基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统

技术领域

本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统。

背景技术

惯性导航系统简称惯导或惯导系统，是对运动载体实现姿态和轨迹测量、控制的重要导航设备，它在火箭、导弹制导和智能弹药投放等兵器军事领域得到了广泛应用，由于惯导系统在导航和武器中的重要作用，受到了发达国家的普遍重视，许多国家均把它作为军事实力的基础而给予优先发展，并对其技术和产品进行严格控制。惯性系统是集机、电、光为一体的复杂精密设备，其工作精度和可靠性直接影响着惯性导航系统的工作精度及弹、箭的飞行精度和可靠性。随着国防事业的日益发展，现代兵器技术对新型惯性系统不仅要求设计达到小型化、轻量化以及适应大过载、大冲击等恶劣力学环境条件，而且要求研制周期短、定型快及更高的可靠性指标。

目前我国仍在广泛使用机械转子陀螺，还没有微型陀螺仪组合应用的先例，在这方面已落后于美国及欧洲的一些国家。虽然机械转子陀螺具有启动快、性能可靠、稳定性好等一系列优点，但它相对微型陀螺仪有质量重、体积大、抗冲击能力差的缺点。微型陀螺仪是陀螺专业的一个重要发展方向。因此，在确保传统技术优势的同时，研制出适合旋转弹应用特点、同时能够发挥贮能式陀螺仪和微型陀螺仪技术优势的惯性测量系统十分必要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何充分发挥贮能式陀螺仪和微型陀螺仪的固有优势，结合旋转弹惯性测量的具体要求，提供一种实现可减旋、抗冲击过载、可隔振的滚转弹惯性测量专用系统，实现旋转弹的准确在线位置、姿态信息测量。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统，所述旋转弹惯性测量系统包括：角度编码器模块、贮能式陀螺稳定平台模块、惯性测量模块、信号传输模块以及数据采集和处理模块；

其中，所述角度编码器模块是旋转弹体和贮能式陀螺稳定平台模块之间的联系桥梁；

所述贮能式陀螺稳定平台模块为惯性测量模块提供惯性稳定平台；

所述惯性测量模块将测量偏航、俯仰和旋转方向的微型陀螺仪和三轴加速度计实现集成安装；

所述惯性测量模块通过信号传输模块连接至数据采集与处理模块；

所述数据采集与处理模块通过收集和处理来自惯性测量模块的电压信号，得到被测旋转弹体的空间姿态角速率、姿态角、速度、位置信息。

其中，所述信号传输模块是电路信号和数据信号的传输通道，其用于提供电路驱动信号输入，同时将获得的所有数据信号准确输出。

其中，所述贮能式陀螺稳定平台模块利用其高速转子产生的定轴性为惯性测量模块提供惯性稳定平台。

其中，所述贮能式陀螺稳定平台模块中使用的陀螺仪本体属于机械转子陀螺仪范畴，包括燃气、电机和弹簧的多种转子驱动方式。

其中，所述惯性测量模块中集成的微型陀螺仪和加速度计为单轴、双轴或三轴的。

其中，所述惯性测量模块中的微型陀螺仪和加速度计的类型是机械类、光学类或微机电类。

其中，所述信号传输模块所实现的信号传输方式包括：有线滑环传输、无线电信号传输的多种信号传输方式。

其中，所述数据采集与处理模块内部集成有对角度编码器模块、惯性测量模块输出信号的采集、变换、融合及处理算法模块。

其中，所述测量系统工作过程中：

首先，信号传输模块为所述基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统提供电流输入输出功能；

其次，由于贮能式陀螺仪平台模块的输出轴与弹体之间的轴承摩擦作用，使得贮能式陀螺仪平台模块的输出轴发生偏转角速率数据，所述惯性测量模块上安装的微型陀螺仪测量该偏转角速率数据，并结合通过角度编码器模块测量的弹体相对于贮能式陀螺仪平台模块的输出轴的相对转角数据，利用信号传输模块的转换和传输，并经过数据采集和处理模块处理得出弹体的转速和转角数据；

再次，将上述计算得到的弹体的转角数据与惯性测量模块上安装的微型陀螺仪的测量数据融合，并实时分解到偏航和俯仰轴上，通过数据采集和处理模块运算得到弹体的偏航和俯仰角数据；

