * | 2014-09-02 | 2015-01-07 | 北京航天发射技术研究所 | 一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法 |
CN104949691A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-09-30 | 南京航空航天大学 | 基于超声电机的mems惯性器件旋转调制测试*** |
CN106706003A (zh) * | 2017-02-15 | 2017-05-24 | 重庆邮电大学 | 一种基于三轴mems陀螺仪的寻北旋转在线校准方法 |
CN106919098A (zh) * | 2015-12-24 | 2017-07-04 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种单轴旋转机构控制电路 |
CN108387229A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-08-10 | 南京理工大学 | 一种基于单轴旋转调制的mems惯性导航***及寻北方法 |
CN109724581A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-05-07 | 西安超视距航空航天科技有限公司 | 基于自动经纬仪辅助旋转调制的捷联寻北装置及方法 |
CN112556674A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-26 | 北京北寻融科科技有限公司 | 微惯性寻北仪 |
CN112964241A (zh) * | 2021-02-20 | 2021-06-15 | 广州导远电子科技有限公司 | 一种多位置寻北方法、装置、电子设备及存储介质 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1052371A (zh) * | 1990-05-23 | 1991-06-19 | 航空航天部第一设计研究院十五所 | 陀螺寻北仪 |
CN1877257A (zh) * | 2006-07-07 | 2006-12-13 | 中国兵器工业第二○五研究所 | 单轴光纤陀螺寻北仪 |
US20070095124A1 (en) * | 2003-01-23 | 2007-05-03 | Michael Naroditsky | Inertial north finder |
US20100161223A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-06-24 | Sagem Defense Securite | Method of determining a heading in the geographical north direction by means of an inertial unit |
CN102840856A (zh) * | 2011-06-24 | 2012-12-26 | 西安测绘研究所 | 一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法 |
US20130090848A1 (en) * | 2010-06-17 | 2013-04-11 | Rafael Advanced Defense Systems Ltd. | North finder |
-
2013
- 2013-06-27 CN CN201310265309.9A patent/CN103344226B/zh active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN1052371A (zh) * | 1990-05-23 | 1991-06-19 | 航空航天部第一设计研究院十五所 | 陀螺寻北仪 |
US20070095124A1 (en) * | 2003-01-23 | 2007-05-03 | Michael Naroditsky | Inertial north finder |
CN1877257A (zh) * | 2006-07-07 | 2006-12-13 | 中国兵器工业第二○五研究所 | 单轴光纤陀螺寻北仪 |
US20100161223A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-06-24 | Sagem Defense Securite | Method of determining a heading in the geographical north direction by means of an inertial unit |
US20130090848A1 (en) * | 2010-06-17 | 2013-04-11 | Rafael Advanced Defense Systems Ltd. | North finder |
CN102840856A (zh) * | 2011-06-24 | 2012-12-26 | 西安测绘研究所 | 一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法 |
Non-Patent Citations (10)
Title |
---|
刘东波等: "基于光纤陀螺的单周快速动态寻北算法研究", 《传感器与微***》 * |
刘冬波等: "应用小波变换的光纤陀螺动态寻北", 《应用科学学报》 * |
张岩等: "速率偏频激光陀螺寻北仪中转台测角周期性误差的影响分析", 《国防科技大学学报》 * |
张思将等: "连续旋转式激光陀螺寻北仪研究", 《航空兵器》 * |
徐建华等: "旋转调制式寻北仪滤波技术研究", 《北京理工大学学报》 * |
徐海刚等: "一种实用旋转调制式陀螺寻北仪的设计", 《兵工学报》 * |
徐海刚等: "旋转式光纤陀螺寻北仪研究", 《压电与声光》 * |
