单轴光纤陀螺寻北仪

摘要

本发明公开了一种单轴光纤陀螺寻北仪，主要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数据采样，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。本发明既可以完成单纯的寻北功能，也可以完成本发明与目标连线相对于北向的夹角。本发明的主要优点是，结构简单，使用方便且直观。

说明书

                        技术领域

本发明属于惯性技术领域，主要涉及一种陀螺寻北装置，尤其涉及一种采用光纤陀螺作为敏感元件的寻北装置。

                        技术背景

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。

光纤陀螺是一种固态陀螺。由于它具有成本低、启动时间短、体积小、重量轻、功耗低以及抗冲击能力强等特点，较机械陀螺和液体陀螺具有非常明显的优势，因此，目前有的寻北仪用光纤陀螺作为敏感器件，取代了以往的机械陀螺和液体陀螺，从而使寻北仪的体积变小、重量变轻、功耗降低、成本减少。中国期刊《惯导与仪表》1998.No.2期发表的《光纤寻北陀螺仪基座运动的补偿》一文介绍了一种单轴单只光纤陀螺寻北仪，该文只给出了寻北解算数学模型而没有给出寻北仪的完整技术方案。在所给出的寻北解算数学模型中，方位角度解算只采用了三个位置的陀螺采样值进行最后的寻北解算，而且寻北工作不是全方位的，只能在-90°～90°的角度范围内进行。

                        发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种采用单只单轴光纤陀螺作为敏感元件的寻北仪，该寻北仪不仅可以进行全方位寻北，而且其寻北数学解算模型采用四个测量位置的光纤陀螺输出数据进行寻北解算。

为解决上述技术问题，本发明包括单轴光纤陀螺、转台、基座、壳体、三个角螺旋、单片机、寻北解算计算机、显示器、步进电机、驱动模块、导电滑环、两个水平尺，所述转台含有转轴、带有方向指示线的转盘、支架，支架和转盘均固连在转轴上且转盘水平位于转轴的顶端，转轴两端分别通过轴承安装在壳体的上端面和基座上且与壳体上端面及基座端面垂直，所述单轴光纤陀螺水平安装在支架上，其敏感轴线与转轴正交且方向与转盘上的方向指示线相同；三个角螺旋均布固连在基座下方；所述步进电机固连在基座下方并可驱动转轴带动支架相对基座转动；所述单片机、驱动模块、寻北解算计算机均安装在基座上；所述导电滑环旋转部分与所述转轴固连，其固定部分与基座固连；所述单轴光纤陀螺的输出信号通过导电滑环送入寻北解算计算机；所述壳体的下端面与基座上端面固连，其上端面为环形，开孔处裸露出所述转盘上的方向指示线，所述两个水平尺相隔90度安装在壳体的环形端面上，所述显示器镶嵌在壳体的侧面；所述的单片机分别接收寻北解算计算机发出的四个转位指令，对应向所述驱动模块发送转位步数指令，还分别接收所述驱动模块发送的四次到位信号，对应向寻北解算计算机发出到位中断请求信号；所述驱动模块接收所述单片机给出的转为角度指令，驱动所述步进电机转动到光纤陀螺测量位置并向单片机反馈到位信号；所述寻北解算计算机含有采样模块、采样信号处理模块、寻北解算模块、转动控制模块、数据库模块、位置判断模块、存储模块：采样模块接收单轴光纤陀螺在四个采样位置输出的数字信号并将其送入数据库模块存储；采样信号处理模块含有滤波模型、野值剔除模型，该模块对数据库模块中的采样信号进行滤波和野值剔除，求出每个位置采样信号的平均值并送入存储模块；寻北解算模块含有寻北解算模型，其功能是分别调用存储模块中四个测量位置的采样信号值，解算出方向指示线的初始位置相对于北向的夹角并将该结果送入所述显示器进行显示；转动控制模块的功能是向单片机发出转动指令并接收单片机发出的中断请求；位置判断模块判断采样模块是否完成对光纤陀螺在四个测量位置输出信号的采样。

