一种可设定初始航向的水下MEMS航向陀螺的制作方法

本发明涉及一种水下MEMS航向陀螺技术，特别是一种可设定初始航向的水下MEMS航向陀螺。

背景技术：

MEMS传感器是采用类似于集成电路加工工艺制造的微机电传感器， MEMS角速率陀螺仪和线加速度计是常见的惯性测量传感器，主要用于载体运动状态参数的敏感测量。MEMS传感器是全固态和低功耗传感器，具有启动快、耐冲击和体积小等优点。

传统的水下航行载体所用的航向陀螺是双自由度方位状态的机械框架陀螺仪。机械航向陀螺结构复杂，零部件多且加工精度普遍要求高，陀螺工作时需要外供专用交流陀螺电机电源。在生产过程中暴露出部分零部件加工难度大和制造成本高等不足，在实际应用中发现功耗大、操作复杂和易出现倒框故障等不足之处。工作时需要电爆管爆炸触发发条机构推动陀螺高速启动，测试试验成本高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可设定初始航向的水下MEMS航向陀螺，它是一种适用于水下航行载体的采用MEMS惯性传感器的航向陀螺，以便在航向陀螺满足较短航程水下航行载体时，优化产品性能，降低成本，更好地满足水下航行载体航向测量和控制的需要。

本发明的目的是这样实现的：一种可设定初始航向的水下MEMS航向陀螺，其特征是：至少包括供电模块、信号采集处理电路板、初始航向设置开关、输出匹配模块；供电模块、信号采集处理电路板、初始航向设置开关、输出匹配模块固定在环状安装基座内或上，所述的信号采集处理电路板包括角速率陀螺、加速度计、微处理器、CAN通讯接口；信号采集处理电路板的角速率陀螺和加速度计实时测量载体的角速率及加速度信号；信号采集处理电路板的微处理器通过IO端口与初始航向设置开关电连接，读取初始航向设置开关的编码，获得航向角设定值；信号采集处理电路板的微处理器通过SPI总线接口与角速率陀螺、加速度计电连接，实现角速率及加速度信号的读取和解码处理；信号采集处理电路板的微处理器通过译码器与输出匹配模块电连接，给出输出匹配模块的控制编码；信号采集处理电路板通过CAN通讯接口输出航向角；信号采集处理电路板电源端通过开关与供电模块的电源输出电连接。

所述的供电模块包括电池、耦合线圈、启动供电锁定电路、电源选通电路、整流桥堆、稳压电源模块、三端稳压器；所述的三端稳压器输出经稳压电源模块后与外供电源选通电路入口电连接，由外供电源选通电路出口供给三端稳压器的输入端，三端稳压器的输出端供给信号采集处理电路板；所述的耦合线圈与启动供电锁定电路的第一继电器电连接，第一继电器与启动供电锁定电路的第二继电器电连接，第二继电器一个电极端与外供电源选通电路电连接，第二继电器与电池输出端电连接。

所述的电池选用3.6V微型锂电池，耦合线圈是高频100KHz互感线圈，启动供电锁定电路是由第一继电器和第二继电器组成，第一继电器和第二继电器相同为FTR-BG3双路信号继电器，电源选通电路主要由2只肖特基二极管IN5819组成，整流桥堆选用MB2S贴片整流电路，稳压电源模块选用24S05-1W、三端稳压器选用78D33。

所述的耦合线圈与第一继电器电连接，外部27V脉冲发射信号经耦合线圈后驱动启动供电锁定电路的第一继电器工作，使供电锁定电路的第一继电器闭合；第一继电器闭合后，第一继电器的1路触点将电锁定电路的第二继电器闭合，第一继电器另一路触点将耦合线圈输入级断开，第二继电器的1路触点将电池接入电路，第二继电器另一路触点将自身的线圈锁定，电池稳定给航向陀螺供电。

所述初始航向设置开关用于发射前手动设置初始航向角，是8位状态开关。

所述的初始航向设置开关选用8-bit编码开关，8-bit编码开关可将0～360°航向角的分为2⁸份表示，1LSB=1.40625°。

所述的信号采集处理电路板上的角速率陀螺选用ADXRS290双轴MEMS陀螺仪，加速度计选用ADXL345三轴MEMS加速度计，微处理器选用STM32F103BT6嵌入式微处理器， CAN通讯接口选用SN65HVD230 CAN驱动电路，译码器选用54LS154十六选一译码器。

