一種撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，包括依次相連的敲擊機(jī)構(gòu)、脈沖生成電路、脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路，其中，敲擊機(jī)構(gòu)包括可伸縮敲擊錘，可伸縮敲擊錘通過金屬觸點(diǎn)連接電位器，電位器與脈沖生成電路的常閉開關(guān)連接，通過對(duì)可伸縮敲擊錘施力控制常閉開關(guān)的閉合或斷開；脈沖生成電路用來根據(jù)常閉開關(guān)的閉合或斷開產(chǎn)生脈沖信號(hào)；脈沖調(diào)理電路用來根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的電氣參數(shù)將脈沖信號(hào)調(diào)理成特定波形信號(hào)，并通過脈沖輸出接口電路輸出到待同步傳感器。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，使用方便，可保障時(shí)間同步精度；通用性強(qiáng)，可用于INS或IMU等運(yùn)動(dòng)感知傳感器與其他種類傳感器的時(shí)間同步。
【專利說明】一種撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明專利涉及一種撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，用于INS (慣性導(dǎo)航系統(tǒng))與其他類型傳感器的時(shí)間同步。
【背景技術(shù)】
[0003]科學(xué)研究與工程應(yīng)用中通常需要利用各種各樣的傳感器獲取目標(biāo)信息。對(duì)于較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，通常需要利用不同類型傳感器采集不同種類信息或?qū)ν荒繕?biāo)量采用不同方法進(jìn)行冗余觀測(cè)。因此，對(duì)于不同類型傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的時(shí)間同步意義重大。INS作為位置、速度和姿態(tài)傳感器，在與其他種類型傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合解算之前，對(duì)各傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度的時(shí)間同步是必要前提。為此需要額外的硬件方式和軟件方式來實(shí)現(xiàn)各傳感器的時(shí)間同步，或者說為各傳感器賦予共同的時(shí)標(biāo)。但是IN和其他類型傳感器往往由于存在時(shí)間起點(diǎn)和基準(zhǔn)的不一致、數(shù)據(jù)輸出速率的不一致、以及電路延遲等因素，為INS和其他類型傳感器時(shí)間同步對(duì)準(zhǔn)造成困難。
[0004]以常見的INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)為例。GNSS具有定位精度高、誤差不隨時(shí)間積累等優(yōu)點(diǎn)，而且，用載波相位觀測(cè)值時(shí)，其定位精度可以達(dá)到厘米級(jí)。但是，GNSS也存在信號(hào)易受遮擋或干擾、數(shù)據(jù)更新率低、缺少姿態(tài)信息輸出等缺點(diǎn)。相比較而言，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，其擁有高數(shù)據(jù)更新率，并具備姿態(tài)信息輸出，但是由于陀螺誤差漂移的存在，即使高精度的INS也面臨誤差隨著導(dǎo)航時(shí)間延長(zhǎng)而不斷累積的問題。理論和實(shí)踐已經(jīng)證明，INS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)能顯著提高導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度和對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。
