本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)有的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)內(nèi)設(shè)陀螺儀和加速度計(jì)，依靠陀螺儀測量運(yùn)載機(jī)角速度實(shí)現(xiàn)方向測量，加速度計(jì)測量比力實(shí)現(xiàn)距離測量，可以在全天候條件下，自主地、隱蔽地進(jìn)行導(dǎo)航解算，這種同時(shí)具備自主性、隱蔽性和信息全面的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是衛(wèi)星導(dǎo)航、天文導(dǎo)航等導(dǎo)航系統(tǒng)無法比擬的，因此慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是許多運(yùn)載體不可缺少的導(dǎo)航設(shè)備。

陀螺儀是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心部件，傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常采用激光陀螺、光纖陀螺等高精度的陀螺儀，這類陀螺精度高，但是基于這類高精度陀螺儀的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)存在價(jià)格昂貴、體積大、功耗大等問題。在某些對(duì)體積、功耗以及成本有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，如單兵導(dǎo)航、小型艦艇等軍用領(lǐng)域以及行人導(dǎo)航、小型無人機(jī)、無人汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等民用領(lǐng)域，這類利用傳統(tǒng)陀螺儀構(gòu)成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已不再適用。

隨著慣性技術(shù)的迅速發(fā)展，微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的激光、光纖陀螺儀相比，微機(jī)械慣性器件(包括微機(jī)械陀螺儀和微機(jī)械加速度計(jì))具有成本低、體積小、重量輕、抗沖擊的優(yōu)點(diǎn)，因此研制微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要意義。另外，在慣性器件精度達(dá)到一定要求之后，采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)可以對(duì)慣性器件偏差進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)一步提高純慣性導(dǎo)航精度。

目前的旋轉(zhuǎn)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括安裝工裝、微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺的慣性測量單元(imu)，由測角元件和電機(jī)(一般采用徑向永磁電機(jī)，如普通的直流力矩電機(jī)、無刷直流電機(jī)(bldc)等)構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊等；其中，imu的安裝工裝一般采用立方體結(jié)構(gòu)，微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺均布在該立方體的側(cè)面上；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部分與非旋轉(zhuǎn)部分(也即固定部分)的電氣連接一般采用導(dǎo)電滑環(huán)連接或者導(dǎo)線直接連接，導(dǎo)電滑環(huán)連接增大了系統(tǒng)的體積，增加了系統(tǒng)的成本與功耗，而且導(dǎo)電滑環(huán)存在磨損，降低了系統(tǒng)的可靠性與使用壽命；而直接采用導(dǎo)線連接的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)則需要設(shè)計(jì)機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，增加了系統(tǒng)體積及成本。

目前也有部分研究報(bào)告與本發(fā)明有關(guān)，例如：1、mems器件捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(4)；2、專利申請(qǐng)?zhí)枮?01210102592.9，名稱為“一種單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制微機(jī)械慣導(dǎo)方法”

但是現(xiàn)有基于微機(jī)械慣性器件的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，沒有實(shí)現(xiàn)一體化集成設(shè)計(jì)，體積大、重量重、功耗大，不利于實(shí)現(xiàn)便攜，適用性較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的旨在至少解決上述的技術(shù)缺陷之一，提出一種捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。本發(fā)明通過采用軸向永磁電機(jī)、無線供電、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆桨?，減小系統(tǒng)硬件體積。通過單軸旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的慣性器件零偏分量進(jìn)行調(diào)制，提高慣性導(dǎo)航精度。

本發(fā)明提出的一種捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，包括由上、下圓殼閉合形成收容空間的外殼，位于所述外殼表面的外部接口，以及位于所述外殼收容空間內(nèi)的慣性測量單元(imu)、轉(zhuǎn)動(dòng)控制部件、無線供電和無線數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊；imu包括安裝工裝、三個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)和三個(gè)微機(jī)械陀螺；其中，

所述imu的安裝工裝呈六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)，三個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)、三個(gè)微機(jī)械陀螺間隔安裝在該六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)側(cè)面；

