專利名稱：三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法及雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是激光陀螺偏頻技術(shù)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
激光陀螺現(xiàn)有多種偏頻技術(shù)用于解決激光陀螺閉鎖效應(yīng)的影響，機(jī)械抖動(dòng)偏頻技 術(shù)應(yīng)用最廣，而速率偏頻技術(shù)達(dá)到的精度最高。但是這兩種偏頻技術(shù)均不能徹底消除“閉 鎖”效應(yīng)的影響，過鎖區(qū)誤差仍然是主要誤差源。只有專利公開號(hào)為CN 101738182A的發(fā) 明專利“雙向恒速偏頻激光陀螺尋北方法及雙向恒速偏頻激光陀螺尋北儀”中使用的雙向 恒速偏頻技術(shù)才能徹底消除“閉鎖”效應(yīng)的影響。但它不能連續(xù)不間斷的工作，不能用于要 連續(xù)工作的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在三軸整體或組合激光陀螺中采用“雙向恒速偏頻技術(shù)”，達(dá)到完全 消除激光陀螺“閉鎖效應(yīng)”造成的誤差，又能連續(xù)不間斷地工作。從而可以制造出超高精度 的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)。本發(fā)明需要克服的技術(shù)難題主要包括1、恒速偏頻方法能將激光陀螺的工作區(qū)域 從激光陀螺的閉鎖區(qū)域移開，但是恒速偏頻角速度必須從激光陀螺的輸出中非常精確地 減去，才能得到精確的被測(cè)角速度值。這就是國(guó)內(nèi)外到目前為止不能應(yīng)用恒速偏頻方法的 最大障礙。2、精確控制激光陀螺只在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)換向后進(jìn)入恒速旋轉(zhuǎn)的整360°角區(qū)段采樣 工作，在該區(qū)段之外激光陀螺處于非工作狀態(tài)。3、設(shè)計(jì)兩臺(tái)偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)換向時(shí)間錯(cuò)位的聯(lián)動(dòng) 控制裝置，確保兩套三軸整體(或組合)激光陀螺非采樣工作狀態(tài)相互不重疊。具體地說，三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其是在一個(gè)繞垂直軸旋 轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝一個(gè)三軸整體激光陀螺且三軸整體激光陀螺各敏感軸均偏 離該偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸β角，β角大小為Μ. 73561°，三軸整體激光陀螺由該轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)旋 轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在激光陀螺敏感軸上的分量(α &cos β)將激光陀螺的工作區(qū)域移出 閉鎖區(qū)，使激光陀螺的恒速偏頻和激光陀螺的誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制同時(shí)進(jìn)行。雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)由帶齒輪減速器的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)臺(tái)上用一個(gè)凸臺(tái)與 基座上安裝的撥桿及其光電開關(guān)控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)向，限制撥桿運(yùn)動(dòng)的限位銷同時(shí)作為該 轉(zhuǎn)臺(tái)的限位銷，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2 γ ； γ角的大小要保證同步電機(jī)換向后能增 速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)與精密測(cè)角裝置連接，精密測(cè)角裝置過0°與360°位置點(diǎn)時(shí) 應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到兩個(gè)極限位置中間，即在2 γ角的中間位置。計(jì)算機(jī)每個(gè)采樣周期都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角裝置輸出的角度α，在激光 陀螺采樣工作時(shí)，用該角度α對(duì)激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變換。角度α還可以計(jì)算角增 量Δ α (Δ Cii = Cii-Ci η)，用它可以計(jì)算并消除激光陀螺輸出中的偏頻量(Aacosii)；當(dāng)Δα發(fā)生突變(即0°與360°正反向跳變)時(shí)，即認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺(tái)通過測(cè)角裝置的0°或 360°點(diǎn)，此刻發(fā)出過零點(diǎn)信號(hào)，觸發(fā)“啟動(dòng)”或“停止”激光陀螺的采樣過程，使計(jì)算機(jī)每次 對(duì)激光陀螺進(jìn)行連續(xù)采樣的過程，都在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的整360°范圍內(nèi)，以保證激光陀 螺是在“雙向恒速偏頻”狀態(tài)下工作，計(jì)算機(jī)計(jì)算消除激光陀螺輸出中偏頻量的殘余部分可 正反抵消。雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺組，其用兩套雙向恒速偏頻整體或組合激 光陀螺所組成的角速度測(cè)量裝置構(gòu)成雙向恒速偏頻整體或組合激光陀螺組，實(shí)現(xiàn)角速度的 不間斷測(cè)量。