專利名稱：陀螺尋北儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車載陀螺尋北儀。
聯(lián)邦德國專利DE3541259上公開了一種“指北定向裝置”，采用準(zhǔn)捷聯(lián)方式，具有二自由度的常平架，擾性陀螺的兩個(gè)互為正交的角速率敏感軸保持在近似水平狀態(tài)，以克服不同緯度引起的測(cè)北誤差，陀螺每個(gè)敏感軸方向各安裝一只加速度計(jì)，用來補(bǔ)償哪怕是近似水平也要產(chǎn)生的測(cè)北誤差，陀螺的兩個(gè)敏感軸分別測(cè)得地球自轉(zhuǎn)角速度沿該軸的分量，兩個(gè)加速度計(jì)分別測(cè)得重力加速度在兩個(gè)敏感軸的分量，信號(hào)處理裝置將重力加速度分量換算成兩個(gè)敏感軸相對(duì)水平面的偏差角，并按換算比例與其陀螺信號(hào)相疊加，以消除地球自轉(zhuǎn)角速度的垂直分量，最終出地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量在兩個(gè)敏感軸上的分量，從而計(jì)算出偏北角。很顯然，使陀螺敏感軸處于近似水平的目的，是便于減少緯度影響，因?yàn)樵诓煌暥认拢厍蜃赞D(zhuǎn)角速度的垂直分量是不同的，而敏感軸處于近似水平狀態(tài)，可使陀螺敏感到的垂直分量很小，用加速度計(jì)測(cè)的信號(hào)用模擬方式加以近似的修正。專利DE3541259必須具有復(fù)雜的、可調(diào)水平的二自由度常平架機(jī)構(gòu)，必須使用兩個(gè)加速度計(jì)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)重力加速度在兩個(gè)敏感軸方向的分量的測(cè)量，對(duì)地球自轉(zhuǎn)角速度垂直分量的修正是近似的，信號(hào)處理裝置采用模擬方案，無法實(shí)現(xiàn)尋北過程的復(fù)雜計(jì)算?？傊?，DE3541259是陀螺穩(wěn)定平臺(tái)功能的擴(kuò)展。
本發(fā)明的目的是提供一種利用多位置捷聯(lián)測(cè)北的陀螺尋北儀裝置，以便在車體大角度傾斜且無需調(diào)平及知道地理緯度的情況下進(jìn)行精確的測(cè)量。
本發(fā)明的目的是通過以下措施實(shí)現(xiàn)的一個(gè)擾性陀螺和一個(gè)加速度計(jì)，安裝在可實(shí)現(xiàn)多位置轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置上，通過該裝置上的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置變化，陀螺測(cè)出地球自轉(zhuǎn)角速度分量，加速度計(jì)測(cè)出各位置的重力加速度分量，并送入信號(hào)處理裝置進(jìn)行處理。因此，本發(fā)明包括a.陀螺，可在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行對(duì)稱的多位置測(cè)量，測(cè)得各位置地球自轉(zhuǎn)角速度沿其敏感軸的分量，并以此測(cè)量方式消除陀螺的系統(tǒng)誤差。
b.加速度計(jì)，沿陀螺的一個(gè)敏感軸安裝，實(shí)現(xiàn)與陀螺在各位置的同步測(cè)量，以計(jì)算敏感軸所在平面相對(duì)水平面的偏角，并以此測(cè)量方式消除加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差。
c.步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置，用來實(shí)現(xiàn)陀螺和加速度計(jì)的位置轉(zhuǎn)換，將單軸轉(zhuǎn)臺(tái)置于平面軸系結(jié)構(gòu)上并控制其具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)剛度，以避免對(duì)陀螺產(chǎn)生附加的速率干擾，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)位置轉(zhuǎn)換，并用光電脈沖發(fā)生器和位置記憶器配合使用，以確定單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的零位及其他轉(zhuǎn)動(dòng)位置。
d.信號(hào)處理裝置，以微處理器作為控制部件，控制單軸轉(zhuǎn)臺(tái)歸零及其此后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在收到陀螺輸出值、加速度輸出值、單軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置數(shù)及每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度后，予以實(shí)時(shí)處理，輸出偏北角，緯度及車體傾斜角。
本發(fā)明解決了以下問題a.無需限制陀螺敏感軸在近似水平狀態(tài)下，因此取消了類似陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的復(fù)雜的調(diào)平機(jī)構(gòu)。
b.用一只加速度計(jì)取代兩只加速度計(jì)，同樣可以測(cè)出陀螺敏感軸相對(duì)水平面的傾斜角。
c.無需外加緯度信號(hào)即可完成精確測(cè)北，同時(shí)本發(fā)明可測(cè)出緯度和車體的傾斜角。
d.信號(hào)處理裝置由模擬電路、數(shù)字電路及微處理器組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的復(fù)雜計(jì)算。
e.在多位置下測(cè)量，可消除陀螺及加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差，從而可以提高測(cè)北精度。