所述無線供電和無線數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊，用于給所述微機(jī)械陀螺和所述微機(jī)械加速度計(jì)供電，并對(duì)微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制部件，用于控制imu的旋轉(zhuǎn)；

所述外部接口，用于將處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，并為電源引入提供接口。

所述六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)的上、下面均為正六邊形，側(cè)面均為等腰梯形且相隔側(cè)面的法線相互垂直；所述微機(jī)械陀螺和微機(jī)械加速度計(jì)間隔安裝在該六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)的側(cè)面。

所述無線供電和無線數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊包括均設(shè)有無線供電模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的上、下電路板，上、下電路板還分別設(shè)有數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊；上、下電路板之間為無線供電；其中，所述下電路板與所述微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺為電氣連接，該下電路板將采集的微機(jī)械加速度計(jì)、微機(jī)械陀螺數(shù)據(jù)通過所述無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)剿錾想娐钒?，由該上電路板進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制部件包括軸向永磁電機(jī)、測角元件和轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊；其中，所述軸向永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子與所述imu的安裝工裝固定，軸向永磁電機(jī)的定子與所述下圓殼固定且與所述上電路板為有電連接；所述測角元件的轉(zhuǎn)子與imu的安裝工裝固定，測角元件的定子與所述下圓殼固定；所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊集成在所述上電路板上。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)本發(fā)明提出的捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了無線供電、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)方案。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，省去了導(dǎo)電滑環(huán)與機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，大大減小了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積及成本。

(2)本發(fā)明采用軸向永磁電機(jī)帶動(dòng)imu旋轉(zhuǎn)，imu同電機(jī)轉(zhuǎn)子直接固連，實(shí)現(xiàn)單軸旋轉(zhuǎn)。采用軸向永磁電機(jī)直驅(qū)方式具有反應(yīng)快、靈敏度高、隨動(dòng)性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)軸向永磁電機(jī)的使用極大的降低了系統(tǒng)的高度，減小了系統(tǒng)體積。

(3)本發(fā)明將imu安裝工裝設(shè)計(jì)成特殊的六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)，微機(jī)械加速度計(jì)和微機(jī)械陀螺交替安裝在六面臺(tái)體的側(cè)面，其中安裝微機(jī)械陀螺的三個(gè)側(cè)面法線相互垂直，安裝微機(jī)械加速度計(jì)的三個(gè)側(cè)面垂線相互垂直。一方面這種六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)降低了imu高度，有利于縮小系統(tǒng)體積；另一方面微機(jī)械陀螺或微機(jī)械加速度計(jì)的安裝面法線相互垂直，可以保證慣性器件輸出數(shù)據(jù)之間最簡單的解算關(guān)系。

(4)本發(fā)明采用單軸旋轉(zhuǎn)方案，可以調(diào)制垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的慣性器件零偏分量，可以提高慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航精度。

(5)本發(fā)明采用一體化集成設(shè)計(jì)，縮小系統(tǒng)體積，重量輕、功耗低，利于便攜，可以在小型無人機(jī)、小型艦艇、行人導(dǎo)航等領(lǐng)域應(yīng)用。

附圖說明

本發(fā)明最好參考下文中的描述和附圖來理解，該說明和附圖用于舉例說明本發(fā)明的實(shí)施例而非限制。

圖1是本發(fā)明的爆炸圖；

圖2是本發(fā)明在上下圓殼閉合后的剖視圖；

圖3(a)是本發(fā)明的六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)imu的俯視圖，圖3(b)為imu中各坐標(biāo)軸系示意圖；

圖4是imu采用單軸正反轉(zhuǎn)方案的示意圖；

圖5是本發(fā)明的硬件設(shè)計(jì)原理框圖；

圖6是未采用單軸旋轉(zhuǎn)方案的姿態(tài)角誤差傳播圖；

圖7是本發(fā)明采用單軸往復(fù)連續(xù)旋轉(zhuǎn)方案的姿態(tài)角誤差傳播圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，參照附圖。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供的一種捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)10的爆炸圖如圖1所示，組裝后的剖面圖如圖2所示，該導(dǎo)航系統(tǒng)10包括：

