CN108168550B - 一种高速旋转载体惯性姿态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速旋转载体惯性姿态测量装置，属于惯性姿态测量装置技术领域，该装置包括一支用于测量滚转轴方向角速率的燃气陀螺仪以及两支用于偏航、俯仰方向测量的速率陀螺仪。该装置可以完成对高速旋转载体滚转角、偏航角、俯仰角角度和三轴角速度的实时测量。该装置的滚转角测量误差仅取决于滚转燃气陀螺的漂移率，不会随时间快速发散。在载体高转速旋转环境下实现了姿态准确测量，且结构和制造工艺简单，成本低、体积小，设备完全依靠自身设备工作，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制，可靠性高。

Description

一种高速旋转载体惯性姿态测量装置

技术领域

本发明属于惯性姿态测量装置技术领域，涉及一种基于滚转燃气陀螺、速率陀螺的高速旋转体惯性姿态测量装置。

背景技术

高速旋转是部分新型精确制导弹药和绝大多数常规弹药最常采用的稳定控制方式，因此在载体高速旋转的条件下，如何准确测量弹药的姿态信息，进而对其进行有效的制导控制，成为高速旋转类精确制导弹药研发需要解决的关键问题。目前对于测量高速旋转弹体的飞行姿态参数，国内外能够采用的技术方案如下：

(1)地磁姿态测量法

在地球的一定区域内，地球和近地空间存在的地磁场强度和磁倾角、磁偏角均是固定的，因此可以将地磁场作为测量飞行体姿态的参照依据。通过探测地磁场的特性参数，再结合其他已知条件进行数值计算、误差校正可以得到载体姿态。中国专利(CN105674815A)披露了一种利用两个双轴地磁传感器完成弹体姿态测量的地磁姿态测量方法，其优点是：原理简单、体积小、成本低、抗高过载能力强、频响高，可以全天候工作，误差不随时间累积；缺点是：需要弹体相应舱段具有无磁环境，容易受到外界磁场干扰，在特殊姿态方向时(例如顺磁方向)无法正常工作。

(2)无陀螺加速度计组合测量法

无陀螺加速度计组合测量法是采用多组加速度计，代替陀螺仪来获取飞行体角速度信息的方案。目前研究主要是三、六、九、十二加速度计方案，从算法上看九加速度计方案没有交叉轴误差，计算值精度较高，是目前研究最多的一种方案，其配置方法是在飞行体坐标系X、Y、Z轴分别安装4个、2个和3个加速度计完成角速度测量。该方法适用于动态范围大、飞行时间短的飞行体，其主要缺点是产品体积大、组合算法复杂、对机械结构的安装误差要求非常高、误差随时间快速累积。

(3)单轴稳定平台减旋测量法

单轴稳定平台减旋测量法分为主动和被动减旋测量法两种。

主动减旋测量法：中国专利(CN102495645A、CN202351714U)披露了一种用于高速滚转载体的陀螺稳定平台及其控制方法，该陀螺平台采用惯性测量单元作为角运动敏感元件，不断测量平台姿态的变化，通过伺服作动机构使平台体与载体的角运动隔离，从而达到减旋的作用，使得惯性测量组件在惯性空间保持低速旋转甚至倾斜稳定的状态。

被动减旋测量法：中国专利(CN1932445A)披露了一种适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，该方法在载体内壁固连有刚性支架，刚性支架上支撑有滚动轴承和转轴，惯性导航***固连于转轴的一端，转轴的另一端铰接有铰轴与载体坐标系的俯仰角同向的重锤，利用重力加速度作用力使得重锤始终保持垂直向下，进而保持惯性导航装置在惯性空间的相对稳定。

减旋测量法有效利用了现有的低量程MEMS陀螺仪，解决了高速旋转体的姿态测量问题；缺点是增加了伺服电机或者重锤部件进而增加了体积、重量和成本，降低了整个***的可靠性。另外，对于旋转加速较快的载体，被动减旋法的重锤很难跟上旋转的加速过程，动态性能差；主动减旋法的伺服电机的控制难度较大，若控制参数不当，容易造成控制***的不稳定。