f.計(jì)算機(jī)濾波和計(jì)算機(jī)平滑技術(shù)可提高儀表的抗干擾能力。
附

圖1為本發(fā)明所建立的坐標(biāo)系附圖2為本發(fā)明的原理示意圖附圖3為步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置的結(jié)構(gòu)原理圖附圖4為本發(fā)明的信號(hào)處理裝置原理方框圖附圖5為本發(fā)明的信號(hào)處理裝置的控制流程圖下面將結(jié)合實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明用擾性陀螺測(cè)量的最終目的是得到地球自轉(zhuǎn)角速度的水平分量在直角坐標(biāo)上的兩個(gè)分量，用加速度計(jì)測(cè)量的目的，是得到陀螺敏感軸所在平面與水平面的夾角，由此建立如圖1所示的坐標(biāo)系οξηψ-地理坐標(biāo)，οψ軸為鉛垂方向οXοYοZο-車體參考坐標(biāo)系，οYο軸平行于車體縱軸φ-車體偏北方位角
οX1Y1Z1-尋北儀參考坐標(biāo)系，οX1軸平行于陀螺的敏感軸α、β-車體的傾斜角地球自轉(zhuǎn)角速度和重力加速度g在οηξψ各軸上的分量表達(dá)式可寫成
其中，Aθ、Aβ、Aα、Aψ-坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的矩陣因子ψ-緯度最終可導(dǎo)出
其中，K1陀螺的刻度因數(shù)K2加速度計(jì)的刻度因數(shù)U1i陀螺在各位置下的輸出值U2i加速度計(jì)在各位置下的輸出值N 步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的位置數(shù)θi步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置各位置的角度根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，確定本發(fā)明的結(jié)構(gòu)組成包括參考附圖2，a.安裝在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)上的速率型擾性陀螺(1);
b.安裝在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)上，沿陀螺(1)的一個(gè)敏感軸上的加速度計(jì)(2);
c.步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)陀螺(1)、加速度計(jì)(2)的多位置轉(zhuǎn)換，參考附圖3，其結(jié)構(gòu)為c1.單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)與平面軸系(23)及步進(jìn)電機(jī)(5)都固定在內(nèi)框架(22)上，其中，控制平面軸系(23)具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)又能被步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)(5)經(jīng)減速器(4)帶動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)動(dòng);
c2.光電脈沖發(fā)生器(10)通過柔性連接軸(9)與減速器(4)的齒輪連接，用來監(jiān)測(cè)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)角，位置記憶器(19)安裝在內(nèi)框架(22)上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)連接的扇形齒輪(21)帶動(dòng)齒輪(20)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置并打開相應(yīng)的微動(dòng)開關(guān)(18)，使位置記憶器(19)記憶單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)所處的位置，光電脈沖發(fā)生器(10)的零位信號(hào)和位置記憶器(19)的位置信號(hào)配合使用，保證了測(cè)量基準(zhǔn)的一致性和歸零動(dòng)作的一致性;
c3.電纜(16)一端固定在與單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)連接的內(nèi)導(dǎo)環(huán)(15)上，另一端固定在與殼體(11)連接的外導(dǎo)環(huán)(17)上，用來傳遞電源與測(cè)量信號(hào)，內(nèi)框架(22)通過四個(gè)平板型橡膠減震器(12)連接在殼體(11)上，在殼體(11)上安裝導(dǎo)向活塞桿(13)和阻尼環(huán)(14)，并用硅橡膠環(huán)(24)固連，當(dāng)內(nèi)框架(22)受到干擾，減震裝置可以使其迅速衰減并防止角振動(dòng)。
d.信號(hào)處理裝置，附圖5為該裝置的控制流程圖，可以看出，微處理器(6)控制步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)歸零及其此后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，并對(duì)來自溫度傳感器(36)的溫度漂移信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，對(duì)來自陀螺(1)、加速度計(jì)(2)在各位置下測(cè)得的輸出值U1i、U2i作矩陣運(yùn)算，最后輸出偏北角、緯度及車體的傾角，由顯示器(7)顯示，因此，該裝置具有，參考附圖4d1.光電脈沖發(fā)生器(10)和位置記憶器(19)的信號(hào)，經(jīng)過光電隔離電路(28)輸入微處理器(6)，當(dāng)兩路信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)處于基準(zhǔn)零位，否則，微處理器(6)將控制步進(jìn)電機(jī)(5)運(yùn)轉(zhuǎn)使單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)歸零;
