专利名称：一种基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方法
技术领域：
本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别是涉及一种基于正四面体的六微机 械电子陀螺配置方法。
背景技术：
陀螺是惯性导航系统中的重要元件，用以测量机体系相对于惯性系的角运动，从 而确定飞机、导弹等载体的姿态，并为加速度计沿导航坐标系分解的测量值提供依据。惯性 测量单元是导航、制导与控制系统中的一种非常重要的设备，它由三只陀螺仪和三只加速 度计组成，按照惯性导航原理的要求，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两互相正交并且分别 与对应的三个载体坐标轴平行，测量三个载体坐标轴的输入角速度。惯性测量单元工作时 不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到外界干扰，这一独特特点，使其成为运载 体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的一种广泛使用的主要导航方法。随着科学技术的发展，从工程角度看，更小的器件、更小的结构单元甚至更小的分 系统，在许多方面表现出了独特的优势，能满足很多特殊场合和功能的要求。所以，近年来， 随着微型制造技术和微机械电子技术的发展，新一代微机械电子陀螺仪迅速发展起来，它 们体积小、重量轻、成本低，具有传统陀螺仪许多无可比拟的优点。由微机械电子陀螺仪组 成的微小型惯性测量单元，满足了以航天、航空和航海为代表的领域中出现的一大批小型 化运载体的非常迫切和突出的需求。现代航行体对导航系统的精度和可靠性提出了越来越高的要求，但仅靠提高部件 的设计和制造水平来提高精度和可靠性是十分困难的。因此，随着控制理论和计算机技术 的发展，采用余度技术来提高可靠性，已成为导航技术发展的方向。在捷联惯性导航系统 中，陀螺直接固联在机体坐标系上，因此便于可以采用余度技术，将多个陀螺进行非正交安 装，以获取载体角运动的多个重复测量值，并从测量值中检测、识别和隔离故障陀螺，从而 使导航系统获得更高的可靠性。传统的基于正十二面体的六陀螺配置方案是将六个单自由度陀螺的敏感轴沿正 十二面体六个平面的法线方向安装，每以一对测量轴位于机体坐标系OXbYbZb的一个坐标平 面，则敏感轴与坐标轴的夹角为α =31° 43' 2.9〃，如图1所示。为了获得体积更小，重 量更轻，结构更加简单的余度配置方法，采用基于微机械电子技术制造的微型陀螺仪它具 有的价格低、功耗小、体积小等一系列优点，使其更适合于进行多余度配置。因此，有必要提 出结构比较简单的基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方案。
发明内容
本发明的主要目的在于结合微机械电子陀螺的特点提供一种余度配置方法，使其 结构更加简单，以获取载体角运动的多个重复测量值，并从测量值中检测、识别和隔离故障 陀螺，从而使导航系统获得更高的可靠性。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的
一种基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方法，该方法包括以下步骤(1)对于每一个单自由度微机械电子陀螺，将其敏感轴沿正四面体的六条棱(即 正六面体中六个表面正方形的六条对角线)安装，如图2所示；(2)当所有陀螺仪均正常工作时(或性能在所需求的范围之内)，所有的奇偶方程 之值为零(或近似为零)；(3)当某个陀螺失效或者性能明显下降时，包含这个陀螺的奇偶方程则不再为零。 这样，通过精心组织上述一系列奇偶方程，可以分别写出一个、二个或三个陀螺失效时的检 测方程，从而可以实现对失效陀螺的判别。本发明的原理是图2中，坐标系OXYZ为机体坐标，mi (i = 1,2,... ,6)是第i号 陀螺的测量值，箭头方向为其敏感轴方向。在这种配置之下，每个陀螺可以感测到两个方向 角运动量的叠加值。以ml为例，有πι\ = —ω + — ω
