专利名称：惯性测量单元的零位自校准电压频率转换装置的制作方法
技术领域：
本发明属于惯性导航技术领域，主要涉及一种惯性测量单元用电压频率转换装置，尤其涉及一种带有零位自校准的电压频率转换装置。
背景技术：
惯性导航系统是依靠测量载体(飞机、船舰、火箭等)本身的加速度和角速度来计算载体的瞬时航向、姿态、速度、位置等信息。由于其自主性强、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，使其成为一种在航空、航海、航天等许多领域中被广泛使用的主要导航方式。惯性测量单元是惯性导航系统的重要组成部分，它一般固连在载体上，主要用于感应载体加速度和角速度的瞬时变化量。惯性测量单元的三路陀螺信号输出和三路加速度计的输出通过两个采样装置送入导航计算机，导航计算机根据导航算法便可以得到载体的姿态、速度、位置等信息。故采样装置的优劣会严重影响到惯性导航系统的性能。惯性导航系统中最常用的采样装置有模拟数字转换装置和电压频率转换装置。惯性测量单元测得的值为连续值，由香农采样定理可知，通过模拟数字转换装置将连续值转换为离散值必然会造成信息的丢失，会对惯性导航系统的精度造成影响，而电压频率转换装置是通过对输出数据的不断积分得到惯性测量单元的输出信息，克服了模拟数字转换装置丢失信息的缺点。然而惯性导航系统的使用环境十分复杂，而一般的电压频率转换装置的相对零位会随着环境的变化而发生改变，在环境变化较大的情况下就需要对零位进行重新标定，这就严重影响到了电压频率转换装置的可靠性和应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对一般电压频率转换装置在环境发生较大变化时需要对零位进行重新标定的缺点，为惯性测量单元提供一种带有零位自校准的电压频率转换装置。为解决上述技术问题，本发明提供的零位自校准电压频率转换装置包括第一至第四电压频率转换电路、第一至第六开关和置入导航计算机的采样模块，第一、第二开关的一端均与惯性测量单元的X通道输出端相连，第三、第四开关的一端均与惯性测量单元的Y通道输出端相连，第五、第六开关的一端均与惯性测量单元的Z通道输出端相连；第一、第三和第五开关的另一端与第一、第二和第三电压频率转换电路的输入端对应相连且分别构成采样通道X、采样通道Y和采样通道Z;第二、第四和第六开关的另一端均与第四电压频率转换电路的输入端相连并构成采样通道A ;第一至第六开关的控制端均与导航计算机的控制端口相连；第一至第四电压频率转换电路的输出端均与导航计算机的信号采集端口相连；所述采样模块的功能是在进入第一采样周期时，控制第一至第六开关为断开状态，统计本周期内所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A采集到的内部信号；在进入第二采样周期时，控制第一、第三和第五开关由断开状态变为闭合状态，计算所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A在前一采样周期中内部信号的平均值并将计算值作为各自通道的零位值，将本采样周期内所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z采集到的各外部信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入导航解算模块中，统计本周期所述采样通道A采集到的内部信号；在进入第三采样周期时，控制第一开关由闭合状态变为断开状态、第二开关由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道X自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道X和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块; 在进入第四采样周期时，控制第一开关由断开状态变为闭合状态、第二开关由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道X内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道X和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道X在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第五采样周期时，控制第三开关由闭合状态变为断开状态、第四开关由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道Y自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Y和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第六采样周期时，控制第三开关由断开状态变为闭合状态、第四开关由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道Y内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Y和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道Y在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第七采样周期时，控制第五开关由闭合状态变为断开状态、第六开关由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A 内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道Z自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Y中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Z和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第八采样周期时，控制第五开关由断开状态变为闭合状态、第六开关由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道Z内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Y中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Z和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道Z在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；反复重复第三周期至第八周期的操作，直到断电为止。本发明通过三个开关和三个电压频率转换电路构成了与惯性测量单元三个输出相对应的三个独立采样通道，通过另三个开关和另一个电压频率转换电路构成了惯性测量单元三个输出共用的采样通道，在六个采样周期中，通过置入导航计算机的采样模块在不同的采样周期对六个开关进行不同的断开和闭合控制，使三个独立采样通道分别在共用采样通道的配合下，依次进行各自通道的零位自校准。本发明克服了一般电压频率转换装置在外界环境发生变化的情况下需要重新标定的缺点，它可以在外界环境发生变化的情况下对惯性测量单元信号进行连续自校准实时采样，具有使用范围广、稳定性好、采样精度和可靠性高的特点。
