CN114543798A - 一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航*** - Google Patents

一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，包含：壳体，固定安装在航行器上，其具有两端封闭的筒形结构，壳体内部固定安装有DVL和SINS；信号处理电路，其固定设置在壳体内部并信号连接DVL和SINS，信号处理电路通过内置的导航算法，基于DVL测量的速度值、SINS测量的加速度值和角速度值，计算得到航行器在导航坐标系下的速度值、位置、姿态信息并发送给外部设备，信号处理电路基于外部设备发送的控制指令调整工作状态，比如开始或停止工作；至少一个信号接口，设置在壳体上，用于实现信号处理电路与外部设备之间的数据传输。通过本发明的组合导航***只需一次标定DVL与SINS之间的安装偏角。

Description

一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***
技术领域
本发明涉及组合导航***领域，特别涉及一种一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***。
背景技术
随着人类对海洋资源探索的需求越来越大，水下航行器是海洋探索的重要手段，水下导航是水下航行的关键。水下导航是水下航行器的关键技术。而捷联惯导***(Strapdown Inertial Navigation system简称SINS)和多普勒测速仪(Dopp lervelocity log简称DVL)组合方式的导航***是国内外水下航行器的发展中应用较为成熟的。
一般的，水下航行器将SINS坐标系作为载体坐标系，通过捷联惯导解算，得到载体坐标系到导航坐标系的姿态转换矩阵。DVL与SINS进行组合导航之前，则首先需要将DVL相对于SINS坐标系的安装偏角(即DVL坐标系到SINS坐标系的坐标转换矩阵)标定出来，这样才能将DVL测量的速度投影到载体坐标系中，从而与SINS进行组合导航。另外，DVL测得的速度与真实速度存在一定的倍数关系(不考虑测量噪声)，即DVL速度标定因子。DVL安装偏角与标度因子的标定一般是航行器在水面上或者水下进行一定轨迹的航行，同时测量SINS和DVL数据，并在GNSS测量的辅助下，经过一定的算法计算出来。
DVL安装偏角与标度因子的标定方案已较为成熟。但对于分体式SINS/DVL组合导航***而言，即SINS与DVL安装在航行器的不同的两个地方，由于航行器形变，DVL相对SINS的安装偏角容易发生变化，从而导致组合导航精度下降，因此需要经常对该安装偏角进行标定，这对实际使用带来不便。
发明内容
本发明的目的是提供一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，通过将SINS与DVL进行一体化设计，使得DVL相对于SINS的安装偏角不会随着航行器的形变发生变化。通过本发明只需要对DVL与SINS进行一次标定，保证了采集的导航数据的准确性。
为了达到上述目的，本发明提供一种一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，包含：
壳体，固定安装在航行器上；所述壳体具有两端封闭的筒形结构，壳体内部固定安装有多普勒测速仪和捷联惯导***；
信号处理电路，其固定设置在壳体内部并信号连接多普勒测速仪和捷联惯导***；所述信号处理电路通过内置的导航算法，基于多普勒测速仪测量的速度值、捷联惯导***测量的加速度值和角速度值，计算得到航行器在导航坐标系下的速度值、位置、姿态信息并发送给外部设备；信号处理电路基于外部设备发送的控制指令开始或停止工作；
至少一个信号接口，设置在壳体上，用于实现信号处理电路与外部设备之间的数据传输。
可选的，壳体内部还设有与外部电源电性连接的电源电路；通过所述电源电路为多普勒测速仪和捷联惯导***提供工作电能。
可选的，所述壳体包含顶盖、上部壳体和下部壳体；所述上部壳体具有两端开口的筒形结构；所述顶盖固定设置在上部壳体第一端的端面，所述信号接口设置在顶盖上；所述下部壳体具有一端封闭的筒形结构，其与上部壳体同中心轴；下部壳体开口端固定连接上部壳体第二端；所述捷联惯导***、多普勒测速仪分别固定设置在上部壳体、下部壳体内部。
可选的，所述一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***还包含设置在顶盖上的电源接口，用于实现外部电源与电源电路之间的电性连接。
可选的，所述一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***还包含多个防震垫圈；所述多个防震垫圈分别设置在捷联惯导***与上部壳体之间，以及多普勒测速仪与下部壳体之间。