所述的环状安装基座是航向陀螺安装结构部分的主体，材料为硬铝2A12，直径57mm；航向陀螺轴向长度85mm，后盖组件装在环状安装基座的左侧，前盖组件装在环状安装基座的右侧，后盖组件和前盖组件的外径为50mm；供电模块安装在后盖组件内部底端，初始航向设置开关用胶粘接在后盖组件的侧面，电池的插头插接在供电模块上，方便电池的更换；输出连接器插头用胶粘接在前盖组件底端，插针朝外。

所述信号采集处理电路板还包括航向陀螺控件，航向陀螺控件由初始化模块、传感器数据采集软件模块、航向角解算软件模块、输入输出模块执行任务；航向陀螺控件程下载在信号采集处理电路板的微处理器的程序存储器内，传感器数据采集软件模块通过SPI总线接口与角速率陀螺和加速度计电连接，采集角速率陀螺和加速度计的输出信号，对采集到的角速率及加速度信号进行解码和补偿处理；航向角解算软件模块对X、Y、Z三个轴向角速率和加速度数据进行四元数导航解算获得航向角；输入输出模块通过CAN通讯接口输出航向角，同时控制译码器给出输出匹配模块的控制编码。

本发明可满足某些较短航程水下航向载体对发射入水到水下航行过程中控制系统对偏航角测量的实际需求。具有低功耗传感，启动快、耐冲击和体积小等优点。在航向陀螺满足较短航程水下航行载体时降低了成本，满足水下航行载体航向测量和控制的需要。

附图说明

图1是本发明的总体原理框图；

图2是本发明的总体布局图；

图3是本发明的电路硬件实现框图

图4是本发明的软件框图。

图中1、供电模块；2、信号采集处理电路板；3、角速率陀螺；4、加速度计；5、微处理器；6、CAN通讯接口；7、初始航向设置开关；8、输出匹配模块；9、电池；10、后盖组件；11、环状安装基座；12、前盖组件；13、输出连接器插头；14、耦合线圈；15、启动供电锁定电路； 16、电源选通电路；17、整流桥堆；18、稳压电源模块；19、三端稳压器；20、输出连接器插座；22、译码器；23、初始化模块；24、传感器数据采集软件模块；25、航向角解算软件模块；26、输入输出模块。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，一种可设定初始航向的水下MEMS航向陀螺，至少包括：供电模块1、信号采集处理电路板2、初始航向设置开关7、输出匹配模块8；供电模块1、信号采集处理电路板2、初始航向设置开关7、输出匹配模块8固定在环状安装基座11内或上，所述的信号采集处理电路板2是航向陀螺的核心，信号采集处理电路板2包括角速率陀螺3、加速度计4、微处理器5、CAN通讯接口6；信号采集处理电路板2的角速率陀螺3和加速度计4实时测量载体的角速率及加速度信号；信号采集处理电路板2的微处理器5通过IO端口与初始航向设置开关7电连接，读取初始航向设置开关7的编码，获得航向角设定值；信号采集处理电路板2的微处理器5通过SPI总线接口与角速率陀螺3、加速度计4电连接，实现角速率及加速度信号的读取和解码处理；信号采集处理电路板2的微处理器5通过译码器与输出匹配模块8电连接，给出输出匹配模块8的控制编码。信号采集处理电路板2通过CAN通讯接口6输出航向角。信号采集处理电路板2电源端通过开关与供电模块1的电源输出电连接。

结合图3，所述的供电模块1包括电池9、耦合线圈14、启动供电锁定电路15、电源选通电路16、整流桥堆17、稳压电源模块18、三端稳压器19；所述的三端稳压器19输出经稳压电源模块18后与电源选通电路16入口电连接，由电源选通电路16出口供给三端稳压器19的输入端，三端稳压器19的输出端供给信号采集处理电路板2；所述的耦合线圈14与第一继电器A电连接，第一继电器A与第二继电器B电连接，第二继电器B一个电极端与电源选通电路16电连接，第二继电器B与电池9输出端电连接。