(4)捷联惯性导航装置测量法

捷联惯性导航装置测量法是利用惯性器件(包括加速度计和陀螺)测量载体运动参数(包括加速度和角速度)。该方法的优点是完全依靠自身设备工作，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制。但对于高速旋转载体而言，其主要问题是目前用于测量滚转角速度的大量程陀螺仪的量程和精度还比较低，积分后姿态误差随时间快速累积，长时间工作时精度较差。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种高速旋转载体惯性姿态测量装置，为一种适用于载体高速旋转条件下的，基于滚转燃气陀螺、速率陀螺的惯性姿态测量装置。克服了现有的惯性姿态测量，避免了利用惯性器件用于测量滚转角速度的大量程陀螺仪的量程和精度存在的问题，提高了长时间工作时精度。

本发明的技术方案是：

一种高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：包含一支滚转燃气陀螺仪、第一速率陀螺仪和第二速率陀螺仪；所述的滚转燃气陀螺仪安装于高速旋转载体的滚转轴上，设为X轴；第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪安装于与X轴正交的Y轴、Z轴所在的平面内且沿Y轴、Z轴方向，还包括导航计算机，通过导航计算机得到滚转燃气陀螺仪、第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪输出的信号并进行姿态解算；

滚转燃气陀螺仪用于测量滚转轴方向角速率；第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪分别用于测量偏航方向、俯仰方向的角速率；

滚转燃气陀螺仪定轴与高速旋转载体的滚转轴平行，滚转燃气陀螺仪利用燃气驱动推动转子，测量高速旋转载体的滚转角度并计算滚转角速度；

信号处理电路对当前采集到的滚转角度信息进行微分计算得到瞬时滚转角速度信息，同时向导航计算机输出滚转角度及瞬时滚转角速度信息；

所述的导航计算机首先接收滚转燃气陀螺仪输出的滚转角度信号，并对其信号的有效性进行判读；当滚转燃气陀螺仪数据有效时，将其实时输出的滚转角度信号直接用于惯性姿态算法解算；当滚转燃气陀螺仪数据无效时，导航计算机根据之前收到的滚转燃气陀螺仪有效帧数据进行递推预测得到当前的滚转角速度信息，并通过积分计算得到当前的滚转角信息。

优选地，滚转燃气陀螺仪用于测量滚转轴方向角速率或角度，第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪分别用于测量偏航方向、俯仰方向的角速率。

优选地，滚转燃气陀螺仪定轴与高速旋转载体的滚转轴平行，滚转燃气陀螺仪利用燃气驱动推动转子，测量高速旋转载体的滚转角度并计算滚转角速度。

优选地，高速旋转载体的滚转轴与滚转燃气陀螺仪所安装的装置结构件的轴向方向一致。

优选地，第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪与导航计算机通过内部导线进行串口通信。

优选地，滚转燃气陀螺仪安装在结构件的顶腔底部中心位置，第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪分别安装于结构件的顶壁、侧壁位置。

优选地，所述的第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪都可以为MEMS陀螺、石英陀螺、光纤陀螺、激光陀螺。

优选地，所述的滚转燃气陀螺仪包括燃气发生器、陀螺仪本体、光电编码器和信号处理电路四个部分；燃气发生器用于引燃火药从而推动转子旋转；光电编码器是陀螺仪本体的信号的输出装置；信号处理电路对当前采集到的滚转角度信息进行微分计算得到瞬时滚转角速度信息。

优选地，还包括结构件、内部导线、二次电源组件；通过内部导线，将滚转燃气陀螺仪将测量得到的角度信息，第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪测量得到的角速度信息一并传输到导航计算机，导航计算机位于整体结构件的底腔内，导航计算机将处理后的姿态信息对外输出；二次电源组件将外部设备接入的电压转变为滚转燃气陀螺仪、第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪、导航计算机所需的电压。

