CN110823219B - 一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，包括一个本体、一个箱体、一个三轴共用光源、一份光源驱动与制冷电路、一份光纤陀螺信号处理与接口电路、一份***电路、三个光纤环组件、三个电连接器、一个基准镜。本发明提供CAN总线和RS‑422两种对外输出接口，能够同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，实现通讯接口的异构设计；本发明的软件提供了“程序比较”和“程序更新”两种指令接口，可响应外部指令对全程序进行比较和更新操作，提升了可靠性；本发明内部的各分部件均使用国军标及以下等级的元器件，降低了成本，实现了国产工业级元器件在宇航用光纤陀螺惯性测量装置中的首次应用。

Description

一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置
技术领域
本发明涉及一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，特别涉及一种用于航天器姿态控制的微小型、低成本、多输出接口的光纤陀螺惯性测量装置，属于惯性测量技术领域。
背景技术
航天器作为高新科技发展的标志，在我国的现代化建设中扮演着极为重要的角色。随着航天领域和整个航天生态***的发展变革，具有投资与营运成本低、应急能力与灵活性强、***建设周期短等众多优点的小卫星，广泛用于通信、科学、技术试验、军事、教育和对地观测等，在军用及民用领域的发展前景十分广阔，小卫星的普及化、商业化及低成本化已呈现不可阻挡之势，市场争夺日趋激烈。
作为姿态控制***的关键设备，惯性仪表直接影响***的精度和性能。小卫星的快速发展使其对微小型姿态敏感器的市场需求日渐增大，光纤陀螺惯性测量装置凭借其体积、功耗、精度、空间环境适应性等多方面的优势得以大量应用。
光纤陀螺是一种全固态惯性仪表，具有传统机电仪表所不具备的优点。它由光学器件和电子器件组成闭环检测***，通过检测两束光的相位差来确定旋转角速度，其内部没有任何运动部件，在结构上是完全固态化的陀螺仪。光纤陀螺正是以其原理和结构上的优点，使其在许多应用领域具有明显的优势，其主要特点表现在以下几个方面：(1)高精度：国外高精度光纤陀螺的精度已达0.00038°/h；(2)全固态：光纤陀螺内的各部件均为固态，具有抗真空、抗振动和冲击的特性；(3)长寿命：光纤陀螺内部无旋转部件和摩擦部件，且光学器件的使用寿命较长；(4)高可靠性：光纤陀螺结构设计灵活，生产工艺相对简单，且易于采用集成光路技术，信号稳定可靠。
现有技术中，光纤陀螺惯性测量装置多选用高等级元器件实现三轴独立工作或三轴一体的设计方案，从而测量航天器三轴相对于惯性空间的姿态。但此设计方案对体积和重量的要求较高，不能满足商业小卫星对于小型化、轻质化和低成本的要求。此外，现有光纤陀螺惯性测量装置大多采用单一对外输出接口，限制了通用性和可互换性。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的上述不足，提供一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，其输出接口多样、质量轻、成本低。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，三轴共用光源、Y波导、器件盒、光纤环组件、光源驱动与制冷电路、光纤陀螺信号处理与接口电路、***电路、电连接器、本体、箱体、上盖、侧盖、电路板支架、侧盖支架、散热支架、光学基准镜；
三个光纤环组件安装于本体的侧面及底部，呈相互正交放置；Y波导安装于本体上表面的凹槽中；装有光纤陀螺光路部分元器件的器件盒安装于本体顶部的支架上；器件盒上表面固定有散热支架；本体和三轴共用光源分别安装于箱体内侧；光学基准镜安装于箱体外侧；光源驱动与制冷电路、光纤陀螺信号处理与接口电路和***电路之间分别通过板间连接器相连；电路板支架固定在光纤陀螺信号处理与接口电路和***电路中间的空隙中，安装于箱体上部的侧盖内；侧盖一侧安装有三个电连接器；三个电连接器之间通过侧盖支架固定相对位置；侧盖顶部安装有上盖，对整个测量装置实现结构上的封闭。
***电路提供CAN总线接口和RS-422接口两种对外输出接口，在完成***初始化后同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，实现通讯接口的异构设计；
所述CAN总线接口实现双接口冗余配置，响应指令要求进行切换或按规定自主切换。
所述RS-422接口按规定的通讯频率以广播的形式发送被测载体的相关姿态数据信息。
***初始化过程中提供“程序比较”和“程序更新”两种指令接口，通过响应外部指令对全程序进行比较和更新操作，其具体实现步骤如下：
(1)光纤陀螺惯性测量装置上电后，***初始化首先进入底层程序中起延时作用的计数器，延时等待期间，光纤陀螺惯性测量装置响应外部输入的“程序比较”或“程序更新”指令，待延时结束，***电路内部的Flash芯片第一段固定地址中的主程序便会被搬运至ARM芯片的RAM中运行；
