用于測(cè)量載體姿態(tài)信息的礦用導(dǎo)航慣性測(cè)量系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)設(shè)及礦用導(dǎo)航的慣性測(cè)量系統(tǒng)，特別設(shè)及一種用于測(cè)量載體姿態(tài)信息的礦用 導(dǎo)航慣性測(cè)量系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 慣性導(dǎo)航（Inenial化vigation)是20世紀(jì)中期發(fā)展起來(lái)的完全自主式的導(dǎo)航技 術(shù)。它是通過(guò)慣性測(cè)量組件（IMU)測(cè)量載體相對(duì)慣性空間的角速度和加速度信息，從而確 定運(yùn)載體的位置、姿態(tài)和速度。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)既不向載體外發(fā)射信號(hào)，也不從外部接收信 號(hào)，具有完全自主、全天候、隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信息量大、輸出信息實(shí)時(shí)性強(qiáng)的 特點(diǎn)；它的運(yùn)些特點(diǎn)使其廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海等軍事領(lǐng)域。
[000引慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核屯、是慣性測(cè)量單元（IMU)，IMU主要由一個(gè)Ξ軸一體巧螺或者Ξ個(gè)彼此正交的巧螺（簡(jiǎn)稱巧螺）、Ξ個(gè)兩兩正交的加速度計(jì)（簡(jiǎn)稱加表）為核屯、慣性器件 組成敏感單元，巧螺敏感載體旋轉(zhuǎn)角速度或角度信息，加表敏感重力加速度信息，將運(yùn)些信 息輸入導(dǎo)航解算板進(jìn)行解算，得到載體的姿態(tài)信息，即航向角和水平角，其中航向角主要由 水平方向的兩個(gè)巧螺尋北得出，水平角的初始值主要由加速度計(jì)敏感的重力加速度分量進(jìn) 行換算。
[0004] 上述慣性導(dǎo)航系統(tǒng)敏感靈敏，能夠運(yùn)用于航空、航海等領(lǐng)域。但與此對(duì)應(yīng)的，它的 價(jià)格非常昂貴，該慣性測(cè)量單元需要Ξ個(gè)軸向的巧螺或者一個(gè)Ξ軸一體的巧螺，還需要Ξ 個(gè)加速度計(jì)組成，而一個(gè)加速度計(jì)的價(jià)格很可能上萬(wàn)。然而，加速度計(jì)在IMU的運(yùn)用只是在 初始尋北的時(shí)候才能用到，待尋北完成后，加速度計(jì)則沒(méi)有任何運(yùn)用價(jià)值。因此造成了加速 度計(jì)成本高、運(yùn)用低的現(xiàn)象。對(duì)于一些精確度要求并非那么高的領(lǐng)域，例如礦用領(lǐng)域，挖礦 機(jī)只需要找到礦的位置即可，而礦本身占的面積大，所W對(duì)導(dǎo)航的IMU的敏感靈敏度并不 像航空航海領(lǐng)域那么高。
[0005] 并且，傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)需要Ξ個(gè)加表，加速度計(jì)到水平角的解算模塊，加表供 電需要+15V，需要二次電源提供+15V電源，功耗較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供了一種成本低廉、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單用于測(cè)量載體姿態(tài)信息的礦用導(dǎo)航慣性測(cè)量系統(tǒng)及方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種用于測(cè)量載體姿 態(tài)信息的礦用導(dǎo)航慣性測(cè)量系統(tǒng)，包括：
[0008] 傾角傳感器，用于在第一時(shí)間靜態(tài)敏感載體的水平角的初始值，并將靜態(tài)敏感到 的載體的水平角的初始值輸出至水平角解算模塊；
[0009] Ξ軸巧螺，用于在所述第一時(shí)間敏感載體的X軸、Υ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息并輸出至 航向角解算模塊，還用于敏感所述第一時(shí)間至第二時(shí)間段的載體的航向角的X軸、Υ軸W及 Ζ軸旋轉(zhuǎn)角速度信息，將敏感到的X軸和Υ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息輸出至所述水平角解算模 塊，W及將z軸旋轉(zhuǎn)角速度信息輸出至航向角解算模塊；
[0010] 所述水平角解算模塊，用于接收所述傾角傳感器敏感到的載體的水平角的初始值W及Ξ軸巧螺敏感到的第一時(shí)間至第二時(shí)間段的載體的X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息，并 根據(jù)所述載體的水平角的初始值W及第一時(shí)間至第二時(shí)間段的載體的X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角 速度信息解算出第二時(shí)間的載體的水平角信息，并輸出該第二時(shí)間的載體的水平角信息； W及
