一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置

摘要

一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置，包括本体、壳体、三轴共用光源、陀螺电路、系统电路、陀螺仪、电连接器、电源、减振器，三个加速度计、侧盖、上盖。三个相互正交的陀螺仪安装于本体的侧面及顶部；三个加速度计位于陀螺仪的内侧，与本体相连，三轴共用光源安装在本体的下部，陀螺电路安装于铒源盒的下部，与本体相连，本体通过八个减振器安装在壳体内部，电源、接插件、系统电路、侧盖，上盖安装在壳体上，侧盖实现系统电路的封闭，上盖实现壳体的封闭。本发明提供多种对外输出接口，采用层叠式的设计方案，纯惯性下导航精度优于1海里/小时，在同等体积或者重量下精度最高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置，特别涉及一种用于无人机、无人深潜器等惯性导航用的小型化、高精度光纤陀螺惯性导航装置，属于惯性测量技术领域。

背景技术

无人机作为一种全新的空中运行平台，能够执行侦察、对地攻击、电子对抗、通信中继、导弹指引等功能，在现代化战争中扮演着越来越重要的角色。同时在民用领域里面的作用也越老越突出，例如防灾减灾、农作物检测、地理测绘、植被检测等用途。无人深潜器近年来发展迅速，作为一种水下运载平台，能够在水下执行扫雷、打捞、水下地形探测、水文探测、油气勘查等功能。

作为无人机、深潜器控制系统的关键设备，惯性测量装置影响系统的精度和性能。光纤陀螺惯性导航装置凭借其体积、功耗、精度、空间环境适应性等多方面的优势得以大量应用。

现有技术中，光纤陀螺惯性导航装置同等精度下体积比较大，同体积的装置精度达不到。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置，一个本体、一个壳体、一个三轴共用光源、一份陀螺电路、一份系统电路、三个陀螺仪、一个电连接器、一个电源、八个减振器，三个加速度计、一个侧盖和一个上盖；

本体为类六面体镂空结构，采用一体化成型，其中顶部以及相邻的两个侧面相互正交，作为三个陀螺仪的安装面，记为第二套安装面；本体还具备第一套安装面，所述第一套安装面位于本体内部，第一套安装面和第二套安装面相对的平面法线重合，第一套安装面用于安装三个加速度计；

三轴共用光源安装在本体的下部，陀螺电路位于三轴共用光源的下部，与本体通过螺钉相连，陀螺电路通过导线与三轴共用光源连接；本体通过减振器安装在壳体内部，电连接器和电源安装在壳体第一侧面上，系统电路安装在与所述壳体第一侧面相邻的侧面上，侧盖、上盖安装在壳体上，侧盖实现系统电路的封闭，上盖实现本体的封闭；

系统电路通过导线与电连接器、陀螺电路和三个加速度计连接，陀螺电路通过光纤与三个陀螺仪连接，三轴共用光源通过光纤与三个陀螺仪连接，电源通过导线与系统电路、电连接器和陀螺电路连接。

系统电路的功能如下：

接收加速度计的信号，进行处理后转换为数字量；接收陀螺电路输入的角速度信息和/或外置辅助导航设备的信息，能够进行导航信息的处理与计算，实现纯惯性导航和/或组合导航的功能；系统电路上设计有多种通信接口，包括但不限于RS422接口、RS232接口、CAN接口，利用所述通信接口实现导航信息的对外输出，以及与市面上辅助导航设备相连，实现组合导航。

三轴共用光源中的光源采用铒源盒实现。

本体每条棱的上部和下部均安装有一个减振器。

壳体侧面上加工有X型加强筋。

上盖、侧盖与壳体的连接处通过密封圈进行密封。

光纤惯性导航装置具备防水功能，上盖、侧盖与壳体的连接处有密封圈进行密封，使该装置对环境的要求降低，扩大了装置的应用范围。

在壳体第一侧面外表面加工有槽，电源作为空间独立的组件安装在该槽中，安装到位后，再使用外罩进行屏蔽。

系统电路集成了IF电路，集成过程中应遵循以下原则：

1)：大功率器件与小功率器件的距离大于3cm；

2)：高速信号与低速信号间隔3cm以上；

其中大功率器件是指功率大于0.5W的器件，小功率器件是指功率小于等于0.5W的器件；

高速信号是指上升沿时间小于1ns的信号，低速信号是指上升沿时间大于等于1ns的信号。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明一种小型化高精度光纤陀螺惯性导航装置，采用层叠式的设计方案，整个光纤陀螺惯性测量装置的外包络尺寸不大于160mm×167.3mm×118.5mm，重量不大于3.1g，常温功耗不大于15W。纯惯性下(不连接外部辅助导航仪器)导航精度优于1海里/小时，在同等体积或者重量下精度最高，同等精度下体积、重量最轻。