(2)若程序比较结果或通过其他表征判定程序异常，在光纤陀螺惯性测量装置重新上电的延时等待期间通过外部发送“程序更新”指令，光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序更新”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中主程序比较后的最终程序重新覆盖至第一段固定地址中，从而实现运行程序的更新。
所述延时等待期间，当光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序比较”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中的主程序进行按位比较，再将比较结果与第一段固定地址中的运行程序进行比较，最终结果写入一个特定地址，当延时结束主程序开始运行后，比较结果会以状态字的形式对外发送，供外部判定***状态。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明采用了CAN总线和RS-422两种对外输出接口，实现了通讯接口的异构设计，可同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，扩展了产品的应用适配性；
(2)本发明的***初始化过程提供了“程序比较”和“程序更新”两种指令接口，通过响应外部指令对全程序进行比较和更新操作，提升了产品工作过程中的可靠性。
附图说明
图1为本发明的外形结构示意图；
图2为本发明的内部构成示意图；
图3为本发明的***初始化功能示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
(1)总体组成设计：光纤陀螺惯性测量装置的外形结构示意图如图1所示，内部构成示意图如图2所示。光纤陀螺惯性测量装置包括一个三轴共用光源5、一个Y波导9、一个器件盒10、三个光纤环组件4、一个光源驱动与制冷电路2、一个光纤陀螺信号处理与接口电路14、一个***电路16、三个电连接器12、一个电路板支架15、一个本体8、一个箱体7、一个上盖1、一个侧盖3、一个光学基准镜6、一个侧盖支架13、一个散热支架11。光纤陀螺惯性测量内，三个光纤环组件4安装于本体8的侧面及底部，呈相互正交；Y波导9安装于本体8上表面的凹槽中；装有光纤陀螺光路部分元器件的器件盒10安装于本体8顶部的支架上；器件盒10的上表面固定有散热支架11；本体8和三轴共用光源5分别安装于箱体7内侧；光学基准镜6安装于箱体7外侧；光源驱动与制冷电路2、光纤陀螺信号处理与接口电路14和***电路16之间分别通过板间连接器相连；电路板支架15固定在光纤陀螺信号处理与接口电路14和***电路16中间的空隙中，安装于箱体7上部的侧盖3内；侧盖3的一侧分别安装有三个电连接器12；三个电连接器12之间通过侧盖支架13固定相对位置；侧盖3的顶部安装有上盖1，对整个测量装置实现结构上的封闭。
(2)***电路主要由信号处理模块和二次电源模块两大部分构成。信号处理模块以工业级ARM芯片为核心器件，***再配置CAN总线接口模块和串口通信模块。信号处理模块在工作时，通过串口接收光纤陀螺信号处理与接口电路发送的三路陀螺数据以及两路温度传感器数据。在完成陀螺数据的补偿运算后，信号处理模块再通过CAN总线接口和串口同时对外通信。二次电源模块的额定输入电压为5.5V，并在输入端采取双熔断器并联的保护方案对二次电源的过流和短路进行保护，避免对外部供电母线造成永久性损伤。二次电源模块的+5V输出由三端稳压器提供，-5V输出由表贴电源芯片提供。
(3)光纤陀螺信号处理与接口电路由探测器、放大器、数模/模数转换器和数字逻辑电路构成，主要用于产生偏置调制和数字相位阶梯波信号并施加到Y波导上，实现对光相位差信号的调制，同时完成光纤陀螺干涉信号的数字解调，实现对光纤陀螺***的闭环控制，检测光纤陀螺的相位差信号，再转换成数字信号输出。
(4)光纤陀螺惯性测量装置在***初始化过程中提供了“程序比较”和“程序更新”两种指令接口，可以通过响应外部指令对全程序进行比较和更新操作。***初始化流程的示意图如图3所示，具体实现步骤如下：
光纤陀螺惯性测量装置上电后，***初始化流程首先进入底层程序中起延时作用的计数器，延时等待期间，光纤陀螺惯性测量装置会响应外部输入的“程序比较”或“程序更新”指令，待延时结束，内部Flash芯片第一段固定地址中的主程序便会被搬运至ARM芯片的RAM中运行；
延时期间，当光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序比较”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中的主程序进行按位比较，再将比较结果与第一段固定地址中的运行程序进行比较，最终结果写入一个特定地址，当延时结束主程序开始运行后，比较结果会以状态字的形式对外发送，供外部判定***状态；
