一種擺式陀螺尋北儀的全方位尋北裝置及方法

2023-12-09 19:03:11

一種擺式陀螺尋北儀的全方位尋北裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置及方法，擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置包括擺式陀螺尋北儀，擺式陀螺尋北儀包括陀螺擺H軸，還包括：確定大致真北方向的電子磁羅盤、電連接電子磁羅盤和擺式陀螺尋北儀的電路組件；包括減速旋轉機構、絕對光柵碼盤和驅動伺服機構的伺服跟蹤裝置以及與所述擺式陀螺尋北儀和所述伺服驅動機構電連接的控制模塊，伺服跟蹤裝置根據控制模塊的控制信號將陀螺擺H軸旋轉至所述大致真北方向，擺式陀螺尋北儀開始尋真北步驟。本發明的擺式陀螺尋北儀的全方位尋北裝置及方法，不受擺式陀螺尋北儀架設方位的限制，將擺式陀螺尋北儀以任意方位架設調平後，即可實現尋北操作，快速便捷。
【專利說明】一種擺式陀螺尋北儀的全方位尋北裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種尋北裝置及方法，尤其涉及一種利用電子磁羅盤初步定位的擺式陀螺尋北儀快速全方位尋北裝置及方法。
【背景技術】
[0002]擺式陀螺尋北儀為高精度定向設備，通過陀螺擺敏感地球自轉角速度的方式確定真北方位。為實現尋北，陀螺擺通過一恆彈性金屬絲吊掛於伺服跟蹤裝置上，下掛點位於擺的質心上方，從而構成一質心下移的擺式結構。當陀螺工作時，由於測點地球自轉角速度水平分量及重力的作用，在無阻尼條件下，陀螺擺將繞地垂線對稱於子午面(北向)擺動，光學傳感器測量出陀螺擺的運動，通過自動阻尼跟蹤方式，陀螺擺將會被快速穩定至測點子午面內(北向)。此時伺服跟蹤裝置也位於北向基準位置，通過碼盤和直角稜鏡等裝置可將北向基準信息直接傳遞至相關基面或基線。專利號為ZL200810146912.4的發明專利公開了一種擺式陀螺尋北儀尋北測量方法，但是其需要將陀螺擺H軸架設到北向附近才能實現快速尋北。若將擺式陀螺尋北儀任意方位架設，其陀螺擺H軸沒有朝向北向附近，將會出現在規定的時間內尋北任務不能完成或尋北精度超差的現象。

【發明內容】

[0003]本發明的目的是提供一種擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置及方法，不受擺式陀螺尋北儀架設方位的限制，將擺式陀螺尋北儀以任意方位架設調平後，即可實現尋北步驟。
[0004]為了實現上述目的，本發明的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，包括擺式陀螺尋北儀，所述擺式陀螺尋北儀包括陀螺擺H軸，還包括:
[0005]電子磁羅盤，實現大致真北方向的確定；
[0006]電路組件，電連接所述電子磁羅盤和所述擺式陀螺尋北儀；
[0007]伺服跟蹤裝置，包括:
[0008]減速旋轉機構；
[0009]絕對光柵碼盤；以及
[0010]驅動伺服機構；
[0011]其中，所述驅動伺服機構的輸出軸與所述減速旋轉機構的輸入軸連接，所述減速旋轉機構的輸出軸與所述陀螺擺H軸和所述絕對光柵碼盤輸入端相連接，所述絕對光柵碼盤的輸出端與所述驅動伺服機構的輸入端電連接；以及
[0012]控制模塊，與所述擺式陀螺尋北儀和所述伺服驅動機構電連接；
[0013]其中，所述伺服跟蹤裝置根據所述控制模塊的控制信號將所述陀螺擺H軸旋轉至所述大致真北方向。
[0014]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其中，所述減速旋轉機構包括減速機構和密珠軸系，所述減速機構的輸入軸是所述減速旋轉機構的輸入軸，所述密珠軸系的輸出軸是所述減速旋轉機構的輸出軸，所述減速機構的輸出軸與所述密珠軸系的輸入軸相連接。