d2.微處理器(6)經(jīng)過光電隔離電路(28)，向驅(qū)動(dòng)電路(41)發(fā)出轉(zhuǎn)角脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)(5)做正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)光電脈沖發(fā)生器(10)將單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)角信號(hào)送入微處理器(6)，從而控制單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)到預(yù)定的測(cè)量位置θi;
d3.陀螺力矩器(33)、(34)的電流信號(hào)，通過采樣電阻(31)、(32)送入濾波電路(42)，經(jīng)阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)，送入微處理器(6)，使陀螺(1)的信號(hào)得到了濾波、平滑和模/數(shù)轉(zhuǎn)換，在微處理器(6)內(nèi)做為主信號(hào)u1i參加運(yùn)算;
d4.加速度計(jì)(2)信號(hào)，通過阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)送入微處理器(6)，作為主信號(hào)U2i參加運(yùn)算;
d5.溫度傳感器(36)的信號(hào)，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)送入微處理器(6)，對(duì)陀螺(1)信號(hào)進(jìn)行溫度相關(guān)處理，以消除陀螺溫度漂移帶來的測(cè)量誤差。
該尋北陀螺儀的工作過程是這樣的電源接通后，陀螺馬達(dá)電源(25)向陀螺馬達(dá)(27)供電，交流電源(26)向陀螺力矩再平衡電路(30)和陀螺角度傳感器(39)供電，DC/DC電源(40)給出各電路及微處理器(6)用的直流電，微處理器(6)開始計(jì)時(shí)，按預(yù)定時(shí)間起動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(5)使單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)到基準(zhǔn)零位(第一個(gè)位置)，發(fā)出吸合指令使繼電器(29)吸合，因此陀螺力矩再平衡電路(30)閉合，陀螺(1)處于正常工作狀態(tài)，到達(dá)測(cè)量時(shí)間后，微處理器(6)發(fā)出選擇信號(hào)，控制選擇開關(guān)(37)分別將第一個(gè)位置的陀螺信號(hào)、加速度計(jì)信號(hào)及溫度信號(hào)送入微處理器(6)，然后再一次起動(dòng)步進(jìn)電機(jī)(5)并接收光電脈沖發(fā)生器(10)送回的角度信號(hào)，到達(dá)預(yù)定轉(zhuǎn)角后，步進(jìn)電機(jī)(5)停轉(zhuǎn)，微處理器(6)開始在第二個(gè)位置下采集陀螺(1)、加速度計(jì)(2)及溫度傳感器(36)的信號(hào)，同樣，第三位置，直到最后一個(gè)位置，全部數(shù)據(jù)采集完成，微處理器(6)按程序進(jìn)行運(yùn)算，最后將計(jì)算出的偏北角、緯度和車體的傾角送入顯示器。
權(quán)利要求
1.一種捷聯(lián)方式聯(lián)接的車載尋北陀螺儀，其特征在于包括a.陀螺，安裝在可實(shí)現(xiàn)多位置轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置變化，測(cè)出在各位置上的地球自轉(zhuǎn)角速度沿其敏感軸方向的分量，并以此測(cè)量方式消除陀螺的系統(tǒng)誤差；b.一個(gè)加速度計(jì)，沿陀螺的一個(gè)敏感軸方向安裝在單軸轉(zhuǎn)臺(tái)上，與陀螺同步測(cè)量，測(cè)出在各位置上的重力加速度分量，以計(jì)算陀螺敏感軸所在平面相對(duì)水平面的偏角，并以此測(cè)量方式消除加速度計(jì)的系統(tǒng)誤差；c.步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置，其中，以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，并用光電脈沖發(fā)生器及位置記憶器配合使用，以確定單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的零位及其他各轉(zhuǎn)動(dòng)位置；d.信號(hào)處理裝置，以微處理器作為控制部件，控制單軸轉(zhuǎn)臺(tái)歸零及其此后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，在收到陀螺輸出值、加速度輸出值、單軸轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的位置數(shù)及每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度后，予以實(shí)時(shí)處理，輸出車體的偏北角、緯度及車體傾斜角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尋北陀螺儀，其特征在于步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置實(shí)現(xiàn)陀螺(1)、加速度計(jì)(2)的多位置轉(zhuǎn)換，因此該裝置具有a.