專利名稱：捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及陀螺羅盤(尋北儀)，特別是一種在360。圓周內(nèi)多位置 轉(zhuǎn)停的高精度陀螺羅盤。
背景技術(shù)：
在軍事應(yīng)用領(lǐng)域(如導(dǎo)彈系統(tǒng)發(fā)射，炮兵陣地測(cè)量，為戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略導(dǎo)彈 機(jī)動(dòng)發(fā)射初始定向等)和工程測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域中(如礦山開巷道、鐵路修隧 道、森林、城市交通建設(shè)等)，都存在著自主定向問題，陀螺尋北儀作為 快速獲取精確方位信息的一種技術(shù)手段，對(duì)精確導(dǎo)航，提高工程測(cè)量的效
率和精度是至關(guān)重要的。這一問題的關(guān)鍵有三個(gè) 一是自主方式尋北(最
佳方式是不依賴外界，是信息的獨(dú)立保守系統(tǒng))；二是定向時(shí)間快(機(jī)動(dòng) 發(fā)射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)要求定向作業(yè)時(shí)間小于5分鐘)；三是定向精度高(機(jī) 動(dòng)發(fā)射導(dǎo)彈武器系統(tǒng)定向精度要求10 20〃)。但目前國內(nèi)自主定向研究開 發(fā)的現(xiàn)狀與當(dāng)前機(jī)動(dòng)發(fā)射導(dǎo)彈武器的要求極其不相稱，有的已成為型號(hào)發(fā) 展的"瓶頸"。
通常設(shè)計(jì)的尋北儀采用兩位置、三位置、四位置、連續(xù)旋轉(zhuǎn)等多種方 案，但這些尋北方案沒有從機(jī)理上分析出陀螺精度、轉(zhuǎn)位數(shù)與尋北精度間的關(guān)系，測(cè)量精度相對(duì)比較低，對(duì)于現(xiàn)代的快速高精度自主定向尚存在一 定困難。

實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服已有尋北方案的缺點(diǎn)，采用多位置測(cè)量和 最小二乘估計(jì)實(shí)現(xiàn)高精度的自主尋北。本實(shí)用新型的技術(shù)方案具有獨(dú)創(chuàng) 性。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是.-
一種捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤，包括專用支架、精調(diào)平和粗調(diào)平機(jī)構(gòu)、 陀螺羅盤，是通過測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速率分量實(shí)現(xiàn)尋北的尋北系統(tǒng)，用于為
其它設(shè)備提供北向參考；其中，
專用支架下端設(shè)有粗調(diào)平機(jī)構(gòu)，上端設(shè)有精調(diào)平機(jī)構(gòu)，精調(diào)平機(jī)構(gòu)上 方與陀螺羅盤相連；
精調(diào)平機(jī)構(gòu)的帶有機(jī)械和電限位的精密轉(zhuǎn)臺(tái)上平面，固接陀螺羅盤的 精密軸系，精密軸系上端固接慣性測(cè)量組件的陀螺組件，陀螺組件在精密 軸系支承下旋轉(zhuǎn)，伺服控制電路驅(qū)動(dòng)精密軸系在360。圓周內(nèi)的多個(gè)位置轉(zhuǎn) 動(dòng)和定位；
數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集電路及尋北算法； 各部件按常規(guī)連接固定。
所述的陀螺羅盤，其所述精密軸系，包括精密軸承、力矩電機(jī)和軸角 編碼器，各部件按常規(guī)連接固定；力矩電機(jī)、軸角編碼器分別與伺服控制電路電連接，伺服控制電路控制力矩電機(jī)和軸角編碼器，實(shí)現(xiàn)軸系的快速 轉(zhuǎn)位和角位置精密測(cè)量。
所述的陀螺羅盤，其所述慣性測(cè)量組件包括陀螺組件、水準(zhǔn)儀、光學(xué) 基準(zhǔn)、外罩組件，各部件按常規(guī)連接固定；其中，
陀螺組件包括動(dòng)調(diào)陀螺、陀螺座和溫控罩，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)鎖定時(shí)，陀螺組 件用于敏感地球的自轉(zhuǎn)角速率分量；
水準(zhǔn)儀包括相互正交的第一水準(zhǔn)儀和第二水準(zhǔn)儀，用于調(diào)整陀螺組 件工作平面的水平；