可选的，所述壳体为钛合金材质。
可选的，所述一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***还包含多个密封圈；所述多个密封圈分别设置在顶盖与上部壳体第一端之间，以及上部壳体第二端与下部壳体开口端之间。
可选的，顶盖上设有至少一个把手。
可选的，所述一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***还包含多个定位销；通过所述定位销将壳体固定安装在航行器上。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)本发明的壳体采用高强度防水防腐蚀材料，确保本发明的组合导航***在水下受力均匀，不发生形变。通过将捷联惯导***与多普勒测速仪固定在壳体内，实现捷联惯导***与多普勒测速仪的一体化设计，从而保证多普勒测速仪与将捷联惯导***相对位置不发生改变。因此多普勒测速仪与捷联惯导***相对位置之间的安装偏角只需要标定一次，从而避免了组合导航中对多普勒测速仪多次标定的情况，同时满足多普勒测速仪水下工作的需要；
2)本发明的组合导航***防水性能好，确保水分不侵蚀进入壳体内部的各个部件。
3)本发明组合导航***的各个部件发生故障时方便维修和更换，易于维护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***的外形示意图；
图2为本发明的组合导航***内部结构示意图；
图3为本发明组合导航***的信号处理电路、多普勒测速仪、捷联惯导***、电源电路连接示意图；
图中：1、上部壳体；101、第一延伸部；2、顶盖；3、下部壳体；301、第二延伸部；4、螺钉；5、电源接口；6、信号接口；7、把手；8、定位销；9、密封圈；10、捷联惯导***；11、防震垫圈；12、信号处理电路；13、多普勒测速仪；14、电源电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本申请说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本申请。如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
另外，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供一种一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪13组合导航***，如图1所示，包含：壳体、多普勒测速仪13、捷联惯导***10、信号处理电路12、至少一个信号接口6、电源接口5、多个防震垫圈11、多个密封圈9、至少一个把手7、多个定位销8。
如图1、图2所示，所述壳体具有两端封闭的筒形结构，壳体内部固定安装有多普勒测速仪13和捷联惯导***10。
如图1所示，本发明的实施例中，壳体包含顶盖2、上部壳体1和下部壳体3。所述壳体采用高强度防水防腐蚀材料(例如钛合金)，在水下受力均匀，不会发生形变。
所述上部壳体1具有两端开口的筒形结构；所述顶盖2固定设置在上部壳体第一端的端面(在本实施例中，通过螺钉4固定连接顶盖2与上部壳体1)。所述下部壳体3与上部壳体1同中心轴，下部壳体3具有一端封闭的筒形结构。
下部壳体开口端固定连接上部壳体第二端。在本发明的实施例中，如图1、图2所示，上部壳体第二端端面向外延伸形成环形的第一延伸部101；下部壳体开口端端面向外延伸形成环形的第二延伸部301。通过多个穿设第一延伸部101、第二延伸部301的螺钉4实现固定连接上部壳体1与下部壳体3。
如图1所示，所述定位销8穿设第一延伸部101、第二延伸部301，通过定位销8实现将壳体固定安装在航行器上。
所述捷联惯导***10与多普勒测速仪13固定设置在壳体内部。如图2所示，本发明的实施例中，捷联惯导***10、多普勒测速仪13分别固定设置在上部壳体1、下部壳体3的内部。此仅作为示例，捷联惯导***10、多普勒测速仪13只要能固定设置在壳体内即可，具体设置位置不受限制。如图2所示，所述多个防震垫圈11分别设置在捷联惯导***10与上部壳体1之间，以及多普勒测速仪13与下部壳体3之间。
如图3所示，所述信号处理电路12固定设置在壳体内部并信号连接多普勒测速仪13和捷联惯导***10。在本发明的实施例中，如图2所示，将信号处理电路12固定设置在上部壳体1内。
信号处理电路12获取多普勒测速仪13测量的速度值，并基于多普勒测速仪13相对于捷联惯导***的安装偏角和速度标定因子(安装偏角、速度标定因子的标定方法为现有技术，此处不做赘述)，将该速度值投影到载体坐标系。信号处理电路12还将捷联惯导***10测量的加速度信号和角速度信号，转换为载体坐标系下的加速度值、角速度值。信号处理电路12还通过内置的导航算法(导航算法为现有技术，在此不做赘述)，基于载体坐标系下的速度值、加速度值和角速度值，计算得到航行器在导航坐标系下的速度值、位置、姿态信息并发送给外部设备。信号处理电路12还基于外部设备发送的控制指令调整工作状态，比如开始或停止工作。