[0015]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其中，所述驅動伺服機構包括相互電連接的驅動電路和測速伺服電機，所述驅動電路驅動所述測速伺服電機，所述測速伺服電機反饋速度信號至所述驅動電路。
[0016]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其中，所述電路組件包括使所述擺式陀螺尋北儀給所述電子磁羅盤供電的DV24V/DC5V電源轉換模塊和實現所述擺式陀螺尋北儀與所述電子磁羅盤之間的數據傳輸的RS-232通訊模塊。
[0017]採用上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置的一種擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，該方法包括如下步驟:
[0018]步驟1:所述控制模塊通過所述電路組件向所述電子磁羅盤發送尋北信號，所述電子磁羅盤實現所述大致真北方向的確定並將所述大致真北方向角度信號通過所述電路組件傳輸至所述控制模塊；
[0019]步驟2:所述控制模塊讀取所述擺式陀螺尋北儀的所述陀螺擺H軸的角度信號並與所述大致真北方向角度進行比較得到H軸偏北角Θ ；
[0020]步驟3:所述控制模塊根據所述H軸偏北角Θ輸入信號至所述驅動伺服機構，所述驅動伺服機構帶動所述減速旋轉機構，所述減速旋轉機構帶動所述陀螺擺H軸旋轉；
[0021]步驟4:所述絕對光柵碼盤反饋所述陀螺擺H軸旋轉角度信號至所述驅動伺服機構直至所述陀螺擺H軸旋轉至所述大致真北方向；
[0022]步驟5:所述擺式陀螺尋北儀進行尋真北步驟。
[0023]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其中，所述大致真北方向的範圍為真北±15° 0
[0024]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其中，所述步驟3包括:
[0025]所述控制模塊判斷所述H軸偏北角Θ是否屬於O度至180度；如果是，所述控制模塊輸入控制信號使所述陀螺擺H軸順時針旋轉Θ角度；如果不是，所述控制模塊輸入控制信號使所述陀螺擺H軸逆時針旋轉360- Θ角度。
[0026]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其中，所述減速旋轉機構包括減速機構和密珠軸系，所述減速機構的輸入軸是所述減速旋轉機構的輸入軸，所述密珠軸系的輸出軸是所述減速旋轉機構的輸出軸，所述減速機構的輸出軸與所述密珠軸系的輸入軸相連接。
[0027]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其中，所述驅動伺服機構包括驅動電路和測速伺服電機，所述驅動電路驅動所述減速伺服電機，所述測速伺服電機反饋速度信號至所述驅動電路。
[0028]上述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其中，所述電路組件包括使所述擺式陀螺尋北儀給所述電子磁羅盤供電的DV24V/DC5V電源轉換模塊和實現所述擺式陀螺尋北儀與所述電子磁羅盤之間的數據傳輸的RS-232通訊模塊。
[0029]本發明的有益功效在於，採用本發明的擺式陀螺尋北儀的全方位尋北方法，利用電子磁羅盤確定大致真北的方向，並利用伺服跟蹤裝置將擺式陀螺尋北儀的陀螺擺H軸旋轉至大致真北的方向，然後進行尋北操作，不受擺式陀螺尋北儀架設方位的限制，將擺式陀螺尋北儀以任意方位架設調平後，即可實現尋北操作，快速便捷。[0030]以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為擺式陀螺尋北儀的全方位尋北裝置原理框圖；
[0032]圖2為伺服跟蹤裝置原理框圖；
[0033]圖3為擺式陀螺尋北儀與電子磁羅盤連接示意圖；