光學(xué)基準(zhǔn)包括棱鏡座和直角棱鏡，用于實(shí)現(xiàn)將解算出的大地方位通 過經(jīng)緯儀向被標(biāo)定設(shè)備傳遞；
外罩組件包括外罩和顯示面板，顯示面板和控制鍵設(shè)于外罩上，顯 示面板用于溫控信息和方位信息的輸出、顯示。
所述的陀螺羅盤，其所述數(shù)據(jù)采集電路當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)鎖定時(shí)，用于采集陀 螺數(shù)據(jù)，對(duì)尋北算法的實(shí)現(xiàn)提供硬件電路保證；
尋北算法轉(zhuǎn)臺(tái)在圓周內(nèi)多個(gè)位置進(jìn)行鎖定，數(shù)據(jù)采集電路采集轉(zhuǎn)臺(tái) 鎖定時(shí)陀螺數(shù)據(jù)；尋北算法將這些多位置數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，估計(jì)出 地球自轉(zhuǎn)角速度北向分量在測(cè)量坐標(biāo)系上的投影，從而解算出北向角度。 所述的陀螺羅盤，其所述多個(gè)位置，至少五個(gè)位置。 所述的陀螺羅盤，其所述精調(diào)平機(jī)構(gòu)，調(diào)平精度^10"。
本實(shí)用新型從提高尋北精度與易于工程實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，創(chuàng)造性的提 出了基于多位置測(cè)量和最小二乘估計(jì)的高精度、多位置、自主尋北系統(tǒng)方案，可以大幅提高尋北精度，滿足工程測(cè)量及軍事應(yīng)用等多種領(lǐng)域的需要。 本實(shí)用新型的優(yōu)越性
1、 采用多位置測(cè)量和最小二乘擬合技術(shù)，有效提高了陀螺羅盤的尋北 精度；
2、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，配合精度高，實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)、自主尋北工作；
3、 結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，便于攜帶。


圖l是尋北矢量圖2是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤系統(tǒng)工作過程示意圖3是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤尋北儀外形結(jié)構(gòu)圖； 圖4是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤結(jié)構(gòu)圖； 圖5 (a)、圖5 (b)、圖5 (c)是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤 慣測(cè)組件主視圖、右視圖、俯視圖6是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤軸系結(jié)構(gòu)圖7是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤精調(diào)平機(jī)構(gòu)外形結(jié)構(gòu)圖8是本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤專用支架外形結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的如圖1所示，通過陀螺敏感軸/測(cè)量地球
自轉(zhuǎn)角速率北向分量 在測(cè)量坐標(biāo)系a和6上的投影實(shí)現(xiàn)尋北的一種尋北 系統(tǒng)。系統(tǒng)工作流程是這樣實(shí)現(xiàn)的如圖2所示，設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)初始位置時(shí)棱鏡法 線I (測(cè)量坐標(biāo)系")與真北夾角為^，數(shù)據(jù)采集電路通過數(shù)字串口與伺服 控制電路進(jìn)行握手通訊，伺服控制電路向數(shù)據(jù)采集電路報(bào)告當(dāng)前測(cè)角裝置 測(cè)得的當(dāng)前角位置信息后，數(shù)據(jù)采集電路采集當(dāng)前位置的陀螺數(shù)據(jù)，完成 第一位置采樣；伺服控制電路控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)到第二位置并向數(shù)據(jù)采集電路 報(bào)告第二位置角位置信息，數(shù)據(jù)采集電路采集第二位置數(shù)據(jù)，完成第二位 置采樣；如此重復(fù)，在完成一周轉(zhuǎn)位之后，數(shù)據(jù)采集電路用最小二乘法對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，估計(jì)出棱鏡法線I與真北夾角為^;最后通過數(shù)字接 口向外發(fā)送尋北結(jié)果。