單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)與平面軸系(23)及步進(jìn)電機(jī)(5)都固定在內(nèi)框架(22)上，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速器(4)帶動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中，控制平面軸系(23)具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)又能被步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng);b.光電脈沖發(fā)生器(10)通過柔性連接軸(9)與減速器(4)的齒輪連接，用來監(jiān)測(cè)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)角，位置記憶器(19)安裝在內(nèi)框架(22)上，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)(5)驅(qū)動(dòng)單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)連接的扇形齒輪(21)帶動(dòng)齒輪(20)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)位置并打開相應(yīng)的微動(dòng)開關(guān)(18)，使位置記憶器記憶單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)所處的位置;c.內(nèi)框架(22)通過四個(gè)平板型橡膠減震器(12)連接在殼體(11)上，在殼體(11)上安裝導(dǎo)向活塞桿(18)和阻尼環(huán)(14)，并用硅橡膠環(huán)(24)固連，當(dāng)內(nèi)框架(22)受到干擾，減震裝置可以使其迅速衰減并防止角振動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的尋北陀螺儀，其特征在于信號(hào)處理裝置，控制單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)歸零及其此后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，完成對(duì)信號(hào)的處理，a.光電脈沖發(fā)生器(10)和位置記憶器(19)的信號(hào)，經(jīng)過光電隔離電路(28)輸入微處理器(6)，當(dāng)這兩路信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)處于基準(zhǔn)零位，否則，微處理器(6)將控制步進(jìn)電機(jī)(5)運(yùn)轉(zhuǎn)使單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)歸零;b.微處理器(6)經(jīng)過光電隔離電路(28)，向驅(qū)動(dòng)電路(41)發(fā)出轉(zhuǎn)角脈沖，控制步進(jìn)電機(jī)(5)做正向或反向轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)光電脈沖發(fā)生器(10)將單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)的轉(zhuǎn)角信號(hào)送入微處理器(6)，從而控制單軸轉(zhuǎn)臺(tái)(3)轉(zhuǎn)到預(yù)定的測(cè)量位置;c.陀螺力矩器(33)、(34)的電流信號(hào)，通過采樣電阻(31)、(32)送入濾波電路(42)，經(jīng)阻抗變換器(35)、濾波電路(43)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)和A/D變換器(8)，送入微處理器(6);d.加速度計(jì)(2)信號(hào)，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)、A/D變換器(8)送入計(jì)算機(jī)(6)參加運(yùn)算;e.溫度傳感器(36)信號(hào)，通過阻抗變換器(35)、選擇開關(guān)(37)、電位平移電路(38)、A/D變換器(8)送入微處理器(6)，對(duì)陀螺(1)信號(hào)進(jìn)行溫度相關(guān)處理，以消除陀螺溫度漂移帶來的測(cè)量誤差。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種車載陀螺尋北儀，采用多位置捷聯(lián)測(cè)北方法，將陀螺和一個(gè)加速度計(jì)，安裝在可實(shí)現(xiàn)多位置轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)旋轉(zhuǎn)裝置上，通過該裝置上的單軸轉(zhuǎn)臺(tái)的位置變化，陀螺測(cè)出在各位置上的地球自轉(zhuǎn)角速度分量，加速度計(jì)同步測(cè)出重力加速度分量，將這兩路信號(hào)送入信號(hào)處理裝置，由該裝置中的微處理器實(shí)時(shí)處理，輸出偏北角、當(dāng)?shù)氐木暥燃败圀w的傾角。該尋北儀可以在車體大角度傾斜，而且無需調(diào)平陀螺敏感軸所在的平面以及知道當(dāng)?shù)氐乩砭暥鹊那闆r下進(jìn)行精確的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C19/38GK1052371SQ9010368
公開日1991年6月19日 申請(qǐng)日期1990年5月23日 優(yōu)先權(quán)日1990年5月23日
發(fā)明者于永泰, 于祖蔭 申請(qǐng)人:航空航天部第一設(shè)計(jì)研究院十五所