飞行器惯组双轴自标定装置

摘要

本发明公开了一种飞行器惯组双轴自标定装置，包括基座、安装在基座上的外框轴系和自动锁紧装置、安装在外框轴系上的内框轴系、与内框轴系相连的飞行器惯组、以及用于确定其转动位置的红外传感器。外框轴系包括外框架，外框架的纵向两边分为滑动端和锁紧端。内框轴系包括安装在飞行器惯组两侧的内框架，两侧的内框架上分别设有内框轴和内框支撑杆，内框轴和内框支撑杆分别通过滚动轴承安装在外框架的横向两边。自动锁紧装置包括通过角接触轴承安装在基座上的复合螺杆，飞行器惯组的纵向两边设有动齿盘和顶杆。本发明通过内、外框轴系自动旋转在飞行器内完成惯组自标定，并通过自动锁紧装置保证飞行器惯组与飞行器的可靠捷联。

说明书

技术领域

本发明属于惯性导航领域，具体地指一种飞行器惯组双轴自标 定装置。

背景技术

惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组 成。其中，惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组 合(简称惯组)。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动； 3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。捷联式惯 性导航系统的结构简单、体积小、维护方便，是通过惯组直接安装 在飞行器上以完成制导与导航任务。因此，飞行器惯组是飞行器控 制系统的核心，是影响导航精度和使用性能的关键部件。

目前飞行器惯组标定过程复杂，需要将飞行器惯组拆卸后，使 用第三方专用测试设备上进行标定测试。测试过程复杂，需要人工 进行干预。而现有的陆用、船用惯组的单双轴标定装置，其环境适 应能力有限，无法在飞行器上使用。

从公布的资料来看，陆用、船用惯组的单轴或双轴调制装置中 很大部分仅限于理论研究，而且这些装置主要存在以下局限性，制 约其在飞行器上的应用。第一，单轴调制装置往往无法单独依靠自 身轴系的自由度完成惯组全部参数的标定。第二，现有单轴或双轴 调制装置的锁紧、松开可靠性要求相对较低，且自动化程度不高。 第三，该类装置中，特别是双轴回转装置中走线方式多采用滑环方 式，滑道和触点之间存在相对滑动，在飞行器飞行过程的冲击振动 环境下无法保证惯组的可靠工作。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有技术所存在的不足，提供一种飞 行器惯组双轴自标定装置。

为实现上述目的，本发明所设计的飞行器惯组双轴自标定装 置，包括环形结构的基座、安装在所述基座上的外框轴系、安装在 所述外框轴系上的内框轴系、与所述内框轴系相连的飞行器惯组、 以及安装在所述基座上的自动锁紧装置，其特征在于：

所述外框轴系包括外框架，所述外框架的纵向两边分为滑动端 和锁紧端，所述外框架的滑动端固定连接有外框轴孔转接支架，所 述外框轴孔转接支架内设置有顶升螺母，所述顶升螺母的外周通过 轴承组件与基座活动配合；所述外框架的锁紧端设置有外框轴、直 齿轮副和定齿盘，所述直齿轮副由相互啮合的大齿轮和小齿轮组 成，所述大齿轮套接在外框轴上，所述小齿轮与安装在基座上的外 框电机相连，所述定齿盘设置在外框轴的内侧端，所述外框轴的外 侧端通过外轴端盖安装在基座上；

所述内框轴系包括安装在飞行器惯组两侧的内框架，所述两侧 的内框架上分别设置有内框轴和内框支撑杆，所述内框轴和内框支 撑杆分别通过滚动轴承安装在外框架的横向两边；所述内框支撑杆的 外侧端与第一蜗轮相连、所述第一蜗轮与第一蜗杆啮合配合，所述 第一蜗杆与安装在外框架上的内框驱动电机相连；

所述自动锁紧装置包括通过角接触轴承安装在基座上的复合 螺杆，所述复合螺杆的涡轮端与第二蜗杆啮合配合，所述第二蜗杆 与安装在基座上的锁紧电机相连，所述复合螺杆的螺杆端与顶升螺 母的内螺纹配合，从而驱动顶升螺母在复合螺杆上直线移动；

所述飞行器惯组的纵向两边设置有动齿盘和顶杆，所述动齿盘 在锁紧时与所述定齿盘啮合配合，所述顶杆的端面与所述顶升螺母 抵接配合。

上述方案中，所述内框轴及其对应的轴孔以及所述基座与所述 外框架的锁紧端相对的圆周面上均设置有用于确定其转动位置的红 外传感器。这样，内、外框轴系的回转运动的位置反馈采取红外传 感器的方式闭环控制。