[0034]圖4為擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法流程圖；
[0035]圖5為擺式陀螺尋北儀的陀螺擺H軸偏北角定義示意圖。
[0036]其中，附圖標記
[0037]I擺式陀螺尋北儀
[0038]2電子磁羅盤
[0039]3電路組件
[0040]4伺服跟蹤裝置
[0041]5陀螺擺H軸
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖和具體實施例對本發明技術方案進行詳細的描述，以更進一步了解本發明的目的、方案及功效，但並非作為本發明所附權利要求保護範圍的限制。
[0043]如圖1所示，圖1是本發明的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置10的原理框圖，本發明的擺式陀螺尋北儀全方位的尋北裝置10包括擺式陀螺尋北儀1、電子磁羅盤2、連接擺式陀螺尋北儀I和電子磁羅盤2的電路組件3、伺服跟蹤裝置4，以及用於信息計算處理和信息控制的控制模塊。控制模塊與伺服跟蹤裝置4和擺式陀螺尋北儀I電連接。伺服跟蹤裝置4與擺式陀螺尋北儀I的陀螺擺H軸5相連接。電子磁羅盤2實現大致真北方向的確定並通過電路組件3將大致真北方向的角度信號傳輸至控制模塊，伺服跟蹤裝置4根據控制模塊的傳輸的控制信號將陀螺擺H軸5旋轉至大致真北方向，擺式陀螺尋北儀I隨即開始尋真北步驟。其中，擺式陀螺尋北儀I為現有技術，在此不再贅述。
[0044]如圖2所示，圖2是本發明伺服跟蹤裝置4的原理圖。本發明的伺服跟蹤裝置4包括:減速旋轉機構、絕對光柵碼盤以及驅動伺服機構。驅動伺服機構的輸出軸與減速旋轉機構的輸入軸連接，減速旋轉機構的輸出軸與陀螺擺H軸5和絕對光柵碼盤輸入端相連接，絕對光柵碼盤的輸出端與驅動伺服機構的輸入端電連接。
[0045]其中減速旋轉機構包括減速機構包括減速機構和密珠軸系，減速機構的輸入軸是減速旋轉機構的輸入軸，密珠軸系的輸出軸是減速旋轉機構的輸出軸，減速機構的輸出軸與密珠軸系的輸入軸相連接。驅動伺服機構包括驅動電路和測速伺服電機。控制模塊傳輸控制信號至驅動電路，驅動電路驅動測速伺服電機，測速伺服電機反饋速度信號至驅動電路。
[0046]電子磁羅盤2實現大致真北方向的確定，範圍為真北±15°。電子磁羅盤2安裝在擺式陀螺尋北儀I內部上側，由螺釘固定。電子磁羅盤2通過電路組件3與擺式陀螺尋北儀I連接。
[0047]擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法的工作流程如下:[0048]步驟1:控制模塊通過電路組件3向電子磁羅盤2發送尋北信號，電子磁羅盤2實現大致真北方向的確定並將大致真北方向角度信號通過電路組件3傳輸至控制模塊；
[0049]步驟2:控制模塊讀取擺式陀螺尋北儀的陀螺擺H軸5的角度信號並與大致真北方向角度進行比較得到H軸偏北角Θ ；
[0050]步驟3:控制模塊根據H軸偏北角Θ輸入信號至驅動伺服機構，驅動伺服機構帶動減速旋轉機構，減速旋轉機構帶動陀螺擺H軸5旋轉；
[0051]步驟4:絕對光柵碼盤反饋陀螺擺H軸5旋轉角度信號至驅動伺服機構直至陀螺擺H軸5旋轉至大致真北方向；
[0052]步驟5:擺式陀螺尋北儀進行尋真北步驟。
[0053]其中，步驟3包括:控制模塊判斷H軸偏北角Θ是否屬於O度至180度；如果是，控制模塊輸入控制信號使陀螺擺H軸5順時針旋轉Θ角度；如果不是，控制模塊輸入控制信號使陀螺擺H軸5逆時針旋轉360- Θ角度。
[0054]如圖5所示，擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置10的尋北工作過程為:
[0055]將擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置10以任意方位架設在三腳架上或其他可調平穩定裝置上，將擺式陀螺尋北儀I進行調平，調平後對擺式陀螺尋北儀I進行系統上電。
