專利名稱：激光陀螺組合偏頻方法及激光陀螺慣性測量組合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，特別是激光陀螺偏頻技術(shù)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
激光陀螺現(xiàn)有多種偏頻技術(shù)用于解決激光陀螺閉鎖效應(yīng)的影響。機械抖動偏頻技 術(shù)應(yīng)用最廣，而速率偏頻技術(shù)達(dá)到的精度最高。但是這兩種偏頻技術(shù)均不能徹底消除“閉 鎖”效應(yīng)的影響，過鎖區(qū)誤差仍然是主要誤差源。只有專利公開號為CN 101738182A的發(fā) 明專利“雙向恒速偏頻激光陀螺尋北方法及雙向恒速偏頻激光陀螺尋北儀”中使用的雙向 恒速偏頻技術(shù)才能徹底消除“閉鎖”效應(yīng)的影響。但它不能連續(xù)不間斷地工作。激光陀螺“雙向恒速與機械抖動組合偏頻方法”雖然不能徹底消除“閉鎖”效應(yīng)的 影響，但是它能連續(xù)不間斷地工作，其有效精度能達(dá)到現(xiàn)有的速率偏頻技術(shù)，且工程實施又 比速率偏頻技術(shù)容易。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是在單軸、兩軸或三軸激光陀螺中采用“雙向恒速偏頻方法”，提供一 種激光陀螺組合偏頻方法及激光陀螺慣性測量組合裝置，在雙向恒速偏頻方法失去最佳工 作狀態(tài)的短暫時間啟動機械抖動偏頻系統(tǒng)，形成一種新的激光陀螺“雙向恒速與機械抖動 組合偏頻方法”。機械抖動偏頻工作的時間短，對總精度的影響小。為進(jìn)一步減少機械抖動 偏頻的負(fù)面影響，還要用激光陀螺的精確測角傳感器測量激光陀螺的機械抖動角位移，經(jīng) 計算機補償降低機械抖動噪聲誤差。用這種偏頻方法能連續(xù)不間斷地工作，并能在保證精 度的條件下降低對設(shè)計制造的要求。需要克服的技術(shù)難題主要包括1、降低機械抖動噪聲干擾誤差通過角位移傳感器，對機械抖動角位移干擾進(jìn)行 補償。2、機械抖動系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)(Q值)會使機械抖動系統(tǒng)啟停的過渡過程時間加長 (延遲)，為了既要機械抖動系統(tǒng)在必要的時段起到偏頻的作用，又盡量減少機械抖動的工 作時間，因此機械抖動系統(tǒng)的啟停時間選擇與控制很重要。具體地說，激光陀螺組合偏頻方法，其采用雙向恒速與機械抖動組合；即在一個繞 垂直軸旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺上安裝一個一至三軸激光陀螺組，且該激光陀螺組各敏感 軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸β角并由該轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在各激光陀螺敏 感軸上的分量(α &cos β )即是激光陀螺的偏頻角速度；同時旋轉(zhuǎn)角速度(α &)又對激光陀 螺軸的誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺由帶齒輪減速器的同步電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)臺上用一個凸臺與 基座上安裝的撥桿及其光電開關(guān)控制同步電機的轉(zhuǎn)向，限制撥桿運動的限位銷同時作為該 轉(zhuǎn)臺的限位銷，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2 γ ； γ角的大小要保證同步電機換向后能增 速接近或達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。
雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺與精密測角裝置連接，精密測角裝置過0°位置點時應(yīng)在偏頻 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到兩個極限位置中間，即在2 Y角的中間位置。本發(fā)明利用計算機每個采樣周期都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺測角裝置輸出的角度 α，用該角度對激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變換；角度α同時用來計算偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角增量 Δ α (Δ Qi = Cii-Ci ^)，用它計算并消除激光陀螺輸出中的偏頻量(Δ α cos β )；當(dāng)Δ α 發(fā)生突變即0°與360°正反向跳變時，即認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺通過測角裝置的0°點，此刻發(fā)出過 零點信號，觸發(fā)“啟動”或“停止”激光陀螺的機械抖動系統(tǒng)，機械抖動系統(tǒng)便在偏頻轉(zhuǎn)臺的 換向變速段2γ區(qū)間工作；激光陀螺在換向變速段以內(nèi)是雙向恒速與機械抖動的組合偏頻 工作狀態(tài)；在換向變速段以外的整360°范圍則是單純的雙向恒速偏頻狀態(tài)。