一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置

摘要

本发明涉及半捷联惯性测量装置，具体是一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置。本发明解决了现有半捷联惯性测量装置系统参数设计难度大、以及通用性较低的问题。一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置包括半捷联结构机械支撑模块、微惯性测量组合减旋模块、以及惯性姿态解算模块；所述半捷联结构机械支撑模块包括半捷联外筒、半捷联内筒、转轴、支撑轴承、以及滑环。本发明通过设计合理的减旋装置给微惯性测量组合创造出了一个旋转轴向相对稳定的工作平台，彻底有效地解决了现有半捷联惯性测量装置系统参数设计难度大、以及通用性较低的问题，能够满足常规高旋弹药的各种测试需求。

说明书

技术领域

本发明涉及半捷联惯性测量装置，具体是一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置。

背景技术

常规高转速弹药工作时间较短，但其沿弹体轴向的转速较高, 一般转速要达到20r/s，甚至更高。常规捷联惯性测量系统中三个加速度计和三个陀螺仪分别直接固定在载体三个正交面上，其敏感方向相互垂直，即利用加速度计感应线加速度，陀螺仪测量载体的角速度。但微陀螺仪的弱点就是难以满足较宽动态范围内角速度的高精度测量，而机械陀螺体积大、成本高，难以在小型常规弹药测试中使用，国外采用光纤陀螺和激光陀螺进行测量，国内也有许多单位在此方面进行研究，但是光纤陀螺和激光陀螺还难以满足实际广泛应用的要求。相关试验表明，如果能够通过设计合理的减旋装置给微惯性测量组合创造出一个旋转轴向相对稳定的工作平台，将会有效提高该捷联惯性测量系统的精度，同时极大地拓宽其应用范围，满足常规高旋弹药的测试需求。基于上述思想的捷联惯性测量装置即称为半捷联惯性测量装置。

现有半捷联惯性测量装置其减旋装置核心是通过惯性测量组合模块所在半捷联内筒的质量偏置来实现的，其理论依据为在地球表面附近物体始终受到竖直向下的重力，由于重力方向始终竖直向下，物体在不同角度受到的重力方向不会改变。这样只要内筒的质量偏置由于重力作用产生的力矩大于其支撑滚动轴承的摩擦力矩，内筒将不随载体一起旋转，而会在其平衡位置附近来回小幅度小角速率摆动，从而为惯性测量组合提供一个旋转轴向相对稳定的测量环境。现有半捷联惯性测量装置利用了重锤效应，具有实现机械结构简单，成本低，体积小的优点，但由于其内外筒之间角速度传递关系较为复杂，影响因素很多，因此该装置普遍存在系统参数（如偏置质量）设计难度大的问题，而系统参数的设计难度又在很大程度上限制了半捷联惯性测量装置的通用性。基于此，有必要发明一种系统参数设计难度小且通用性高的半捷联惯性测量装置。

发明内容

本发明为了解决现有半捷联惯性测量装置系统参数设计难度大、以及通用性较低的问题，提供了一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置，包括半捷联结构机械支撑模块、微惯性测量组合减旋模块、以及惯性姿态解算模块；所述半捷联结构机械支撑模块包括半捷联外筒、半捷联内筒、转轴、支撑轴承、以及滑环；所述微惯性测量组合减旋模块包括转速敏感单元、以及电机控制电路模块、以及减旋驱动电机；所述惯性姿态解算模块包括导航解算电路模块、以及位于半捷联内筒内的惯性测量组合；其中，转轴贯穿半捷联内筒，转轴一端与减旋驱动电机的转子固定，另一端通过支撑轴承与半捷联外筒连接；滑环定子与半捷联外筒固定，滑环转子与转轴固定；转速敏感单元、电机控制电路模块、导航解算电路模块、减旋驱动电机的定子均与半捷联外筒内壁固定，惯性测量组合安装于转轴上；惯性测量组合的输出端与滑环转子的入线端相连，滑环定子的出线端与导航解算电路模块的输入端相连，导航解算电路模块的输出端与电机控制电路模块的输入端相连，电机控制电路模块的输出端与减旋驱动电机的控制端相连，转速敏感单元的输出端与电机控制电路模块的输入端相连。

具体工作过程为：微惯性测量组合减旋模块通过转速敏感单元测量半捷联外筒的转速信号，转速信号传输到电机控制电路模块后，电机控制电路模块根据测得的转速信号来控制减旋驱动电机进行反向旋转，减旋驱动电机通过转轴带动半捷联内筒反向旋转，由此为半捷联内筒中的微惯性测量组合创造出一个高旋轴向相对稳定的工作平台，从而可以有效改善微惯性测量组合的工作环境，提高其姿态测量的精度；在此过程中，惯性测量组合测得的信号依次通过滑环转子、滑环定子传输到导航解算电路模块进行解算；与现有半捷联惯性测量装置相比，本发明所述的一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置摒弃了利用重锤效应，而通过设计合理的减旋装置给微惯性测量组合创造出了一个旋转轴向相对稳定的工作平台，因此其在进行系统参数设计时，不必考虑其内外筒之间角速度传递关系，由此降低了系统参数的设计难度，也由此极大地提升了其通用性，拓宽了其应用范围，使其能够满足常规高旋弹药的测试需求。

