一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法.pdf

1、10申请公布号CN104266647A43申请公布日20150107CN104266647A21申请号201410443211222申请日20140902G01C21/1820060171申请人北京航天发射技术研究所地址100076北京市丰台区南大红门路1号申请人中国运载火箭技术研究院72发明人王盛白焕旭任建国孙寿才张桃源卫瑞朱燕萍74专利代理机构北京双收知识产权代理有限公司11241代理人左明坤54发明名称一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法57摘要本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪涉及一种寻北仪，特别是涉及一种用于车载定向的高精度快速寻北仪。其目的是为了提供结构简单

2、、测量误差小、测量时间短、不怕外界扰动、使用寿命长的一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪。本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪包括三轴IMU组件21、I/F板4和主控板3，所述三轴IMU组件21固定在转位装置2的转子上，三轴IMU组件21是由三轴激光陀螺和三轴加速度计构成，I/F板4将信号传递给主控板3，所述主控板3采用了DSPFPGA架构，主控板3用于完成寻北指令接收、转位寻北算法的计算、数据采集和外设控制。51INTCL权利要求书1页说明书3页附图1页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书3页附图1页10申请公布号CN104266647ACN1042

3、66647A1/1页21一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，包括底座1和转位装置2，所述底座1与转位装置2的定子固定连接，所述转位装置2的定子的前后两端设有限位座，转位装置2的转子设有与限位座相配合的限位块，限位块和限位座用于将定位转子相对定子前后旋转180，其特征在于还包括三轴IMU组件21、I/F板4和主控板3，所述三轴IMU组件21固定在转位装置2的转子上，三轴IMU组件21是由三轴激光陀螺和三轴加速度计构成，所述三轴激光陀螺用于测量底座1的角速度，所述三轴加速度计用于测量底座1的加速度，三轴加速度计将电流信号传递给I/F板4，所述I/F板4用于将三轴加速度计输出的电流信号转换成频率

4、信号，I/F板4将频率信号传递给主控板3，三轴激光陀螺将频率信号传递给主控板3，所述主控板3采用了DSPFPGA架构，主控板3用于完成寻北指令接收、转位寻北算法的计算、数据采集和外设控制。2根据权利要求1所述的一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，其特征在于所述底座1上固定有驱动板5，所述驱动板5用于接收IMU组件的信号，驱动板5通过闭环PID控制算法生产PWM方波控制电机转动。3根据权利要求2所述的一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，其特征在于所述底座1为长方体形状，转位装置2为圆柱体形状。4一种使用基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪的寻北方法，其特征在于包括如下步骤A、主控板3接收寻

5、北指令；B、主控板3下达控制信号到转位装置2，转位装置2控制IMU组件21在13秒内，即013秒时从0转向180位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据；C、主控板3在1388秒时采集180位置的三轴IMU组件21的加速度和角速度，并计算出IMU组件21姿态角、线速度和位置；D、主控板3下达控制信号到转位装置2，转位装置2控制IMU组件21在88101秒时，从180转向0位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据，并进行卡尔曼KALMAN滤波计算；E、主控板3在101176秒时采集0位置的三轴IMU组件21的加速度和角速度，并计算出IMU组件21姿态角、线速度

6、和位置，再进行卡尔曼KALMAN滤波计算；F、主控板3将卡尔曼KALMAN滤波计算的结果即寻北结果向外输出，完成寻北。权利要求书CN104266647A1/3页3一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法技术领域0001本发明涉及一种寻北仪，特别是涉及一种用于车载定向的高精度快速寻北仪及其寻北方法。背景技术0002传统陀螺寻北技术是依靠惯性元件在静止条件下感应地球自转角速率水平分量完成寻北功能，它通常最多需要二轴挠性陀螺和二轴加速度计，且无抗扰动寻北能力。然而，由于仪表误差等测量因素，其测量误差为216，测量时间为5分钟，难以满足应用于测绘、矿山、隧道、军事、航空、航天等领域的高精度需

7、求，特别在军用车载导弹定位寻北装置中，即国内武器系统、各型战车和运载器中。快速、准确、抗扰动的寻北成为行业内的研究课题。0003中国实用新型专利高精度陀螺寻北仪，申请号为2014202055324，申请日期为2014年4月25日，为一种通过精确地将一种陀螺指北针前后旋转一个准确的180后，通过计算测量一个较为精确的寻北值。然而其对于旋转180的高精度定位，则对测量器材的材料和使用寿命有较高的要求，使用几个月即需要更换旋转限位装置才能在往复的转动过程中达到一个准确的180定位。其为延长使用寿命，特在两个限位块之间加装双U形弹簧来延长使用寿命，但也只能延长数月。发明内容0004本发明要解决的技术问

8、题是提供一种结构简单、测量误差小、测量时间短、不怕外界扰动、使用寿命长的一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪及其寻北方法。0005本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，包括底座和转位装置，所述底座与转位装置的定子固定连接，所述转位装置的定子的前后两端设有限位座，转位装置的转子设有与限位座相配合的限位块，限位块和限位座用于将定位转子相对定子前后旋转180，还包括三轴IMU组件、I/F板和主控板，所述三轴IMU组件固定在转位装置的转子上，三轴IMU组件是由三轴激光陀螺和三轴加速度计构成，所述三轴激光陀螺用于测量底座的角速度，所述三轴加速度计用于测量底座的加速度，三轴加速度计将电流信号传递