[0056]系統上電後，控制模塊向電子磁羅盤2發送尋北的信號，電子磁羅盤2確定大致真北方向，並發送至控制模塊，控制模塊讀取擺式陀螺尋北儀I的陀螺擺H軸5的角度數據，並與電子磁羅盤2提供的大致真北方向進行比較，得到陀螺擺H軸5的H軸偏北角Θ。
[0057]控制模塊根據陀螺擺H軸5的H軸偏北角Θ控制伺服跟蹤裝置4將陀螺擺的H軸5旋轉到真北附近。陀螺擺H軸5的H軸偏北角度定義如圖5所示，若Θ e [0°，180° ]，控制伺服跟蹤裝置4控制陀螺擺H軸5以逆時針方向旋轉Θ角度，若Θ ' e (180°，360° )，控制伺服跟蹤裝置4控制陀螺擺H軸5以順時針方向旋轉360° -Θ'角度。
[0058]同時，絕對光柵碼盤反饋陀螺擺H軸5的旋轉角度信號給伺服跟蹤裝置4，一直到陀螺擺H軸5旋轉到大致真北方向。
[0059]陀螺擺H軸5旋轉到大致真北方向後，擺式陀螺尋北儀進行尋真北操作，尋北結束後將精確真北方位輸出。系統斷電，擺式陀螺尋北儀尋北工作流程結束。
[0060]綜上，本發明為實現擺式陀螺尋北儀以任意方位架設進行全方位尋北，進行了如下四個方面的設計。
[0061]I)選用電子磁羅盤2，實現大致真北方向的確定，範圍為真北±15°。電子磁羅盤2安裝在擺式陀螺尋北儀I內部上側，由螺釘固定。電子磁羅盤2通過電子組件3擺式陀螺尋北儀I連接；
[0062]2)設計伺服跟蹤裝置4，實現[0°，360° )全方位旋轉。伺服跟蹤裝置4由驅動電路，測速伺服電機、減速機構、密珠軸系和絕對光柵碼盤組成。伺服跟蹤裝置根據給定的H軸偏北角，由驅動電路控制測速伺服電機驅動減速機構，減速機構帶動密珠軸系實現[0° ,360° )全方位旋轉；並根據絕對光柵碼盤的角度數據，確定伺服跟蹤裝置是否跟蹤到位。測速伺服電機反饋電機轉速信號至驅動電路，實現伺服跟蹤的實時性和穩定性。
[0063]測速伺服電機包括測速電機和伺服電機，測速電機位於伺服電機尾端，將伺服電機轉速轉換為編碼脈衝輸出；減速機構由齒輪系組成，起到減速的作用；驅動電路根據H軸偏北角、絕對光柵碼盤的角度數據、以及測速電機的編碼脈衝，通過調整PWM佔空比的方式驅動伺服電機轉動，從而將陀螺擺的H軸5旋轉到真北±15°範圍以內。伺服跟蹤裝置4位於擺式陀螺尋北儀I中部。
[0064]3)設計擺式陀螺尋北儀I與電子磁羅盤2之間供電和通訊的相關電路組件3。電路組件3 —部分為DC24V/DC5V電源轉換模塊，輸出直流5V電源為電子磁羅盤供電；另一部分為RS-232通訊模塊，實現擺式陀螺尋北儀和電子磁羅盤之間的命令交互和數據傳輸，兩者原理示意圖見圖3。該電路組件3為陀螺尋北儀整機電路組件的一部分，陀螺尋北儀I整機電路組件位於陀螺尋北儀I內部上側；
[0065]4)設計擺式陀螺尋北儀全方位尋北控制模塊。實現接收電子磁羅盤2確定的大致真北方向、輸出陀螺擺H軸5偏北角、控制伺服跟蹤裝置4將陀螺擺H軸5旋轉到大致真北方向、擺式陀螺尋北儀I尋真北步驟並輸出尋北結果。
[0066]當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，包括擺式陀螺尋北儀，所述擺式陀螺尋北儀包括陀螺擺H軸，其特徵在於，還包括: 電子磁羅盤，實現大致真北方向的確定； 電路組件，電連接所述電子磁羅盤和所述擺式陀螺尋北儀； 伺服跟蹤裝置，包括: 減速旋轉機構； 絕對光柵碼盤；以及 驅動伺服機構； 其中，所述驅動伺服機構的輸出軸與所述減速旋轉機構的輸入軸連接，所述減速旋轉機構的輸出軸與所述陀螺擺H軸和所述絕對光柵碼盤輸入端相連接，所述絕對光柵碼盤的輸出端與所述驅動伺服機構的輸入端電連接；以及 控制模塊，與所述擺式陀螺尋北儀和所述伺服驅動機構電連接； 其中，所述伺服跟蹤裝置根據所述控制模塊的控制信號將所述陀螺擺H軸旋轉至所述大致真北方向。