白云超等: "基于旋转调制技术的自动陀螺寻北仪方案设计", 《测绘技术装备》 * |
白云超等: "采用旋转调制技术的高精度陀螺寻北方案", 《中国惯性技术学报》 * |
邹向阳等: "连续旋转式寻北仪的寻北算法及信号处理", 《北京理工大学学报》 * |
Cited By (12)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103512570A (zh) * | 2013-10-12 | 2014-01-15 | 北京信息科技大学 | 一种预置45°带解算失效判定的寻北方法 |
CN103512570B (zh) * | 2013-10-12 | 2015-12-02 | 北京信息科技大学 | 一种预置45°带解算失效判定的寻北方法 |
CN104266647A (zh) * | 2014-09-02 | 2015-01-07 | 北京航天发射技术研究所 | 一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法 |
CN104949691A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-09-30 | 南京航空航天大学 | 基于超声电机的mems惯性器件旋转调制测试*** |
CN106919098A (zh) * | 2015-12-24 | 2017-07-04 | 北京自动化控制设备研究所 | 一种单轴旋转机构控制电路 |
CN106706003A (zh) * | 2017-02-15 | 2017-05-24 | 重庆邮电大学 | 一种基于三轴mems陀螺仪的寻北旋转在线校准方法 |
CN108387229A (zh) * | 2018-01-30 | 2018-08-10 | 南京理工大学 | 一种基于单轴旋转调制的mems惯性导航***及寻北方法 |
CN109724581A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-05-07 | 西安超视距航空航天科技有限公司 | 基于自动经纬仪辅助旋转调制的捷联寻北装置及方法 |
CN109724581B (zh) * | 2019-01-11 | 2022-07-19 | 西安超视距航空航天科技有限公司 | 基于自动经纬仪辅助旋转调制的捷联寻北方法 |
CN112556674A (zh) * | 2020-12-03 | 2021-03-26 | 北京北寻融科科技有限公司 | 微惯性寻北仪 |
CN112964241A (zh) * | 2021-02-20 | 2021-06-15 | 广州导远电子科技有限公司 | 一种多位置寻北方法、装置、电子设备及存储介质 |
WO2022174828A1 (zh) * | 2021-02-20 | 2022-08-25 | 广州导远电子科技有限公司 | 一种多位置寻北方法、装置、电子设备及存储介质 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN103344226B (zh) | 2015-11-18 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103344226B (zh) | 一种基于mems旋转技术的寻北***及方法 | |
CN202126265U (zh) | 一种动态旋转调制的陀螺寻北仪 | |
CN1330935C (zh) | 安装误差角与标度因数解耦的微惯性测量单元精确标定方法 | |
CN103808331B (zh) | 一种mems三轴陀螺仪误差标定方法 | |
CN101514900B (zh) | 一种单轴旋转的捷联惯导***初始对准方法 | |
CN102749079B (zh) | 一种光纤捷联惯导双轴旋转调制方法及双轴旋转机构 | |
CN103575299B (zh) | 利用外观测信息的双轴旋转惯导***对准及误差修正方法 | |
CN102788598B (zh) | 基于三轴旋转的光纤捷联惯导***误差抑制方法 | |
CN103900607B (zh) | 一种基于惯性系的旋转式捷联惯导***转位方法 | |
CN101629826A (zh) | 基于单轴旋转的光纤陀螺捷联惯性导航***粗对准方法 | |
CN101701825A (zh) | 高精度激光陀螺单轴旋转惯性导航*** | |
CN103256943A (zh) | 一种在单轴旋转捷联惯导***中刻度因数误差的补偿方法 | |
CN103868648B (zh) | 三轴气浮仿真实验平台的质心测量方法 | |
CN109752000A (zh) | 一种mems双轴旋转调制型捷联罗经初始对准方法 | |
CN101963512A (zh) | 船用旋转式光纤陀螺捷联惯导***初始对准方法 | |
CN103453917A (zh) | 一种双轴旋转式捷联惯导***初始对准与自标校方法 | |
CN102840856A (zh) | 一种动态旋转调制的陀螺仪寻北方法 | |
CN102087110B (zh) | 微型水下运动体自主姿态检测装置及方法 | |
CN106052682A (zh) | 一种混合式惯性导航***及导航方法 | |
CN103697918A (zh) | 一种三轴正交一轴斜置构型光纤陀螺惯测装置的标定方法 | |
CN102692239A (zh) | 一种基于旋转机构的光纤陀螺八位置标定方法 | |
CN102788596B (zh) | 一种载体姿态未知的旋转捷联惯导***现场标定方法 | |
CN106767806A (zh) | 一种用于混合式惯性导航***的物理平台 | |
CN102538789B (zh) | 一种双轴连续旋转调制式惯性导航***的旋转方法 | |
CN102788597A (zh) | 基于空间稳定的旋转捷联惯导***误差抑制方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |