專利名稱：適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)體(如飛行器)的慣性導(dǎo)航技術(shù)，特別涉及高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量方法，具體為一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
捷聯(lián)原文為“strapdown”，有“直接固聯(lián)”的意思。捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是將慣性測(cè)量元件直接安裝在載體上，省去了慣性平臺(tái)的臺(tái)體，代之以存貯在計(jì)算機(jī)中的“數(shù)學(xué)平臺(tái)”。捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)信息處理系統(tǒng)，即載體安裝的慣性測(cè)量元件所測(cè)量的飛行器運(yùn)動(dòng)信息，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理成所需要的導(dǎo)航和控制信息。由于省去了物理平臺(tái)，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積、重量和成本都大大降低，而且維護(hù)方便。捷聯(lián)式系統(tǒng)提供的信息全部是數(shù)字信息，特別適合在采用數(shù)字飛行控制系統(tǒng)的飛行器上。
現(xiàn)有的捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法是直接在載體上安裝三個(gè)加速度計(jì)和三個(gè)速率陀螺儀，三個(gè)加速度計(jì)Ax、Ay、Az和三個(gè)速率陀螺儀Gx、Gy、Gz的測(cè)量軸分別與載體坐標(biāo)系b的縱軸oxb(也稱滾動(dòng)軸，向前)、橫軸oyb(也稱俯仰軸，向右)以及豎軸ozb(也稱偏航軸，向下)相重合(如圖1所示)。加速度計(jì)和速率陀螺儀以及后續(xù)處理裝置置于一個(gè)殼體內(nèi)，而形成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)或裝置。該測(cè)量方法通常是敏感oxb、oyb以及ozb三個(gè)軸向上的線加速度和旋轉(zhuǎn)角速率(角度)。在得到三個(gè)軸向的線加速度ax、ay、az和旋轉(zhuǎn)角速率ωx、ωy、ωz的輸出值后，利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中以四元數(shù)為基礎(chǔ)的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法，對(duì)旋轉(zhuǎn)體的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息進(jìn)行更新和提取。我們稱這種測(cè)量方法為全加速度計(jì)陣列和純陀螺的姿態(tài)測(cè)試方法。
在實(shí)際中，有些載體(飛行器，如彈體)滾動(dòng)軸向(oxb)轉(zhuǎn)速非常高(即為高速旋轉(zhuǎn)體)，而其余軸的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低?，F(xiàn)有速率陀螺儀受測(cè)量精度和測(cè)量范圍的限制，無(wú)法及時(shí)感知高速旋轉(zhuǎn)體滾動(dòng)軸向的旋轉(zhuǎn)角速率，使測(cè)量系統(tǒng)出現(xiàn)亂碼、死機(jī)等，而無(wú)法正常工作。因此，現(xiàn)有的捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法僅適用于軸向低速旋轉(zhuǎn)的載體，無(wú)法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有載體姿態(tài)測(cè)量方法無(wú)法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體的問(wèn)題，提供一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法。
本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，在載體內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在載體內(nèi)壁固連有剛性支架，剛性支架上支撐有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承上支撐有其軸線與載體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸(縱軸oxb)同向的轉(zhuǎn)軸，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)固連于轉(zhuǎn)軸的一端，轉(zhuǎn)軸的另一端鉸接有鉸軸與載體坐標(biāo)系的俯仰軸同向的重錘，從而使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高速旋轉(zhuǎn)體形成半捷聯(lián)(或稱部分捷聯(lián))。載體的俯仰角發(fā)生變化時(shí)，重錘在地球引力的作用下，可以在俯仰角平面內(nèi)的一定夾角范圍前后自由擺動(dòng)，使轉(zhuǎn)軸的受力平衡，使?jié)L動(dòng)軸承克服阻尼。這樣載體在滾動(dòng)軸向高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾動(dòng)軸承的阻尼很小，使轉(zhuǎn)軸及固連的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)不隨載體同步高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸在重錘的作用下，只沿滾動(dòng)軸在小角度范圍內(nèi)作低速的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的滾動(dòng)軸方向上的速率陀螺儀感知該調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速率ωx。在本發(fā)明所述的測(cè)量方法下，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的滾動(dòng)軸已經(jīng)不再與高速旋轉(zhuǎn)體捷聯(lián)，而只有其余兩個(gè)方向捷聯(lián)，因此，此時(shí)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)只能準(zhǔn)確地感知高速旋轉(zhuǎn)體的偏航角和俯仰角的姿態(tài)變化信息，而不能真實(shí)地反映其滾動(dòng)角變化情況。實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，某些高速旋轉(zhuǎn)體并不需要準(zhǔn)確測(cè)出其滾動(dòng)軸向上的姿態(tài)信息，而只是需要測(cè)出其它兩個(gè)軸向上的姿態(tài)信息即可滿足應(yīng)用需求，這也正是本發(fā)明引入半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量概念和方案的原因。本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過(guò)在載體內(nèi)部增設(shè)滾動(dòng)軸承來(lái)降低慣性導(dǎo)航系統(tǒng)在滾動(dòng)軸向的轉(zhuǎn)速，使?jié)L動(dòng)軸向上的速率陀螺儀在載體軸向高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能正確感知一個(gè)較低的相對(duì)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量，該方法應(yīng)用于如飛行器、導(dǎo)彈等高速旋轉(zhuǎn)體上是本領(lǐng)域技術(shù)人員不容易想到的。
本發(fā)明拋棄了全捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中感知每個(gè)軸向上的線加速度和旋轉(zhuǎn)角速率(角度)常規(guī)思想，并在全捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加滾動(dòng)軸承給出了一種半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，其核心思想是通過(guò)慣導(dǎo)系統(tǒng)與高速旋轉(zhuǎn)體部分捷聯(lián)，完成對(duì)旋轉(zhuǎn)體部分姿態(tài)信息的測(cè)量。該方法有效地解決了現(xiàn)有MEMS慣性敏感元件——速率陀螺儀在測(cè)量精度和測(cè)量范圍方面，無(wú)法滿足高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量的現(xiàn)狀。在現(xiàn)有速率陀螺儀的基礎(chǔ)上(即采用現(xiàn)有速率陀螺儀)，該方法可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量。


圖1為現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)體姿態(tài)測(cè)量方法中加速度計(jì)和速率陀螺儀的安裝位置示意圖；圖2為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述測(cè)量方法的示意圖；圖3為圖2的A-A截面示意圖；圖中1-剛性支架，2-滾動(dòng)軸承，3-轉(zhuǎn)軸，4-慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，5-重錘。
具體實(shí)施例方式
適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，在載體內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)4，在載體內(nèi)壁固連有剛性支架1，剛性支架1上支撐有滾動(dòng)軸承2，滾動(dòng)軸承上支撐有其軸線與載體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸(縱軸oxb)同向的轉(zhuǎn)軸3，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)4固連于轉(zhuǎn)軸的一端，轉(zhuǎn)軸的另一端鉸接有鉸軸與載體坐標(biāo)系的俯仰軸同向的重錘5，從而使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高速旋轉(zhuǎn)體形成半捷聯(lián)(或稱部分捷聯(lián))。所述的滾動(dòng)軸承2為止推軸承。由于姿態(tài)解算的需要，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中各組件敏感頭的組合方式與全捷聯(lián)式測(cè)量系統(tǒng)中各組件敏感頭的組合方式相同。在得到高速旋轉(zhuǎn)體三個(gè)軸向的旋轉(zhuǎn)角速度ωx、ωy、ωz和線加速度ax、ay、az之后，后續(xù)的姿態(tài)解算與導(dǎo)航解算便可借助捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的相關(guān)理論和方法完成，即利用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中以四元數(shù)為基礎(chǔ)的等效旋轉(zhuǎn)矢量算法，對(duì)旋轉(zhuǎn)體的實(shí)時(shí)姿態(tài)信息進(jìn)行更新和提取。
權(quán)利要求
1.一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，在載體內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(4)，其特征為在載體內(nèi)壁固連有剛性支架(1)，剛性支架(1)上支撐有滾動(dòng)軸承(2)，滾動(dòng)軸承上支撐有其軸線與載體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸同向的轉(zhuǎn)軸(3)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(4)固連于轉(zhuǎn)軸的一端，轉(zhuǎn)軸的另一端鉸接有鉸軸與載體坐標(biāo)系的俯仰軸同向的重錘(5)，從而使慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與高速旋轉(zhuǎn)體形成半捷聯(lián)。
2.如權(quán)利要求1所述的適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，其特征為滾動(dòng)軸承(2)為止推軸承。
全文摘要
本發(fā)明為一種適用于高速旋轉(zhuǎn)體的半捷聯(lián)式姿態(tài)測(cè)量方法，涉及高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量方法。本發(fā)明解決現(xiàn)有載體姿態(tài)測(cè)量方法無(wú)法適用于軸向高速旋轉(zhuǎn)載體的問(wèn)題。該測(cè)量方法是在載體內(nèi)設(shè)置慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，在載體內(nèi)壁固連有剛性支架，剛性支架上支撐有滾動(dòng)軸承，滾動(dòng)軸承上支撐有其軸線與載體坐標(biāo)系的滾動(dòng)軸同向的轉(zhuǎn)軸，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)固連于轉(zhuǎn)軸的一端，轉(zhuǎn)軸的另一端鉸接有鉸軸與載體坐標(biāo)系的俯仰軸同向的重錘。該方法有效地解決了現(xiàn)有MEMS慣性敏感元件——速率陀螺儀在測(cè)量精度和測(cè)量范圍方面，無(wú)法滿足高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量的現(xiàn)狀。采用現(xiàn)有速率陀螺儀，該方法可實(shí)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)體的姿態(tài)測(cè)量。
文檔編號(hào)G01C21/24GK1932445SQ200610048390
公開(kāi)日2007年3月21日 申請(qǐng)日期2006年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月30日
發(fā)明者張文棟, 楊衛(wèi), 李 杰, 劉俊, 熊繼軍, 任勇峰, 石云波, 李錦明, 劉文怡, 郭濤, 甑國(guó)涌, 崔永俊, 馬幸, 羅超 申請(qǐng)人:中北大學(xué)