专利名称：一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的制作方法
技术领域：
发明属于惯性测量技术或地球物理实验与仪器领域，主要涉及一种高精度快速陀螺寻北装置。
背景技术：
中国专利申请CN90103687. 0公开了我国航空航天部第一设计研究院十五所发明的一种寻北仪。该寻北仪采用安装在转台上的一个挠性陀螺和一个加速度计作为检测元器件，通过挠性陀螺检测出地球自转角速度在多个位置上的分量，结合同一位置的加速度计输出量，解算出初始位置与北向的夹角。采用步进电机驱动转台转动，实现多测量位置的采样。在步进电机的驱动中，采用模拟电路板作为步进电机的驱动控制模块，采用光电脉冲发生器和位置记忆器记录配合使用，以确定单轴转台的零位和其他转动位置。并且每次寻北时，该寻北仪都要进行零位自动调整，即归零运行。此外，该寻北仪的零位指示线位于壳体上，因此，大都用于载体自身的寻北，很少用于对目标进行寻北。并且要实现转位机构控制惯性测量单元在较短的时间内分别停在不同的位置进行数据采集，这在工程实现上较难， 因此其寻北时间较长。中国专利号ZL200610043115. 4公开中国兵器工业第二零五研究所发明的一种采用光纤陀螺作为敏感元件的单轴光纤陀螺寻北仪，该寻北仪包括作为敏感元件的单轴光纤陀螺、转轴、方向指示线、步进电机、单片机、寻北解算计算机，光纤陀螺、方向指示线均固连在转轴上，步进电机可以带动转轴转动，以此可以获得光纤陀螺在不同位置的输出信号，单片机主要完成对转轴转动的控制，寻北解算计算机主要完成光纤陀螺仪在四个等间隔位置上输出数据的采样，并利用其内置的数学模型对采样信号进行处理以及解算出寻北结果， 它既可以完成单纯的寻北功能，也可以完成与目标连线相对于北向的夹角的测量。由于该寻北仪只采样四个位置的数据，较前一种寻北仪的减少了采样位置，因此在一定程度上提高了寻北速度。但减少采样位置，很难达到较高的寻北精度。并且控制陀螺分别停在四个等间隔的不同位置上，再采集陀螺数据，同样需要花费不少于5分钟的寻北时间。并且采用方向指示线输出寻北结果，精度也不会太高，无法与采用光电装置的专用测角仪——全站仪相提并论。为了进一步提高寻北精度，缩短寻北时间，近年来兴起了一种高精度动态旋转调制寻北技术。它的基本原理是在计算机控制和电机的带动下，惯性测量单元(IMU)以恒定的角速度连续旋转，计算机同时采集陀螺仪敏感轴的数据和加速度计的数据，读取测角装置的值作为当前角度，由寻北计算机解算出偏北方位角。该方法可以将陀螺仪的漂移抑制成转速的倒数倍，并消除了陀螺仪刻度因子对寻北精度的影响，大大提高了同等指标的陀螺仪的寻北精度和速度。但是国内对连续旋转调制寻北方法的研究，还处于探索阶段，对其原理介绍的较多，而对其进行系统研究的还较少，未见有工程实用化的产品。发明内容本发明的目的是提供一种利用连续旋转调制捷联寻北的陀螺寻北仪装置，以便在载体存在大姿态角的条件下，且无需调平、无需知道测点纬度的情况下实现快速、精确寻北测量，提高测地作业速度。本发明是这样实现的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其中，包括基座、高精度单轴转台系统、陀螺仪、加速度计、导电滑环、力矩电机、恒速控制电路、电源转换/滤波电路、信号调理电路、高速信号采集/处理装置、高速寻北解算计算机控制显示装置；力矩电机驱动高精度单轴转台系统相对基座旋转；单轴转台系统上安装陀螺仪、 加速度计；单轴转台系统上安装的陀螺仪、加速度计通过导电滑环与恒速控制电路、电源转换/滤波电路、信号调理电路、高速信号采集/处理装置、高速寻北解算计算机电气连接。