专利名称：捷联式多位置陀螺罗盘的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及陀螺罗盘(寻北仪)，特别是一种在360。圆周内多位置 转停的高精度陀螺罗盘。
背景技术：
在军事应用领域(如导弹系统发射，炮兵阵地测量，为战术战略导弹 机动发射初始定向等)和工程测量应用领域中(如矿山开巷道、铁路修隧 道、森林、城市交通建设等)，都存在着自主定向问题，陀螺寻北仪作为 快速获取精确方位信息的一种技术手段，对精确导航，提高工程测量的效
率和精度是至关重要的。这一问题的关键有三个 一是自主方式寻北(最
佳方式是不依赖外界，是信息的独立保守系统)；二是定向时间快(机动 发射导弹武器系统要求定向作业时间小于5分钟)；三是定向精度高(机 动发射导弹武器系统定向精度要求10 20〃)。但目前国内自主定向研究开 发的现状与当前机动发射导弹武器的要求极其不相称，有的已成为型号发 展的"瓶颈"。
通常设计的寻北仪采用两位置、三位置、四位置、连续旋转等多种方 案，但这些寻北方案没有从机理上分析出陀螺精度、转位数与寻北精度间的关系，测量精度相对比较低，对于现代的快速高精度自主定向尚存在一 定困难。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服已有寻北方案的缺点，采用多位置测量和 最小二乘估计实现高精度的自主寻北。本实用新型的技术方案具有独创 性。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是.-
一种捷联式多位置陀螺罗盘，包括专用支架、精调平和粗调平机构、 陀螺罗盘，是通过测量地球自转角速率分量实现寻北的寻北系统，用于为
其它设备提供北向参考；其中，
专用支架下端设有粗调平机构，上端设有精调平机构，精调平机构上 方与陀螺罗盘相连；
精调平机构的带有机械和电限位的精密转台上平面，固接陀螺罗盘的 精密轴系，精密轴系上端固接惯性测量组件的陀螺组件，陀螺组件在精密 轴系支承下旋转，伺服控制电路驱动精密轴系在360。圆周内的多个位置转 动和定位；
数据解算系统，包括数据采集电路及寻北算法； 各部件按常规连接固定。
所述的陀螺罗盘，其所述精密轴系，包括精密轴承、力矩电机和轴角 编码器，各部件按常规连接固定；力矩电机、轴角编码器分别与伺服控制电路电连接，伺服控制电路控制力矩电机和轴角编码器，实现轴系的快速 转位和角位置精密测量。
所述的陀螺罗盘，其所述惯性测量组件包括陀螺组件、水准仪、光学 基准、外罩组件，各部件按常规连接固定；其中，
陀螺组件包括动调陀螺、陀螺座和温控罩，当转台锁定时，陀螺组 件用于敏感地球的自转角速率分量；
水准仪包括相互正交的第一水准仪和第二水准仪，用于调整陀螺组 件工作平面的水平；
光学基准包括棱镜座和直角棱镜，用于实现将解算出的大地方位通 过经纬仪向被标定设备传递；
外罩组件包括外罩和显示面板，显示面板和控制键设于外罩上，显 示面板用于温控信息和方位信息的输出、显示。
所述的陀螺罗盘，其所述数据采集电路当转台锁定时，用于采集陀 螺数据，对寻北算法的实现提供硬件电路保证；
寻北算法转台在圆周内多个位置进行锁定，数据采集电路采集转台 锁定时陀螺数据；寻北算法将这些多位置数据进行最小二乘拟合，估计出 地球自转角速度北向分量在测量坐标系上的投影，从而解算出北向角度。 所述的陀螺罗盘，其所述多个位置，至少五个位置。 所述的陀螺罗盘，其所述精调平机构，调平精度^10"。
本实用新型从提高寻北精度与易于工程实现的角度出发，创造性的提 出了基于多位置测量和最小二乘估计的高精度、多位置、自主寻北系统方案，可以大幅提高寻北精度，满足工程测量及军事应用等多种领域的需要。 本实用新型的优越性
1、 采用多位置测量和最小二乘拟合技术，有效提高了陀螺罗盘的寻北 精度；
2、 转动惯量小，配合精度高，实现快速、连续、自主寻北工作；
3、 结构紧凑，体积小，重量轻，便于携带。
图l是寻北矢量图2是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘系统工作过程示意图3是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘寻北仪外形结构图； 图4是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘结构图； 图5 (a)、图5 (b)、图5 (c)是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘 惯测组件主视图、右视图、俯视图6是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘轴系结构图7是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘精调平机构外形结构图8是本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘专用支架外形结构图。
具体实施方式
本实用新型是这样实现的如图1所示，通过陀螺敏感轴/测量地球
自转角速率北向分量 在测量坐标系a和6上的投影实现寻北的一种寻北 系统。系统工作流程是这样实现的如图2所示，设转台初始位置时棱镜法 线I (测量坐标系")与真北夹角为^，数据采集电路通过数字串口与伺服 控制电路进行握手通讯，伺服控制电路向数据采集电路报告当前测角装置 测得的当前角位置信息后，数据采集电路采集当前位置的陀螺数据，完成 第一位置采样；伺服控制电路控制转台转动到第二位置并向数据采集电路 报告第二位置角位置信息，数据采集电路采集第二位置数据，完成第二位 置采样；如此重复，在完成一周转位之后，数据采集电路用最小二乘法对 数据进行实时处理，估计出棱镜法线I与真北夹角为^;最后通过数字接 口向外发送寻北结果。