根据本发明，所述壳体环形端面上可以固连一个度盘，其零位与所述方向指示线的初始位置对准，所述寻北解算计算机中还包括一个含有角度解算模型的角度解算模块，其功能是调用寻北结果，解算出方向指示线在第四个测量位置相对北向的角度值并将结果发送给转动控制模块；所述转动控制模块通过所述单片机向驱动模块发送相应的转位步数指令，步进电机在驱动模块的驱动下，带动所述转轴转动，使所述方向指示线指向北向，方向指示线所对准的度盘刻度即为方向指示线的初始位置与北向的夹角。

本发明采用光纤陀螺作为敏感器件，克服了机械陀螺所造成的寻北系统抗冲击能力不强和功耗较大的缺点。同时，本发明采用单片机控制步进电机转动，比已有技术采用模拟电路实现转动控制的寻北仪在电路结构上更简单，维护更方便，可靠性更高以及电路可替换性更高。由于本发明的方向指示线是固连在转轴上的，因此方向指示线可在360度的范围内随意转动，同时在寻北解算计算机中除了设置寻北解算模型外，还设置了角度解算模块，使得本发明既可以完成单纯的寻北即找到北向功能，又可以完成测量用户与目标的连线与北向的夹角功能，即也可以测量用户方向与目标连线的夹角。本发明还增加了度盘和显示器，并且寻北结束后方位指示线指向北向，这样使得寻北结果更具有直观性，用户对寻北结果的印象和理解更简单和直观。

                        附图说明

图1是本发明光纤陀螺寻北仪优选实施例结构组成示意图。

图2是图1所示光纤陀螺寻北仪的俯视图。

图3是本发明光纤陀螺寻北仪寻出的北向夹角定义示意图。

图4是本发明光纤陀螺寻北仪的工作原理示意图。

图5是图1所示寻北仪中单片机的工作流程图。

图6是图1所示寻北仪中寻北计算机的工作流程图。

图7是采用本发明光纤陀螺寻北仪进行寻北的工作流程图。

                        具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1、图2所示，本发明优选实施例包括单轴光纤陀螺1、转轴2、壳体3、带有调节螺钉的度盘4、带有方向指示线5的转盘6、两个水平尺7、单片机8、寻北解算计算机9、接插件10、开关键11、基座12、步进电机13、紧固螺钉14、导电滑环15、三个角螺旋16、显示器17、驱动模块18。光纤陀螺1采用兵器工业第二零五研究所研制的AG·BT(J)型号的05008号光纤陀螺；寻北解算计算机9采用PFM-5302I计算机；步进电机13采用RORZE公司的M24241S步进电机、驱动模块18采用RD-023MS模块；单片机8采用ATMEL公司的AT89C52单片机。转轴2与支架为一体，转轴2的两端通过轴承分别与基座12和壳体3的顶部垂直连接，其中间的圆形支架中水平安装单轴光纤陀螺1，壳体3的下端面与基座12的上端面固连，安装时要确保单轴光纤陀螺1的敏感轴与壳体3的顶面和基座12的端面相互平行。度盘4固连在壳体3的上端面，转盘6固连在转轴2的上端面中心位置，方向指示线5部位穿过度盘4的中心孔暴露在寻北仪外部，以保证方向指示线5的转动角度与转轴2的转动角度一致；转盘6与度盘4均与光纤陀螺的敏感轴平行，并使方向指示线5与光纤陀螺1的敏感轴保持相同的方向，以便寻北结束后，可从度盘4上读出方向指示线5的初始位置与北向的夹角。两个水平尺7相隔90度安装在壳体3的上端面，三个角螺旋16均布固连在基座12的下方。在使用本发明进行寻北时，通过调整三个角螺旋可使两个水平尺的水泡处于中间位置，这样就可以使光纤陀螺1的敏感轴在任意转动位置上，都保持在与水平面平行的平面内，以此消除敏感轴不水平带来的输入干扰，确保光纤陀螺1的输出信号符合寻北解算模型的假设条件。步进电机13安装在基座12下端面，其传动轴与转轴2通过紧固螺钉14固连，以保证步进电机13的转动角度就是转轴2的转动角度，也即光纤陀螺1的转动角度。显示器17为液晶显示器并镶嵌在壳体3的侧面。导电滑环15套在转轴2的外部，其旋转部分与转轴2固连，固定部分与基座12的上端面固连，单轴光纤陀螺1的输出信号通过导电滑环15送入寻北解算计算机9中。驱动模块18、单片机8、寻北解算计算机19均安装在基座12与壳体3构成的空间内。外接电源通过接插件10给本发明供电。

