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1、(10)申请公布号 CN 102435190 A (43)申请公布日 2012.05.02 CN 102435190 A *CN102435190A* (21)申请号 201110272991.5 (22)申请日 2011.09.14 G01C 21/16(2006.01) G01C 25/00(2006.01) (71)申请人 中国航空工业第六一八研究所 地址 710065 陕西省西安市电子一路 92 号 (72)发明人 王京献 张明辉 (74)专利代理机构 中国航空专利中心 11008 代理人 杜永保 (54) 发明名称 余度传感器惯性测量装置 (57) 摘要 本发明涉及一种具有高可靠性并。
2、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。
3、航精度， 同时加工方便、 成本低， 具有较大的实 际应用价值。 (51)Int.Cl. (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 5 页 附图 3 页 CN 102435195 A1/1 页 2 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。 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 4， 所述余度传感器惯性测量装置通过减振器。
4、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。
5、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。
6、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。 权 利 要 求 书 CN 102435190 A CN 102435195 A1/5 页 3 余度传感器惯性测量装置 技术领域 0001 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。 背景技术 0002 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。
7、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。 0003 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。 0004 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。
8、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 0005 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。 0006 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。 0007 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。
9、箱。 0008 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。 0009 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。 0010 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。 0011 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。
10、行隔离， 删除传感器测量值与绕正交参考系的测量 说 明 书 CN 102435190 A CN 102435195 A2/5 页 4 方程中测量矩阵里故障传感器所在行， 重新配置系统。 0012 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。 0013 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 。
11、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， 。
12、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。 附图说明 0014 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。 0015 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-XX 平面， 7-YY 平面， 8-ZZ 平面， 9-AA 平面， 10-BB 平面， 11-CC 平面， 12-DD 平面， 13-EE 平面， 14-FF 平面。 0016 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，。
13、 其中， 1- 安装 基座， 2- 陀螺， 3- 加速度计， 4- 减振器， 5- 螺钉。 0017 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。 0018 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。 具体实施方式 0019 下面通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明 ： 0020 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。
14、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， ZZ 平面 8 以及与它们相对的平面X X平面， Y Y平面， Z Z平面。 0021 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 。
15、Z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 说 明 书 CN 102435190 A CN 102435195 A3/5 页 5 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CC平面、 DD平面对应设置在XX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 。
16、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。 0022 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 Z平面。减振器 4 采用同样的。
17、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。 0023 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 31432.9， 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。
18、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。 0024 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 ： 0025 0026 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 ： 0027 0028 设 0029 C cos， S sin， 31 43 2.9 0030 则 。
19、9 个陀螺测量值 与绕正交参考系的姿态角速度 之间的测量方程为 ： 0031 说 明 书 CN 102435190 A CN 102435195 A4/5 页 6 0032 其中 0033 0034 0035 利用空间任意不共面4个向量必线性相关原理， 可以列出该装置的63个奇偶校验 方程。根据式 (1) 可得 ： 0036 0037 如果所有陀螺正常工作， 则式 (3) 中全部奇偶校验方程均为零， 如果出现故障陀 螺， 则相应的奇偶方程不成立。根据 Ki(i 1 63) 为不为零的情况即可判断出哪个陀螺 产生了故障。进而将故障陀螺进行隔离， 删除测量矩阵 ( 测量方程 ) 中故障陀螺所在行，。
20、 重 新配置系统， 从而快速实现故障的检测与隔离， 提高系统的可靠性。 0038 下面仍以被测量为角速度为例， 说明通过最小二乘法或者卡尔曼滤波等方法可以 降低传感器测量随机误差的影响。根据测量方程， 利用最小二乘法给出角速率最佳估值 0039 0040 若陀螺发生故障， 则系统应进行重新配置， 此时最佳估值方程为 ： 0041 0042 其中， mi和 Hi(i 1 130) 为系统重新配置后的测量值与测量矩阵， 从测量矩阵 中删除故障陀螺所在行。 0043 假设陀螺的测量误差为假设陀螺零偏以及安装失准角已经全部标定得到补偿， 测量方程相应转变为 ： 0044 0045 为 91 的随机测量。
21、噪声。理想情况下， 测量误差 的期望为零， 即各项 互不相关且有相同的方差 2。估计误差协方差矩阵为 ： 0046 R 2(HTH)-1(7) 0047 如果有陀螺失效， 估计误差协方差矩阵则为 ： 0048 0049 当所有陀螺都正常工作时， 0050 0051 说 明 书 CN 102435190 A CN 102435195 A5/5 页 7 0052 由式 (7) 可得协方差矩阵 0053 0054 可见每个正交系的标准差减为 0.5774， 采用该测量装置的系统其误差比同样陀 螺配置的 3 轴独立惯导系统降低 40以上。在 1 个陀螺失效时， 9 轴接连系统的性能仍优 于同样陀螺配置。
22、的无故障3轴独立惯导系统 ； 当有2个陀螺失效时， 其性能也优于同样陀螺 配置的无故障3轴独立惯导系统 ； 当有3个陀螺失效时， 也只有3种测量组合比同样陀螺配 置的无故障3轴独立惯导系统误差降低近一倍的数量级 ； 即使其中有4个陀螺失效时， 仍存 在有 60 种元件测量组合优于同样陀螺配置的无故障 3 轴独立惯导系统水平。 0055 本发明余度传感器惯性测量装置， 提高了惯性测量装置的可靠性只有测量同 一运动的5个传感器全部失效的情况下， 该装置才失效， 其可靠性相当于6套独立惯导系统 并行工作的余度等级。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。
23、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， 实现对惯性传 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。另外， 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。 说 明 书 CN 102435190 A CN 102435195 A1/3 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 102435190 A CN 102435195 A2/3 页 9 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 102435190 A CN 102435195 A3/3 页 10 图 5 说 明 书 附 图 CN 102435190 A 。