計算機全程均按雙向恒速偏頻狀態(tài)計算，在計算消除激光陀螺輸出中偏頻角增量 同時還用激光陀螺的精確測角傳感器測量激光陀螺的抖動位移角，并在計算機輸出激光陀 螺角增量前減掉此刻的抖動位移角；偏頻量的計算誤差等殘余偏頻量可正反轉(zhuǎn)抵消。計算 機要按給出的激光陀螺輸出預(yù)處理方程計算出一個采樣周期三軸激光陀螺輸出的角增量 在載體坐標(biāo)系三軸投影之和作為三軸陀螺組最后的凈輸出。在發(fā)出過零點信號后延遲一段 (At)時間再觸發(fā)“啟動”激光陀螺的機械抖動系統(tǒng)，延遲的(At)時間加機械抖動振幅上 升時間之和應(yīng)小于偏頻轉(zhuǎn)臺換向變速段一半(Y)的時間以盡量縮短機械抖動偏頻狀態(tài)的 工作時間。激光陀螺偏頻慣性測量組合裝置，其具有一個繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn) 臺，在該轉(zhuǎn)臺上安裝一個一至三軸的激光陀螺組，且該激光陀螺組的各敏感軸均偏離該偏 頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸β角并由該轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺由帶齒輪減速器的同步電機 驅(qū)動轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)臺上用一個凸臺與基座上安裝的撥桿及其光電開關(guān)控制同步電機的轉(zhuǎn)向， 限制撥桿運動的限位銷同時作為該轉(zhuǎn)臺的限位銷。雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺與精密測角裝置連接，精密測角裝置過0°位置點時應(yīng)在偏頻 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到兩個極限位置中間，即在2 γ角的中間位置。本發(fā)明在專利公開號為CN 101738182 A的發(fā)明專利“雙向恒速偏頻激光陀螺尋 北方法及雙向恒速偏頻激光陀螺尋北儀”的基礎(chǔ)上將其“雙向恒速偏頻”與現(xiàn)有的“機械抖 動偏頻”方法組合，形成一種新的激光陀螺“雙向恒速與機械抖動組合偏頻方法”。它大部 分時間是在雙向恒速偏頻狀態(tài)下工作，可以徹底消除“閉鎖效應(yīng)”的影響，而雙向恒速偏頻 機構(gòu)換向時，用機械抖動偏頻來降低“閉鎖效應(yīng)”的影響，故機械抖動偏頻只在偏頻轉(zhuǎn)臺換 向變速時的較短時間段內(nèi)工作。雖然機械抖動偏頻狀態(tài)激光陀螺的精度較差，但它所占時 間很短，對總精度影響很小。在整轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，仍然能對激光陀螺由其它原因產(chǎn)生的誤差進(jìn)行 旋轉(zhuǎn)誤差調(diào)制濾波。該發(fā)明僅用單軸偏頻轉(zhuǎn)臺，采用不同的斜置角度，可對一至三個軸的激 光陀螺進(jìn)行偏頻。本發(fā)明可以涵蓋速率偏頻與機械抖動偏頻的組合偏頻，由于速率偏頻對 偏頻轉(zhuǎn)臺的要求極高，故設(shè)計制造難度大。而本發(fā)明采用雙向恒速偏頻與機械抖動偏頻的 組合偏頻方法，既保證了精度又降低了設(shè)計制造難度。本發(fā)明可用于高精度的激光陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)。本發(fā)明優(yōu)點是1、實現(xiàn)了有效精度可達(dá)到甚至超過現(xiàn)有“激光陀螺速率偏頻技術(shù)”的一種新的偏 頻技術(shù)。
2、這種偏頻轉(zhuǎn)臺沒有速率偏頻轉(zhuǎn)臺的那些極高的要求，更易于實現(xiàn)。偏頻轉(zhuǎn)臺限 動器和換向機構(gòu)的定位精度、機械強度、換向反轉(zhuǎn)角加速度，以及同步電機功率儲備的要求 都大幅度降低，實施難度小。3、本發(fā)明中偏頻轉(zhuǎn)臺的限動器可以設(shè)置在其極限位置之外，正常工作時限動器不 被接觸碰撞，它只是一個保護(hù)裝置，在旋轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)發(fā)生故障時起到保護(hù)作用。4、若把水平兩軸加速度計也安裝到激光陀螺偏頻轉(zhuǎn)臺上，該加速度計與激光陀螺 組誤差的水平分量均被旋轉(zhuǎn)調(diào)制，經(jīng)濾波可進(jìn)一步提高精度。


圖1為現(xiàn)有偏頻技術(shù)中“機抖偏頻”方法示意圖。圖2為“雙向恒速與機械抖動組合偏頻”方法示意圖。圖3為“雙向恒速與機械抖動組合偏頻”方法結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明中撥桿光電換向及限位裝置示意圖。圖5為本發(fā)明模型坐標(biāo)系圖。圖6為本發(fā)明三軸激光陀螺安裝角的計算模型圖。
