专利名称：余度传感器惯性测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有高可靠性并能降低惯性器件测量随机误差影响的惯性测量
直O
背景技术：
惯性导航系统(以下简称惯导系统)为飞机、飞船、轮船以及地面移动设备等载体提供导航以及姿态控制信息，在仅配置一套的情况下，一旦发生故障，将会给载体带来严重或者灾难性的影响。因此，惯导系统在应用过程中通常采用多套惯导系统容错配置或者传感器余度配置等方法，对系统中的设备进行故障检测、隔离以及系统重构，从而提高惯性导航系统的可信性，保障载体运行安全性以及导航过程中定位精度。采用多套惯导系统无疑将会给载体带来尺寸、重量、功耗以及研制成本的增加，限制了该方法在某些载体上应用，例如飞机、飞船、卫星(外形、重量受限)以及汽车(成本受限)等。为此如何在保障传感器余度配置基础上，对惯导系统进行优化，保证测量可靠性和导航精度一直是个技术难题。而余度传感器惯性测量装置在同一安装基座上安装多个惯性传感器，实现传感器余度配置，提高了惯导系统的可靠性。这样载体仅安装一套使用余度传感器惯性测量装置的惯导系统，就可以实现安装几套原惯导系统的余度等级。而且对这多个传感器测量数据进行处理，能够降低传感器测量随机误差的影响从而提高导航精度。
发明内容
为了提高惯导系统可靠性并改善其导航性能，本发明提供了一种结构紧凑、可靠性强的余度传感器惯性测量装置。本发明提供如下技术方案一种余度传感器惯性测量装置，其包括安装基座、陀螺、加速度计，其中，所述安装基座为对称多面体，其相互平行的两个平面上分别安装陀螺和加速度计。所述安装基座垂直于坐标轴的平面上装配减振器，所述余度传感器惯性测量装置通过减振器装配于惯性导航系统机箱。安装基座形状为18面体，由9对相互平行的平面构成，其中有6个平面则垂直于坐标轴，另外12平面中任意一个平面的法线与其中一个坐标轴之间夹角为 31° 43' 2.9"。9个陀螺和9个加速度计通过螺钉分别安装于安装基座的18个面，每个面上安装一个陀螺或者加速度计，相互平行的两个平面上分别安装1个陀螺和1个加速度计。安装基座外表面上加工螺纹孔，陀螺、加速度计、减振器通过螺钉装配于安装基座上。通过计算传感器测量输出值的奇偶校验方程组，检测是否有传感器产生故障，如有传感器产生故障可以将故障传感器进行隔离，删除传感器测量值与绕正交参考系的测量
3方程中测量矩阵里故障传感器所在行，重新配置系统。通过最小二乘法或者卡尔曼滤波方法，对冗余惯性器件重复测量数据进行处理， 重新配置系统，传感器零偏以及安装失准角已经全部标定得到补偿后，其误差协方差矩阵中的每个正交系的标准差减为0. 5774 O。本发明的技术效果余度传感器惯性测量装置在18面体安装基座上对称安装了 9 个陀螺和9个加速度计，即保障了每个坐标轴方向上的运动均有5个传感器进行测量，使惯导系统的可靠性相当于6套独立惯性测量装置并行工作的余度等级，具有较高可靠性。另外通过最小二乘法或者卡尔曼滤波等方法，对冗余惯性器件重复测量数据进行处理，可以减小惯性器件测量误差影响，提高惯性导航系统导航精度。利用空间任意不共面4个向量必线性相关原理，可以建立该测量装置的奇偶校验方程，实现对传感器故障的判断，并将故障传感器从测量系统中排除，重新建立测量方程。惯性测量装置中存在3个平面两两正交， 而与这3个平面相对的另3个平面也两两正交，以这6个平面作为加工基准，可以降低安装基座的加工难度和加工成本。而且在这6个平面中任意两个相互平行的平面上可以安装减振器，减小外界振动对惯性测量装置的影响，有利于该装置应用于苛刻的工作环境，因此具有较大的应用价值。