轉(zhuǎn)臺(tái)360。圓周內(nèi)按一定角度間隔旋轉(zhuǎn)時(shí)，在一周"個(gè)轉(zhuǎn)角位置
<formula>formula see original document page 8</formula>, 陀螺輸出的數(shù)學(xué)模型為
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式中，y,為陀螺輸出(已轉(zhuǎn)換為角速度)； / 為陀螺常值漂移； w,為陀螺測(cè)量噪聲；
^^cos甲," sin甲，其中 為地球自轉(zhuǎn)角速率的北向分量； <formula>formula see original document page 8</formula>』；
通過最小二乘處理對(duì)陀螺數(shù)學(xué)模型的系數(shù)進(jìn)行估計(jì)。令
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組成線性方程y = AY +W 其最小二乘解為<formula>formula see original document page 8</formula>
當(dāng){w,}為零均值白噪聲時(shí)，》,5,6—均為無偏估計(jì)。在求得5和6—后，即可計(jì)算方位角的估計(jì)值^,g-'4 (1)本實(shí)用新型動(dòng)調(diào)陀螺快速尋北儀，包括陀螺羅盤1和專用支架2兩大 部分，總體外形結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中精調(diào)平機(jī)構(gòu)3與陀螺羅盤1固定安 裝為一體，保證陀螺羅盤1在車載或其它工況下進(jìn)行調(diào)平，粗調(diào)平機(jī)構(gòu)4 與專用支架2固定安裝為一體，滿足專用支架2的調(diào)平要求。陀螺羅盤l主要包括慣測(cè)組件5、軸系6、電控箱7、電纜8，其外 形結(jié)構(gòu)如圖4所示，慣測(cè)組件5完成數(shù)據(jù)采集，軸系6為慣測(cè)組件5提供 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，電控箱7內(nèi)部安裝電路板及電源模塊等，電纜8實(shí)現(xiàn)慣測(cè)組件 5與電控箱7的連接。慣測(cè)組件5主要由動(dòng)調(diào)陀螺9、水準(zhǔn)儀10、棱鏡11、面板12、外罩 13等組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖5所示。動(dòng)調(diào)陀螺9安裝在陀螺座14上，其 上用溫控罩15將其密封，陀螺座14與連接座16固定，實(shí)現(xiàn)與軸系主軸 之間的連接。水準(zhǔn)儀10和棱鏡11安裝在過渡板17上，過渡板17與軸系 殼體固連，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定，達(dá)到水準(zhǔn)儀10免標(biāo)校和棱鏡11提供系 統(tǒng)標(biāo)定基準(zhǔn)的目的。外罩13主要提供顯示面板窗口、基準(zhǔn)棱鏡窗口。軸系6主要由主軸18、軸承19、力矩電機(jī)20、編碼器21、殼體22 等組成，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。力矩電機(jī)20及編碼器21依次裝在主軸18 上，電機(jī)座固定在箱體內(nèi)部，這種安裝方案可以節(jié)省空間，使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 更為平穩(wěn)。軸承19選用成對(duì)使用的滾子軸承，其優(yōu)點(diǎn)是軸承制造是己消 除了游隙，給裝調(diào)工作帶來了方便。精調(diào)平機(jī)構(gòu)3包括平板23、卡簧24、微調(diào)旋鈕25，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，調(diào)節(jié)微調(diào)旋鈕25將陀螺羅盤1調(diào)平至10〃的精度。專用支架2上設(shè)計(jì)有指示粗調(diào)平的圓水泡26 (IO')，用三個(gè)粗調(diào)平 機(jī)構(gòu)4對(duì)支架上表面調(diào)平，粗調(diào)平機(jī)構(gòu)4結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠，操作簡(jiǎn)易，通過 兩個(gè)圓柱銷27將陀螺羅盤1定位在支架上，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。