如图1、图2所示，所述信号接口6设置在顶盖2上，用于实现信号处理电路12与外部设备之间的数据传输。
所述电源电路14电性连接外部电源并固定设置在壳体内部，通过电源电路14为信号处理电路12、多普勒测速仪13和捷联惯导***10提供工作电能。在本发明的实施例中，如图2所示，将电源电路14固定设置在上部壳体1内。
如图1、图2所示，所述电源接口5设置在顶盖2上，用于实现外部电源与电源电路14之间的电性连接。
如图2所示，所述多个密封圈9分别设置在顶盖2与上部壳体第一端之间，以及上部壳体第二端与下部壳体开口端之间。通过密封圈9保证本发明组合导航***的防水性能。
所述把手7设置在顶盖2上，便于搬动本发明的组合导航***。如图2所示，在本发明的实施例中设有两个把手7(此仅作为示例，不作为本发明的限制)。
本发明的组合导航***，采用高强度防水防腐蚀材料的壳体，确保本发明的组合导航***在水下受力均匀，不发生形变。通过将捷联惯导***10与多普勒测速仪13固定在壳体内，实现捷联惯导***10、多普勒测速仪13的一体化设计，从而保证捷联惯导***10与多普勒测速仪13的相对位置不发生改变。因此多普勒测速仪13与捷联惯导***10相对位置之间的安装偏角只需要标定一次，从而避免了组合导航中对多普勒测速仪13多次标定的情况，同时满足多普勒测速仪13水下工作的需要。
通过在顶盖2与上部壳体1之间、上部壳体1与下部壳体3之间设置多个密封圈9，使得本发明的组合导航***具有良好的防水性能，确保水分不侵蚀进入壳体内部的各个部件。并且本发明组合导航***的各个部件发生故障时方便维修和更换，易于维护。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，包含：
壳体，固定安装在航行器上；所述壳体具有两端封闭的筒形结构，壳体内部固定安装有多普勒测速仪和捷联惯导***；
信号处理电路，其固定设置在壳体内部并信号连接多普勒测速仪和捷联惯导***；所述信号处理电路通过内置的导航算法，基于多普勒测速仪测量的速度值、捷联惯导***测量的加速度值和角速度值，计算得到航行器在导航坐标系下的速度值、位置、姿态信息并发送给外部设备；信号处理电路基于外部设备发送的控制指令开始或停止工作；
至少一个信号接口，设置在壳体上，用于实现信号处理电路与外部设备之间的数据传输。
2.如权利要求1所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，壳体内部还设有与外部电源电性连接的电源电路；通过所述电源电路为多普勒测速仪和捷联惯导***提供工作电能。
3.如权利要求1所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，所述壳体包含顶盖、上部壳体和下部壳体；所述上部壳体具有两端开口的筒形结构；所述顶盖固定设置在上部壳体第一端的端面，所述信号接口设置在顶盖上；所述下部壳体具有一端封闭的筒形结构，其与上部壳体同中心轴；下部壳体开口端固定连接上部壳体第二端；所述捷联惯导***、多普勒测速仪分别固定设置在上部壳体、下部壳体内部。
4.如权利要求3所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，还包含设置在顶盖上的电源接口，用于实现外部电源与电源电路之间的电性连接。
5.如权利要求3所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，还包含多个防震垫圈；所述多个防震垫圈分别设置在捷联惯导***与上部壳体之间，以及多普勒测速仪与下部壳体之间。
6.如权利要求1所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，所述壳体为钛合金材质。
7.如权利要求3所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，还包含多个密封圈；所述多个密封圈分别设置在顶盖与上部壳体第一端之间，以及上部壳体第二端与下部壳体开口端之间。
8.如权利要求3所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，顶盖上设有至少一个把手。
9.如权利要求1所述的一体化高精度水下惯导与多普勒测速仪组合导航***，其特征在于，还包含多个定位销；通过所述定位销将壳体固定安装在航行器上。
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