一种模块化光纤捷联惯导

摘要

本发明公开了一种模块化光纤捷联惯导，包括：电子舱和仪表舱；所述电子舱包括：电子舱架、IF散热片、IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板、电源板、电源散热片及母板；所述母板安装在电子舱架内，且所述母板上设置有四个CPCI插槽，所述IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板和电源板分别对应插接在母板的四个CPCI插槽上；所述仪表舱包括：主支承架、及安装在主支承架上的X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、X轴加表、Y轴加表及Z轴加表；所述X轴陀螺、Y轴陀螺和Z轴陀螺分别通过电缆与所述母板的另外三个对内插座一一对应连接，本发明能够解决现有AUV用惯导的结构复杂、成本高、难于维护升级、维修困难的问题。

说明书

技术领域

本发明属于惯导技术领域，具体涉及一种模块化光纤捷联惯导。

背景技术

自主式水下无人潜航器(autonomous underwater vehicle，AUV)，由于其体积小、使用成本低、智能化自主作业、保障维护方便、隐蔽性好等诸多优点，在海洋开发和国防领域正发挥着越来越重要的作用。随着AUV应用领域的逐渐扩展，对导航系统的要求也越来越高，必须具备远航程和长航时的高精度导航定位的能力。因为高精度导航定位，决定了AUV能否安全作业及返回，以及水下目标定位、海底地形测绘、水下定点布放等作业结果的准确性。

AUV常用的导航方式有:GPS导航、航迹推算、惯性导航、地形匹配、重力场导航和组合导航等。惯性导航系统(INS)不需要任何外来信息，也不向外辐射任何信息，可适用于任何工作环境，能实时输出载体的位置、速度和姿态等多种导航参数，并且导航数据平稳，短期稳定性好。目前，光纤捷联惯导(FINS)是新一代捷联惯性导航设备(SINS)，相对于激光捷联惯导，具有体积小、无噪音、耐冲击、低功耗等优点，在AUV上正在得到大量应用。但是INS的误差随时间积累，为了保证AUV在水下长时间作业的导航定位精度，一般使用由FINS、GPS和DVL构成的组合导航系统，其中，光纤捷联惯导则正是AUV组合导航系统中最核心的设备。

但是，目前用于AUV的捷联惯导，仍存在以下不足：1)供三个激光陀螺和三个加速度计固定用的台体的机械结构复杂，加工十分困难且耗时，增加了产品的成本，影响了生产效率的提升；2)三个激光陀螺在台体上的安装槽位置较为分散，这样势必增加所占用的体积空间；3)传统的捷联惯导，均设计了减震结构，由于减震件受压缩、老化等发生变形，使得SINS与DVL之间的安装角发生变化，将严重影响AUV水下组合导航精度；4)传统的捷联惯导是非模块化设计，一旦出现故障，则需整机拆解，维修过程易对其它零部件或仪表造成损害。基于此，需要设计一种结构更为精简紧凑、低成本、升级维护方便的光纤捷联惯导。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种模块化光纤捷联惯导，能够解决现有AUV用惯导的结构复杂、成本高、难于维护升级、维修困难的问题。

本发明是通过下述技术方案实现的：

一种模块化光纤捷联惯导，包括：电子舱和仪表舱；

所述电子舱包括：电子舱架、IF散热片、IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板、电源板、电源散热片及母板；

所述母板安装在电子舱架内，且所述母板上设置有四个CPCI插槽、一个对外插座及四个对内插座，其中；所述对外插座通过电缆与外部设备连接；

所述IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板和电源板分别对应插接在母板的四个CPCI插槽上；

所述IF散热片和电源散热片分别通过螺钉安装在电子舱架上；且IF散热片与IF电路板贴合，电源散热片与电源板贴合；

所述仪表舱包括：主支承架、X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、X轴加表、Y轴加表及Z轴加表；

所述主支承架内设有安装基座；

所述X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺、X轴加表、Y轴加表和Z轴加表分别安装在主支承架相应的安装基座上；

所述X轴加表、Y轴加表和Z轴加表通过一根电缆与所述母板的一个对内插座连接；所述X轴陀螺、Y轴陀螺和Z轴陀螺分别通过电缆与所述母板的另外三个对内插座一一对应连接。

进一步的，所述电子舱架和主支承架的侧壁上均加工有减重孔。

进一步的，所述惯导安装使用时，电子舱和仪表舱不对接固连，将电子舱和仪表舱以分体形式分别安装在AUV导航控制舱内。

进一步的，所述惯导安装使用时，所述主支承架的一端与电子舱架的一端同轴对接，实现电子舱和仪表舱的对接，电子舱和仪表舱对接固连后，直接安装在AUV导航控制舱内。

进一步的，还包括；外壳和端盖；

所述主支承架的一端与电子舱架的一端同轴对接，实现电子舱和仪表舱的对接；

所述端盖固定在电子舱架的另一端；

所述外壳为一端开口、一端封闭的圆筒，所述外壳的封闭端加工有通孔；所述对外插座的底座部分安装在母板上，对外插座的对插部分通过所述通孔伸出，进而与外部设备的电缆连接；外壳套装在电子舱和仪表舱的外部，并与端盖固定连接；