用相應(yīng)的邏輯控制兩臺(tái)雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)的工作時(shí)序，使其換向非工作區(qū)不 重疊，保證最少要有一組雙向恒速偏頻激光陀螺處于正常采樣工作狀態(tài)。計(jì)算機(jī)同時(shí)對(duì)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺及其雙向恒速偏頻轉(zhuǎn) 臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、采樣、坐標(biāo)變換和故障監(jiān)測(cè)，當(dāng)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光 陀螺同時(shí)采樣工作時(shí)，求兩套雙向恒速偏頻三軸整體激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸的投 影，比較兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺輸出在同一坐標(biāo)軸上投影的差值，當(dāng) 連續(xù)幾個(gè)計(jì)算周期差值均大于設(shè)置的門限時(shí)即認(rèn)為其中一套雙向恒速偏頻三軸整體或組 合激光陀螺有故障；當(dāng)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺同時(shí)采樣工作時(shí)，將兩套雙向恒 速偏頻三軸整體或組合激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸投影的平均值，作為給慣性系統(tǒng)計(jì) 算機(jī)的輸出量；若有一套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺處于非工作狀態(tài)，則將正 常工作的一套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸投影輸出給 慣性系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。本發(fā)明利用專利公開號(hào)為CN 101738182A的發(fā)明專利“雙向恒速偏頻激光陀螺 尋北方法及雙向恒速偏頻激光陀螺尋北儀”的偏頻方法，在三軸整體(或組合)激光陀螺中 應(yīng)用“雙向恒速偏頻技術(shù)”，徹底消除“閉鎖效應(yīng)”對(duì)激光陀螺有效精度的影響，并對(duì)激光陀 螺由其它原因產(chǎn)生的誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)誤差調(diào)制濾波，使激光陀螺有效精度比現(xiàn)有其它偏頻技 術(shù)會(huì)有大幅度提高，但是它不能連續(xù)不間斷測(cè)量三軸角速度。使用兩套換向時(shí)間相錯(cuò)的雙 向恒速偏頻三軸整體(或組合)激光陀螺組成的雙向恒速偏頻三軸整體(或組合)激光陀 螺組，能不間斷地工作，并具有監(jiān)控功能，可用于超高精度的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)是1、實(shí)現(xiàn)了“恒速偏頻技術(shù)”在三軸整體(或組合)激光陀螺中的應(yīng)用，可完全消除 激光陀螺“閉鎖”效應(yīng)的影響，大幅度提高激光陀螺及其捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的有效精度；2、將三軸整體(或組合)激光陀螺各敏感軸均偏離雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸β 角，由該單軸轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)，使激光陀螺的恒速偏頻和激光陀螺誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制(垂直軸除外)同 時(shí)進(jìn)行；3、可實(shí)現(xiàn)激光陀螺的故障監(jiān)測(cè)功能；4、比目前最先進(jìn)的“速率偏頻”激光陀螺能達(dá)到更高的精度，相比速率偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)， 本發(fā)明的偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)限動(dòng)器和換向機(jī)構(gòu)的定位精度、機(jī)械強(qiáng)度、換向反轉(zhuǎn)角加速度，以及驅(qū)動(dòng) 同步電機(jī)功率儲(chǔ)備的要求都大幅度降低，易于設(shè)計(jì)制造。


圖1為現(xiàn)有偏頻技術(shù)中“機(jī)械抖動(dòng)偏頻”方法示意圖。圖2為現(xiàn)有偏頻技術(shù)中“速率偏頻”方法示意圖。圖3為本發(fā)明的“雙向恒速偏頻”方法示意圖。圖4為本發(fā)明“雙向恒速偏頻”結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明撥桿光電換向及限位裝置示意圖。圖6為雙向恒速偏頻各激光陀螺的工作時(shí)序。圖7為本發(fā)明三軸整體激光陀螺雙向恒速偏頻方法的計(jì)算方程坐標(biāo)系。圖8為本發(fā)明三軸整體激光陀螺安裝角的計(jì)算模型圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是按照如下步驟實(shí)現(xiàn)1、(參見圖4)在繞垂直軸(1)旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)( 上，安裝一只三軸整 體(或組合)激光陀螺(3)，將三軸整體(或組合)激光陀螺C3)的三個(gè)敏感軸均偏離雙向 恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸(1) β (54. 73561° )角。