图I是本发明零位自校准电压频率转换装置的组成及连接关系示意图。图2是本发明中采样模块发送给各个开关的控制信号示意图。图3是置入导航计算机中采样模块的工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。根据图I所示，本发明电压频率转换装置的优选实施例用于采集惯性单元的三路陀螺信号输出。该装置包括第一至第六开关Kl K6、第一至第四电压频率转换电路和置入导航计算机的采样模块。第一至第六开关Kl K6均选用MAX314ESE开关，第一至第四电压频率转换电路均选用ADVFC32。第一、第二开关K1、K2的一端均与惯性测量单元的X通道输出端相连，第三、第四开关K3、K4的一端均与惯性测量单元的Y通道输出端相连，第五、 第六开关Κ5、Κ6的一端均与惯性测量单兀的Z通道输出端相连；第一、第三和第五开关Κ1、 Κ3、Κ5的另一端与第一、第二和第三电压频率转换电路的输入端对应相连且分别构成独立的采样通道X、采样通道Y和采样通道Z ;第二、第四和第六开关Κ2、Κ4、Κ6的另一端均与第四电压频率转换电路的输入端相连并构成惯性测量单元三个通道共用的采样通道A ; 第一至第六开关Kl Κ6的控制端均与导航计算机的控制端口相连；第一至第四电压频率转换电路的输出端均与导航计算机的信号采集端口相连。采样模块按照图2对开关的控制时序及图3的工作流程完成以下操作步骤第一步，在计时器t开始计时的同时，向第一至第六开关Kl K6的控制端发送断开指令，统计本周期内采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A采集到的内部信号。计时器以采样周期为报时间隔，在本发明中采样周期的长度设为T。第二步，当计时器t的计时到T时，向第一、第三和第五开关K1、K3、K5的控制端发送闭合指令，计算采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A在前一采样周期的内部信号平均值并作为各自通道的零位值，将当前采样周期内采样通道X、采样通道Y、采样通
6道Z采集到的外部信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中，统计本周期采样通道A采集到的内部信号。第三步，当计时器t的计时到2T时，向第一开关Kl的控制端发送断开指令，向第二开关K2的控制端发送闭合指令；计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道X自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元X通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道X的信号ΛΧ1以及采样通道A的信号ΛΑ1之和构成，信号ΛΧ1为采样通道X在本周期内采集到的第一个信号与采样通道X的零位值之差， 信号Λ Al为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差；第二部分是采样通道A在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道A的零位值作差运算后得到的一组信号。由于在采样通道所输出的每个数据过程中，电压频率转换是对输入信号的不断积分来实现的。当采样模块向第一开关Kl发送断开指令和向第二开关Κ2发送闭合指令时， 惯性测量单元的X通道输出从采样通道X接入采样通道Α，由于在第二个周期的第一个信号采样过程中发生了采样通道之间的切换，因而将惯性测量单元X通道在第二个采样周期输出的第一个信号被割裂成为两部分，因此，惯性测量单元的某通道输出信号在采样通道切换时，需要将切换时刻的那一个信号按照两个通道的信号之和来处理。第四步，当计时器t的计时到3T时，向第一开关Kl的控制端发送闭合指令，向第二开关K2的控制端发送断开指令；计算前一周期内采样通道X采集的内部信号均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元X通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道A的信号ΛΑ2以及采样通道X的信号ΛΧ2 之和构成，信号Λ Α2为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差，信号ΛΧ2为采样通道X在本周期内采集到的第一个信号与采样通道X的零位值之差；第二部分是采样通道X在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道X的零位值作差运算后得到的一组信号。第五步，当计时器t的计时到4T时，向第三开关K3的控制端发送断开指令，向第四开关K4的控制端发送闭合指令；计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道Y自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元Y通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道Y的信号ΛΥ1以及采样通道A的信号ΛΑ3之和构成，信号Λ Yl为采样通道Y在本周期内采集到的第一个信号与采样通道X的零位值之差， 信号Λ A3为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差；第二部分是采样通道A在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道A的零位值作差运算后得到的一组信号。第六步，当计时器t的计时到5T时，向第三开关K3的控制端发送闭合指令，向第四开关K4的控制端发送断开指令；计算前一周期内采样通道Y采集的内部信号均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元Y通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道A的信号ΛΑ4以及采样通道Y的信号ΛΥ2 之和构成，信号Λ Α4为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差，信号△ Υ2为采样通道Y在本周期内采集到的第一个信号与采样通道Y的零位值之差；第二部分是采样通道Y在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道X的零位值作差运算后得到的一组信号。第七步，当计时器的计时到6Τ时，向第五开关Κ5的控制端发送断开指令，向第六开关Κ6的控制端发送闭合指令；计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道Z自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X 和采样通道Y中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元Z通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道Z的信号ΛΖ1以及采样通道A的信号ΛΑ5之和构成，信号ΛΖ1为采样通道Z在本周期内采集到的第一个信号与采样通道Z的零位值之差， 信号ΛΑ5为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差；第二部分是采样通道A在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道A的零位值作差运算后得到的一组信号。第八步，当计时器t的计时到7T时，向第五开关K5的控制端发送闭合指令，向第六开关K6的控制端发送断开指令；计算前一周期内采样通道Z采集的内部信号均值并用其更新该通道的零位值，统计本周期内采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Y中的采样信号分别与各自通道的零位值作差运算后实时送入导航计算机的导航解算模块中；导航单元Z通道的输出信号分为两部分相继送入导航计算机的导航解算模块中，其中第一部分又由采样通道A的信号ΛΑ6以及采样通道Z的信号ΛΖ2 之和构成，信号Λ Α6为采样通道A在本周期内采集到的第一个信号与采样通道A的零位值之差，信号ΛΖ2为采样通道X在本周期内采集到的第一个信号与采样通道Z的零位值之差；第二部分是采样通道Z在本周期内第一个信号之后采集到的所有采样信号分别与采样通道Z的零位值作差运算后得到的一组信号。第九步，当计时器t计时到8T时，给计时器赋值为2T，跳回第三步，重复执行第三步到第八步，直到断电为止。