根据图3所示，本发明优选实施例所寻出的北向角度是指方向指示线5的初始位置相对于地理北的夹角，即由地理北逆时针旋转到方向指示线5的初始位置；转轴2按逆时针的方向带动光纤陀螺1转动到达测量采样位置。

本发明光纤陀螺寻北仪的工作机理是，由光纤陀螺1检测地球自转角速度在水平面内的一个圆周上每隔90度的四点分量，通过这四个分量来解算出寻北仪方向指示线5或转轴2的初始位置相对于北向的夹角。本发明采用四个测量位置的光纤陀螺输出及相应的寻北解算模型可消除光纤陀螺1的零偏、标度因数误差对寻北结果的影响，同时消除了地理纬度对寻北结果的影响，即地理北不参与寻北计算。

根据图4所示，当寻北解算计算机完成光纤陀螺1在初始测量位置的输出采样后，向单片机8发出转动90度的指令，单片机8根据下式将该角度值转换成步进电机13的转动步数：

$>>h>=>int>>(>>\beta m>360>>)>>->->->>(>1>)>>>s>$

式中：int代表取整数；m为步进电机转动一周所需的步数；β为指令给出的转动角度；h为电机转动步数。单片机8将此转动步数发送给驱动模块18，驱动模块18按照设定的频率发送相应数目的单位脉冲，步进电机13根据脉冲驱动信号带动转轴2即光纤陀螺1转到第二测量位置。当驱动模块18发送完所有脉冲信号后，向单片机8反馈步进电机到位信号。单片机8在发送完脉冲信号后不断地检测驱动模块18发送来的到位信号，如果到位信号有效，即向寻北计算机9发送一个到位中断请求信号。寻北解算计算机9每完成光纤陀螺1在一个测量位置的输出采样后，单片机8、驱动模块18就循环上述操作过程。单片机8的详细工作流程参见图5。

根据图6所示，寻北解算计算机9由采样模块、采样信号处理模块、寻北解算模块、角度解算模块、控制模块和位置判断模块来分别完成数据采样、数据处理、寻北解算、步进电机转动角度解算、向单片机8发送转动角度指令和响应单片机8的到位中断、记录和判断光纤陀螺1所在测量位置的功能。数据采样模块对光纤陀螺1在四个测量位置输出的数字信号进行采样，并将采样信号存储于一个数据库文档中。采样信号处理模块从数据库文档中分别读出光纤陀螺在每个测量位置上的一组采样数据，并利用以下滤波模型对各组采样数据进行滤波，以滤除陀螺噪声干扰：

$>>>\Omega >i>>=>>1>n>>>\Sigma >>j>=>1>>n>>ver>>\Omega >~>>i>>>(>j>)>>->->->>(>2>)>>>s>$

式中，n为每个测量位置上的采样次数，为每次采样得到的信号，Ω_i为某个测量位置上n次采样的信号平均值，i代表采样位置，本发明中i＝1、2、3、4，j＝1、2、3……n。利用(2)式获得Ω_i后，再利用以下野值剔除模型剔除野值：

若 $>>|>ver>>\Omega >~>>i>>>(>j>)>>->>\Omega >i>>|>>>3>\delta >>s>$

则令 $>>ver>>\Omega >~>>i>>>(>j>)>>=>0>,>->->->>(>3>)>>>s>$

式中，δ为陀螺的零漂，j＝1、2、3、……、n。利用上式剔除k(k≤n)个野值之后，采用下式求出每个测量位置有效采样信号的平均值并存储在相应的存储模块中。

$>>>\Omega >i>>=>>1>>n>->k>>>>\Sigma >>j>=>1>>>n>->k>>>ver>>\Omega >~>>i>>>(>j>)>>->->->>(>4>)>>>s>$