本发明的技术效果是：

该装置可以完成对高速旋转载体滚转角、偏航角、俯仰角角度和三轴角速度的实时测量。该装置的滚转角测量误差仅取决于滚转燃气陀螺的漂移率，不会随时间快速发散；改善滚转角测量误差也会相应减小各轴姿态间的耦合误差，从而提高偏航角、俯仰角的测量精度。在载体高转速旋转环境下实现了姿态准确测量，且结构和制造工艺简单，成本低、体积小，设备完全依靠自身设备工作，隐蔽性好，工作不受气象条件的限制，可靠性高。

本装置相对于采用地磁姿态测量法的高速旋转体惯性姿态测量装置而言，由于无需地磁传感器，不易受到外界磁场干扰，即使本装置处于特殊姿态方向时(例如顺磁方向)可以正常工作；本装置相对于采用无陀螺加速度计组合测量法的高速旋转体惯性姿态测量装置而言，产品体积小、组合算法简单、对机械结构的安装误差要求低、误差不随时间快速累积；本装置相对于采用单轴稳定平台减旋测量法的高速旋转体惯性姿态测量装置而言，由于无需伺服电机或者重锤部件，进而减小了体积、重量和成本，提高了整个***的可靠性和动态性能；本装置相对于采用大量程陀螺仪测量滚转角速度的捷联惯性导航装置而言，积分后姿态误差不随时间快速累积，长时间工作时精度较高。

由于采用滚转燃气陀螺仪测量燃气陀螺壳体和外框之间相对运动，可以直接测量滚转载体的滚转角度，因此本装置的滚转角测量误差仅取决于滚转燃气陀螺的漂移率，没有速率陀螺仪积分后的姿态误差累积效果，因而其滚转角误差不会随时间快速发散，长时间工作时精度较高；同时，惯性姿态测量装置需采用捷联惯性算法进行姿态解算，在该算法中偏航角、俯仰角的测量精度受到滚转角测量误差的影响，本装置改善了长时间工作时的滚转角测量精度，将相应减小姿态解算时各轴姿态间的耦合误差，进而显著提高偏航角、俯仰角的测量精度。

附图说明

图1是本发明的装置的具体实施方式组成示意图。

图2是本发明的装置的具体实施方式结构主视图。

图中：1-结构件，2-内部导线，3-导航计算机，4-二次电源组件，5-接插件。

图3是图2的A-A截面图。

图中，6-速率陀螺仪，7-滚转燃气陀螺仪组件，8-速率陀螺仪。

图4是本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，一种高速旋转载体惯性姿态测量装置，包含一支滚转燃气陀螺仪7(X轴向陀螺仪)和由两支速率陀螺仪(速率陀螺仪6、速率陀螺仪8)即第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪组成的惯性姿态测量组件。

滚转燃气陀螺仪用于测量滚转轴方向角速率，以及两支速率陀螺仪分别用于测量偏航、俯仰方向的角速率。

所述的滚转燃气陀螺仪7安装于装置结构件1的X轴(滚转轴)上，两支速率陀螺仪安装于与X轴正交的Y、Z轴所在的平面内，并与配备的导航计算机3和二次电源组件4通过内部导线2进行串口通信和供电交互，最终由接插件5对外输出信号。

所述的滚转燃气陀螺仪组件7利用燃气陀螺壳体和外框之间相对运动,测量滚转载体的滚转角度并计算滚转角速度。两支速率陀螺仪(速率陀螺仪6、速率陀螺仪8)用于测量载体的角速度信息。导航计算机3将以上采集的各传感器原始信息和解算得到的三轴角速度、姿态信息通过接插件5实时传输给外部设备组。

如图2、3所示，该装置包括一支用于测量滚转轴方向角速率的燃气陀螺仪以及两支用于偏航、俯仰方向测量的速率陀螺仪，滚转燃气陀螺仪组件7沿X轴方向安装在结构件1的顶腔底部中心位置，两支速率陀螺仪(速率陀螺仪6、速率陀螺仪8)安装于结构件1的顶腔侧壁位置，与X轴正交的Y、Z轴所在的平面内，上述三支陀螺仪按两两正交关系装配于结构件1顶腔内。