权利要求
1.一种惯性测量单元的零位自校准电压频率转换装置，包括第一至第三电压频率转换电路，其特征在于还包括第四电压频率转换电路、第一至第六开关(Kl K6)和置入导航计算机的采样模块，第一开关(Kl)、第二开关(K2)的一端均与惯性测量单元的X通道输出端相连，第三开关(K3)、第四开关(K4)的一端均与惯性测量单元的Y通道输出端相连，第五开关(K5)、第六开关(K6)的一端均与惯性测量单元的Z通道输出端相连；第一开关(Kl)、 第三开关(K3)和第五开关(K5)的另一端与第一、第二和第三电压频率转换电路的输入端一一对应相连且分别构成采样通道X、采样通道Y和采样通道Z ;第二开关(K2)、第四开关 (K4)和第六开关(K6)的另一端均与第四电压频率转换电路的输入端相连并构成采样通道 A ;第一至第六开关(Kl K6)的控制端均与导航计算机的控制端口相连；第一至第四电压频率转换电路的输出端均与导航计算机的信号采集端口相连；所述采样模块的功能是在进入第一采样周期时，控制第一至第六开关(Kl K6)为断开状态，统计本周期内所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A采集到的内部信号；在进入第二采样周期时，控制第一开关(Kl)、第三开关(K3)和第五开关(K5)由断开状态变为闭合状态，计算所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z和采样通道A在前一采样周期中内部信号的平均值并将计算值作为各自通道的零位值，将本采样周期内所述采样通道X、采样通道Y、采样通道Z采集到的各外部信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入导航解算模块中，统计本周期所述采样通道A采集到的内部信号；在进入第三采样周期时， 控制第一开关(Kl)由闭合状态变为断开状态、第二开关(K2)由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道X自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道X和采样通道 A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第四采样周期时，控制第一开关(Kl)由断开状态变为闭合状态、第二开关(K2)由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道X内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道Y和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道X和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道X在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第五采样周期时，控制第三开关(K3)由闭合状态变为断开状态、第四开关(K4) 由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道Y自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Y和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第六采样周期时，控制第三开关(K3)由断开状态变为闭合状态、第四开关(K4)由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道Y内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Z中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Y和采样通道A 在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块， 将采样通道Y在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；在进入第七采样周期时，控制第五开关(K5)由闭合状态变为断开状态、第六开关(K6)由断开状态变为闭合状态，计算上一周期采样通道A内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道Z自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Y中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Z和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道A在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块； 在进入第八采样周期时，控制第五开关(K5)由断开状态变为闭合状态、第六开关(K6)由闭合状态变为断开状态，计算上一周期采样通道Z内部信号的均值并用该值更新该通道的零位值，统计本周期内所述采样通道A自第一个信号之后采集到的内部信号，将采样通道X和采样通道Y中的采样信号分别扣除各自通道的零位值后实时送入所述导航解算模块中，将采样通道Z和采样通道A在本周期分别采集的第一个信号扣除各自通道的零位值再求和后送入所述导航解算模块，将采样通道Z在本周期第一个信号之后采集到的所有采样信号分别扣除自身通道零位值后依次送入所述导航解算模块；反复重复第三周期至第八周期的操作，直到断电为止。
全文摘要
本发明公开了一种惯性测量单元的零位自校准电压频率转换装置，属于惯性导航技术领域。该装置通过三个开关和三个电压频率转换电路构成了与惯性测量单元三个输出相对应的三个独立采样通道，通过另三个开关和另一个电压频率转换电路构成了惯性测量单元三个输出共用的采样通道；在六个采样周期中，通过置入导航计算机的采样模块在不同的采样周期对六个开关进行不同的断开和闭合控制，使三个独立采样通道分别在共用采样通道的配合下依次进行各自通道的零位自校准。本发明不仅能够对惯性测量单元的输出信号进行不间断采样，而且不再需要在环境变化时进行电压频率转换通道零位的重新标定，具有使用范围广，稳定性好、采样精度和可靠性高的特点。
文档编号G01C21/16GK102589545SQ201210009420
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者康臻, 张建峰, 朱贞, 李颖娟, 薛媛元, 许开銮, 贺峻峰, 郭栓运, 马忠孝 申请人:中国兵器工业第二0五研究所