如上所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其中，高精度单轴转台系统包括转台、精密平面竖轴系、光电圆光栅尺、传感器支架，传感器支架和转台均固连在竖轴系转轴上；光电圆光栅尺用于测量转台转过的角度；所述陀螺仪水平安装在支架安装孔内，其敏感轴线与转轴正交，且转台过零位时，陀螺测量坐标系X轴方向与光电圆光栅尺读数头的零位线相同；所述信号调理电路板、高速寻北解算计算机、信号处理板、电源滤波转换板、陀螺仪控制驱动电路板分别安装在单轴转台支架的四周；所述导电滑环旋转部分与所述竖轴系转轴固连，其固定部分与基座固连；所述陀螺仪及加速度计的输出信号送入所述的信号调理电路，进行滤波、放大后送入A/D转换器；所述的恒速控制电路比较稳定的晶振与光电圆光栅尺读数头输出的频率和相位差，并进行控制，稳定电机的转速；所述基于FPGA的高速信号处理装置完成码盘信号的数字滤波及倍频处理，记录转台的零位、瞬时角位置，完成陀螺信号和加速度计信号的 3路高速A/D数据的采集、平滑滤波、野值剔除及数据存储，解译寻北计算机的地址及指令码；所述高速寻北解算计算机在收到高速信号处理装置发出的中断信号后，立即读取陀螺仪和两个加速度计的数据，调用滤波模块进行滤波和寻北解算。如上所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其中，所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪顶部具有连接结构，安装全站仪。进一步的，根据本发明，所述连接结构位于寻北仪顶端，用以将全站仪和寻北仪连接为一体，由于全站仪固定装配好后，其零位相对圆光栅读数头的零位的夹角是固定的，称之为仪器常数，寻北仪测出偏北角后加上该仪器常数和全站仪的输出数据即为测线的偏北角。如上所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其中，高速寻北解算计算机由DSP 高速微处理器TMS320F6713、型号为]\C9F400的16*1M的flash、型号为IS16LV512的 16*512k的RAM、时钟电路、复位电路及供电电路组成。以下简介作为滤波核寻北解算的一个示例，本领域技术人员可以采用其它公知技术计算。实时寻北算法包括初值估算模块和精确解算模块，初值估算模块根据转台旋转一圈时陀螺仪和加速度计的输出数据，采用正交解调算法，解算出偏北方位、当地纬度、陀螺漂移、姿态角，并作为精确寻北算法的初值。精确寻北算法在粗寻北的基础上采用实时递推的最小二乘方法算法，减小了陀螺仪、加速度计的系统误差，实时解算出测点的偏北方位角、当地纬度，从而达到了快速、实时寻北的目的。所述的控制显示装置采用嵌入式计算机 (ARM9)、7#彩色液晶屏、触摸屏组成，屏幕显示色彩丰富、清晰、美观；采用菜单选择、触摸屏操作方式，使得操作直观、简便。本发明采用的锁相稳速电路实现了转台的恒速旋转控制，电路结构简单，成本低， 转台的转速稳定精度高；以陀螺仪和石英加速度计作为敏感器件，采用连续旋转的方式寻北，减小了陀螺漂移对寻北精度的影响，提高了寻北精度；采用大规模集成电路、高速的数字运算处理芯片FPGA(3C25)、DSP (TMS320F6713)相结合实现了高速数据采集、存储和运算处理，电路运算处理速度快、功能强大、结构简单；在解算方法上采用初值估算和精确解算相结合，初值估算模块根据转台旋转一圈时陀螺仪和加速度计的输出数据采用正交解调算法，精确寻北算法在粗寻北的基础上采用实时递推的最小二乘方法算法，减小陀螺仪、加速度计的系统误差，实现了实时解算出测点的偏北方位角、当地纬度，使得系统实现了快速、 实时寻北的目的。同时发明的连接装置可将全站仪和寻北仪连结为一体，使得本发明既可以完成单纯的寻北即找到北向功能，又可以完成测点与目标的连线的偏北角测量。本发明采用嵌入式计算机、触摸屏、大屏幕彩色液晶显示器设计的控制显示装置，使得操作简便， 寻北结果显示美观、易懂。本发明解决了以下问题a.用两只加速度计测出载体姿态角，并用该数据补偿了载体姿态误差引起的寻北误差，因此无需限制陀螺敏仪感轴在近似水平状态下寻北，取消了类似陀螺稳定平台的复杂的调平机构；b.无需外加纬度信号即可完成精确寻北，同时本发明可测出测点与目标的连线的偏北角、测点的纬度和车体的姿态角；c.信号处理装置采用超大规模、高速的数字运算处理芯片组成，可实现实时信号高速数据采集和复杂计算；d.在连续旋转状态下寻北，可消除陀螺及加速度计的系统误差，从而可以提高寻北精度；e.在采用实时递推的最小二乘方法算法，减小陀螺仪、加速度计的系统误差，实现了实时解算出测点的偏北方位角、当地纬度的目的；f.本发明不到30秒即可输出数据，且寻北精度优于10' (1δ)；每12秒刷新一次结果，精度随时间增加而提高，寻北时间2分，寻北精度优于1'；寻北时间5分，寻北精度 30"，使用中可根据需要选择不同的寻北精度和时间。以上时间不含预热时间(3分钟)；g.使用导电滑环进行供电和通信，实现了不间断旋转过程中的供电和通信。