權(quán)利要求1.一種捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤，包括專用支架、精調(diào)平和粗調(diào)平機(jī)構(gòu)、陀螺羅盤，是通過測(cè)量地球自轉(zhuǎn)角速率分量實(shí)現(xiàn)尋北的尋北系統(tǒng)，用于提供北向參考；其特征在于，專用支架下端設(shè)有粗調(diào)平機(jī)構(gòu)，上端設(shè)有精調(diào)平機(jī)構(gòu)，精調(diào)平機(jī)構(gòu)上方與陀螺羅盤相連；精調(diào)平機(jī)構(gòu)的帶有機(jī)械和電限位的精密轉(zhuǎn)臺(tái)上平面，固接陀螺羅盤的精密軸系，精密軸系上端固接慣性測(cè)量組件的陀螺組件，陀螺組件在精密軸系支承下旋轉(zhuǎn)，伺服控制電路驅(qū)動(dòng)精密軸系在360°圓周內(nèi)的多個(gè)位置轉(zhuǎn)動(dòng)和定位；數(shù)據(jù)解算系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集電路及尋北算法；各部件按常規(guī)連接固定。
2. 如專利要求1所述的陀螺羅盤，其特征在于，所述精密軸系，包 括精密軸承、力矩電機(jī)和軸角編碼器，各部件按常規(guī)連接固定；力矩電機(jī)、 軸角編碼器分別與伺服控制電路電連接，伺服控制電路控制力矩電機(jī)和軸 角編碼器，實(shí)現(xiàn)軸系的快速轉(zhuǎn)位和角位置精密測(cè)量。
3. 如專利要求1所述的陀螺羅盤，其特征在于，所述慣性測(cè)量組件包 括陀螺組件、水準(zhǔn)儀、光學(xué)基準(zhǔn)、外罩組件，各部件按常規(guī)連接固定；其 中陀螺組件包括動(dòng)調(diào)陀螺、陀螺座和溫控罩，當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)鎖定時(shí)，陀螺組 件用于敏感地球的自轉(zhuǎn)角速率分量；水準(zhǔn)儀包括相互正交的第一水準(zhǔn)儀和第二水準(zhǔn)儀，用于調(diào)整陀螺組 件工作平面的水平；光學(xué)基準(zhǔn)包括棱鏡座和直角棱鏡，用于實(shí)現(xiàn)將解算出的大地方位通 過經(jīng)緯儀向被標(biāo)定設(shè)備傳遞；外罩組件包括外罩和顯示面板，顯示面板和控制鍵設(shè)于外罩上，顯 示面板用于溫控信息和方位信息的輸出、顯示。
4. 如專利要求1所述的陀螺羅盤，其特征在于，所述多個(gè)位置，至少 五個(gè)位置。
5. 如專利要求1所述的陀螺羅盤，其特征在于，所述精調(diào)平機(jī)構(gòu)，調(diào)平精度≤10"。
專利摘要本實(shí)用新型是一種捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤，陀螺安裝在陀螺座上，陀螺座安裝在精密轉(zhuǎn)臺(tái)的主軸上，陀螺敏感軸與轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)軸垂直，精密轉(zhuǎn)臺(tái)由同軸安裝的力矩電機(jī)、測(cè)角機(jī)構(gòu)、軸承及其控制電路等組成。在轉(zhuǎn)臺(tái)伺服電路的控制下，精密轉(zhuǎn)臺(tái)在360°圓周內(nèi)的多個(gè)位置準(zhǔn)確定位，在不同位置上通過采集陀螺輸出進(jìn)行周期調(diào)制與最小二乘估計(jì)，實(shí)現(xiàn)高精度尋北。本實(shí)用新型捷聯(lián)式多位置陀螺羅盤用于各種應(yīng)用條件下的自主尋北，并將尋北結(jié)果通過數(shù)字接口、光學(xué)基準(zhǔn)傳遞給光電瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)方位信息的傳遞，在陀螺精度一定的情況下，將尋北精度提高了數(shù)倍。
文檔編號(hào)G01C19/38GK201159646SQ20072019074
公開日2008年12月3日 申請(qǐng)日期2007年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月12日
發(fā)明者偉 劉, 彬 劉, 林蔚然, 郭喜慶, 齊艷莉 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電研究院