所述的滚转燃气陀螺仪组件7利用燃气陀螺壳体和外框之间相对运动,测量滚转载体的滚转角度并计算滚转角速度。本发明采用了一种在燃气驱动、框架式机械陀螺仪基础上加装光电编码器的技术方案，并完成滚转角度和滚转角速度信息的实时输出，具有体积小、低成本、工作稳定性强、可靠性高和启动速度快等特点。所述的燃气陀螺仪7包括燃气发生器、陀螺仪(本体)、光电编码器和信号处理电路四个部分。燃气发生器是陀螺仪的动力装置，陀螺仪在外部点火指令的激励下，电***点火，引燃火药柱迅速燃烧，从而推动转子高速回转，在短时间内达到额定工作转速。陀螺转子利用填装火药爆燃所产生的燃气流推动力高速旋转，形成较大的角动量，在框架及轴承的支撑下，实现陀螺仪的定轴性；光电编码器是陀螺仪信号的输出装置。编码器的光电组件安装在陀螺仪码盘上，当壳体随载体旋转时，光电组件也随之旋转，而码盘固定在陀螺外环轴上，根据陀螺的定轴性，当载体旋转时码盘保持固定，从而形成了码盘与光电组件之间的相对转动，利用两者之间的相对转动测量载体所需要的滚转角度信息。信号处理电路对当前采集到的滚转角度信息进行微分计算得到瞬时滚转角速度信息，同时向导航计算机3输出滚转角度及瞬时滚转角速度信息。

陀螺仪本体包括转子、定轴、码盘、壳体、陀螺外环轴。

不同于常见速率陀螺仪的是，燃气陀螺仪7在载体高速旋转状态下直接测量角度信息，利用信号处理电路对当前所采集的滚转角度信息进行微分，避免了由积分过程引入的误差累积，能够得到准确的瞬时滚转角速度信息。

通过内部导线2，滚转燃气陀螺仪7(X轴向陀螺仪)将测量得到的角度信息，两支速率陀螺仪(速率陀螺仪6、速率陀螺仪8)将测量得到的角速度信息一并传输到位于整体结构件1的底腔内的导航计算机3上。导航计算机3与二次电源组件4连接，导航计算机3将处理后的姿态信息对外输出。

所述的导航计算机3首先接收滚转燃气陀螺仪组件7输出的滚转角度信号，并对其信号的有效性进行判读。当燃气陀螺仪7数据有效时，将其实时输出的滚转角度信号直接用于惯性姿态算法解算；当燃气陀螺仪7数据无效时，导航计算机板3根据之前收到的燃气陀螺仪7有效帧数据进行递推预测得到当前的滚转角速度信息，并通过积分计算得到当前的滚转角信息。同时，导航计算机板3采集两支速率陀螺仪(速率陀螺仪6、速率陀螺仪8)输出的载体Y、Z轴角速度原始信号和温度传感器输出的温度信号，将获取的信号进行零位、刻度系数、交叉耦合和温度误差补偿后，结合燃气陀螺仪7输出的滚转角、滚转角速度信号进行惯性姿态解算，得到载体的实时三轴角速度和姿态信息。最后，导航计算机3将以上采集的各传感器原始信息和解算得到的三轴角速度、姿态信息通过接插件5实时传输给外部设备组。