最后，弹体的高度数据由惯性测量平台模块上安装的三轴加速度计测量后通过数据采集和处理模块计算得出。

其中，所述角度编码器模块测量旋转弹体和贮能式陀螺仪平台模块之间的滚转角度相对运动关系；所述角度编码器模块采用光电编码器、磁感应编码器、旋转变压器、自整角机和其它360度连续测角方式；

所述贮能式陀螺仪平台模块的陀螺仪本体是机械转子式陀螺仪，利用其高速转子的定轴效应为惯性测量模块提供稳定平台；

所述惯性测量模块是一种利用贮能式陀螺仪平台模块转子定轴性提供的稳定输出平面，将测量偏航、俯仰和滚转方向的微型陀螺仪和三轴加速度计实现集成安装的惯性测量平台；

所述信号传输模块是电路信号和数据信号的传输通道，其提供电路驱动信号输入同时将获得的所有数据信号准确输出；

所述数据采集与处理模块包括模拟多路开关、A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制单元和扩展存储器；所述模拟多路开关将惯性测量模块输出的微型陀螺仪电压信号多路复用到A/D转换器中，数字信号处理器对采样数据进行处理，逻辑控制单元计算旋转弹姿态信息，采样数据以及处理结果，并送入扩展存储器中进行保存，便于以后分析调用。

(三)有益效果

与现有技术相比较，本发明将技术成熟的角度编码器和贮能式陀螺仪与集成了微型陀螺仪和加速度计的惯性测量平台连接，通过轴承连接方式完成旋转弹惯性测量系统的串联。该旋转弹惯性测量系统具有结构紧凑、能耗低、体积小、重量轻、易于加工的特点。

附图说明

图1为基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统模块框图。

图2为基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统数据流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统，所述旋转弹惯性测量系统包括：角度编码器模块、贮能式陀螺稳定平台模块、惯性测量模块、信号传输模块以及数据采集和处理模块；

其中，所述角度编码器模块是旋转弹体和贮能式陀螺稳定平台模块之间的联系桥梁；

所述贮能式陀螺稳定平台模块为惯性测量模块提供惯性稳定平台；

所述惯性测量模块将测量偏航、俯仰和旋转方向的微型陀螺仪和三轴加速度计实现集成安装；

所述惯性测量模块通过信号传输模块连接至数据采集与处理模块；

所述数据采集与处理模块通过收集和处理来自惯性测量模块的电压信号，得到被测旋转弹体的空间姿态角速率、姿态角、速度、位置信息。

其中，所述信号传输模块是电路信号和数据信号的传输通道，其用于提供电路驱动信号输入，同时将获得的所有数据信号准确输出。

其中，所述贮能式陀螺稳定平台模块利用其高速转子产生的定轴性为惯性测量模块提供惯性稳定平台。

其中，所述贮能式陀螺稳定平台模块中使用的陀螺仪本体属于机械转子陀螺仪范畴，包括燃气、电机和弹簧的多种转子驱动方式。

其中，所述惯性测量模块中集成的微型陀螺仪和加速度计为单轴、双轴或三轴的。

其中，所述惯性测量模块中的微型陀螺仪和加速度计的类型是机械类、光学类或微机电类。

其中，所述信号传输模块所实现的信号传输方式包括：有线滑环传输、无线电信号传输的多种信号传输方式。

其中，所述数据采集与处理模块内部集成有对角度编码器模块、惯性测量模块输出信号的采集、变换、融合及处理算法模块。

其中，所述测量系统工作过程中：

首先，信号传输模块为所述基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统提供电流输入输出功能；

其次，由于贮能式陀螺仪平台模块的输出轴与弹体之间的轴承摩擦作用，使得贮能式陀螺仪平台模块的输出轴发生偏转角速率数据，所述惯性测量模块上安装的微型陀螺仪测量该偏转角速率数据，并结合通过角度编码器模块测量的弹体相对于贮能式陀螺仪平台模块的输出轴的相对转角数据，利用信号传输模块的转换和传输，并经过数据采集和处理模块处理得出弹体的转速和转角数据；

再次，将上述计算得到的弹体的转角数据与惯性测量模块上安装的微型陀螺仪的测量数据融合，并实时分解到偏航和俯仰轴上，通过数据采集和处理模块运算得到弹体的偏航和俯仰角数据；