图1是本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪结构组成示意图；图2是本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的传感器装置俯视图；图3是本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的控制箱面版布局图；图4是本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的控制箱内部元件电路板布局图；图5是本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的工作原理示意图；图6本发明一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的北向夹角定义示意图。[0031]图1中1-全站仪；2-连接结构；3-加速度计；4-磁屏蔽罩；5-基座；6_陀螺仪； 7-转台；8-光电圆光栅尺；9-光电读数头；10-精密竖轴系；11-导电滑环；12-直流力矩电机；13-接线插座；14-三个角螺旋图2中D1_陀螺仪控制驱动电路板；D2-电源滤波转换；D3信号调理电路板；D4、 寻北解算计算机；Zl-转台面固定螺丝；Z2-支架；Z3-电路板的固定螺丝；Z4-磁屏蔽外壳固定螺丝；图4中X0-控制显示装置XO ；Xl-控制显示计算机；D0、D1_开关稳压电源；Wl-稳速电路；KI-电源输入插座及开关。图6中=Otl-转台零位与真北方向的夹角；r-全站仪零位与转台零位的夹角； α_全站仪的读数。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明
以下结合附图1、附图2、附图3、附图4、附图5及样机对本发明作进一步的详述。其原理是采用连续旋转调制的捷联测北方法，将一只陀螺和两只加速度计安装在可实现以较高角速率的稳定精度连续转动的单轴转台上，通过转台的连续旋转，陀螺测出各等间隔位置上的地球自转角速度水平分量，加速度计同步测出重力加速度分量，将信号送入信号处理装置，由该装置中的高速寻北计算机实时处理，解算出测点的偏北角、当地的纬度及载体的姿态角。其测量精度为寻北时间30秒，寻北精度6'；寻北时间2分钟，寻北精度1'；寻北时间5分钟，寻北精度30"，寻北输出结果每12秒刷新一次，精度随时间的增加提高，使用中可根据需要任意选择不同的寻北精度和时间。正如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明所述一种动态旋转调制的陀螺寻北仪的一个实施例包括基座5、陀螺仪6、2个加速度计3、力矩电机12、精密竖轴系10、导电滑环11、高精度的光电圆光栅尺8及读数头9、转台7、支架Ζ2、三个角螺旋14、连接结构2、信号调理电路板D3、全站仪1、直流力矩电机的恒速控制电路、高速寻北解算计算机、高速数字信号处理电路D4、电源滤波转换电路D2、陀螺仪控制驱动电路D1、控制显示装置Χ0。力矩电机12的定子部分安装在壳体的下端，其转子与精密竖轴系10下端固连，精密竖轴系10上端固连安装有传感器支架Ζ2的转盘7，陀螺仪6安装在支架Ζ2的安装孔内， 2只加速度计3分别沿双轴陀螺的两个敏感轴的方向，垂直安装在单轴转台支架上方互相垂直的两个安装孔内。陀螺仪6采用一次启动漂移小于0. 02° /h的双轴动力调谐陀螺仪，2个加速度计3为分辨率优于1 X ΙΟ"5的石英挠性加速度计，力矩电机12采用分装式永磁直流力矩电机，恒速控制电路采用数字锁相环设计，高速数字信号处理电路D4采用大规模的集成电路 FPGA (cyclone 3C25)，寻北解算计算机采用高速微处理器DSP (TMS320F6713)。