若程序比较结果或通过其他表征判定程序异常，在光纤陀螺惯性测量装置重新上电的延时等待期间通过外部发送“程序更新”指令，光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序更新”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中主程序比较后的最终程序重新覆盖至第一段固定地址中，从而实现运行程序的更新。
(4)光纤陀螺惯性测量装置的***电路采用以工业级ARM芯片为核心器件的电路，***配置不高于国军标等级的电阻、电容和集成电路芯片等，其通过RS-422串口接收光纤陀螺信号处理与接口电路发送的三路角速度信息及两路温度信息，对光纤陀螺的输出进行补偿运算后再通过CAN总线和RS-422串口对外发送。
(5)光纤陀螺惯性测量装置的***电路同时提供CAN总线和RS-422两种对外输出接口，可同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，其中CAN总线接口实现了双接口冗余配置，可响应指令要求进行切换或按规定自主切换，RS-422接口可按规定的通讯频率以广播的形式发送被测载体的相关姿态数据信息。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：三轴共用光源(5)、Y波导(9)、器件盒(10)、光纤环组件(4)、光源驱动与制冷电路(2)、光纤陀螺信号处理与接口电路(14)、***电路(16)、电连接器(12)、本体(8)、箱体(7)、上盖(1)、侧盖(3)、电路板支架(15)、侧盖支架(13)、散热支架(11)、光学基准镜(6)；
三个光纤环组件(4)安装于本体(8)的侧面及底部，呈相互正交放置；Y波导(9)安装于本体(8)上表面的凹槽中；装有光纤陀螺光路部分元器件的器件盒(10)安装于本体(8)顶部的支架上；器件盒(10)上表面固定有散热支架(11)；本体(8)和三轴共用光源(5)分别安装于箱体(7)内侧；光学基准镜(6)安装于箱体(7)外侧；光源驱动与制冷电路(2)、光纤陀螺信号处理与接口电路(14)和***电路(16)之间分别通过板间连接器相连；电路板支架(15)固定在光纤陀螺信号处理与接口电路(14)和***电路(16)中间的空隙中，安装于箱体(7)上部的侧盖(3)内；侧盖(3)一侧安装有三个电连接器(12)；三个电连接器(12)之间通过侧盖支架(13)固定相对位置；侧盖(3)顶部安装有上盖(1)，对整个测量装置实现结构上的封闭；
***电路(16)提供CAN总线接口和RS-422接口两种对外输出接口，在完成***初始化后同时输出被测载体在三个敏感轴向上的角速度信息，实现通讯接口的异构设计；
***初始化过程中提供“程序比较”和“程序更新”两种指令接口，通过响应外部指令对全程序进行比较和更新操作，其具体实现步骤如下：
(1)光纤陀螺惯性测量装置上电后，***初始化首先进入底层程序中起延时作用的计数器，延时等待期间，光纤陀螺惯性测量装置响应外部输入的“程序比较”或“程序更新”指令，待延时结束，***电路(16)内部的Flash芯片第一段固定地址中的主程序便会被搬运至ARM芯片的RAM中运行；
(2)若程序比较结果或通过其他表征判定程序异常，在光纤陀螺惯性测量装置重新上电的延时等待期间通过外部发送“程序更新”指令，光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序更新”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中主程序比较后的最终程序重新覆盖至第一段固定地址中，从而实现运行程序的更新。
2.根据权利要求1所述的一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：所述CAN总线接口实现双接口冗余配置，响应指令要求进行切换或按规定自主切换。
3.根据权利要求1所述的一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：所述RS-422接口按规定的通讯频率以广播的形式发送被测载体的相关姿态数据信息。
4.根据权利要求1所述的一种微小型低成本三轴一体光纤陀螺惯性测量装置，其特征在于：所述延时等待期间，当光纤陀螺惯性测量装置接收到外部输入的“程序比较”指令后，会将预先留存在Flash芯片第二、三、四段固定地址中的主程序进行按位比较，再将比较结果与第一段固定地址中的运行程序进行比较，最终结果写入一个特定地址，当延时结束主程序开始运行后，比较结果会以状态字的形式对外发送，供外部判定***状态。
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