外殼，包括上圓殼101、下圓殼102、定位安裝螺釘103及外部接口111，所述上圓殼101和下圓殼102通過定位安裝螺釘103固定后閉合形成一收容空間。

無線供電和無線數(shù)據(jù)傳輸及處理模塊，包括上電路板104及下電路板105，在兩塊電路板104和105上均設(shè)有無線供電模塊和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，上電路板104和下電路板105之間為無線供電，上電路板104還包括數(shù)據(jù)處理模塊，下電路板105還包括數(shù)據(jù)采集模塊，下電路板105與六面臺(tái)體上的微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108為電氣連接，用于給微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108供電，以及采集所述微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108的數(shù)據(jù)并通過該下電路板105上的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)缴想娐钒?04進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。優(yōu)選地，本實(shí)施例的無線供電模塊可采用idt公司的芯片idtp9035a；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊可采用idt公司的芯片idtp9020；數(shù)據(jù)采集模塊可以由單片fpga芯片作為數(shù)據(jù)采集的核心處理器，型號(hào)可采用altera公司的ep2c35f484c6n；數(shù)據(jù)處理模塊可以采用ti公司的dsp芯片，型號(hào)為tms320c6747。以上芯片僅作為備選，本發(fā)明也可采用具有同樣功能的其他芯片。

慣性測量單元(imu)，該imu的安裝工裝呈六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)，如圖1所示的六面臺(tái)體106，用于安裝微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108；所述微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108均通過各自電路板上的三個(gè)安裝孔定位在六面臺(tái)體106上，所述六面臺(tái)體106上下面均為正六邊形，側(cè)面均為等腰梯形且相隔側(cè)面的法線相互垂直，如圖3(a)及3(b)所示。所述微機(jī)械加速度計(jì)107和微機(jī)械陀螺108間隔安裝在六面臺(tái)體106的側(cè)面，如圖3(a)所示。三個(gè)微機(jī)械陀螺的敏感軸相互正交，三個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)的敏感軸相互正交，如圖3(b)所示，x0,y0,z0是三個(gè)微機(jī)械陀螺或三個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)敏感軸的方向矢量，相互正交。優(yōu)選地，本實(shí)施例的微機(jī)械陀螺為清華大學(xué)導(dǎo)航中心研發(fā)的硅微機(jī)械陀螺儀，微機(jī)械加速度計(jì)為colibrys公司的ms8002型微機(jī)械加速度計(jì)。

轉(zhuǎn)動(dòng)控制部件，包括：軸向永磁電機(jī)109、測角元件110及集成在上電路板104上的轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊。所述軸向永磁電機(jī)109由電機(jī)轉(zhuǎn)子和電機(jī)定子組成，電機(jī)轉(zhuǎn)子與imu安裝工裝106固定，電機(jī)定子與下圓殼102固定、且與上電路板104為電連接。測角元件110的轉(zhuǎn)子與imu安裝工裝106固定，用于測量imu轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小，測角元件110的定子與下圓殼102固連。該測角元件為一角度傳感器，優(yōu)選清華大學(xué)導(dǎo)航中心研制的電容式旋變角位移傳感器，比常用的圓光柵等角度傳感器體積小，能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的精確測量。所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊集成在上電路板104，用于接收測角元件110的測角信息，并控制軸向永磁電機(jī)109的轉(zhuǎn)動(dòng)；軸向永磁電機(jī)在不同的應(yīng)用背景和需求下，受所述轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊的控制實(shí)現(xiàn)不同的單軸旋轉(zhuǎn)模式，包括單軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)、單軸正反轉(zhuǎn)、多位置轉(zhuǎn)停方案等；圖4所示，為采用單軸正反轉(zhuǎn)的示意圖，在轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊的控制下，軸向永磁電機(jī)帶動(dòng)imu的安裝工裝106繞旋轉(zhuǎn)軸r正向旋轉(zhuǎn)一圈(即箭頭1所指方向)、反向旋轉(zhuǎn)一圈(即箭頭2所指方向)間隔旋轉(zhuǎn)。