信号调理电路板D3、寻北解算计算机D4、电源滤波转换板D2、陀螺仪控制驱动电路板Dl分四块，安装在单轴转台支架Z2的四周；电源Dl由导电滑环11送入电源滤波转换板D2，经滤波、变换、稳压处理后供给陀螺仪控制驱动电路板D1、信号调理电路板D3、寻北解算计算机、信号处理板D4 ；串口通信数据也经导电滑环在显示控制计算机Xl和寻北计算机之间传输；[0042]上述电路能够在转台旋转时同步旋转，实时解算；配合导电滑环11，使得寻北过程中高精度单轴转台7可以无限制的以任意角度、任意时长的旋转，这样，既能保证寻北仪在短时间内快速检测多个旋转位置上数据，最快速度的得到寻北结果，又可以通过长时间不间断的旋转，采集多组数据，提高寻北精度。突破了现有技术只能固定位置，固定顺序旋转的局限。三个角螺旋14均布固定在基座下端，用来调节台面的水平；连接结构2位于寻北仪顶端，用以将全站仪1和上述的寻北仪连接为一体；控制显示装置XO中包括开关电源、采用嵌入式计算机ARM9、7#彩色液晶屏、触摸屏组成的控制显示系统、恒速控制电路、陀螺电源开关按钮、伺服启/停开关，它通过13接线插座实现与寻北仪主机的电气连接。本发明样机所测出的北向角度为寻北仪测出偏北角后加上仪器常数，和全站仪照准目标后的输出数据即为测线的偏北角，如图6所示。本发明涉及的系统的信号处理的过程是所述的恒速控制电路比较稳定的晶振与光电圆光栅尺输出的频率和相位差来调节电机的转速，使转台以较高相对精度的角速率旋转，近似恒速；陀螺6通过单轴转台的连续旋转，测出在各等间隔位置上的地球自转角速度在其敏感轴方向的分量，并以此多位置测量的方式消除陀螺的系统误差；两个加速度计3沿陀螺的敏感轴方向，与陀螺同步测量， 测出在各位置上的重力加速度分量，以此计算陀螺敏感轴所在平面相对水平面的姿态角， 并以此多位置测量的方式消除加速度计的系统误差；所述陀螺仪6及加速度计3的输出信号送入所述的信号调理电路D3，进行滤波、放大后送入A/D转换器，所述基于FPGA的高速信号处理装置D4完成码盘信号的数字滤波及倍频处理，记录转台的零位、瞬时角位置，完成三路高速A/D数据的采集、平滑滤波、野值剔除及数据存储，解译寻北计算机的地址及指令码，所述寻北计算机系统D4由DSP高速微处理器TMS320F6713、16*1M的flash (iC9F400)、 16*512k的RAM(IS16LV512)、时钟电路、复位电路及供电电路组成，寻北计算机在收到高速信号处理装置发出的中断信号后，立即读取陀螺仪和两个加速度计的数据，调用滤波模块进行滤波和寻北解算；实时寻北算法包括初值估算模块和精确解算模块，初值估算模块根据转台旋转一圈时陀螺仪和加速度计的输出数据，采用正交解调算法，解算出偏北方位、当地纬度、陀螺漂移、姿态角，并作为精确寻北算法的初值。精确寻北算法在粗寻北的基础上采用递推卡尔曼滤波算法，减小了陀螺仪、加速度计的系统误差，实时解算出测点的偏北方位角、当地纬度，从而达到了快速、实时寻北的目的。寻北仪测出偏北角后加上仪器常数和全站仪的输出数据即为测线的偏北角。此解算过程仅仅作为本发明的一个示例，并不限定本发明的使用方法。本发明优选实施例进行寻北的工作过程如下1)调整三个角螺旋14，在两个互相垂直的方向上转动全站仪1，使得全站仪的水泡处于中央位置。2)接通电源开关后，控制显示计算机Xl进入控制系统，液晶显示器显示操作菜单选项。3)接通控制箱XO上的陀螺电源开关，陀螺马达电源Dl向陀螺马达供电，陀螺启动；电源转换滤波电路D2给出信号调理电路D2、数字信号处理电路、寻北计算机D4供电；[0053]4)接通控制箱上的伺服启/停开关，开关电源给恒速电路供电，转台带动传感器单元恒速转动；5)点击触摸屏上的开始寻北按钮框，控制显示计算机Xl向寻北计算机D4发出开始寻北指令，寻北计算机收到指令后返回确认信号，并向信号处理装置发送开始指令，信号处理装置开始采集陀螺仪和加速度数据并存储；6)寻北计算机在收到信号处理装置的中断信号后，开始读取数据进行解算，并在整周期时输出解算结果到控制显示装置显示，每一圈(12秒)更新一次解算结果；7)在寻北过程中，按下触摸屏上的结束寻北框，控制显示计算机Xl向寻北计算机 D4发出停止指令结束寻北；控制显示将近2分钟的数据平滑处理后显示。8)关断伺服启/停开关，转台停止转动，关断陀螺电源开关，陀螺停止工作，关断总电源开关。