具體實施例方式以三軸激光陀螺組為例。具體地說(以三軸激光陀螺為例)，本發(fā)明是按照如下步 驟實現(xiàn)1.(參見圖3)在繞垂直軸(1)旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)上，安裝三軸激光陀 螺組(3)，將三軸激光陀螺組(3)的三個敏感軸(互為正交)均偏離偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸(1) β (54. 7356° )角。2.雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)由帶齒輪減速器的同步電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)臺上(參見 圖4)用一個凸臺⑷與基座上安裝的撥桿(5)及光電開關(guān)(6)控制同步電機的轉(zhuǎn)向，限制 撥桿運動的限位銷(7)同時作為該轉(zhuǎn)臺的限位銷，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2γ，而限位 銷限定的角度要大于360° +2 γ，同步電機換向控制裝置正常工作時，限位銷不應(yīng)被接觸 碰撞；Y角的大小要保證同步電機換向后能增速接近或達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。偏頻轉(zhuǎn)臺(2)與精密測角裝置連接，精密測角裝置過0° (與360°，以下同)位 置點時應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到兩個極限位置中間，即在2 γ角的中間位置(如圖4所示)。3.雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在三軸激光陀螺組各敏感軸上的分量 (α &cos β)用于將激光陀螺的工作區(qū)域移出閉鎖區(qū)；旋轉(zhuǎn)角速度(α&)又同時對三軸激光 陀螺組輸出的水平分量剩余誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。4.計算機每個采樣周期都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺測角裝置輸出的角度α，用該 角度對激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變換。角度α還用于計算角增量Δ α (Δ Cii = Qi-QiJ, 用它可以精確消除三軸激光陀螺組輸出中的偏頻量(Aacosii)；當(dāng)Δ α發(fā)生突變(即 0°與360°正反向跳變)時，即認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺通過測角裝置的0°度點，此刻發(fā)出過零點信 號，觸發(fā)“啟動”或“停止”三軸激光陀螺組的機械抖動系統(tǒng)，為了縮短機械抖動系統(tǒng)的工作 時間，機械抖動系統(tǒng)被觸發(fā)后應(yīng)延遲一定時間(△〖)再啟動。At+機械抖動系統(tǒng)啟動過渡 過程時間應(yīng)小于偏頻轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)過Y角的時間。
5.計算機在每個采樣周期都對三軸激光陀螺組輸出的角增量進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理 的內(nèi)容有(1)去除偏頻角增量和適時角位移；(2)計算三軸激光陀螺測量的角增量在載體 坐標(biāo)系各軸上的分量之和，用于捷聯(lián)慣性系統(tǒng)的后續(xù)計算。數(shù)據(jù)預(yù)處理計算方程本發(fā)明三軸雙向恒速與機械抖動組合偏頻激光陀螺組的數(shù)據(jù)預(yù)處理計算方程
下1、坐標(biāo)系(見圖5) XYZ-載體坐標(biāo)系；XtYtZ-偏頻轉(zhuǎn)臺坐標(biāo)系(載體坐標(biāo)系繞垂直軸轉(zhuǎn)α角)； XjYjZj-三軸激光陀螺坐標(biāo)系。2、三軸激光陀螺安裝角的計算(模型見圖6) 設(shè)正立方體邊長XtO = YjO = ZjO = 權(quán)利要求
1.激光陀螺組合偏頻方法，其特征是采用雙向恒速與機械抖動組合；即在一個繞垂直 軸(1)旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)上安裝一個一至三軸激光陀螺組(3)，且該激光陀螺組 (3)各敏感軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸β角并由該轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在各 激光陀螺敏感軸上的分量(a&C0Si3)即是激光陀螺的偏頻角速度；同時旋轉(zhuǎn)角速度(a&) 又對激光陀螺軸的誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)由 帶齒輪減速器的同步電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)臺上用一個凸臺(4)與基座上安裝的撥桿(5)及 其光電開關(guān)(6)控制同步電機的轉(zhuǎn)向，限制撥桿運動的限位銷(7)同時作為該轉(zhuǎn)臺的限位 銷，轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)角被限定為360° +2y ;y角的大小要保證同步電機換向后能增速接近或達(dá) 到同步轉(zhuǎn)速。