电子舱、仪表舱、外壳和端盖组成完整的惯导后，安装在AUV导航控制舱内。

进一步的，所述外壳和主支承架上分别设置有用于装配配合的凸台和凹槽。

进一步的，所述电子舱架和所述主支承架均为圆筒状结构。

进一步的，所述主支承架的安装基座包括：一个矩形块和三个平板面；所述三个平板面互相两两垂直；

所述X轴陀螺、Y轴陀螺、Z轴陀螺分别对应安装在主支承架的三个平板面上，X轴加表、Y轴加表和Z轴加表分别安装在主支承架的矩形块的三个互相相邻的表面上。

进一步的，所述IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板和电源板均与所述电子舱架的轴线平行。

有益效果：(1)本发明实现了光纤捷联惯导的模块化设计，从而方便的对加表(包括：X轴加表、Y轴加表及Z轴加表)、陀螺(包括：X轴陀螺、Y轴陀螺及Z轴陀螺)、IF电路板、DSP+FPGA处理板、ARM存储板等进行重用、升级和维修替换，使得光纤惯导的标准化设计和产品系列化成为可能。

(2)本发明的外壳、电子舱和仪表舱的外形均为圆柱形，适合安装于AUV的回转形导航控制舱；且电子舱架和主支承架上均设有减重孔，在保证机械强度和刚度的同时，大大降低了整机的重量。

(3)本发明不使用外壳和端盖，且电子舱和仪表舱不对接；将电子舱和仪表舱以分体形式分别安装在AUV导航控制舱内，电子舱和仪表舱之间通过电气连接即可正常使用；使得本发明可在小型AUV狭小的内部空间中灵活分散安装，为小型AUV实现高精度水下导航提供了技术解决方案。

(4)本发明将电子舱和仪表舱对接固连后可作为精简版的惯导，不必使用所述的外壳和端盖，即可于AUV导航控制舱内直接安装使用；降低了对重量和安装尺寸的要求，能够适用于小型AUV平台中。

(5)本发明的电子舱、仪表舱、外壳和端盖可组成完整版的惯导，在AUV导航控制舱内安装使用，由于使用了外壳和端盖，可以保证惯导在复杂的电磁环境中正常工作。

(6)本发明的部件均采用无减震结构，避免了减震件因压缩、老化等发生变形，造成INS与DVL之间的安装角变化，进而导致组合导航精度下降。

附图说明

图1为本发明的结构组成示意图；

图2为本发明(不含端盖和外壳)的结构示意图；

图3为本发明(不含端盖和外壳)右视图；

图4为本发明(不含端盖和外壳)前视图；

其中，1-外壳；2-端盖；3-电子舱；4-仪表舱；5-电子舱架；6-IF散热片；7-IF电路板；8-DSP+FPGA处理板；9-ARM存储板；10-电源板；11-电源散热片；12-母板；13-主支承架；14-X轴陀螺；15-Y轴陀螺；16-Z轴陀螺；17-X轴加表；18-Y轴加表；19-Z轴加表。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种模块化光纤捷联惯导，参见附图1，包括：外壳1、端盖2、电子舱3和仪表舱4；

参见附图2，所述电子舱3包括：电子舱架5、IF散热片6、IF电路板7、DSP+FPGA处理板8、ARM存储板9、电源板10、电源散热片11及母板12；

所述电子舱架5为圆筒状结构；

所述母板12通过螺钉安装在电子舱架5内，且所述母板12上设置有四个CPCI插槽、一个对外插座及四个对内插座，其中；所述对外插座通过电缆与外部设备(外部设备包括：GPS、DVL及微控制器)连接；

所述IF电路板7、DSP+FPGA处理板8、ARM存储板9和电源板10分别对应插接在母板12的四个CPCI插槽上；且IF电路板7、DSP+FPGA处理板8、ARM存储板9和电源板10均与所述电子舱架5的轴线平行；

所述IF散热片6和电源散热片11分别通过螺钉安装在电子舱架5上；且IF散热片6与IF电路板7紧密贴合，用于IF电路板7的散热，电源散热片11与电源板10紧密贴合，用于电源板10的散热；