外部接口111，用于將所述捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)10的處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備，并為所述捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)10的電源引入提供接口。具體地，所述上電路板104通過外部接口111直接與外部設(shè)備電氣連接。

本發(fā)明的總體硬件設(shè)計(jì)原理框圖如圖5所示，工作過程如下：該導(dǎo)航系統(tǒng)10上電之后，軸向永磁電機(jī)109按照轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊的指令帶動(dòng)imu旋轉(zhuǎn)，同時(shí)測角元件110測量電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，并反饋給轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊。無線供電模塊給imu的微機(jī)械陀螺108、微機(jī)械加速度計(jì)107供電及電路板105供電，電路板105的數(shù)據(jù)采集模塊采集微機(jī)械陀螺108、微機(jī)械加速度計(jì)107的數(shù)據(jù)后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳給電路板104進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；處理后的數(shù)據(jù)及轉(zhuǎn)動(dòng)控制模塊的數(shù)據(jù)通過外部接口傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。

本發(fā)明提出的捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，采用了無線供電、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)方案，相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，省去了導(dǎo)電滑環(huán)與機(jī)械限位機(jī)構(gòu)，大大減小了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的體積及成本。

軸向永磁電機(jī)具有反應(yīng)快、靈敏度高、隨動(dòng)性好及結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，imu與電機(jī)轉(zhuǎn)子固定，可以實(shí)現(xiàn)單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制。

本發(fā)明的imu雖然采用六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)，但是x，y，z軸的定義并不受到影響，如圖3(b)所示，為了解算便利，將旋轉(zhuǎn)軸方向作為z軸(即方向與旋轉(zhuǎn)軸r的方向相同)，在與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面內(nèi)(可以為六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)的imu底面)定義x，y軸，坐標(biāo)軸的選取符合右手定則。圖3(b)中，x0,y0,z0是三個(gè)微機(jī)械陀螺或三個(gè)微機(jī)械加速度計(jì)敏感軸的方向矢量，微機(jī)械陀螺或微機(jī)械加速度計(jì)敏感軸與底面的夾角是θ，根據(jù)幾何關(guān)系可以得到則六面臺(tái)體106的側(cè)面與底面的夾角為54.74°。

本發(fā)明六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)的imu的標(biāo)定過程與傳統(tǒng)的立方體結(jié)構(gòu)imu的標(biāo)定過程相同，即將imu進(jìn)行整體標(biāo)定，但六面臺(tái)體結(jié)構(gòu)的imu高度低，可以進(jìn)一步減小捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)體積。

本發(fā)明采用單軸旋轉(zhuǎn)方案，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸方向的慣性器件零偏分量的調(diào)制，提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度。試驗(yàn)仿真條件：假設(shè)載體靜止，載體坐標(biāo)系與東北天地理坐標(biāo)系重合，載體所在地理位置為北緯40°，東經(jīng)120°，三個(gè)微機(jī)械陀螺在x，y，z軸的等效零偏為0.5°/h，單軸正反轉(zhuǎn)的角速度為6°/s，分析在未采用旋轉(zhuǎn)與采用單軸正反轉(zhuǎn)方案下，捷聯(lián)式微機(jī)械慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)角誤差的變化情況。

從圖6、圖7的對(duì)比中可以看出，采用單軸旋轉(zhuǎn)調(diào)制使得載體的俯仰角誤差和橫滾角誤差峰峰值減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，可見系統(tǒng)采用單軸旋轉(zhuǎn)方案可以提高導(dǎo)航精度。

本發(fā)明采用一體化集成設(shè)計(jì)，體積小，重量輕，利于便攜，并且采用單軸旋轉(zhuǎn)方案提高系統(tǒng)導(dǎo)航精度，可以應(yīng)用于小型無人機(jī)、小型艦艇、行人導(dǎo)航等領(lǐng)域。

本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。