2、雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)O)由帶齒輪減速器的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)臺(tái)上(參見 圖5)用一個(gè)凸臺(tái)⑷與基座上安裝的撥桿(5)及光電開關(guān)(6)控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)向，限 制撥桿運(yùn)動(dòng)的限位銷(7)同時(shí)作為該轉(zhuǎn)臺(tái)的限位銷，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2 γ ； γ 角的大小要保證同步電機(jī)換向后能增速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)( 與精密測(cè)角裝置連接，精密測(cè)角裝置過0° (與360° )位 置點(diǎn)時(shí)應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到兩個(gè)極限位置中間，即在2 γ角的中間位置(如圖5所示)。3、雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在三軸整體激光陀螺敏感軸上的分量 (α &cos β)用于將激光陀螺的工作區(qū)域移出閉鎖區(qū)；旋轉(zhuǎn)角速度(α&)又同時(shí)對(duì)三軸整體 激光陀螺的水平分量剩余誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。4、計(jì)算機(jī)每個(gè)采樣周期都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角裝置輸出的角度α，在激光 陀螺采樣工作時(shí)，用該角度α對(duì)激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變換。角度α還用于計(jì)算角增 量Δ α (Δ Cii= Cii-Ci η)，用它可以精確消除三軸整體(或組合)激光陀螺輸出中的偏頻 量(Δ acosii)；當(dāng)Δ α發(fā)生突變(即0°與360°正反向跳變)時(shí)，即認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺(tái)通過測(cè) 角裝置的0° (或360° )點(diǎn)，此刻發(fā)出過零點(diǎn)信號(hào)，觸發(fā)“啟動(dòng)”或“停止”三軸整體(或組 合)激光陀螺的采樣過程，使計(jì)算機(jī)每次連續(xù)采樣過程都在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的整360° 范圍內(nèi)，這便保證了三軸整體(或組合)激光陀螺是在“雙向恒速偏頻”狀態(tài)下工作，并對(duì) 殘余的偏頻量進(jìn)行正反方向抵消。5、用二臺(tái)偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)及其攜帶的三軸整體(或組合)激光陀螺，組成一組雙向恒速 偏頻三軸整體(或組合)激光陀螺組。通過安排相應(yīng)的邏輯控制裝置控制偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)的工作 時(shí)序，保證最少要有一臺(tái)偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)及其三軸整體(或組合)激光陀螺處于采樣工作狀態(tài)。6、計(jì)算機(jī)在每個(gè)采樣周期都對(duì)三軸整體(或組合)激光陀螺輸出的角增量進(jìn)行預(yù) 處理。預(yù)處理的內(nèi)容有(1)去除偏頻角增量；(2)計(jì)算每個(gè)三軸整體(或組合)激光陀螺 測(cè)量的角增量在載體坐標(biāo)系上的分量；C3)當(dāng)本次采樣有兩個(gè)三軸整體(或組合)激光陀 螺同時(shí)工作時(shí)，將兩組載體坐標(biāo)系上的陀螺角增量分量進(jìn)行數(shù)值比較監(jiān)控，同時(shí)求其平均值供輸出；如果本次采樣只有一個(gè)三軸整體(或組合)激光陀螺在工作，就將該三軸整體(或組合)激光陀螺在載體坐標(biāo)系上的角增量分量直接輸出。載體坐標(biāo)系上陀螺各軸最后輸出的角增量，相當(dāng)于一般捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)載體坐標(biāo)系上各軸安裝的陀螺輸出，后續(xù)的計(jì)算由系統(tǒng)計(jì)算機(jī)來完成。
計(jì)算方程本發(fā)明三軸整體激光陀螺雙向恒速偏頻方法的計(jì)算方程如下1．坐標(biāo)系(圖7)
權(quán)利要求
1.三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其特征是在一個(gè)繞垂直軸(1)旋轉(zhuǎn)的 雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)( 上安裝一個(gè)三軸整體激光陀螺( 且三軸整體激光陀螺( 各敏感 軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸β角，β角大小為Μ. 73561°，三軸整體激光陀螺(3)由該轉(zhuǎn) 臺(tái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在激光陀螺敏感軸上的分量(α &cos β)將激光陀螺的工作 區(qū)域移出閉鎖區(qū)，使激光陀螺的恒速偏頻和激光陀螺的誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制同時(shí)進(jìn)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其特征是雙向 恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)O)由帶齒輪減速器的同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，該轉(zhuǎn)臺(tái)上用一個(gè)凸臺(tái)(4)與基座 上安裝的撥桿(5)及其光電開關(guān)(6)控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)向，限制撥桿運(yùn)動(dòng)的限位銷(7)同 時(shí)作為該轉(zhuǎn)臺(tái)的限位銷，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2 γ ； γ角的大小要保證同步電機(jī)換 向后能增速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其特征是雙向 恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)( 與精密測(cè)角裝置連接，精密測(cè)角裝置過0°與360°位置點(diǎn)時(shí)應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn) 臺(tái)轉(zhuǎn)到兩個(gè)極限位置中間，即在2 γ角的中間位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其特征是計(jì) 算機(jī)每個(gè)采樣周期都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)角裝置輸出的角度α，在激光陀螺采樣工作 時(shí)，用該角度α對(duì)激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變換。