[0005]INS/GNSS組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)融合解算之前，對(duì)INS與GNSS各自的輸出數(shù)據(jù)必須進(jìn)行高精度的時(shí)間同步。但是二者往往由于存在時(shí)間起點(diǎn)和基準(zhǔn)的不一致、數(shù)據(jù)輸出速率的不一致以及電路延遲等因素，為INS/GNSS時(shí)間同步對(duì)準(zhǔn)造成困難。針對(duì)INS與GNSS時(shí)間同步的問題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了廣泛的研究，概括起來有硬件方法、軟件方法及軟硬件結(jié)合方法。其中，軟件方法為了實(shí)現(xiàn)高精度對(duì)準(zhǔn)，往往算法設(shè)計(jì)復(fù)雜，計(jì)算量大，而且精度有限。采用專門設(shè)計(jì)的INS/GNSS集成同步電路往往能得到較好的同步效果，但是，往往針對(duì)特定設(shè)備，通用性不強(qiáng)，不便于攜帶，對(duì)科研及應(yīng)用單位相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員的硬件設(shè)計(jì)與制造能力要求較高。針對(duì)各種組合導(dǎo)航設(shè)備設(shè)計(jì)制造專門的硬件同步模塊，需要耗費(fèi)大量人力，物力成本較高。尤其是，近些年，隨著價(jià)格低廉，精度較差的MEMS慣性導(dǎo)航元件應(yīng)用大量普及，針對(duì)性的設(shè)計(jì)高精度同步電路得不償失。目前急需一種簡(jiǎn)單便捷的INS/GNSS時(shí)間同步解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于攜帶、通用性強(qiáng)的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，該撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置適用于INS傳感器與其他類型傳感器的時(shí)間同步。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
一、撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于，包括:
依次相連的敲擊機(jī)構(gòu)、脈沖生成電路、脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路，其中，敲擊機(jī)構(gòu)包括可伸縮敲擊錘，可伸縮敲擊錘通過金屬觸點(diǎn)連接電位器，電位器與脈沖生成電路的常閉開關(guān)連接，通過對(duì)可伸縮敲擊錘施力控制常閉開關(guān)的閉合或斷開；脈沖生成電路用來根據(jù)常閉開關(guān)的閉合或斷開產(chǎn)生脈沖信號(hào)；脈沖調(diào)理電路用來根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的電氣參數(shù)將脈沖信號(hào)調(diào)理成特定波形信號(hào)，并通過脈沖輸出接口電路輸出到待同步傳感器。
[0008]上述敲擊機(jī)構(gòu)的一種具體形式為:
包括管筒，管筒內(nèi)設(shè)可伸縮錘頭和固定板，可伸縮敲擊錘包括錘頭、可伸縮件和連桿，連桿頭端固定錘頭，其尾端設(shè)有限位件；連桿穿過固定于管筒內(nèi)壁的固定板且可相對(duì)固定板移動(dòng)；可伸縮件套于連桿外，且可伸縮件兩端分別與錘頭和固定板連接；連桿尾端和固定板設(shè)有金屬觸點(diǎn)。
[0009]上述脈沖生成電路包括電源、常閉開關(guān)、以及與常閉開關(guān)串聯(lián)和/或并聯(lián)的用來產(chǎn)生脈沖的電氣兀件。
[0010]作為優(yōu)選方案，所述的脈沖生成電路還包括多個(gè)選擇開關(guān)，各選擇開關(guān)并聯(lián)后與常閉開關(guān)串聯(lián)。
[0011]上述脈沖調(diào)理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊、波形復(fù)制電路模塊、信號(hào)放大電路模塊、濾波器模塊、整形電路模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中的一種或多種。
[0012]二、上述撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置的時(shí)間同步方法，用于INS與其他類型傳感器的時(shí)間同步，通過可伸縮敲擊錘敲擊INS，INS輸出特征波形，常閉開關(guān)觸發(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，將INS輸出的特征波形與脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得INS內(nèi)部時(shí)標(biāo)與公共時(shí)標(biāo)的關(guān)系，從而完成INS與其他類型傳感器之間的時(shí)間同步。
[0013]本發(fā)明工作原理如下:
通過可伸縮敲擊錘敲擊INS,由于受到?jīng)_擊，INS輸出與敲擊瞬間時(shí)刻對(duì)應(yīng)的特征波形；常閉開關(guān)觸發(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖調(diào)理電路根據(jù)待同步的其他類型傳感器的特定電氣接口響應(yīng)參數(shù)對(duì)生成的脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，調(diào)理后的脈沖信號(hào)通過脈沖輸出接口電路接入待同步傳感器，并觸發(fā)待同步傳感器做出特定響應(yīng)。將脈沖信號(hào)與INS的特征波形進(jìn)行比對(duì)，即可獲得INS內(nèi)部時(shí)標(biāo)與公共時(shí)標(biāo)的關(guān)系，從而完成不同傳感器之間的時(shí)間同步。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有優(yōu)點(diǎn):
1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，使用方便，可保障時(shí)間同步精度。
[0015]2、通用性強(qiáng)，可用于INS或IMU等運(yùn)動(dòng)感知傳感器與其他種類傳感器(如GNSS接收機(jī)、LIDAR、高精度時(shí)鐘等)的時(shí)間同步。
[0016]3、采用本發(fā)明可對(duì)沒有內(nèi)部時(shí)鐘或者內(nèi)部時(shí)鐘不穩(wěn)定的INS采集的數(shù)據(jù)賦予時(shí)標(biāo),還可檢測(cè)INS數(shù)據(jù)輸出的穩(wěn)定性以及INS內(nèi)部時(shí)鐘的穩(wěn)定性?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1為本【具體實(shí)施方式】中敲擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本【具體實(shí)施方式】中脈沖生成電路框圖；
圖3為本【具體實(shí)施方式】中產(chǎn)生脈沖上升沿的脈沖生成電路等效圖；
圖4為圖3脈沖生成電路產(chǎn)生的脈沖上升沿時(shí)序圖；
圖5為本【具體實(shí)施方式】中產(chǎn)生脈沖下降沿的脈沖生成電路等效圖；
圖6為圖5脈沖生成電路產(chǎn)生的脈沖下降沿時(shí)序圖；
圖7為本發(fā)明總體原理框圖。
[0018]圖中，I—常閉開關(guān)，2—選擇開關(guān)，3—管筒,4—錘頭,5—彈簧,6—連桿,7—固定板，8—金屬觸點(diǎn)，9-限位件。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖及實(shí)施例進(jìn)一步說明對(duì)本發(fā)明。
[0020]本【具體實(shí)施方式】適用于INS與NovAtel DL_V3型及天寶R系列測(cè)量型GPS接收機(jī)的時(shí)間同步。
[0021]本具體實(shí)施中敲擊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)見圖1，包括管筒(3)以及設(shè)于管筒(3)內(nèi)的可伸縮敲擊錘和固定板(7)?？缮炜s敲擊錘包括錘頭(4)、彈簧(5)和連桿(6)，連桿(6)頭端固定錘頭(4)，尾端設(shè)有限位件(9);連桿(6)穿過固定于管筒(3)內(nèi)壁的固定板(7)上的孔且可相對(duì)固定板(7)移動(dòng)；彈簧(5)套于連桿(6)外，且彈簧(5)兩端分別與錘頭(4)和固定板(7)連接。連桿(6 )尾端和固定板(7 )設(shè)有金屬觸點(diǎn)(8 )，當(dāng)未對(duì)錘頭(4 )施力時(shí)，連桿(6 )尾端和固定板(7)上設(shè)金屬觸點(diǎn)(8)保持接觸；當(dāng)向錘頭(4)施加向下的作用力時(shí)，即圖2中向右的作用力，錘頭(4)敲打INS傳感器，彈簧(5)受壓，連桿(6)通過固定板(7)上的孔向右伸出，連桿(6 )尾端和固定板(7 )上金屬觸點(diǎn)(8 )分開。本具體實(shí)施中，金屬觸點(diǎn)為銅觸點(diǎn)。
[0022]本【具體實(shí)施方式】的脈沖生成電路框圖見圖3，包括第一選擇開關(guān)K2、第二選擇開關(guān)K3、常閉開關(guān)K1、第一電阻R1、第二電阻R2及電源，第一選擇開關(guān)K2與第二選擇開關(guān)K3并聯(lián)后與常閉開關(guān)Kl串聯(lián)，第一電阻Rl串聯(lián)于常閉開關(guān)Kl與電源之間。電源電壓5V，第一電阻Rl為阻值IK的數(shù)碼電阻，第二電阻R2為阻值IOK的數(shù)碼電阻。敲擊機(jī)構(gòu)中的金屬觸點(diǎn)(8)通過電位器連接脈沖生成電路中的常閉開關(guān)K1，當(dāng)連桿(6)尾端和固定板(7)上金屬觸點(diǎn)(8)接觸時(shí)，常閉開關(guān)Kl閉合，S卩，當(dāng)錘頭不敲擊INS傳感器時(shí)，常閉開關(guān)Kl閉合；當(dāng)連桿(6)尾端和固定板(7)上金屬觸點(diǎn)(8)分開時(shí)常閉開關(guān)Kl斷開，S卩，當(dāng)錘頭敲擊INS傳感器時(shí)，常閉開關(guān)Kl斷開。通過錘頭敲擊INS傳感器控制常閉開關(guān)Kl的閉合和斷開，從而產(chǎn)生脈沖信號(hào)。設(shè)置第一選擇開關(guān)K2和第二選擇開關(guān)K3，通過第一選擇開關(guān)K2和第二選擇開關(guān)K3控制脈沖生成電路生成脈沖上升沿或脈沖下降沿。