优选地，所述内框轴上0°、90°、180°、270°四个位置安 装有红外传感器的接收端，所述内框轴在对应的轴孔0°位置安装红外传感 器的发射端；所述基座与所述外框架的锁紧端相对的圆周面上0°、90 °、180°、270°四个位置安装红外传感器的接收端，所述外框架上 对应圆周上的0°位置安装红外传感器的发射端。这样，通过不同位置传感 器发出的信号来形成内、外框轴系的回转闭环控制。

上述方案中，所述外框架与基座之间设置有限位传感器。这样，在 松开和锁紧位置通过安装限位传感器，当锁紧或松开到指定位置时，限位 传感器触发形成松开或锁紧位置的闭环控制。

上述方案中，所述自动锁紧装置还包括安装在基座上用于防止锁 紧电机反转的电磁锁紧机构，所述第二蜗杆的下端为半圆柱形，所 述电磁锁紧机构的电磁控制插销在锁紧时与第二蜗杆的半圆柱形 下端紧贴配合。这样，在锁紧后通过电磁锁紧机构将电机轴限制在 固定的角度范围内，防止因电机在外力作用下反转导致锁紧失效。

优选地，所述定齿盘通过第二轴向滚珠轴承支撑在外框架上。 这样，定齿盘可以带动外框架旋转，而不会随外框架直线运动。

优选地，所述内框轴和外框轴均为可供导线穿过的空心轴。这样， 内框到基座之间的电缆采用直接连接而不会产生扭曲和缠绕。

上述方案中，所述外框架上分别开设有内框电缆走线槽和惯组 电缆走线槽，所述外框轴外侧端的外轴端盖上开设有相对的内框电 缆出线孔和惯组电缆出线孔。所述内框轴外侧端的内轴端盖上开设 有外框电缆出线孔。这样，双轴回转装置中走线可采用电缆直接连 接的方式，而且不会产生扭曲和缠绕，避免采用滑环的不可靠性因 素。

本发明的有益效果在于：

1、通过内外框复合运动轴系组成的双轴回转机构实现飞行器 惯组自标定过程。通过双轴调制装置可依靠双轴系的自由度完成惯 组全部参数的标定。

2、本装置自动化程度高，锁紧、松开可靠性较高。飞行器惯 组双轴自标定装置在飞行器上安装后，通过地面设备远程控制就可 进行飞行器惯组的标定过程。内、外框的回转运动的位置反馈采取 红外传感器的方式闭环控制；自动锁紧装置的松开或锁紧采取限位 传感器的方式实现闭环反馈控制；自动锁紧装置采取动定齿盘啮合 的方式实现可靠锁紧。

3、双轴回转装置中走线可采用电缆直接连接的方式，而且不 会产生扭曲和缠绕，避免采用滑环的不可靠性因素。

本发明提供的飞行器惯组双轴自标定装置，解决了目前飞行器 惯组标定的复杂的过程。由于它不需要单独再提供测试设备和测试 间。因此，节省了大量的后勤保证成本。同时，该装置还可以推广 到陆用、船用惯性导航领域，具有很大经济效益。

附图说明

图1为飞行器惯组双轴自标定装置的立体结构示意图。

图2为图1的横向剖视结构示意图。

图3为图2中外框轴系的滑动端的放大结构示意图。

图4为图2中外框轴系的锁紧端的放大结构示意图。

图5为图2中内框轴系的内框轴端的放大结构示意图。

图6为图2中内框轴系的内框支撑杆端的放大结构示意图。

图7为图1中的自动锁紧装置纵向剖视结构示意图。

图8为飞行器惯组双轴自标定装置的电缆线布置结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

图1、2所示的飞行器惯组双轴自标定装置，包括环形结构的 基座4、安装在所述基座4上的外框轴系1、安装在所述外框轴系1 上的内框轴系2、与所述内框轴系2相连的飞行器惯组5、以及安 装在所述基座4上的自动锁紧装置3。外框轴系1包括外框架1.1， 外框架1.1的纵向两边分为滑动端和锁紧端。