本发明通过设计合理的减旋装置给微惯性测量组合创造出了一个旋转轴向相对稳定的工作平台，彻底有效地解决了现有半捷联惯性测量装置系统参数设计难度大、以及通用性较低的问题，能够满足常规高旋弹药的各种测试需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：1-半捷联外筒，2-半捷联内筒，3-转轴，4-支撑轴承，5-转速敏感单元，6-电机控制电路模块，7-导航解算电路模块，8-惯性测量组合，9-减旋驱动电机的转子，10-滑环定子，11-滑环转子，12-减旋驱动电机的定子，13-滑环转子的入线端，14-滑环定子的出线端，15-减旋驱动电机的控制端。

具体实施方式

一种适用于高旋弹药的主动式半捷联惯性测量装置，包括半捷联结构机械支撑模块、微惯性测量组合减旋模块、以及惯性姿态解算模块；

所述半捷联结构机械支撑模块包括半捷联外筒1、半捷联内筒2、转轴3、支撑轴承4、以及滑环；所述微惯性测量组合减旋模块包括转速敏感单元5、以及电机控制电路模块6、以及减旋驱动电机；所述惯性姿态解算模块包括导航解算电路模块7、以及位于半捷联内筒2内的惯性测量组合8；

其中，转轴3贯穿半捷联内筒2，转轴3一端与减旋驱动电机的转子9固定，另一端通过支撑轴承4与半捷联外筒1连接；滑环定子10与半捷联外筒1固定，滑环转子11与转轴3固定；转速敏感单元5、电机控制电路模块6、导航解算电路模块7、减旋驱动电机的定子12均与半捷联外筒1内壁固定，惯性测量组合8安装于转轴3上；惯性测量组合8的输出端与滑环转子的入线端13相连，滑环定子的出线端14与导航解算电路模块7的输入端相连，导航解算电路模块7的输出端与电机控制电路模块6的输入端相连，电机控制电路模块6的输出端与减旋驱动电机的控制端15相连，转速敏感单元5的输出端与电机控制电路模块6的输入端相连；

具体实施时，半捷联外筒1、半捷联内筒2的机械结构材料可以根据具体应用环境强度不同选用铝材或钢材；支撑轴承4采用SKF角接触球轴承7200BECBP，7200BECBP的内径为10mm，外径为30mm，厚度为9mm，其动态额定载荷为7.02KN，静态额定载荷为3.35KN；转速敏感单元5采用安装在载体高速旋转轴向的PA-ARG-10800陀螺仪，可以敏感-10800°/s至10800°/s范围内载体高旋轴向的角速率信息，该器件制造工艺采用双极型金属氧化物半导体技术的生产工艺和球形网格排列载流焊工艺，具有高可靠性和高封装坚固性，此外该器件还具有体积小，重量轻，耐高冲击过载的优点；减旋驱动电机采用45ZW05直流无刷伺服电动机，该电机驱动电压为12V，最高转速高达3000rpm，电机内部使用光电编码器作为位置传感器，通过配套驱动器（WXQ-01）最低可控转速为0.02rmp，其自动控制输入电压为0-5V，采用脉宽调制方式控制无刷直流电机转速，旋转方向依靠控制电压高低判断；惯性测量组合8的三个轴向加速度计为1221加速度计，陀螺选择ADXRS300，安装在一体化加工而来的机械安装结构上，其总体重量约为45g；电机控制电路模块6、导航解算电路模块7采用XILINX公司XC2S30型号FPGA作为系统硬件控制单元，控制AD8365把传感器模拟输出信号模数变换并传送给TMS320VC33DSP完成惯性参数解算和产生电机控制信号，最后将惯性解算结果送往K9K8G08U0Mflash存储，同时通过串口将电机控制信号传输给电机驱动器；转速敏感单元直接安装在半捷联外筒上，因此可以直接与系统硬件通信。而惯性测量组合与电路模块分别装在半捷联的内外筒上，综合考虑两者之间存在旋转和安装关系，选用圆柱式带通孔的滑环实现数据交换通信；滑环采用SRH0317微型过孔导电滑环，其能够完全满足360 度无限制旋转的微弱信号及数据传输，具有很小的外形，能够满足有限的半捷联安装空间要求；为了最大限度压缩半捷联体积和优化安装环境，可将转速敏感单元、电机控制电路模块、导航解算电路模块路优化合并构成系统硬件电路，采用DSP作为数据处理器，以转速敏感单元输出信号作为敏感源产生相应的驱动电机控制信号，并通过DSP外设串口传输给电机控制电路模块。