圖2電路框架圖狀態(tài)對(duì)應(yīng)的等效電路見圖3。未敲擊錘頭時(shí)，第二電阻R2被短路，第二電阻R2兩端輸出電壓為O ;敲擊錘頭后，第二電阻R2接入電路，兩端電壓為(10/11) X 5V=4.5V，即產(chǎn)生一個(gè)由低向高的脈沖上升沿，見圖4，脈沖上升沿通過脈沖輸出接口電路輸入到待同步傳感器的指定端口觸發(fā)響應(yīng)。
[0023]在圖2基礎(chǔ)上，撥動(dòng)第一選擇開關(guān)K2與第二選擇開關(guān)K3獲得如圖5所示的等效電路。未敲擊錘頭時(shí)，第二電阻R2分壓為4.5V;敲擊錘頭后，第二電阻R2兩端電壓為0，產(chǎn)生一個(gè)由高向低的脈沖下降沿，見圖6，脈沖下降沿通過脈沖輸出接口電路輸入到待同步傳感器的指定端口觸發(fā)響應(yīng)。
[0024]本發(fā)明可用于INS或IMU傳感器與各種不同類型傳感器的時(shí)間同步?？紤]到不同類型待同步傳感器觸發(fā)接口的電氣參數(shù)不同，針對(duì)各不同類型的待同步傳感器，需根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的具體電氣參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路。根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的具體電氣參數(shù)設(shè)計(jì)脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路，屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知常識(shí)，在此不做贅述。
[0025]脈沖調(diào)理電路用來根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的具體電氣參數(shù)將脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生的脈沖信號(hào)調(diào)理成特定波形的脈沖信號(hào)，具體根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的電氣參數(shù)進(jìn)行調(diào)理。脈沖調(diào)理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路子模塊、波形復(fù)制電路子模塊、信號(hào)放大電路子模塊、濾波器子模塊、整形電路子模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換子模塊，可根據(jù)待同步傳感器的接口特性選擇上述子模塊中的一種或多種對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。針對(duì)本【具體實(shí)施方式】而言，僅需要采用第一電阻Rl和第二電阻R2將脈沖電壓調(diào)節(jié)到適合GPS接收機(jī)的水平即可，無(wú)需其他子模塊。
[0026]本發(fā)明的工作原理見圖7，如下:
給錘頭(4)施加力，錘頭(4)敲擊INS傳感器使INS傳感器輸出沖擊波形,用于敲擊瞬間時(shí)刻脈沖的匹配；同時(shí)，常閉開關(guān)Kl斷開觸發(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生脈沖上升沿或者下降沿。脈沖調(diào)理電路根據(jù)待同步傳感器的特定電氣接口響應(yīng)參數(shù)對(duì)生成的脈沖信號(hào)進(jìn)行復(fù)制、放大、濾波、整形。調(diào)理后的脈沖信號(hào)通過脈沖輸出接口電路接入待同步傳感器，觸發(fā)待同步傳感器記錄脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的公共時(shí)標(biāo)或時(shí)間響應(yīng)，或者觸發(fā)待同步傳感器做出特定的事件響應(yīng)，例如，開始數(shù)據(jù)采集、關(guān)閉數(shù)據(jù)采集、加入時(shí)間標(biāo)簽等。將脈沖信號(hào)與INS傳感器的沖擊波形進(jìn)行比對(duì)，即可獲得INS傳感器內(nèi)部時(shí)標(biāo)與公共時(shí)標(biāo)的關(guān)系，從而完成不同傳感器之間的時(shí)間同步。根據(jù)獲得的INS傳感器內(nèi)部時(shí)間與公共時(shí)標(biāo)的關(guān)系，為所有INS傳感器數(shù)據(jù)賦予公共時(shí)標(biāo)。本發(fā)明可通過設(shè)置多個(gè)選擇開關(guān)與多個(gè)脈沖生成電路、脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路相連，從而實(shí)現(xiàn)INS同時(shí)與多個(gè)傳感器的時(shí)間同步。