转台360。圆周内按一定角度间隔旋转时，在一周"个转角位置
<formula>formula see original document page 8</formula>, 陀螺输出的数学模型为
<formula>formula see original document page 8</formula>
式中，y,为陀螺输出(已转换为角速度)； / 为陀螺常值漂移； w,为陀螺测量噪声；
^^cos甲," sin甲，其中 为地球自转角速率的北向分量； <formula>formula see original document page 8</formula>』；
通过最小二乘处理对陀螺数学模型的系数进行估计。令
<formula>formula see original document page 8</formula>
组成线性方程y = AY +W 其最小二乘解为<formula>formula see original document page 8</formula>
当{w,}为零均值白噪声时，》,5,6—均为无偏估计。在求得5和6—后，即可计算方位角的估计值^,g-'4 (1)本实用新型动调陀螺快速寻北仪，包括陀螺罗盘1和专用支架2两大 部分，总体外形结构如图3所示，其中精调平机构3与陀螺罗盘1固定安 装为一体，保证陀螺罗盘1在车载或其它工况下进行调平，粗调平机构4 与专用支架2固定安装为一体，满足专用支架2的调平要求。陀螺罗盘l主要包括惯测组件5、轴系6、电控箱7、电缆8，其外 形结构如图4所示，惯测组件5完成数据采集，轴系6为惯测组件5提供 旋转机构，电控箱7内部安装电路板及电源模块等，电缆8实现惯测组件 5与电控箱7的连接。惯测组件5主要由动调陀螺9、水准仪10、棱镜11、面板12、外罩 13等组成，其外形结构如图5所示。动调陀螺9安装在陀螺座14上，其 上用温控罩15将其密封，陀螺座14与连接座16固定，实现与轴系主轴 之间的连接。水准仪10和棱镜11安装在过渡板17上，过渡板17与轴系 壳体固连，实现结构的长期稳定，达到水准仪10免标校和棱镜11提供系 统标定基准的目的。外罩13主要提供显示面板窗口、基准棱镜窗口。轴系6主要由主轴18、轴承19、力矩电机20、编码器21、壳体22 等组成，其结构如图6所示。力矩电机20及编码器21依次装在主轴18 上，电机座固定在箱体内部，这种安装方案可以节省空间，使电机的转动 更为平稳。轴承19选用成对使用的滚子轴承，其优点是轴承制造是己消 除了游隙，给装调工作带来了方便。精调平机构3包括平板23、卡簧24、微调旋钮25，其结构如图7所示，调节微调旋钮25将陀螺罗盘1调平至10〃的精度。专用支架2上设计有指示粗调平的圆水泡26 (IO')，用三个粗调平 机构4对支架上表面调平，粗调平机构4结构稳固可靠，操作简易，通过 两个圆柱销27将陀螺罗盘1定位在支架上，其结构如图8所示。
权利要求1.一种捷联式多位置陀螺罗盘，包括专用支架、精调平和粗调平机构、陀螺罗盘，是通过测量地球自转角速率分量实现寻北的寻北系统，用于提供北向参考；其特征在于，专用支架下端设有粗调平机构，上端设有精调平机构，精调平机构上方与陀螺罗盘相连；精调平机构的带有机械和电限位的精密转台上平面，固接陀螺罗盘的精密轴系，精密轴系上端固接惯性测量组件的陀螺组件，陀螺组件在精密轴系支承下旋转，伺服控制电路驱动精密轴系在360°圆周内的多个位置转动和定位；数据解算系统，包括数据采集电路及寻北算法；各部件按常规连接固定。
2. 如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述精密轴系，包 括精密轴承、力矩电机和轴角编码器，各部件按常规连接固定；力矩电机、 轴角编码器分别与伺服控制电路电连接，伺服控制电路控制力矩电机和轴 角编码器，实现轴系的快速转位和角位置精密测量。
3. 如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述惯性测量组件包 括陀螺组件、水准仪、光学基准、外罩组件，各部件按常规连接固定；其 中陀螺组件包括动调陀螺、陀螺座和温控罩，当转台锁定时，陀螺组 件用于敏感地球的自转角速率分量；水准仪包括相互正交的第一水准仪和第二水准仪，用于调整陀螺组 件工作平面的水平；光学基准包括棱镜座和直角棱镜，用于实现将解算出的大地方位通 过经纬仪向被标定设备传递；外罩组件包括外罩和显示面板，显示面板和控制键设于外罩上，显 示面板用于温控信息和方位信息的输出、显示。
4. 如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述多个位置，至少 五个位置。
5. 如专利要求1所述的陀螺罗盘，其特征在于，所述精调平机构，调平精度≤10"。
专利摘要本实用新型是一种捷联式多位置陀螺罗盘，陀螺安装在陀螺座上，陀螺座安装在精密转台的主轴上，陀螺敏感轴与转台的回转轴垂直，精密转台由同轴安装的力矩电机、测角机构、轴承及其控制电路等组成。在转台伺服电路的控制下，精密转台在360°圆周内的多个位置准确定位，在不同位置上通过采集陀螺输出进行周期调制与最小二乘估计，实现高精度寻北。本实用新型捷联式多位置陀螺罗盘用于各种应用条件下的自主寻北，并将寻北结果通过数字接口、光学基准传递给光电瞄准机构，实现对方位信息的传递，在陀螺精度一定的情况下，将寻北精度提高了数倍。
文档编号G01C19/38GK201159646SQ20072019074
公开日2008年12月3日 申请日期2007年12月12日 优先权日2007年12月12日
发明者伟 刘, 彬 刘, 林蔚然, 郭喜庆, 齐艳莉 申请人:中国科学院光电研究院