图1是本发明余度传感器惯性测量装置装配结构示意图，其中，1-安装基座，2-陀螺，3-加速度计，4-减振器，5-螺钉。图2是本发明余度传感器惯性测量装置安装基座未加工螺纹孔之前的结构示意图，其中，6-ΧΧ平面，7-ΥΥ平面，8-ΖΖ平面，9-ΑΑ平面，10-ΒΒ平面，Il-CC平面，12-DD平面， 13-ΕΕ平面，14-FF平面。图3是本发明余度传感器惯性测量装置加速度计装配结构示意图，其中，1-安装基座，2-陀螺，3-加速度计，4-减振器，5-螺钉。图4是本发明余度传感器惯性测量装置减振器装配结构示意图，其中，1-安装基座，2-陀螺，3-加速度计，4-减振器，5-螺钉。图5是本发明余度传感器惯性测量装置减振器装配平面结构示意图，其中，1-安装基座，2-陀螺，3-加速度计，4-减振器，5-螺钉。
具体实施例方式下面通过具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明请同时参阅图1-图5，给出了本发明余度传感器惯性测量装置的结构。本发明余度传感器惯性测量装置包括安装基座1、陀螺2、加速度计3、减振器4、螺钉5。其中，所述安装基座为18面体，其中有6个平面与相应的X、Y、Z坐标轴垂直，分别为图示XX平面6，YY 平面7，U平面8以及与它们相对的平面——X' X'平面，Y' Y'平面，Z' V平面。另外，上述6个与坐标轴垂直的平面相邻两侧对称设置有一对斜面，其中，ZZ平面8两侧为AA平面9和BB平面10，二者的法线A、B与Z轴之间夹角为31° 43' 2.9"。 与AA平面9、BB平面10相对的平面——A' A'平面、B' B'平面设置在Z' V平面两侧——与Z轴之间夹角同样为31° 43' 2.9"。所述XX平面6两侧为CC平面11和DD平面12，二者的法线C、D与X轴之间夹角为31° 43' 2. 9〃。而且CC平面11和DD平面12 相对平面——C' C'平面、D' D'平面对应设置在X' X'平面两侧，二者的法线与X轴之间夹角同样为31° 43' 2.9〃。所述YY平面7两侧为EE平面13和FF平面14，二者的法线E、F与Y轴之间夹角为31° 43' 2. 9〃。与EE平面13和FF平面14相对的平面—— E' E'平面、F' F'平面对应设置在Y' Y'平面两侧，二者的法线与Y轴之间夹角同样为 31° 43' 2.9"。所述安装基座的18个面体上加工有螺纹孔，螺钉穿过惯性敏感元件——陀螺2和加速度计3——上加工的光孔将惯性敏感元件紧固在安装基座1上，其中陀螺2安装于AA 平面、BB平面、CC平面、DD平面、EE平面、FF平面、XX平面、YY平面和ZZ平面，加速度计安装于A' A'平面、B' B'平面、C' C'平面、D' D'平面、E' E'平面、F' F'平面、 X' X'平面、Y' Y'平面和Z' V平面。减振器4采用同样的方式装配于安装基座上两个垂直于同一坐标轴的两个平行平面上(XX平面、X' X'平面或者YY平面、Y' Y'平面或者ZZ平面、Z' Z'平面，图1-图5中为示意，安装时可以选择上述3组平面中任意1组)。 这样余度传感器惯性测量装置则可以通过减振器安装于惯导系统机箱中。本发明余度传感器惯性测量装置18面体的构造使得18个惯性传感器中的6个传感器敏感轴与坐标轴一致，另外12个传感器的敏感轴与其中一个坐标轴之间夹角为 31° 43' 2.9"，每个坐标轴方向上的平动或者转动均可以由5个传感器同时测量，提高了系统的可靠性，并对这多个传感器测量数据进行处理，能够降低传感器测量随机误差的影响从而提高导航精度。另外，所述减振器通过螺钉安装于基座上垂直于同一坐标轴的两个平面上，余度传感器惯性测量装置通过减振器与惯导系统机箱连接。减振器使环境振动对余度传感器惯性测量装置尽量减小，提高了余度传感器惯性测量装置的环境适应性。下面被测量以角速度为例，说明通过计算可以对故障传感器定位并将其隔离，重新配置系统。被测空间角速度向量可以表示为ω = [ωχ o)y ω ^f根据空间几何关系可以得到9个陀螺所反映的测量值分别为
