转轴穿出通孔；编码器 安装架2圆柱形凸起置于中空超声电机4的圆柱形内孔中且保证同轴；连轴垫片6连接中 空超声电机4的转子与绝对式光电编码器3的转轴，使得绝对式光电编码器3能够测量中 空超声电机4的转动角度；L形陀螺支架7侧面用于安装光纤陀螺，底面用于安装倾角传感 器，可以快速方便的组建光纤陀螺寻北仪；陀螺支架7底面置于连轴垫片6上，并用螺钉与 中空超声电机4的转子紧固安装，使得中空超声电机4能够带动陀螺支架7同步转动；嵌入 式控制器8通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器3,通过RS232通信电缆连接超声电 机控制器5,超声电机控制器5通过电缆与中空超声电机4连接，构成转位机构闭环控制系 统。电源模块9分别通过电缆给绝对式光电编码器3、超声电机控制器5和嵌入式控制器8 提供+5V、+12V、+5V直流电源。
[0018] 具体实施时，绝对式光电编码器3采用16位绝对式编码器，分辨率达0.005°，为 转位机构转位精度提供了保障。该编码器数据刷新率达400Hz，能够保证转位控制的实时 性，通过RS485协议输出数据的方式能够提高转位机构的集成性与扩展性。中空超声电机 4及超声电机控制器5采用TRUN-7036系列及与之匹配的驱动器。该旋转型超声电机具有 70_内孔，可用于安装绝对式光电编码器3。中空超声电机4转动精细，结合高精度绝对式 光电编码器3能够保证系统转位精度达0. 005°。中空超声电机4特殊的工作原理决定其 具有停转自锁的特性，能够在停转时无需额外的锁止机构即可达到锁止目的。超声电机控 制器5可以通过RS232通信协议接收外部指令，进而控制中空超声电机4运动。其具体指 令包括正转指令、反转指令及停止指令。编码器安装架2的结构设计，结合绝对式光电编码 器3、中空超声电机4物理尺寸及两者安装要求，经过特殊优化而成，如图2所示。编码器安 装架2中间圆柱凸起内部用于安装绝对式光电编码器3,外部置于中空超声电机4内孔中， 使得绝对式光电编码器3的转轴与超声电机4的转动中心同轴。绝对式光电编码器3的转 轴通过连轴垫片6与中空超声电机4的转子连接，从而实现对中空超声电机4转动位置的 监测。整个转位结构安装效果如图3所示。
[0019] 所述陀螺支架7采用L形设计，合金材料加工而成。整个陀螺支架7置于连轴垫 片6上，通过螺钉与中空超声电机4紧固安装，中空超声电机4转位时，即可实现陀螺支架 7侧面方位的切换，旋转轴与水平面垂直。陀螺支架7侧面与底面正交，底面用于安装倾角 传感器，侧面用于安装光纤陀螺，可以方便的构成光纤陀螺寻北仪系统。
[0020] 如图4所示，嵌入式控制器8以DSP为核心，具有RS485、RS232通信接口，分别与 绝对式光电编码器3和超声电机控制器5通信。在嵌入式控制器8的闭环控制下，转位机 构可以实现指定角度位置的转位。角度转位控制子程序流程图如图5所示。
[0021] 转位机构转位实验，针对本发明所述实验转位机构，采用光纤陀螺寻北仪四位置 寻北法使用的0° -90° -180° -270° -0°这四个位置进行连续转位测试，得到5组如下 误差数据。
[0022] 转位机构连续转位误差单位：度
[0023]
【主权项】
1. 一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其特征在于，包括 基座（1)、编码器安装架（2)、绝对式光电编码器（3)、中空超声电机（4)、超声电机控制器 (5) 、连轴垫片（6)、陀螺支架（7)、嵌入式控制器（8)和电源模块（9);其中，所述编码器安装 架（2)安装于基座（1)上；编码器安装架（2)具有空心的圆柱形凸起，在圆柱形凸起顶部开 有通孔；绝对式光电编码器（3)安装于编码器安装架（2)的圆柱形凸起内部，其转轴穿出通 孔；编码器安装架（2)的圆柱形凸起置于中空超声电机（4)的圆柱形内孔中且保证同轴；连 轴垫片（6)连接中空超声电机（4)的转子与绝对式光电编码器（3)的转轴，使得绝对式光 电编码器（3)能够测量中空超声电机（4)的转动角度；L形陀螺支架（7)底面置于连轴垫片 (6) 上，并用螺钉与中空超声电机（4)的转子紧固安装，使得中空超声电机（4)能够带动陀 螺支架（7)同步转动；嵌入式控制器（8)通过RS485通信电缆连接绝对式光电编码器（3)， 通过RS232通信电缆连接超声电机控制器（5)，超声电机控制器（5)通过电缆与中空超声电 机（4)连接；电源模块（9)分别通过电缆给绝对式光电编码器（3)、超声电机控制器（5)和 嵌入式控制器（8)提供+5V、+12V、+5V直流电源。
2. 根据权利要求1所述基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其 特征在于，所述绝对式光电编码器（3 )为16位绝对式光电编码器，体积小，能够置于中空超 声电机（4)内孔中。
3. 根据权利要求1所述基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构，其 特征在于，所述中空超声电机（4)具有内孔，可安装绝对式光电编码器（3)，断电自锁，无磁 场辐射；所述超声电机控制器5通过RS232通信协议接收外部指令，进而控制中空超声电机 (4 )，其具体指令包括正转指令、反转指令及停止指令。
【专利摘要】本发明公开了一种基于超声波电机的高精度小型化光纤陀螺寻北仪转位机构。本发明采用精密驱动技术设计光纤陀螺寻北仪转位机构，首次引入超声波电机设计全新转位机构取代传统复杂的机械式转位机构及锁止机构，能够大大简化转位机构的结构。采用该转位机构组成的光纤陀螺寻北仪在不降低寻北精度的情况下，可以大幅减小寻北仪体积和重量，填补了对当前高精度寻北仪转位机构小型化、轻量化技术空白。
【IPC分类】G01C19-72
【公开号】CN104792324
【申请号】CN201510213064
【发明人】王映宇, 周一览, 陈杏藩, 舒晓武, 刘承
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2015年4月29日