角度α還可以計(jì)算角增量Δ α (Δ Cii =Qi-Ci η)，用它可以計(jì)算并消除激光陀螺輸出中的偏頻量(Δ acosii)；當(dāng)Δ α發(fā)生突 變(即0°與360°正反向跳變)時(shí)，即認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺(tái)通過測(cè)角裝置的0°或360°點(diǎn)，此刻發(fā) 出過零點(diǎn)信號(hào)，觸發(fā)“啟動(dòng)”或“停止”激光陀螺的采樣過程，使計(jì)算機(jī)每次對(duì)激光陀螺進(jìn)行 連續(xù)采樣的過程，都在偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)恒速轉(zhuǎn)動(dòng)的整360°范圍內(nèi)，以保證激光陀螺是在“雙向恒 速偏頻”狀態(tài)下工作，計(jì)算機(jī)計(jì)算消除激光陀螺輸出中偏頻量的殘余部分可正反抵消。
5.雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺組，其特征是用兩套根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、 和4任意一項(xiàng)所述的雙向恒速偏頻整體或組合激光陀螺所組成的角速度測(cè)量裝置構(gòu)成雙 向恒速偏頻整體或組合激光陀螺組，實(shí)現(xiàn)角速度的不間斷測(cè)量。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺組，其特征是用相應(yīng) 的邏輯控制兩臺(tái)雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)的工作時(shí)序，使其換向非工作區(qū)不重疊，保證最少要有 一組雙向恒速偏頻激光陀螺處于正常采樣工作狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺組，其特征是計(jì)算 機(jī)同時(shí)對(duì)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺及其雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)控 制、采樣、坐標(biāo)變換和故障監(jiān)測(cè)，當(dāng)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺同時(shí)采樣工 作時(shí)，求兩套雙向恒速偏頻三軸整體激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸的投影，比較兩套雙 向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺輸出在同一坐標(biāo)軸上投影的差值，當(dāng)連續(xù)幾個(gè)計(jì)算周 期差值均大于設(shè)置的門限時(shí)即認(rèn)為其中一套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺有故 障；當(dāng)兩套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺同時(shí)采樣工作時(shí)，將兩套雙向恒速偏頻 三軸整體或組合激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸投影的平均值，作為給慣性系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的 輸出量；若有一套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺處于非工作狀態(tài)，則將正常工作 的一套雙向恒速偏頻三軸整體或組合激光陀螺輸出在載體坐標(biāo)系三軸投影輸出給慣性系 統(tǒng)計(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域中三軸整體或組合激光陀螺雙向恒速偏頻方法，其是在一個(gè)繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝一個(gè)三軸整體激光陀螺且三軸整體激光陀螺各敏感軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸β角，β角大小為54.73561°，三軸整體激光陀螺由該轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在激光陀螺敏感軸上的分量(α&cosβ)將激光陀螺的工作區(qū)域移出閉鎖區(qū)，使激光陀螺的恒速偏頻和激光陀螺的誤差旋轉(zhuǎn)調(diào)制同時(shí)進(jìn)行。本發(fā)明是在三軸整體或組合激光陀螺中采用“雙向恒速偏頻技術(shù)”，達(dá)到完全消除激光陀螺“閉鎖效應(yīng)”造成的誤差，又能連續(xù)不間斷地工作。從而可以制造出超高精度的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01C19/64GK102087108SQ20101058836
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者張有翼, 謝玲, 趙永康, 趙治偉, 陳家斌, 陳磊江 申請(qǐng)人:陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司