專利名稱：一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于開環(huán)光纖陀螺和硅微加速度計的捷聯(lián)慣性測量裝置，用于測量載體的加速度和旋轉(zhuǎn)角速率，特別是一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，適用于小體積、低成本的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)深入到我們生活中，其中慣性導(dǎo)航作為導(dǎo)航系統(tǒng)的核心一直受到各國的關(guān)注，各國都投入了大量的人力物力進(jìn)行研究。而慣性測量裝置是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心，它的精度、體積和成本直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)的各項指標(biāo)。隨著陀螺技術(shù)的發(fā)展，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)因其相對于平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有小體積、低成本的優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展，捷聯(lián)慣性測量裝置技術(shù)研究受到了各國的普遍重視，并在航空航天、交通運(yùn)輸、電力能源等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
戰(zhàn)術(shù)武器作用時間較短有低成本、小型化要求，這對其中的慣性測量系統(tǒng)提出了很高要求，傳統(tǒng)慣性測量裝置大多采用機(jī)械式慣性器件，其中平臺式慣性測量裝置體積大、重量大、價格昂貴；現(xiàn)在比較成熟的機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，由于機(jī)械陀螺慣性器件存在高速轉(zhuǎn)子，動態(tài)范圍較小，抗震性差，且傳統(tǒng)機(jī)械陀螺體積較大不能滿足小型化要求；目前，國內(nèi)研制的激光陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置和閉環(huán)光纖陀螺慣性測量裝置，也都存在著體積較大、重量大的問題，不能滿足小型化需要?，F(xiàn)有的戰(zhàn)術(shù)武器導(dǎo)航系統(tǒng)由于采用這些傳統(tǒng)的、成熟的慣性測量裝置，因此存在體積大、重量大、成本高的特點(diǎn)，故傳統(tǒng)慣性器件慣性測量裝置和現(xiàn)有的激光陀螺、閉環(huán)光纖陀螺慣性測量裝置不能滿足新型戰(zhàn)術(shù)武器小型化發(fā)展的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種體積小、重量輕、動態(tài)范圍大、抗沖擊、成本低的捷聯(lián)慣性測量裝置。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置由X軸開環(huán)光纖陀螺、Y軸開環(huán)光纖陀螺和Z軸開環(huán)光纖陀螺、加速度計組件、數(shù)據(jù)處理模塊、信號采集模塊、底板和T型結(jié)構(gòu)體組成，T型結(jié)構(gòu)體通過螺栓與底板固聯(lián)組成了該慣性測量裝置的機(jī)械骨架。X軸開環(huán)光纖陀螺安裝在底板上，Y軸開環(huán)光纖陀螺和Z軸開環(huán)光纖陀螺安裝于T型結(jié)構(gòu)體的側(cè)面上，三個陀螺的敏感軸相互正交，構(gòu)成了該慣性測量裝置的測量坐標(biāo)系。加速度計組件固定在底板和T型結(jié)構(gòu)體的側(cè)面上，信號采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊都安裝于T型結(jié)構(gòu)體上。通過信號線與陀螺、加速度計的輸出端子相連。
所述的T型結(jié)構(gòu)體通過螺栓與底板固聯(lián)組成機(jī)械骨架采用鋁合金材料，其加工、裝配有嚴(yán)格公差配合滿足一體化設(shè)計要求，保證三個陀螺定位面互相垂直，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，減小了該慣性測量裝置的體積。底板和T型結(jié)構(gòu)體表面涂有絕緣層，在機(jī)械骨架螺釘巢內(nèi)嵌入由尼龍棒做成的襯套，隔離陀螺殼體和機(jī)械骨架，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，降低了采集信號的噪聲，提高系統(tǒng)精度。
所述的加速度計組件主要由X軸硅微加速度計、Y軸硅微加速度計、Z軸硅微加速度計組成，三個硅微加速度計及其外圍電路焊在電路板上，三個電路板由接插件連接成一體，通過導(dǎo)線輸出信號給信號采集模塊。