权利要求1.一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其特征在于包括基座、高精度单轴转台系统、 陀螺仪(6)、加速度计(3)、导电滑环(11)、力矩电机(12)、恒速控制电路、电源转换/滤波电路(D2)、信号调理电路(D3)、高速信号采集/处理装置、高速寻北解算计算机(D4)、控制显示装置(XO)；力矩电机(1 驱动高精度单轴转台系统相对基座旋转；单轴转台系统上安装陀螺仪 (6)、加速度计(3)；单轴转台系统上安装的陀螺仪(6)、加速度计(3)通过导电滑环(11)与恒速控制电路、电源转换/滤波电路(D2)、信号调理电路(D3)、高速信号采集/处理装置、 高速寻北解算计算机(D4)电气连接。
2.如权利要求1所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其特征在于高精度单轴转台系统包括转台(7)、精密平面竖轴系(10)、光电圆光栅尺、传感器支架(Z2)，传感器支架 (Z2)和转台(7)均固连在竖轴系(10)转轴上；光电圆光栅尺用于测量转台(7)转过的角度；所述陀螺仪(6)水平安装在支架(Z2)安装孔内，其敏感轴线均与转轴正交，且转台过零位时，陀螺测量坐标系χ轴方向与光电圆光栅尺读数头的零位线相同；所述信号调理电路板(D!3)、高速寻北解算计算机(D4)、信号处理板(D4)、电源滤波转换板(D2)、陀螺仪控制驱动电路板(Dl)分别安装在单轴转台支架、ΤΣ)的四周；所述导电滑环(11)旋转部分与所述竖轴系(10)转轴固连，其固定部分与基座固连；所述陀螺仪(6)及加速度计C3)的输出信号送入所述的信号调理电路，进行滤波、放大后送入A/D转换器；所述的恒速控制电路比较稳定的晶振与光电圆光栅尺读数头输出的频率和相位差，并进行控制，稳定电机的转速；所述基于FPGA的高速信号处理装置(D4)完成码盘信号的数字滤波及倍频处理，记录转台的零位、瞬时角位置，完成陀螺信号和加速度计信号的3路高速A/D数据的采集、平滑滤波、野值剔除及数据存储，解译寻北计算机的地址及指令码；所述高速寻北解算计算机(D4)在收到高速信号处理装置发出的中断信号后，立即读取陀螺仪和两个加速度计的数据，调用滤波模块进行滤波和寻北解算。
3.如权利要求2所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其特征在于所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪顶部具有连接结构O)，安装全站仪(1)。
4.如权利要求3所述的一种动态旋转调制的陀螺寻北仪，其特征在于高速寻北解算计算机(D4)由DSP高速微处理器TMS320F6713、型号为]\C9F400的16*1M的flash、型号为 IS16LV512的16*512k的RAM、时钟电路、复位电路及供电电路组成。
专利摘要本实用新型属于惯性测量技术或地球物理实验与仪器领域，具体涉及一种动态旋转调制的陀螺寻北仪。目的是提供一种利用连续旋转调制捷联寻北的陀螺寻北仪装置。包括基座、高精度单轴转台系统、陀螺仪、加速度计、导电滑环、力矩电机、恒速控制电路、电源转换/滤波电路、信号调理电路、高速信号采集/处理装置、高速寻北解算计算机控制显示装置；力矩电机驱动高精度单轴转台系统相对基座旋转；单轴转台系统上安装陀螺仪、加速度计，与恒速控制电路、电源转换/滤波电路、信号调理电路、高速信号采集/处理装置、高速寻北解算计算机电气连接。本实用新型的优点是在载体存在大姿态角的条件下，且无需调平、无需知道测点纬度的情况下实现快速、精确寻北测量，提高测地作业速度。
文档编号G01C19/02GK202126265SQ20112021857
公开日2012年1月25日 申请日期2011年6月24日 优先权日2011年6月24日
发明者刘思伟, 杨猛, 王 华, 田育民, 白云超, 蒋庆仙, 陈晓璧, 陈炜, 马小辉, 高扬 申请人:西安测绘研究所