结合图3，外框架1.1的滑动端固定连接有外框轴孔转接支架 1.9，外框轴孔转接支架1.9内设置有顶升螺母1.6，顶升螺母1.6 的外周通过轴承组件与基座4活动配合。外框轴孔转接支架1.9上 固定设置有与顶升螺母1.6配合的第一平面滚珠轴承1.8。外框轴 孔转接支架1.9与基座4之间还设置有垫块1.12，垫块1.12上固定 设置有与外框轴孔转接支架1.9配合的第二平面滚珠轴承1.13。外 框轴孔转接支架1.9和垫块1.12的内侧均设置有与顶升螺母1.6配 合的第一轴向滚珠轴承1.7。通过轴向滚珠轴承保证外框架1.1在 锁紧和松开过程中沿外框轴1.2直线运动，还可减小外框架1.1沿 着轴向滑动时的摩擦力；第一平面滚珠轴承1.8保证松开过程中外 框架1.1旋转的平稳性，还可减小端面的滑动摩擦。

结合图4，外框架1.1的锁紧端设置有外框轴1.2、直齿轮副 1.3和定齿盘1.4。直齿轮副1.3由相互啮合的大齿轮1.3.1和小齿 轮1.3.2组成，大齿轮1.3.1套接在外框轴1.2上，小齿轮1.3.2与 安装在基座4上的外框电机1.5相连，定齿盘1.4设置在外框轴1.2 的内侧端，外框轴1.2的外侧端通过外轴端盖1.10安装在基座4上。 定齿盘1.4通过第二轴向滚珠轴承1.11支撑在外框架1.1上。

外框轴系1的外框电机1.5采用型号为17HD6404-05N步进电 机，通过大齿轮1.3.1与小齿轮1.3.2传动比为1∶12的直齿轮副1.3 来驱动外框架1.1旋转，角度范围-180°～+180°。

结合图5和图6，内框轴系2包括安装在飞行器惯组5两侧的 内框架2.1，两侧的内框架2.1上分别设置有内框轴2.5和内框支撑 杆2.7，内框轴2.5和内框支撑杆2.7分别通过滚动轴承2.6安装在外 框架1.1的横向两边。内框支撑杆2.7的外侧端与第一蜗轮2.2相 连，第一蜗轮2.2与第一蜗杆2.3啮合配合，第一蜗杆2.3与安装 在外框架1.1上的内框驱动电机2.4相连。内框轴2.5的外侧端设 置有内轴端盖2.8和电缆保护盖2.10。内框支撑杆2.7的外侧端与 第一蜗轮2.2固定连接，第一蜗轮2.2外设置有蜗轮套2.9，蜗轮套 2.9上同样设置有内轴端盖2.8。

内框轴系2中的滚动轴承2.6采用深沟球轴承6005P6，其摩擦 系数为0.003。内框轴系2上的第一蜗轮2.2和第一蜗杆2.3，传动 比为28∶1，内框驱动电机2.4采用型号为17HD4435-02N步进电 机带动蜗轮蜗杆副驱动内框架2.1回转。

结合图7，自动锁紧装置3包括通过角接触轴承9安装在基座 4上的复合螺杆3.1，复合螺杆3.1的涡轮端与第二蜗杆3.2啮合配 合，第二蜗杆3.2与安装在基座4上的锁紧电机3.3相连，复合螺 杆3.1的螺杆端与顶升螺母1.6的内螺纹配合，从而驱动顶升螺母 1.6在复合螺杆3.1上直线移动。复合螺杆3.1的外侧端设置有螺杆 端盖3.5。自动锁紧装置3还包括安装在基座4上用于防止锁紧电 机3.3反转的电磁锁紧机构3.4，第二蜗杆3.2的下端为半圆柱形， 电磁锁紧机构3.4的电磁控制插销3.4.1在锁紧时与第二蜗杆3.2的 半圆柱形下端紧贴配合。

自动锁紧装置3的锁紧电机3.3采用型号为17HD6404-05N的 步进电机。由复合螺杆3.1和第二蜗杆3.2组成的蜗轮蜗杆副的传 动比为28∶1，蜗轮蜗杆传动效率为50％。由复合螺杆3.1和外框 轴系1的顶升螺母1.6组成螺纹副，其摩擦系数为0.3。