2.根據權利要求1所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其特徵在於，所述減速旋轉機構包括減速機構和密珠軸系，所述減速機構的輸入軸是所述減速旋轉機構的輸入軸，所述密珠軸系的輸出軸是所述減速旋轉機構的輸出軸，所述減速機構的輸出軸與所述密珠軸系的輸入軸相連接。
3.根據權利要求1所 述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其特徵在於，所述驅動伺服機構包括相互電連接的驅動電路和測速伺服電機，所述驅動電路驅動所述測速伺服電機，所述測速伺服電機反饋速度信號至所述驅動電路。
4.根據權利要求1所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置，其特徵在於，所述電路組件包括使所述擺式陀螺尋北儀給所述電子磁羅盤供電的DV24V/DC5V電源轉換模塊和實現所述擺式陀螺尋北儀與所述電子磁羅盤之間的數據傳輸的RS-232通訊模塊。
5.採用權利要求1所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北裝置的一種擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，該方法包括如下步驟: 步驟1:所述控制模塊通過所述電路組件向所述電子磁羅盤發送尋北信號，所述電子磁羅盤實現所述大致真北方向的確定並將所述大致真北方向角度信號通過所述電路組件傳輸至所述控制模塊； 步驟2:所述控制模塊讀取所述擺式陀螺尋北儀的所述陀螺擺H軸的角度信號並與所述大致真北方向角度進行比較得到H軸偏北角Θ ； 步驟3:所述控制模塊根據所述H軸偏北角Θ輸入信號至所述驅動伺服機構，所述驅動伺服機構帶動所述減速旋轉機構，所述減速旋轉機構帶動所述陀螺擺H軸旋轉； 步驟4:所述絕對光柵碼盤反饋所述陀螺擺H軸旋轉角度信號至所述驅動伺服機構直至所述陀螺擺H軸旋轉至所述大致真北方向； 步驟5:所述擺式陀螺尋北儀進行尋真北步驟。
6.根據權利要求5所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，所述大致真北方向的範圍為真北±15°。
7.根據權利要求5所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，所述步驟3包括: 所述控制模塊判斷所述H軸偏北角Θ是否屬於O度至180度；如果是，所述控制模塊輸入控制信號使所述陀螺擺H軸順時針旋轉Θ角度；如果不是，所述控制模塊輸入控制信號使所述陀螺擺H軸逆時針旋轉360- Θ角度。
8.根據權利要求5所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，所述減速旋轉機構包括減速機構和密珠軸系，所述減速機構的輸入軸是所述減速旋轉機構的輸入軸，所述密珠軸系的輸出軸是所述減速旋轉機構的輸出軸，所述減速機構的輸出軸與所述密珠軸系的輸入軸相連接。
9.根據權利要求5所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，所述驅動伺服機構包括驅動電路和測速伺服電機，所述驅動電路驅動所述減速伺服電機，所述測速伺服電機反饋速度信號至所述驅動電路。
10.根據權利要求5所述的擺式陀螺尋北儀全方位尋北方法，其特徵在於，所述電路組件包括使所述擺式陀螺尋北儀給所述電子磁羅盤供電的DV24V/DC5V電源轉換模塊和實現所述擺式陀螺尋 北儀與所述電子磁羅盤之間的數據傳輸的RS-232通訊模塊。
【文檔編號】G01C19/00GK103791896SQ201210425351
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2012年10月30日 優先權日:2012年10月30日
【發明者】趙京坡, 王宇, 萬琦, 陳為, 康冰, 賀長水, 丁爽 申請人:北京航天發射技術研究所, 中國運載火箭技術研究院