[0027]本發(fā)明通過人為控制選擇開關(guān)，使脈沖生成電路生成脈沖上升沿或脈沖下降沿，針對(duì)不同類型與型號(hào)的待同步傳感器選擇對(duì)應(yīng)的脈沖類型，并根據(jù)待同步傳感器的接口參數(shù)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的脈沖調(diào)理電路與脈沖輸出接口電路。
【權(quán)利要求】
1.撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于，包括: 依次相連的敲擊機(jī)構(gòu)、脈沖生成電路、脈沖調(diào)理電路和脈沖輸出接口電路，其中，敲擊機(jī)構(gòu)包括可伸縮敲擊錘，可伸縮敲擊錘通過金屬觸點(diǎn)連接電位器，電位器與脈沖生成電路的常閉開關(guān)連接，通過對(duì)可伸縮敲擊錘施力控制常閉開關(guān)的閉合或斷開；脈沖生成電路用來根據(jù)常閉開關(guān)的閉合或斷開產(chǎn)生脈沖信號(hào)；脈沖調(diào)理電路用來根據(jù)待同步傳感器觸發(fā)接口的電氣參數(shù)將脈沖信號(hào)調(diào)理成特定波形信號(hào)，并通過脈沖輸出接口電路輸出到待同步傳感器。
2.如權(quán)利要求1所述的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于: 所述的敲擊機(jī)構(gòu)的具體為: 包括管筒，管筒內(nèi)設(shè)可伸縮錘頭和固定板，可伸縮敲擊錘包括錘頭、可伸縮件和連桿，連桿頭端固定錘頭，其尾端設(shè)有限位件；連桿穿過固定于管筒內(nèi)壁的固定板且可相對(duì)固定板移動(dòng)；可伸縮件套于連桿外，且可伸縮件兩端分別與錘頭和固定板連接；連桿尾端和固定板設(shè)有金屬觸點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求1所述的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于: 所述的脈沖生成電路脈沖生成電路包括電源、常閉開關(guān)以及與常閉開關(guān)串聯(lián)和/或并聯(lián)的用來產(chǎn)生脈沖的電氣元件。
4.如權(quán)利要求3所述的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于: 所述的脈沖生成電路還包括第多個(gè)選擇開關(guān)，各選擇開關(guān)并聯(lián)后與常閉開關(guān)串聯(lián)。
5.如權(quán)利要求1所述的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置，其特征在于: 所述的脈沖調(diào)理電路包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模塊、波形復(fù)制電路模塊、信號(hào)放大電路模塊、濾波器模塊、整形電路模塊和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中的一種或多種。
6.采用權(quán)利要求1所述的撞擊式脈沖觸發(fā)時(shí)間同步裝置的時(shí)間同步方法，用于INS與其他類型傳感器的時(shí)間同步，其特征在于: 通過可伸縮敲擊錘敲擊INS，INS輸出特征沖擊波形，同時(shí)常閉開關(guān)觸發(fā)脈沖生成電路產(chǎn)生脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)觸發(fā)待同步傳感器做出響應(yīng)；將INS輸出的特征波形與脈沖信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，即可獲得INS內(nèi)部時(shí)標(biāo)與公共時(shí)標(biāo)的關(guān)系，從而完成INS與其他類型傳感器之間的時(shí)間同步。
【文檔編號(hào)】G01C21/16GK103557865SQ201310559001
【公開日】2014年2月5日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】牛小驥, 張輝, 郭文飛, 翟冰, 羅國(guó)軍, 王青江 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)