其中电池9选用3.6V微型锂电池，耦合线圈14是高频100KHz互感线圈，启动供电锁定电路15采用2只FTR-BG3双路信号继电器，电源选通电路16主要由2只肖特基二极管IN5819组成，整流桥堆17选用MB2S贴片整流电路，稳压电源模块18选用24S05-1W、三端稳压器19选用78D33。

所述的耦合线圈14和整流桥堆17的输入端分别与输出连接器20电连接。所述的输出连接器13选用J30J -20ZK微型连接器。

供电模块1包括接收外部27V脉冲发射信号的耦合线圈14，耦合线圈14与第一继电器A电连接，外部27V脉冲发射信号经耦合线圈14后驱动启动供电锁定电路15的第一继电器A工作，使供电锁定电路15的第一继电器A闭合；第一继电器A闭合后，第一继电器A的1路触点将第二继电器B闭合，第一继电器A另一路触点将耦合线圈14输入级断开，第二继电器B的1路触点将电池9接入电路，第二继电器B另一路触点将自身的线圈锁定，电池9稳定给航向陀螺供电。

航行器入水后，外供27V/400Hz电源有效，27V/400Hz电源经整流桥堆17整流和稳压电源模块18稳压为5V直流，由于外供电源回路电压高于电池9电压，电源选通电路16自动切换到外供电源供电。

工作时，供电模块1接收到发射信号后将电池接入陀螺电路，由电池给航向陀螺供电，在外供交流电源有效后自动切换供电模式，由外供电源给航向陀螺供电。信号采集处理电路板2是软硬件结合的数据采集、处理和输出系统。初始航向设置开关7用于发射前手动设置初始航向角，是8位状态开关。输出匹配模块8是两个12只继电器阵列，受信号采集处理电路板2给出的控制编码驱动，模拟机械航向陀螺的航向角在0～360°范围的分段表示。

结合图3，所述的初始航向设置开关7选用8-bit编码开关，8-bit编码开关可将0～360°航向角的分为2⁸份表示，1LSB=1.40625°。

结合图1和图3，所述的信号采集处理电路板2上的角速率陀螺3选用ADXRS290双轴MEMS陀螺仪，加速度计4选用ADXL345三轴MEMS加速度计，微处理器5选用STM32F103BT6嵌入式微处理器， CAN通讯接口6选用SN65HVD230 CAN驱动电路，译码器22选用54LS154十六选一译码器。

结合图2，所述的环状安装基座11是航向陀螺安装结构部分的主体，材料为硬铝2A12，，直径57mm；航向陀螺轴向长度85mm，后盖组件10装在环状安装基座11的左侧，前盖组件12装在环状安装基座11的右侧，后盖组件10和前盖组件12的外径为50mm；供电模块1安装在后盖组件10内部底端，初始航向设置开关7用胶粘接在后盖组件10的侧面，电池9的插头插接在供电模块1上，方便电池的更换；输出连接器13用胶粘接在前盖组件12底端，插针朝外。

结合图4，信号采集处理电路板2还包括航向陀螺控件，航向陀螺控件由初始化模块23、传感器数据采集软件模块24、航向角解算软件模块25、输入输出模块26执行任务；航向陀螺控件程下载在信号采集处理电路板2的微处理器5的程序存储器内，传感器数据采集软件模块24通过SPI总线接口与角速率陀螺3和加速度计4电连接，采集角速率陀螺3和加速度计4的输出信号，对采集到的角速率及加速度信号进行解码和补偿等处理；航向角解算软件模块25对X、Y、Z三个轴向角速率和加速度数据进行四元数导航解算获得航向角；输入输出模块26通过CAN通讯接口6输出航向角，同时控制译码器给出输出匹配模块8的控制编码。

本发明可以作为一种适用于水下航行载体的采用MEMS惯性传感器的航向陀螺设计方案，满足某些较短航程水下航向载体对发射入水到水下航行过程中控制系统对偏航角测量的实际需求。本实施例没有详细叙述的部件、结构及软件方法属本行业的公知部件、常用结构或常用手段，这里不一一叙述。