所述的信號采集模塊主要完成對溫度、X軸開環(huán)光纖陀螺、Y軸開環(huán)光纖陀螺和Z軸開環(huán)光纖陀螺和加速度計組件的輸出信號的采樣，采用差分、比例、偏置放大前置處理，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬濾波，得到高精度采集數(shù)據(jù)。該模塊共采集8路模擬信號，除了三路陀螺信號、三路加速度計信號，同時還采集加速度計芯片溫度及環(huán)境溫度以便系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
所述的數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制，以及對采集的陀螺和加速度計信號的數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償?shù)龋⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)輸出給導(dǎo)航計算機(jī)。
本發(fā)明所述的開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，采用小體積開環(huán)光纖陀螺和硅微加速度計作為慣性敏感元件，克服了機(jī)械陀螺慣性器件動態(tài)范圍較小、抗震性差的缺點(diǎn)，使慣性測量裝置具有動態(tài)范圍大、抗沖擊、低成本的性能；通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，采用T型結(jié)構(gòu)體和底板組成機(jī)械骨架，使慣性測量裝置減小了體積、降低了重量；采用陀螺殼體與機(jī)械骨架共地隔離結(jié)構(gòu)和絕緣設(shè)計，提高了慣性測量裝置的抗噪能力、精度和可靠性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)采用小體積開環(huán)光纖陀螺和硅微加速度計作為慣性敏感元件，既減小了慣性測量裝置的體積，又保證了測量精度；(2)通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，采用T型結(jié)構(gòu)體和底板組成機(jī)械骨架，有效利用了空間，進(jìn)一步減小了體積和質(zhì)量；(3)采用絕緣設(shè)計，消除了陀螺外殼與機(jī)械骨架共地的影響，提高了系統(tǒng)的精度和可靠性；(4)采用陀螺殼體與機(jī)械骨架共地隔離結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的抗噪能力；(5)采用Ti公司生產(chǎn)的C6000系列DSP芯片做處理器，具有高速、浮點(diǎn)、高性能特點(diǎn)，易得到高精度慣性器件數(shù)據(jù)。


圖1為本發(fā)明的一種光纖捷聯(lián)測量裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的整體組件爆破圖；圖3為本發(fā)明的機(jī)械骨架示意圖；圖4為本發(fā)明的陀螺殼體與機(jī)械骨架共地隔離結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的加速度計組件示意圖；圖6為本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的信號采集模塊電路原理圖；圖8(A)、圖8(B)、圖8(C)為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明為一種基于開環(huán)光纖陀螺和硅微加速度計的小體積捷聯(lián)慣性測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
參見圖2所示，本發(fā)明由底板1、T型結(jié)構(gòu)體2、X軸開環(huán)光纖陀螺31、Y軸開環(huán)光纖陀螺32、Z軸開環(huán)光纖陀螺33、加速度計組件4、數(shù)據(jù)處理模塊5和信號采集模塊6組成。T型結(jié)構(gòu)體用螺栓固聯(lián)在底板1上。X軸開環(huán)光纖陀螺31固定在底板1的上表面，Y軸開環(huán)光纖陀螺32和Z軸開環(huán)光纖陀螺33分別安裝在T型結(jié)構(gòu)體2兩個互相垂直的側(cè)表面。加速度計組件4由三個硅微加速度計和配套的模擬電路組成，安裝于底板1和T型結(jié)構(gòu)體2上。數(shù)據(jù)處理模塊5和信號采集模塊6都安裝于T型結(jié)構(gòu)體2上，通過導(dǎo)線與開環(huán)光纖陀螺、硅微加速度計的輸出端子相連。
如圖3所示，機(jī)械骨架主要由底板1和T型結(jié)構(gòu)體2組成，采用鋁合金材料，減輕了機(jī)械結(jié)構(gòu)重量，底板1和T型結(jié)構(gòu)體2的加工、裝配有嚴(yán)格公差配合滿足一體化設(shè)計要求，保證三個陀螺定位面的互相垂直。由于陀螺殼體共地，通電時會產(chǎn)生噪聲，并且降低系統(tǒng)可靠性，因此在機(jī)械骨架表面涂有絕緣層，在陀螺安裝螺釘巢內(nèi)加絕緣襯套。如圖4所示機(jī)械骨架內(nèi)嵌入由尼龍棒做成的V形襯套7，這樣就把陀螺殼體與機(jī)械骨架分開，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，降低了采集信號的噪聲，提高系統(tǒng)精度。