所述的二次电源组件4将外部设备接入的电压转变为滚转燃气陀螺仪7、速率陀螺仪6、速率陀螺仪8、导航计算机3(或计算机)所需的电压。

本发明所述的惯性姿态测量装置不仅可以完成对高速旋转载体滚转角、偏航角、俯仰角姿态的实时测量，而且能够完成对三轴角速度的实时测量。与现有技术相比，本装置的滚转角测量误差仅取决于滚转燃气陀螺的漂移率，没有速率陀螺仪积分后的姿态误差累积效果，因而其滚转角误差不会随时间快速发散，长时间工作时精度较高；同时，惯性姿态测量装置需采用捷联惯性算法进行姿态解算，在该算法中偏航角、俯仰角的测量精度受到滚转角测量误差的影响，本装置改善了长时间工作时的滚转角测量精度，将相应减小姿态解算时各轴姿态间的耦合误差，进而显著提高偏航角、俯仰角的测量精度。

本发明与现有技术相比，不仅结构和制作工艺简单，对机械结构的安装误差要求低，成本和体积大幅下降，而且完全依靠自身设备工作，工作不受气象条件的限制，不易受到外界磁场干扰，即使本装置处于特殊姿态方向时(例如顺磁方向)可以正常工作，隐蔽性好，可靠性高，动态性能好，积分后姿态误差不随时间快速累积，长时间工作时精度较高。

Claims (7)

1.一种高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：包含一支滚转燃气陀螺仪（7）、第一速率陀螺仪和第二速率陀螺仪；所述的滚转燃气陀螺仪（7）安装于高速旋转载体的滚转轴上，设为X轴；第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪安装于与X轴正交的Y轴、Z轴所在的平面内且沿Y轴、Z轴方向，还包括导航计算机，通过导航计算机得到滚转燃气陀螺仪（7）、第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪输出的信号并进行姿态解算；

滚转燃气陀螺仪用于测量滚转轴方向角速率；第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪分别用于测量偏航方向、俯仰方向的角速率；

滚转燃气陀螺仪（7）定轴与高速旋转载体的滚转轴平行，滚转燃气陀螺仪（7）利用燃气驱动推动转子，测量高速旋转载体的滚转角度并计算滚转角速度；

信号处理电路对当前采集到的滚转角度信息进行微分计算得到瞬时滚转角速度信息，同时向导航计算机输出滚转角度及瞬时滚转角速度信息；

所述的导航计算机首先接收滚转燃气陀螺仪（7）输出的滚转角度信号，并对其信号的有效性进行判读；当滚转燃气陀螺仪数据有效时，将其实时输出的滚转角度信号直接用于惯性姿态算法解算；当滚转燃气陀螺仪数据无效时，导航计算机根据之前收到的滚转燃气陀螺仪有效帧数据进行递推预测得到当前的滚转角速度信息，并通过积分计算得到当前的滚转角信息。

2.根据权利要求1所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：高速旋转载体的滚转轴与滚转燃气陀螺仪（7）所安装的装置结构件（1）的轴向方向一致。

3.根据权利要求1所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪与导航计算机（3）通过内部导线进行串口通信。

4.根据权利要求1或2所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：滚转燃气陀螺仪安装在结构件的顶腔底部中心位置，第一速率陀螺仪 、第二速率陀螺仪分别安装于结构件的顶壁、侧壁位置 。

5.根据权利要求1所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：所述的第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪为MEMS陀螺、石英陀螺、光纤陀螺或激光陀螺。

6.根据权利要求1所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：所述的滚转燃气陀螺仪包括燃气发生器、陀螺仪本体、光电编码器和信号处理电路四个部分；燃气发生器用于引燃火药从而推动转子旋转；光电编码器是陀螺仪本体的信号的输出装置；信号处理电路对当前采集到的滚转角度信息进行微分计算得到瞬时滚转角速度信息。

7.根据权利要求1所述的高速旋转载体惯性姿态测量装置，其特征在于：还包括结构件、内部导线、二次电源组件；通过内部导线，将滚转燃气陀螺仪（7）将测量得到的角度信息，第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪测量得到的角速度信息一并传输到导航计算机，导航计算机位于整体结构件的底腔内，导航计算机将处理后的姿态信息对外输出；二次电源组件将外部设备接入的电压转变为滚转燃气陀螺仪、第一速率陀螺仪、第二速率陀螺仪、导航计算机所需的电压。

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