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)與 精密測角裝置連接，精密測角裝置過0°位置點時應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到兩個極限位置中間，即 在2 γ角的中間位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是利用計算機每個采樣周期 都采集雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺測角裝置輸出的角度α，用該角度對激光陀螺的輸出進(jìn)行坐標(biāo)變 換；角度α同時用來計算偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角增量Δ α (Δ Cii = a ^ a ，用它計算并消除 激光陀螺輸出中的偏頻量(Δ α οο8β)；當(dāng)Δ α發(fā)生突變即0°與360°正反向跳變時，即 認(rèn)為該轉(zhuǎn)臺通過測角裝置的0°點，此刻發(fā)出過零點信號，觸發(fā)“啟動”或“停止”激光陀螺 的機械抖動系統(tǒng)，機械抖動系統(tǒng)便在偏頻轉(zhuǎn)臺的換向變速段2 γ區(qū)間工作；激光陀螺在換 向變速段以內(nèi)是雙向恒速與機械抖動的組合偏頻工作狀態(tài)；在換向變速段以外的整360° 范圍則是單純的雙向恒速偏頻狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是計算機全程均按雙向恒 速偏頻狀態(tài)計算，在計算消除激光陀螺輸出中偏頻角增量同時還用激光陀螺的精確測角傳 感器測量激光陀螺的抖動位移角，并在計算機輸出激光陀螺角增量前減掉此刻的抖動位移 角；偏頻量的計算誤差等殘余偏頻量可正反轉(zhuǎn)抵消。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是計算機要按給出的激光陀 螺輸出預(yù)處理方程計算出一個采樣周期三軸激光陀螺輸出的角增量在載體坐標(biāo)系三軸投 影之和作為三軸陀螺組最后的凈輸出。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光陀螺組合偏頻方法，其特征是在發(fā)出過零點信號后延遲 一段(At)時間再觸發(fā)“啟動”激光陀螺的機械抖動系統(tǒng)，延遲的(At)時間加機械抖動振 幅上升時間之和應(yīng)小于偏頻轉(zhuǎn)臺換向變速段一半(Y)的時間以盡量縮短機械抖動偏頻狀 態(tài)的工作時間。
8.激光陀螺偏頻慣性測量組合裝置，其特征是具有一個繞垂直軸(1)旋轉(zhuǎn)的雙向恒速 偏頻轉(zhuǎn)臺(2)，在該轉(zhuǎn)臺上安裝一個一至三軸的激光陀螺組(3)，且該激光陀螺組(3)的各 敏感軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸β角并由該轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺(2)由帶齒 輪減速器的同步電機驅(qū)動轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)臺上用一個凸臺(4)與基座上安裝的撥桿(5)及其光 電開關(guān)(6)控制同步電機的轉(zhuǎn)向，限制撥桿運動的限位銷(7)同時作為該轉(zhuǎn)臺的限位銷。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的激光陀螺偏頻慣性測量組合裝置，其特征是雙向恒速偏頻轉(zhuǎn) 臺(2)與精密測角裝置連接，精密測角裝置過0°位置點時應(yīng)在偏頻轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到兩個極限位置中間，即在2 γ角的中間位置。
全文摘要
本發(fā)明屬于慣性導(dǎo)航設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域中激光陀螺組合偏頻方法，其是采用雙向恒速與機械抖動組合；即在一個繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的雙向恒速偏頻轉(zhuǎn)臺上安裝一個一至三軸激光陀螺組，且該激光陀螺組各敏感軸均偏離該偏頻轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸β角并由該轉(zhuǎn)臺帶動旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角速度(α&)在各激光陀螺敏感軸上的分量(α&cosβ)即是激光陀螺的偏頻角速度；同時旋轉(zhuǎn)角速度(α&)又對激光陀螺軸的誤差進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)制。本發(fā)明采用雙向恒速偏頻與機械抖動偏頻的組合偏頻方法，既保證了精度又降低了設(shè)計制造難度。本發(fā)明可用于高精度的激光陀螺捷聯(lián)慣性系統(tǒng)。
文檔編號G01C21/18GK102109346SQ20101058785
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者謝玲, 趙永康, 趙治偉, 陳家斌, 陳磊江, 馬英華, 黃凱 申請人:陜西寶成航空儀表有限責(zé)任公司