一种基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构

摘要

本发明公开了一种基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构，本发明通过对转动电机、锁紧电机的控制及对转动电机编码器信号、光电传感器信号的检测实现转位机构的转位、锁紧、解锁等功能，从而实现转位机构在四个特定位置上的精确定位，并由此实现基于四位置法的光纤陀螺寻北功能；本发明体积小，重量轻，满足四位置寻北法的精确定位要求，提高了光纤陀螺寻北仪转位机构的稳定性和重复性。

说明书

技术领域

本发明属于惯性技术领域，尤其涉及一种基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构。

背景技术

地球上某一点处的地理北向为该点子午线的北向切线方向，即地球上该点处水平面上指向北极点的切线方向。地球表面或地球内或地球上空某一点处某一方向的北向角是指该方向在该点处水平面上的投影与地理北向的夹角。通过某种方法确定北向角的过程叫寻北。

寻北仪一般采用磁寻北（电子罗盘）、陀螺寻北、加速度计寻北、无线电寻北等原理设计，光纤陀螺是新一代的惯性器件，具有成本低、可靠性高、性能好、体积小、启动时间短、与重力加速度无关等优点，成为陀螺寻北仪的首选器件。但是，现有寻北仪的机械结构设计比较复杂、体积质量较大，基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转动定位精度不高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构，它包括：外壳、转动电机、蜗杆、定位盘、锁紧支架、偏心轮、V型槽、锁紧销、零位挡片、锁紧松锁挡片、传动齿轮、锁紧光电传感器、零位光电传感器、松锁光电传感器、蜗轮、锁紧电机。蜗杆和蜗轮均置于外壳内。所述转动电机通过传动齿轮与蜗杆相连，传动蜗轮。蜗轮和定位盘通过中心轴固定，蜗轮的顺时针或逆时针转动带动定位盘的顺时针或逆时针转动；定位盘上具有相隔90度的四个V型槽，在其中两个V型槽间固定一零位挡片；锁紧支架和锁紧销相连，偏心轮置于锁紧支架内，锁紧支架放置在锁紧电机上方，偏心轮与锁紧电机的输出轴相连，锁紧松锁挡片固定在锁紧支架的左侧，同时将锁紧光电传感器和松锁光电传感器固定在外壳上，锁紧光电传感器与锁紧松锁挡片配合实现锁紧到位、松锁光电传感器与锁紧松锁挡片配合实现松锁到位；零位光电传感器固定在外壳上，使得定位盘转动时，零位挡片能顺利通过零位光电传感器。

本发明的有益效果是，本发明基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构使用传动齿轮加蜗轮蜗杆方式，减小了体积和重量，提高了四位置寻北方法的定位精度，加强了光纤陀螺寻北仪在使用过程中的稳定性。

附图说明

图1为本发明的俯视图；

图2为本发明的左视图；

图3为光纤陀螺寻北的方位角控制方法的流程图；

图中，转动电机1、蜗杆2、定位盘3、锁紧支架4、偏心轮5、V型槽6、锁紧销7、零位挡片8、锁紧松锁挡片9、传动齿轮10、锁紧光电传感器11、零位光电传感器12、松锁光电传感器13、蜗轮14、锁紧电机15。

具体实施方式

四位置寻北法的原理是光纤陀螺在相差90度的四个方向上采集地球自转角速率分量，通过计算消除光纤陀螺零偏和漂移趋势，最后解算出光纤陀螺寻北仪基准轴向与北向的夹角。

以四位置法为基础实现寻北功能，需要转位机构带动光纤陀螺准确的旋转到测试的四个位置，需要锁紧定位机构保证测试位置的稳定性和一致性，因此光纤陀螺寻北仪的转位机构需具有准确定位和稳定锁紧功能。本设计基于自主设计的机械结构，采用转动电机传动齿轮加蜗轮蜗杆方式实现转位，采用偏心轮传动锁紧支架及锁紧销实现锁紧。