2 χ 2 y其中ωχ，coy分别为机体系相对于惯性系的角速度在χ轴和y轴的分量。对6个 微机械电子陀螺分别列写测量方程从而可以得到m = Ηω其中，m=[ml，m2，m3，m4，m5，m6]T，ω = [ ωχ，ωy，ω JT，H 为 6 行 3 列测量矩阵。由上式可知，任意一个、二个或三个陀螺失效即无法获得测量值，都可由剩余的陀 螺唯一确定ωχ，Qy, ωζ。根据每个陀螺和测量值，还可写出陀螺在正常工作情况下的一系列奇偶方程，比 如(mfm》-(m3+m4) = 0(Iii^m2) - (m3-m4) = 0当某个陀螺失效或者性能明显下降时，包含这个陀螺的奇偶方程则不再为零。这 样，通过精心组织上述一系列奇偶方程，可以分别写出一个、二个或三个陀螺失效时的检测 方程，从而可以实现对失效陀螺的判别。通过总结检测方程可以得出如下结论1、对任何单只陀螺失效的情况，均能进行检测、识别和隔离2、对二只陀螺失效的情况，除特殊情况外，绝大部分可以进行检测、识别和隔离3、对特定情形下三只陀螺失效的情况，也可以进行检测、识别和隔离。本发明具有如下优点1、结构简单。即将陀螺沿正四面体的六条对角线(即正六面体的棱)安装。2、对特定情形下三只陀螺失效的情况，也可以进行检测、识别和隔离
图1.基于正十二面体的六陀螺配置方案原理示意图。图2.基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方案原理示意图。图3.故障检测、隔离和重构程序流程图。
具体实施例方式本发明的具体实现步骤包括硬件实现、软件实现、模块连接。(1)余度系统的硬件实现在研究的余度系统样机中，使用6个单自由度的微机械电子陀螺仪，沿正四面体 的六条棱斜交配置，本文使用的小型化双CPU导航计算机中，单片机使用CYG-NAL公司的 C8051F021，DSP使用TI公司TM S320C5416保证了导航计算机既有较强的控制功能，又有 较强的数据运算处理能力。DSP内部的主机接口(HPI)则保证了双CPU之间高速可靠的数 据通信。(2)余度系统的软件实现余度技术是提高捷联惯性导航系统可靠性的一种有效途径，应当具有“故障检 测”、“故障识别”、“系统重构”的功能。余度系统故障检测方案的软件实现采用成熟的方法即利用奇偶方程式进行故障 检测的奇偶校验法。根据正四面体布局中，应用6个测量值之间的线性相关关系，可以列出 奇偶方程式。如果所有陀螺都正常工作，则全部奇偶方程式都能满足。若出现陀螺故障，则 相应的奇偶方程式便不成立。本系统中，当1个陀螺或2个陀螺失效时，能准确地检测并识 别故障陀螺；当3个或3个以上的陀螺失效时，在特定情况下，也能检测到系统出故障，而且 进行识别。余度系统重构方案的软件实现余度系统的完整的程序流程图如图3所示。(3)余度配置软件模块与小型导航计算机软件模块连接编写完故障检测和系统重构2个子程序后，需要移植到单片机的内置C语言中，并 与小型导航计算机的软件模块(如，IMU的数据采集、数据传输、硬件底层配置等下层软件 和导航数据的解算等上层软件)进行连接，构成一个完整的余度惯性导航系统的角运动测
量系统。
权利要求
1. 一种基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方法，其特征在于所述的基于正四面 体的六微机械电子陀螺配置方法包括按顺序进行的下列步骤(1)对于每一个单自由度微机械电子陀螺，将其敏感轴沿正四面体的六条棱(即正六 面体中六个表面正方形的六条对角线)安装；(2)当所有陀螺仪均正常工作时(或性能在所需求的范围之内)，所有的奇偶方程之值 为零(或近似为零)；(3)当某个陀螺失效或者性能明显下降时，包含这个陀螺的奇偶方程则不再为零。这 样，通过精心组织上述一系列奇偶方程，可以分别写出一个、二个或三个陀螺失效时的检测 方程，从而可以实现对失效陀螺的判别。
全文摘要
本发明公开了一种基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方法。该方法是使用六个单自由度微机械电子陀螺，采用正四面体而非常见的正十二面体非正交配置，推导其测量方程和检测方程；最后实现陀螺的故障检测、隔离和识别，提高了系统可靠性。基于正四面体的六微机械电子陀螺配置方案与传统的正十二面体的斜交配置方案相比，实现起来更为简单，且能实现对三只陀螺失效时的检测。在惯性导航系统中采用该方法，可以使结构设计比较简单，因为其只需将陀螺沿正四面体的六条棱安装，因此，该方法具有较强的应用价值。
文档编号G01C21/18GK102116629SQ20091024519
公开日2011年7月6日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者刘瑞华 申请人:中国民航大学