参见附图3-4，所述仪表舱4包括：主支承架13、X轴陀螺14、Y轴陀螺15、Z轴陀螺16、X轴加表17、Y轴加表18及Z轴加表19；

所述主支承架13为圆筒状结构；所述主支承架13内设有安装基座；所述安装基座包括：一个矩形块和三个平板面，所述矩形块的三个互相相邻的表面上设有用于安装X轴加表17、Y轴加表18及Z轴加表19的盲孔和螺纹孔；所述三个平板面互相两两垂直，每个所述平板面上均设有用于安装X轴陀螺14、Y轴陀螺15、Z轴陀螺16的螺纹孔；

所述X轴陀螺14、Y轴陀螺15、Z轴陀螺16、X轴加表17、Y轴加表18和Z轴加表19分别通过螺钉安装在主支承架13相应的安装基座上；即X轴陀螺14、Y轴陀螺15、Z轴陀螺16分别对应安装在主支承架13的三个平板面上，X轴加表17、Y轴加表18和Z轴加表19分别安装在主支承架13的矩形块的三个互相相邻的表面上；

所述X轴加表17、Y轴加表18和Z轴加表19通过一根电缆与所述母板12的一个对内插座连接；所述X轴陀螺14、Y轴陀螺15和Z轴陀螺16分别通过电缆与所述母板12的另外三个对内插座一一对应连接；

其中，所述电子舱架5和主支承架13的侧壁上均加工有按设定规则排列的减重孔。

所述惯导可分为以下三种情况使用：

第一种情况，不使用所述外壳1和端盖2，且电子舱3和仪表舱4不对接固连；将电子舱3和仪表舱4以分体形式分别安装在AUV导航控制舱内，电子舱3和仪表舱4之间通过电气连接即可正常使用；所述电气连接即所述X轴陀螺14、Y轴陀螺15和Z轴陀螺16分别通过电缆与所述母板12的三个插座一一对应连接；所述X轴加表17、Y轴加表18和Z轴加表19通过一根线缆与所述母板12的一个插座连接。

第二种情况，电子舱3和仪表舱4对接固连后可作为精简版的惯导，不必使用所述外壳1和端盖2，即可在AUV导航控制舱内直接安装使用，即：

所述主支承架13的一端通过螺钉与电子舱架5的一端同轴对接，实现电子舱3和仪表舱4的对接。

第三种情况，电子舱3、仪表舱4、外壳1和端盖2组成完整版的惯导，可在AUV导航控制舱内安装使用，即：

所述端盖2通过螺钉固定在电子舱架5的另一端；

所述外壳1为一端开口、一端封闭的圆筒，所述外壳1的封闭端加工有通孔；所述对外插座的底座部分安装在母板12上，对外插座的对插部分通过所述通孔伸出，进而与外部设备的电缆连接；外壳1套装在电子舱3和仪表舱4的外部，并通过螺钉与端盖2固定连接；

其中，所述外壳1和主支承架13上分别设置有凸台和凹槽进行装配配合，以此来保证外壳1与仪表舱4之间精确的位置关系。

工作原理：所述惯导安装在载体上；令仪表舱4的轴向为X轴方向，与所述X轴方向垂直的平面上的两个互相垂直的方向为分别为Y轴方向和Z轴方向；

所述X轴加表17、Y轴加表18和Z轴加表19分别测量载体沿X轴、Y轴和Z轴三个方向的加速度并产生相应的电压信号后，将所述电压信号通过电缆和母板12传送给IF电路板7，所述IF电路板7中对应通道将所述电压信号经过I/F转换成脉冲信号，并将所述脉冲信号通过母板12传送给DSP+FPGA处理板8；

所述X轴陀螺14、Y轴陀螺15和Z轴陀螺16分别测量载体绕X轴、Y轴和Z轴的旋转角增量，并产生相应的数字信号，并将所述数字信号经过电缆和母板12传送给DSP+FPGA处理板8；

外部GPS的GPS信号、DVL的DVL信号及微控制器的控制指令均通过母板12上的对外插座传送至DSP+FPGA处理板8中的FPGA板；DSP+FPGA处理板8中的FPGA板对三路加表的脉冲信号进行单位时间内计数，形成脉冲计数，并对外部GPS数字信号和DVL数字信号进行实时解析；DSP+FPGA处理板8中的FPGA板对所述三路加表的脉冲计数、三路陀螺的角增量、外部GPS信号解析后的协议帧及DVL的数字信号解析后的协议帧进行队列处理和缓存；DSP+FPGA处理板8中的DSP处理板实时查询接收FPGA板中的信息量(所述信息量包括：三路加表的脉冲计数、三路陀螺的角增量、外部GPS信号解析后的协议帧及DVL的数字信号解析后的协议帧)，同时通过运行捷联惯导算法程序对所述信息量进行实时处理，实现初始对准、实时导航解算、DVL标定等功能，并通过母板12的对外插座向外部的微控制器等设备提供实时的加速度、速度、角速率、位置及其它导航信息，以及接受外部设备的指令并做出相应的动作响应。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。