最后，弹体的高度数据由惯性测量平台模块上安装的三轴加速度计测量后通过数据采集和处理模块计算得出。

其中，所述角度编码器模块测量旋转弹体和贮能式陀螺仪平台模块之间的滚转角度相对运动关系；所述角度编码器模块采用光电编码器、磁感应编码器、旋转变压器、自整角机和其它360度连续测角方式；

所述贮能式陀螺仪平台模块的陀螺仪本体是机械转子式陀螺仪，利用其高速转子的定轴效应为惯性测量模块提供稳定平台；

所述惯性测量模块是一种利用贮能式陀螺仪平台模块转子定轴性提供的稳定输出平面，将测量偏航、俯仰和滚转方向的微型陀螺仪和三轴加速度计实现集成安装的惯性测量平台；

所述信号传输模块是电路信号和数据信号的传输通道，其提供电路驱动信号输入同时将获得的所有数据信号准确输出；

所述数据采集与处理模块包括模拟多路开关、A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制单元和扩展存储器；所述模拟多路开关将惯性测量模块输出的微型陀螺仪电压信号多路复用到A/D转换器中，数字信号处理器对采样数据进行处理，逻辑控制单元计算旋转弹姿态信息，采样数据以及处理结果，并送入扩展存储器中进行保存，便于以后分析调用。

实施例1

本实施例提出的基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统主要工作方式结合图1和图2简述如下：

首先，三轴微型陀螺仪固连在惯性测量模块3上，同时固连三轴加速度计，惯性测量模块3中各轴向由互相垂直的定位面确定。

其次，利用机械转子陀螺仪高速转子的定轴性，贮能式陀螺仪平台模块2为惯性测量模块3提供稳定平台。

再次，角度编码器模块1与弹体和贮能式陀螺仪平台模块2的输出轴连接，转子与输出轴用轴承连接，输出轴与弹体以及惯性测量模块3用轴承连接。

最后，由于输出轴与弹体之间的轴承摩擦作用使贮能式陀螺仪平台模块2的输出轴发生的偏转角速率由惯性测量模块3上的微型陀螺仪测量，同时，微型陀螺仪也得到某一时刻偏航和俯仰轴的测量数据，惯性测量模块3上安装的三轴加速度计也得到同一时刻的加速度数据，结合角度编码器模块1测量的弹体相对于贮能式陀螺仪平台模块2输出轴的转角数据，通过信号传输模块4的信号交换，结合数据采集和处理模块5的信号采集和融合算法，得到旋转弹的姿态角、姿态角速率以及弹体的速度、位置等信息。

综上，本发明属于惯性导航技术领域，具体涉及一种基于贮能式陀螺稳定平台的旋转弹惯性测量系统，为了应对新型惯导系统不仅要求设计达到小型化、轻量化以及适应大过载、大冲击等恶劣力学环境条件，本发明提出一种实现可减旋、抗冲击过载、可隔振的滚转弹姿态测量专用的惯性测量系统，实现旋转弹的准确在线运动信息测量。本发明包括角度编码器模块、贮能式陀螺仪平台模块、惯性测量模块、信号传输模块以及数据采集和处理模块五部分，其中，角度编码器模块是旋转弹体和贮能式陀螺仪平台模块之间的联系桥梁；贮能式陀螺仪平台模块的陀螺仪本体是贮能式陀螺仪，利用其陀螺效应为惯性测量模块提供稳定平台；惯性测量模块是一种利用贮能式陀螺仪平台模块转子定轴性提供的稳定输出平台，将测量偏航、俯仰和旋转方向的微型陀螺仪和三轴微型加速度计实现集成安装的惯性测量装置；信号传输模块是系统电路信号和数据信号的传输通道，提供工作电源、电路驱动信号输入同时将系统获得的所有数据信号准确输出；数据采集与处理模块包括模拟多路开关、A/D转换器、数字信号处理器、逻辑控制单元和扩展存储器。模拟多路开关将惯性测量模块输出的多个微型陀螺仪电压信号多路复用到一个A/D转换器中，数字信号处理器对采样数据进行处理，逻辑控制单元计算旋转弹姿态信息，采样数据以及处理结果还送入扩展存储器中进行保存，便于以后分析调用。本发明解决了将技术成熟的角度编码器和贮能式陀螺仪与集成了微型陀螺仪和加速度计的惯性测量装置连接要求，具有系统结构紧凑、能耗低、体积小、重量轻、易于加工的特点，特别适用于旋转弹的姿态、位置信息测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。