如圖5所示，加速度計組件主要由X軸硅微加速度計41、Y軸硅微加速度計42、Z軸硅微加速度計43組成，三個硅微加速度計焊在電路板上，三個電路板由接插件連接成一體，通過導(dǎo)線輸出信號給信號采集模塊6。
如圖6所示，本發(fā)明采集開環(huán)光纖陀螺、硅微加速度計和溫度信號后傳給DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再通過接口電路傳輸給其他設(shè)備。其中信號采集模塊6電路原理圖如圖7所示，由差分放大電路、濾波電路、ADS8345及其外圍電路組成，本發(fā)明的信號采集模塊6主要完成對溫度、三個開環(huán)光纖陀螺31、32、33和三個硅微加速度計41、42、43的輸出信號的采樣、模擬濾波、放大及模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能。為提高本慣性測量裝置的精度，開環(huán)光纖陀螺和硅微加速度計輸出設(shè)計了前置放大電路。為充分發(fā)揮陀螺的性能，將其信號輸出與模擬地進(jìn)行差分放大，然后再利用一級放大器將雙極性輸出轉(zhuǎn)化為0～+5V單極性輸出，以進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；本發(fā)明采用的硅微加速度計是差分輸出，經(jīng)過一級放大器轉(zhuǎn)換為單端雙極性輸出，同樣再經(jīng)過一級放大器轉(zhuǎn)換為0～+5V單極性輸出后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該模塊共采集8路模擬信號，除了三路陀螺信號、三路加速度計信號，同時還采集加速度計芯片溫度及環(huán)境溫度以便系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司的ADS8345。該芯片具有16位轉(zhuǎn)換精度；8通道單端輸入；高達(dá)100K的轉(zhuǎn)換速率；5V單電源供電；與DSP兼容的同步串行接口。它可以以較小的軟件開銷實(shí)現(xiàn)與TI的C6000DSP平臺的無縫接口，操作簡單。為提高A/D轉(zhuǎn)換精度，發(fā)揮DSP高速數(shù)字信號處理的優(yōu)勢，可以采用過采樣技術(shù)提高A/D轉(zhuǎn)換分辨率。
圖8(A)、圖8(B)、圖8(C)為數(shù)據(jù)處理模塊5電路原理圖，本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊5主要完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS8345的控制，以及對采集的陀螺和加速度計信號的數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償?shù)龋⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)通過通信模塊向?qū)Ш接嬎銠C(jī)輸出。本系統(tǒng)選用的是高速數(shù)字信號處理器-TMS320C6711，它是TI公司推出的一款高端的32位浮點(diǎn)型DSP芯片，主頻100MHz時，指令周期為10ns，最高處理速度可達(dá)900MFLOPS(百萬次浮點(diǎn)操作/秒)。6711的片內(nèi)存儲器資源相對較少，只8K字節(jié)的程序、數(shù)據(jù)緩存L1和64K字節(jié)的緩存L2，沒有用戶可使用的ROM。需要外擴(kuò)用于運(yùn)行程序的高速SRAM，以及存儲程序的FLASH。SRAM選用IDT公司的IDT71V416S10，讀寫速度為10ns，容量為256K×16bit，采用兩片并聯(lián)的方式；FLASH為慢速設(shè)備，速度已不是其主要指標(biāo)，其容量滿足要求即可，選用AMD公司的AM29LV800，容量為1M×8bit，速度為90ns。利用DSP的另一個多通道緩沖串口(McBSP)擴(kuò)展了串行數(shù)據(jù)FLASH，用于存儲一些重要參數(shù)。可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定期標(biāo)定后的補(bǔ)償系數(shù)的重新裝定。在數(shù)據(jù)處理模塊電路板上還有時鐘邏輯電路，它利用系統(tǒng)時鐘，設(shè)計了高精度分頻器得到4ms秒脈沖信號以及8ms定時信號。其中4ms秒脈沖信號經(jīng)光耦隔離后輸出，8ms定時信號引入DSP產(chǎn)生外部定時中斷。時鐘邏輯電路還實(shí)現(xiàn)邏輯譯碼及時序控制等功能；與外部的通訊采用異步串口通訊，通過擴(kuò)展異步通信芯片實(shí)現(xiàn)RS422高速串行通信。異步串口擴(kuò)展通常是由UART芯片和電平轉(zhuǎn)換芯片組成。本系統(tǒng)采用的是TI公司的TL16C550及MAXIM公司的帶有光耦隔離的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX1490，波特率為115200bps。
本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的