(2)本发明系统电路集成IF电路功能，少用一块IF电路板，并且电路板抗干扰能力并没有由于增加IF功能而降低，将IF功能集成有以下优点：整机装配简单；降低了分部件的数量，增加了整机的可靠度；使装置更加紧凑。

(3)本发明装置带有扩展功能，能够与卫星导航系统、里程计、DVL、超短基线水下定位装置等连接，组成组合导航装置。

附图说明

图1为本发明的外形结构示意图；

图2为本发明的内部构成示意图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

(1)总体组成设计：光纤陀螺惯性导航装置的外形结构示意图如图1所示，内部构成示意图如图2所示。光纤陀螺惯性导航装置包括一个本体1、一个壳体2、一个三轴共用光源3(为了提高陀螺仪的精度，光源采用铒源盒实现)、一份陀螺电路4、一份系统电路5、三个陀螺仪6、一个电连接器7、一个电源8、八个减振器9，三个加速度计10、一个侧盖11、一个上盖12；

本体1为类六面体镂空结构，采用一体化成型，其中顶部以及相邻的两个侧面相互正交，作为三个正交陀螺仪6的安装面，记为第二套安装面；本体1还具备第一套安装面，第一套安装面位于本体1内部，第一套安装面和第二套安装面相对的平面法线重合，第一套安装面用于安装三个加速度计10；

三轴共用光源3安装在本体的下部，陀螺电路4位于三轴共用光源3的下部，与本体通过螺钉相连，陀螺电路4通过导线与三轴共用光源3连接；本体通过减振器安装在壳体2内部，电连接器7和电源8安装在壳体第一侧面上，系统电路5安装在与所述壳体第一侧面相邻的侧面上，侧盖11、上盖12安装在壳体2上，侧盖实现系统电路的封闭，上盖实现本体1的封闭。

系统电路5通过导线与电连接器7、陀螺电路4和三个加速度计10连接，陀螺电路4通过光纤与三个陀螺仪6连接，三轴共用光源3通过光纤与三个陀螺仪6连接，电源8通过导线与系统电路5、电连接器7和陀螺电路4连接。

减振器能够根据应用场合的不同进行更换，保证装置以最佳的工作状态，例如，如果在无人机上使用时，减振器减振频率范围是40Hz～50Hz。

(2)系统电路5的功能如下：

接收加速度计的信号，进行处理后转换为数字量；接收陀螺电路输入的角速度信息和/或外置辅助导航设备的信息，例如里程计、GPS、DVL等，能够进行导航信息的处理与计算，实现纯惯性导航和/或组合导航的功能，导航精度高。系统电路上设计有多种通信接口，有RS422接口、RS232接口，CAN接口等，利用所述通信接口实现导航信息的对外输出，以及与市面上主流里程计、GPS、DVL、超短基线水下定位装置等辅助导航设备相连，实现组合导航。

系统电路5集成了IF电路，集成过程中应遵循以下原则：

1)：大功率器件与小功率器件的距离大于3cm；

2)：高速信号与低速信号间隔3cm以上；

其中大功率器件是指功率大于0.5W的器件，小功率器件是指功率小于等于0.5W的器件；

高速信号是指上升沿时间小于1ns的信号，低速信号是指上升沿时间大于等于1ns的信号。

系统电路以工业级DSP芯片为核心器件，外围配置不高于国军标级别的电阻、电容和集成电路芯片等，其通过串口接收陀螺仪、加速度计信息，进行导航算法运算后再通过RS422、RS232、CAN接口等通信接口对外发送。电源为主要热源和电磁干扰源，因此将电源设置为空间独立的组件安装在壳体的外部，再使用外罩进行屏蔽。

(3)光纤陀螺惯性导航装置的系统电路提供RS422、RS232、CAN对外输出接口，可同时输出被测载体在三个敏感轴向上的加速度信息、速度信息、姿态信息、地理位置信息，RS422接口可按规定的通讯频率以广播的形式发送被测载体的相关姿态数据信息。

(4)系统电路集成IF电路功能，少用一块IF电路板。集成后不仅数字电路(系统电路功能)能够正常工作，而且还不影响模拟电路(IF电路功能)的精度。

光纤陀螺惯性导航装置是由光纤陀螺和加速度计两种仪表组成的闭环检测系统，通过正交三个方向的角速度，加速度，通过特定算法，能够计算出速度信息，姿态信息，地理位置信息等信息。其主要特点表现在以下几个方面：(1)高精度：导航精度优于1海里/小时；(2)小型化：内部布局合理、紧凑，空间利用率高；(3)体积小、功耗低：本体采用镂空结构，散热面积大；电源安装在壳体外侧面上，通过热传导直接将热量传递到外部；整机的大部分热量通过壳体底面传递到底面安装面上，极大地降低了装置的温升，降低了功耗。

本体的尺寸为138.3mm×138.3mm×100mm，壳体的厚度为6mm，整机结构件材料为硬铝合金。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。