转位机构使用PWM加H桥的控制方式对转动电机、锁紧电机的转速、转向进行控制，同时，采集转动电机编码器信号并监测光电传感器信号，根据转位机构的位置值实现四个位置的精确定位并锁紧，在四个位置采集光纤陀螺输出数据并按寻北数学解算模型进行寻北解算，得到真北方向。

本发明基于四位置寻北法的光纤陀螺寻北仪转位机构，包括：外壳（图中未示出）、转动电机1、蜗杆2、定位盘3、锁紧支架4、偏心轮5、V型槽6、锁紧销7、零位挡片8、锁紧松锁挡片9、传动齿轮10、锁紧光电传感器11、零位光电传感器12、松锁光电传感器13、蜗轮14、锁紧电机15。

蜗杆2和蜗轮14均置于外壳内。转动电机1通过传动齿轮10与蜗杆2相连，传动蜗轮14。蜗轮14和定位盘3通过中心轴固定，蜗轮14的顺时针或逆时针转动带动定位盘3的顺时针或逆时针转动；定位盘3上设计了相隔90度的四个V型槽6，在其中两个V型槽间置零位挡片8；锁紧支架4和锁紧销7相连，偏心轮5置于锁紧支架4内，锁紧支架4放置在锁紧电机15上方，偏心轮5与锁紧电机15的输出轴相连，锁紧松锁挡片9通过自身的安装孔固定在锁紧支架4的左侧，同时将锁紧光电传感器11和松锁光电传感器13固定在外壳上，锁紧光电传感器11与锁紧松锁挡片9配合实现锁紧到位、松锁光电传感器13与锁紧松锁挡片9配合实现松锁到位；零位光电传感器12通过自身的安装孔固定在外壳上，使得定位盘3转动时，零位挡片8能顺利通过零位光电传感器12。

转动电机1为自带增量式编码器的直流力矩电机，可用经典的PWM加H桥方式对其转动速度及方向进行控制，可用经典的QEP正交编码方式实现增量脉冲计数。转动电机1顺时针或逆时针转动，通过传动齿轮10带动蜗杆2蜗轮14传动，实现定位盘3的正向或反向旋转及精确位置控制，定位盘3用于安装光纤陀螺，实现基于四位置法的光纤陀螺寻北功能。

锁紧电机15为直流力矩电机，可用经典的PWM加H桥方式对其转动速度及方向进行控制，锁紧光电传感器11和松锁光电传感器13为通用位置传感器，当其光路被遮挡时，产生电脉冲信号；当锁紧电机15带动偏心轮5逆时针转动时，使安装在锁紧支架4上的锁紧销7前进，实现转位机构的锁紧操作，当锁紧松锁挡片9恰好遮住锁紧光电传感器11的光路时，说明锁紧到位；当锁紧电机15带动偏心轮5顺时针转动时，使安装在锁紧支架4上的锁紧销7后退，实现转位机构的松锁操作，当锁紧松锁挡片9恰好遮住松锁光电传感器13的光路时，说明松锁到位。

零位光电传感器12为通用位置传感器，当其光路被遮挡时，产生电脉冲信号；转位机构使用寻沿方式确定零位，当定位盘3转动至某特定位置时，零位挡片8恰好遮住零位光电传感器12的光路，此时将转位机构的位置值归零，该位置即为转位机构的零位，每次上电时转位机构均应先自寻零位；采用正交编码的方法对转动电机1的编码器输出脉冲进行计数，当定位盘3顺时针转动时，转位机构的位置值根据记录的脉冲个数相应增加，当定位盘3逆时针转动时，转位机构的位置值根据记录的脉冲个数相应减少；定位盘3每次转动到相同的位置时，转位机构的位置值相同。

定位盘3上设计了相隔90度的四个V型槽6，其角度间隔的加工精度优于1角分，当定位盘3转动至某四个特定位置时，锁紧销7恰好可以插入V型槽6，实现定位盘3的锁紧。四个特定位置的转位机构的位置值可以通过调试确定。