[0011] 所述航向角解算模塊，用于接收所述Ξ軸巧螺在在所述第一時(shí)間敏感到的X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息W及所述第一時(shí)間至第二時(shí)間段的Z軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息，根據(jù)所 述X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息解算航向角的初始值，并根據(jù)所述航向角的初始值W及第 一時(shí)間至第二時(shí)間段的Z軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息解算第二時(shí)間的航向角信息，并輸出該第二 時(shí)間的載體的航向角信息。
[0012] 進(jìn)一步的，所述水平角解算模塊用于根據(jù)W下公式解算得到第二時(shí)間的載體的水 平角信息：
[0013]
其中，所述兮（0)表示傾角傳感器靜態(tài)敏感到的 水平角的初始值，所述Wy^(T)表示Ξ軸巧螺在T時(shí)刻的Y軸，X軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息。
[0014]進(jìn)一步的，所述航向角解算模塊用于根據(jù)W下公式解算得到第二時(shí)間的載體的航 向角?胃息：
[0015]
其中，所述0h(t)表示根據(jù)Ξ軸巧螺在第一時(shí)間敏感 到的X軸和Y軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)角速度信息解算的航向角初始值，所述ω,燈）表示Ξ軸巧螺在T時(shí)刻Ζ軸輸出的旋轉(zhuǎn)角速度信息。
[0016]進(jìn)一步的，所述Ξ軸巧螺為Ξ軸一體巧螺或者Ξ個(gè)單軸巧螺或者兩個(gè)曉性巧螺。
[0017] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：提供一種礦用導(dǎo)航慣性測(cè) 量系統(tǒng)測(cè)量載體姿態(tài)信息的方法，包括W下步驟：
[0018]利用傾角傳感器在第一時(shí)間靜態(tài)敏感載體的水平角的初始值；
[0019]利用Ξ軸巧螺在所述第一時(shí)間敏感載體的X軸、Υ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息，W及敏感 第一時(shí)間至第二時(shí)間段的載體的X軸、Υ軸W及Ζ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息；
[0020] 根據(jù)所述載體的水平角的初始值、第一時(shí)間至第二時(shí)間段的載體的X軸、Υ軸的旋 轉(zhuǎn)角速度信息進(jìn)行解算，W解算出第二時(shí)間的載體的水平角信息；
[0021] 根據(jù)Ξ軸巧螺在第一時(shí)間敏感到的載體的X軸、Υ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息解算航向 角的初始值；
[0022] 根據(jù)所述航向角的初始值W及Ξ軸巧螺敏感到的第一時(shí)間至第二時(shí)間段的Ζ軸 的旋轉(zhuǎn)角速度信息解算出第二時(shí)間的載體的航向角信息；
[0023]輸出載體的水平角信息W及航向角信息。
[0024]進(jìn)一步的，在根據(jù)所述載體的水平角的初始值、第一時(shí)間至第二時(shí)間段X軸、Υ軸 的旋轉(zhuǎn)角速度信息解算第二時(shí)間的載體的水平角信息的步驟中，通過(guò)W下公式解算出水平 角倍息：
[00巧]
其中，所述嗦,.,.（0)表示傾角傳感器靜態(tài)敏感到的 水平角的初始值，所述ωγχΟΟ表示Ξ軸巧螺在T時(shí)刻的Y軸，X軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息。
[0026] 進(jìn)一步的，在根據(jù)航向角的初始值、第一時(shí)間至第二時(shí)間段Ζ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信 息解算載體的航向角信息的步驟中，通過(guò)W下公式解算出航向角信息：
[0027]
其中，所述0h(t)表示根據(jù)Ξ軸巧螺在第一時(shí)間敏感 到的X軸和Y軸靜態(tài)旋轉(zhuǎn)角速度信息解算的航向角初始值，所述ω,燈）表示Ξ軸巧螺在T時(shí)刻Ζ軸輸出的旋轉(zhuǎn)角速度信息。
[0028] 進(jìn)一步的，所述Ξ軸巧螺為Ξ軸一體巧螺或者Ξ個(gè)單軸巧螺或者兩個(gè)曉性巧螺。
[0029] 本發(fā)明用于測(cè)量載體姿態(tài)信息的礦用導(dǎo)航慣性測(cè)量系統(tǒng)及方法，采用一個(gè)傾角傳 感器敏感水平角的初始值狂軸和Υ軸），通過(guò)Ξ軸巧螺的X軸和Υ軸的旋轉(zhuǎn)角速度信息即 可計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻的載體的水平角信息，而載體的航向角信息則利用Ξ軸巧螺敏感即可 得到，因此，本實(shí)施方式中，利用一個(gè)傾角傳感器替換原有的Ξ個(gè)加速度計(jì)，可節(jié)約數(shù)萬(wàn)元 制作成本，同時(shí)，本測(cè)量系統(tǒng)完全能夠使用于礦用領(lǐng)域，傾角傳感器的利用率高，提升了整 個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性價(jià)比。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本 發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性