如图2所示，飞行器惯组5的纵向两边设置有动齿盘5.1和顶 杆5.2，动齿盘5.1在锁紧时与所述定齿盘1.4啮合配合，顶杆5.2 的端面与顶升螺母1.6抵接配合。

结合图1、图2和图5，内框轴2.5及其对应的轴孔以及基座4 与外框架1.1的锁紧端相对的圆周面上均设置有用于确定其转动位置 的红外传感器。内框轴2.5上0°、90°、180°、270°四个位置安 装有红外传感器的接收端6，内框轴2.5在对应的轴孔0°位置安装红外传 感器的发射端7。基座4与所述外框架1.1的锁紧端相对的圆周面上0 °、90°、180°、270°四个位置安装红外传感器的接收端6，外框架 1.1上对应圆周上的0°位置安装红外传感器的发射端7。外框架1.1与基 座4之间设置有限位传感器8。

结合图2和图8，内框轴2.5和外框轴1.2均为可供导线穿过的空心 轴。外框架1.1上分别开设有内框电缆走线槽10和惯组电缆走线槽 11，所述外框轴1.2外侧端的外轴端盖1.10上开设有相对的内框电 缆出线孔12和惯组电缆出线孔13。内框轴2.5外侧端的内轴端盖 2.8上开设有外框电缆出线孔14。

本发明的工作过程：

飞行器惯组双轴自标定装置在飞行器上安装后，通过地面设备 远程控制就可进行飞行器惯组5的标定过程。外框电机1.5驱动小 齿轮1.3.2转动，使与小齿轮1.3.2啮合的大齿轮1.3.1转动，从而 驱动外框架1.1旋转，角度范围-180°～+180°。内框驱动电机2.4 带动由第一蜗轮2.2和第一蜗杆2.3组成的蜗轮蜗杆副，驱动内框 架2.1回转，角度范围0°～360°。外框轴系1和内框轴系2的复 合运动组成飞行器惯组5的双轴回转机构。飞行器惯组5在没有人 为干预的情况下，通过双轴回转机构以特定的角速度和特定的回转 路径对飞行器惯组5进行旋转调制，最终标定出飞行器惯组5的参 数从而实现自标定过程。

外框轴系1和内框轴系2的回转运动的位置反馈采取红外传感 器的方式闭环控制。内框轴2.5和外框轴1.2的轴孔上0°安装对应 的红外传感器的发射端7。在发射端7前安装狭缝光阑控制位置精 度。内框轴2.5和外框轴1.2上0°、90°、180和270°位置上均 分别安装红外信号传感器的接收端6，分别代表不同的位置。接收 端6通过加工0.2mm狭缝控制传感器的敏感范围。当内框轴系2 和外框轴系1旋转后，接收端6到达该位置时，探测器会接收到信 号并反馈出位置信号。内框轴系2红外的位置反馈精度为±0.429 °、外框轴系1红外的位置反馈精度为±0.255°。

自标定完成后，通过自动锁紧装置3保证在飞行过程中的振动冲 击环境下，飞行器惯组5与飞行器的可靠捷联。由于复合螺杆3.1和第二 蜗杆3.2组成蜗轮蜗杆副，复合螺杆3.1和顶升螺母1.6组成螺纹 副。蜗轮蜗杆副主要用来驱动螺纹螺杆副，将锁紧电机3.3的回转 运动转换为直线运动，即，通过锁紧电机3.3带动蜗轮蜗杆副驱动 复合螺杆3.1旋转，从而驱动顶升螺母1.6在复合螺杆3.1上直线 移动，并在角接触轴承9的支撑下使顶升螺母1.6与顶杆5.2配合， 由于内框轴系1与飞行器惯组5固定连接，从而驱动外框架1.1向 外框轴1.2的方向移动，并最终使外框轴1.2内侧端的定齿盘1.4 与动齿盘5.1啮合实现锁紧，反之松开。自动锁紧装置3的松开或 锁紧通过限位传感器8实现闭环反馈控制。当外框轴系1锁紧或松 开到指定位置时，限位传感器8被触发，从而实现锁紧或松开的闭 环控制。

飞行器惯组5上的电缆线经惯组电缆走线槽11，从惯组电缆出 线孔13引出。内框轴系2所用电机的电缆线经内框电缆走线槽10， 从内框电缆出线孔12引出。外框轴系1直接从外框电缆出线孔14 引出至装置外部。电缆均用聚四氟乙烯薄膜包扎，并且每隔30mm 用锦纶细丝进行捆扎，捆扎完后再用胶水对锦纶细丝进行固定。飞 行器惯组5和内框轴系2上的电缆虽然均从外框轴系的一端引出， 根据回转角度设置的内框电缆出线孔12和惯组电缆出线孔13相对 分开，使外框架1.1在-180°～+180°范围内旋转时不发生扭曲和缠 绕。