具体方位角转位控制思想如下：当定位盘3转动至某特定位置时，零位挡片8恰好遮住零位光电传感器12的光路，此时将转位机构的位置值归零，该位置即为转位机构的零位；采用QEP正交编码方式，进行编码器脉冲计数操作，当定位盘3顺时针转动时，转位机构的位置值根据记录的脉冲个数相应增加，当定位盘3逆时针转动时，转位机构的位置值根据记录的脉冲个数相应减少；定位盘3每次转动到相同的位置时，转位机构的位置值相同。这样可以根据转位机构的位置值实现定位盘3的精确转位，实现精确转动。只需要事先确定四位置法中的四个位置，即锁紧销7恰好可以分别插入定位盘3上的四个V型槽的位置所对应的转位机构的位置值，再根据实时的位置值即可判断转位机构是否到达准确位置。

一般，高精度寻北仪的精度要求为3角分，这就要求转位机构的定位误差优于0.01度。转位的精度由转动电机1的编码器精度及转动电机1的减速箱、传动齿轮10、蜗轮14蜗杆2的传动比共同决定，设转动电机1编码器为7位（电机转动一圈，编码器输出增量脉冲128个），减速箱减速比为29:1，传动齿轮10的传动比为80:1，则转位机构的位置值每变化1个LSB，对应定位盘3转过的角度约为0.0012度，所以本设计不需要转动电机1具有高精度、高分辨率的编码器，7位转动电机1已能满足高精度寻北仪的精度要求。同时，蜗轮14蜗杆2具有自锁功能，用锁紧机构去除蜗轮14蜗杆2的间隙，定位盘上3的四个V型槽6有加工精度要求（优于1角分），进一步保证转动定位精度，足以满足四位置寻北的转位精度要求。

在锁紧和松锁过程中，锁紧电机15转动并监测锁紧光电传感器11和松锁光电传感器13的信号，当锁紧电机15带动偏心轮5逆时针转动时，使安装在锁紧支架4上的锁紧销7前进，即为锁紧操作，当锁紧松锁挡片9恰好遮住锁紧光电传感器11的光路时，说明锁紧到位；当锁紧电机15带动偏心轮5顺时针转动时，使安装在锁紧支架4上的锁紧销7后退，即为松锁操作，当锁紧松锁挡片9恰好遮住松锁光电传感器13的光路时，说明松锁到位。

一次完整的寻北过程如下：转位机构上电后，先进行解锁操作，然后转动电机15带动定位盘3逆时针转动，实现转位机构自寻零位操作，归零后，转动电机15顺时针转向第一位置，到达第一位置附近后，进行微调，直到转位机构当前位置值和事先标定的第一位置位置值相等后，转动电机15停转，进行锁紧操作，之后在第一位置采集陀螺数据；采集结束后，转位机构解锁，转动电机15顺时针转向第二位置，到达第二位置附近后，进行微调，直到转位机构当前位置值和事先标定的第二位置位置值相等后，转动电机15停转，进行锁紧操作，之后在第二位置采集陀螺数据；采集结束后，转位机构解锁，转动电机15顺时针转向第三位置，到达第三位置附近后，进行微调，直到转位机构当前位置值和事先标定的第三位置位置值相等后，转动电机15停转，进行锁紧操作，之后在第三位置采集陀螺数据；采集结束后，转位机构解锁，转动电机15顺时针转向第四位置，到达第四位置附近后，进行微调，直到转位机构当前位置值和事先标定的第四位置位置值相等后，转动电机15停转，进行锁紧操作，之后在第四位置采集陀螺数据；采集结束后，转位机构解锁，转动电机15逆时针转向第一位置，到达第一位置附近后，进行微调，直到转位机构当前位置值和事先标定的第一位置位置值相等后，转动电机停转，进行锁紧操作，之后计算、输出寻北结果，完成寻北操作。具体过程如图3所示。