sm α + ωζ cos a=-ωχ sin α+ ω2 cos amcsin or + ωγ cosamd=-ωγ sin a + ων cos a Λ yme=5sin α + ωζ cos amJ=ω}^ sin a - ωζ cos amx=^xmy=ω>m7 v. 二设
(1)设C = cosa，S = sina，α = 31° 43' 2.9〃则9个陀螺测量值^与绕正交参考系的姿态角速度G之间的测量方程为m = Ha(2)
5
其中
权利要求
1.一种余度传感器惯性测量装置，其包括安装基座[1]，陀螺[2]，加速度计[3]，其特征在于安装基座为对称多面体，其相互平行的两个平面上分别安装陀螺[2]和加速度计 [3]0
2.根据权利要求1所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于所述安装基座[1] 垂直于坐标轴的2个平面上装配减振器W]，所述余度传感器惯性测量装置通过减振器装配于惯性导航系统机箱。
3.根据权利要求2所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于安装基座形状为18 面体，由9对相互平行的平面构成，其中有6个平面则垂直于坐标轴，另外12平面中任意一个平面的法线与其中一个坐标轴之间夹角为31° 43' 2.9"。
4.根据权利要求3所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于9个陀螺和9个加速度计通过螺钉[5]分别安装于安装基座[1]的18个面，每个面上安装一个陀螺[2]或者加速度计[3]，相互平行的两个平面上分别安装1个陀螺和1个加速度计。
5.根据权利要求4所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于安装基座[1]外表面上加工螺纹孔，陀螺[2]、加速度计[3]、减振器[4]通过螺钉[5]装配于安装基座[1]上。
6.根据权利要求1至5任一项所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于通过计算传感器测量输出值的奇偶校验方程组，检测是否有传感器产生故障，如有传感器产生故障可以将故障传感器进行隔离，删除传感器测量值与绕正交参考系的测量方程中测量矩阵里故障传感器所在行，重新配置系统。
7.根据权利要求1至5任一项所述的余度传感器惯性测量装置，其特征在于通过最小二乘法或者卡尔曼滤波方法，对冗余惯性器件重复测量数据进行处理，重新配置系统，传感器零偏以及安装失准角已经全部标定得到补偿后，其误差协方差矩阵中的每个正交系的标准差减为0. 5774 σ。
全文摘要
本发明涉及一种具有高可靠性并能降低惯性器件测量随机误差影响的惯性测量装置。本发明余度传感器惯性测量装置包括安装基座，陀螺，加速度计，减振器，螺钉。其中，安装基座为18面体，其中有6个平面垂直于运动坐标轴，另外12平面中任意一个平面的法线与其中一个坐标轴之间夹角为31°43′2.9″。所述陀螺和加速度计装配在基座上，相互平行的两个平面上分别安装一个陀螺和一个加速度计。减振器装配于基座上两个垂直于同一坐标轴的两个平行平面上。本发明保证了任意一个坐标轴方向的平动或者转动均可以由5个惯性元件同时测量，且减振性好，环境适应强，可靠性高，而且配合数值处理，可以有效提高导航精度，同时加工方便、成本低，具有较大的实际应用价值。
文档编号G01C21/16GK102435190SQ20111027299
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者张明辉, 王京献 申请人:中国航空工业第六一八研究所