權(quán)利要求
1.一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于它由X軸開環(huán)光纖陀螺(31)、Y軸開環(huán)光纖陀螺(32)和Z軸開環(huán)光纖陀螺(33)、加速度計組件(4)、數(shù)據(jù)處理模塊(5)、信號采集模塊(6)、底板(1)和T型結(jié)構(gòu)體(2)組成，T型結(jié)構(gòu)體(2)通過螺栓與底板(1)固聯(lián)組成了該慣性測量裝置的機(jī)械骨架，X軸開環(huán)光纖陀螺(31)安裝在底板(1)上，Y軸開環(huán)光纖陀螺(32)和Z軸開環(huán)光纖陀螺(33)安裝于T型結(jié)構(gòu)體(2)的側(cè)面上，三個陀螺的敏感軸相互正交，構(gòu)成了該慣性測量裝置的測量坐標(biāo)系；加速度計組件(4)固定在底板(1)和T型結(jié)構(gòu)體(2)的側(cè)面上，信號采集模塊(6)和數(shù)據(jù)處理模塊(5)都安裝于T型結(jié)構(gòu)體(2)上，通過信號線與陀螺、加速度計的輸出端子相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的T型結(jié)構(gòu)體(2)和底板(1)固聯(lián)組成的機(jī)械骨架均采用鋁合金材料加工，底板(1)和T型結(jié)構(gòu)體(2)表面涂有絕緣層，在機(jī)械骨架螺釘巢內(nèi)嵌入由尼龍棒做成的襯套(7)，隔離陀螺殼體和機(jī)械骨架。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的加速度計組件(4)主要由X軸硅微加速度計(41)、Y軸硅微加速度計(42)、Z軸硅微加速度計(43)組成，三個硅微加速度計及其外圍電路焊在電路板上，三個電路板由接插件連接成一體，通過導(dǎo)線輸出信號給信號采集模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的信號采集模塊(6)主要完成對溫度、X軸開環(huán)光纖陀螺(31)、Y軸開環(huán)光纖陀螺(32)和Z軸開環(huán)光纖陀螺(33)和加速度計組件(4)的輸出信號的采樣，采用差分、比例、偏置放大前置處理，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換、模擬濾波，得到高精度采集數(shù)據(jù)。該模塊共采集8路模擬信號，除了三路陀螺信號、三路加速度計信號，同時還采集加速度計芯片溫度及環(huán)境溫度以便系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理模塊(5)主要完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制，以及對采集的陀螺和加速度計信號的數(shù)字濾波、誤差補(bǔ)償?shù)?，并將處理后的?shù)據(jù)輸出給導(dǎo)航計算機(jī)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理模塊(5)采用Ti公司生產(chǎn)的C6000系列DSP芯片做處理器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的X軸開環(huán)光纖陀螺(31)、Y軸開環(huán)光纖陀螺(32)和Z軸開環(huán)光纖陀螺(33)均采用小體積的開環(huán)光纖陀螺VG941-3AM。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，其特征在于所述的三個硅微加速度計采用Model1221。
全文摘要
一種小體積開環(huán)光纖陀螺捷聯(lián)慣性測量裝置，包括三個開環(huán)光纖陀螺、加速度計組件、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸接口和機(jī)械骨架。機(jī)械骨架由T型結(jié)構(gòu)體和底板組成，X軸開環(huán)光纖陀螺安裝在底板上，Y軸開環(huán)光纖陀螺和Z軸開環(huán)光纖陀螺安裝于T型結(jié)構(gòu)體上。加速度計組件安裝在機(jī)械骨架上，信號采集和數(shù)據(jù)處理模塊都安裝于T型結(jié)構(gòu)體上。該裝置采用三個小體積開環(huán)光纖陀螺和三個硅微加速度計作為慣性敏感元件，既減小了慣性測量裝置體積，又保證了測量精度；通過合理結(jié)構(gòu)設(shè)計，有效利用了空間，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。本發(fā)明具有體積小、重量輕、動態(tài)范圍大、抗沖擊和成本低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。
文檔編號G01C21/18GK1818556SQ20061001158
公開日2006年8月16日 申請日期2006年3月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月29日
發(fā)明者房建成, 徐帆, 盛蔚, 楊勝, 劉百奇, 張海鵬 申請人:北京航空航天大學(xué)