9、给I/F板，所述I/F板用于将三轴加速度计输出的电流信号转换成频率信号，I/F板将频率信号传递给主控板，三轴激光陀螺将频率信号传递给主控板，所述主控板采用了DSPFPGA架构，主控板用于完成寻北指令接收、转位寻北算法的计算、数据采集和外设控制。0006本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，其中所述底座上固定有驱动板。所述驱动板用于接收IMU组件的信号，驱动板通过闭环PID控制算法生产PWM方波控制电机转动。0007本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪，其中所述底座为长方体形状，转位装置为圆柱体形状。0008本发明一种使用基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪的寻北方法，其中包括如说

10、明书CN104266647A2/3页4下步骤0009A、主控板接收寻北指令；0010B、主控板下达控制信号到转位装置，转位装置控制IMU组件在13秒内，即013秒时从0转向180位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据；0011C、主控板在1388秒时采集180位置的三轴IMU组件的加速度和角速度，并计算出IMU组件姿态角、线速度和位置；0012D、主控板下达控制信号到转位装置，转位装置控制IMU组件在88101秒时，从180转向0位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据，并进行卡尔曼KALMAN滤波计算；0013E、主控板在101176秒时采集0位置的三轴

11、IMU组件的加速度和角速度，并计算出IMU组件姿态角、线速度和位置，再进行卡尔曼KALMAN滤波计算；0014F、主控板将卡尔曼KALMAN滤波计算的结果即寻北结果向外输出，完成寻北。0015本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪与现有技术不同之处在于本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪将二轴IMU组件改为三轴IMU组件进行寻北，因数据采集更加丰富，因此通过计算可对寻北定位更加准确快速，并且通过主控板的算法还能抵抗外界的扰动如车的震动、晃动、大风扰动，从而减少测量误差。0016本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪中驱动板根据主控板的信号控制电机转动，实现转位装置的平稳转动

12、。0017本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪中因为寻北仪是要安装在长方形凹槽或长方形平台上，所以为了合理利用安装处的形状，故寻北仪的底座为长方体形状，因转位装置需要转动，故为了合理利用空间并且减轻重量，则转位装置为圆柱体形状。0018本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪中通过三轴IMU组件捷联寻北低成本转位装置的两位置捷联寻北方式，提高寻北精度；采用基于重力的粗对准KALMAN滤波的快速精对准方法，实现全程抗扰动的寻北方式；采用回溯算法后实现的3MIN快速高精度寻北方式以及寻北流程的时间编排，保证寻北的快速性。0019下面结合附图对本发明的一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北

13、仪及其寻北方法作进一步说明。附图说明0020图1是一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪的主视半剖图。具体实施方式0021如图1所示，本发明一种基于转位寻北技术的抗扰动快速寻北仪包括底座1和转位装置2。底座1与转位装置2的定子固定连接。转位装置2的定子的前后两端设有限位座，转位装置2的转子设有与限位座相配合的限位块，限位块和限位座用于将定位转子相对定子前后旋转180，还包括三轴IMU组件21、I/F板4和主控板3。三轴IMU组件21固定在转位装置2的转子上，三轴IMU组件21是由三轴激光陀螺和三轴加速度计构成。三轴激光陀螺用于测量底座1的角速度。三轴加速度计用于测量底座1的加速度，三轴加速度计

14、将电流信号传递给I/F板4。I/F板4固定在三轴IMU组件21上，I/F板4用于将三说明书CN104266647A3/3页5轴加速度计输出的电流信号转换成频率信号，I/F板4将频率信号传递给主控板3，三轴激光陀螺将频率信号传递给主控板3。主控板3固定在三轴IMU组件21上，主控板3采用了DSPFPGA架构，主控板3用于完成寻北指令接收、转位寻北算法的计算、数据采集和外设控制。0022进一步的，底座1上固定有驱动板5。驱动板5用于接收IMU组件的信号，驱动板5通过闭环PID控制算法生产PWM方波控制电机转动。0023进一步的，底座1为长方体形状，转位装置2为圆柱体形状。0024本发明一种基于转位

15、寻北技术的抗扰动快速寻北仪的寻北方法，其中包括如下步骤0025A、主控板3接收寻北指令；0026B、主控板3下达控制信号到转位装置2，转位装置2控制IMU组件21在13秒内，即013秒时从0转向180位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据；0027C、主控板3在1388秒时采集180位置的三轴IMU组件21的加速度和角速度，并计算出IMU组件21姿态角、线速度和位置；0028D、主控板3下达控制信号到转位装置2，转位装置2控制IMU组件21在88101秒时，从180转向0位置，并在转动过程中全程采集IMU组件的加速度和角速度数据，并进行卡尔曼KALMAN滤波计算；0029E、主控板3在101176秒时采集0位置的三轴IMU组件21的加速度和角速度，并计算出IMU组件21姿态角、线速度和位置，再进行卡尔曼KALMAN滤波计算；0030F、主控板3将卡尔曼KALMAN滤波计算的结果即寻北结果向外输出，完成寻北。0031以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。说明书CN104266647A1/1页6图1说明书附图CN104266647A