式中，j＝1、2、3、……、n-k。

寻北解算模块根据采样数据处理模块得出的四个结果Ω₁、Ω₂、Ω₃、Ω₄，并采用以下寻北模型解算出方向指示线5的初始位置相对于北向的夹角：

当Ω₁-Ω₃≥0时：

若Ω₄-Ω₂≥0，则方向指示线的初始位置与北向夹角为α_主，

若Ω₄-Ω₂＜0，则方向指示线的初始位置与北向夹角为360°+α_主；

当Ω₁-Ω₃＜0时，方向指示线的初始位置与北向夹角为180°+α_主。

在上述寻北解算模型中，Ω₁为第一测量位置的采样信号处理结果，Ω₂为第二测量位置的采样信号处理结果，Ω₃为第三测量位置的采样信号处理结果，Ω₄为第四测量位置的采样信号处理结果。

角度解算模块根据寻北结果，利用下述计算模型就可以解算出方向指示线5由第四测量位置再逆时针转动多少角度即可对准所寻出的北向：

β′＝450-α                                                (6)

式中，α为方向指示线5的初始位置与北向的夹角。如果β′＜360，方向指示线需要逆时针转动的角度为β＝β′；如果β′＝360，表示方向指示线5已在北向位置；如果β′＞360，则方向指示线5需要逆时针转动的角度为β＝β′-360。角度解算模块将计算结果发送给转动控制模块。转动控制模块完成向单片机8发送转动角度的功能，并接受单片机8中断响应。当转动控制模块向单片机8发送转动角度指令后，开始等候中断响应的发生，如果没有接收到中断响应，寻北解算计算机9将按照流程完成其他功能模块的功能。

位置记录判断模块在本发明开始寻北时设定变量i＝1；以后每转动90度，i增加1。同时通过判断i是否大于4来确定光纤陀螺是否已经实现了四个测量位置的输出。

根据图7所示，采用本发明优选实施例进行寻北的工作过程如下：

1)接通电源后调整三个角螺旋16，使得壳体3顶部的两个水平尺的水泡处于中央位置。

2)先转动转盘6，将方向指示线5对准目标(若仅想知道北向，就不需要调整方向指示线)，然后拧松调整螺钉，使度盘4的零位刻线与方向指示线5对齐，然后拧紧调整螺钉。

3)按下开关键11，寻北解算计算机9重的位置记录判断模块设定i＝1；

4)寻北解算计算机开始采样陀螺的输出，并存入数据库文档；

5)设定的采样时间到，转动控制模块向单片机8发送转动90度命令。发送完后，采样信号处理模块相继利用模型(2)、模型(3)、模型(4)，得到第一测量位置的光纤陀螺输出Ω₁，并将其存储于存储器中的对应位置。

6)位置记录判断模块完成i＝i+1计算，并完成判断i＞4判断，若判断结果为假，单片机8接收到转动90度的命令，调用模型(1)将90度转换为步进电机的转位步数h，然后向驱动模块18发送转动步数；

7)驱动模块接收到转动步数后，按照设定的频率向步进电机13发送相同数目的脉冲，驱动步进电机13转动。当发送完最后一脉冲后，向单片机8发送转动到位信号；

8)单片机8接到转动到位信号后，向寻北解算计算机9发送到位中断请求信号；

9)寻北解算计算机9接到中断请求后，寻北解算计算机9开始重复4)、5)步骤，得到第二个测量位置的Ω₂，存储于存储器中的对应位置。按照设定的转动90度所需的时间，接到中断请求时，步骤5)已经完成；

10重复步骤6)～9)，得到第三个测量位置的Ω₃；

11重复步骤6)～9)，得到第四个测量位置的Ω₄；

12)位置记录判断模块完成i＝i+1计算，并完成判断i＞4判断，显然判断结果为真。

13)寻北解算计算机9调用寻北解算模块，得到方向指示线5的初始位置与北向的夹角α，并向液晶显示器17发送寻北结果，液晶显示器17随后显示结果；

14)寻北解算计算机9调用角度解算模块，解算出方向指示线5由第四测量位置转到北向所需的转动角度，向单片机8发送转动角度指令。

15)单片机8接收到转动β度的命令，调用模型(1)将β度转换为步进电机的转位步数h，然后向驱动模块18发送转动步数；

16)重复步骤7)～8)，寻北结束。