[發(fā)明專(zhuān)利]一種慣性測(cè)量單元的冗余配置結(jié)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310442082.0
• 申請(qǐng)日: 2013-09-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103453904A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 何昆鵬;夏建;邵玉萍;張曉宇;張慶;許德新;張興智;胡文彬;韓繼韜;劉輝煜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01C21/16
• 分類(lèi)號(hào): G01C21/16
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及微型自治水下機(jī)器人慣性導(dǎo)航領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種慣性測(cè)量單元的冗余配置結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

微型自治水下機(jī)器人（Micro?Autonomous?Underwater?Vehicle,簡(jiǎn)稱(chēng)“MAUV”）是一種具有自攜動(dòng)力、能按設(shè)計(jì)程序進(jìn)行操作的自治式潛水器，由于它的成本、功耗和功耗要求很低，因此水中導(dǎo)航方式采用MEMS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、地磁導(dǎo)航和多普勒計(jì)程儀組合的方式。MAUV與水面沒(méi)有直接聯(lián)系，在運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)聲通訊系統(tǒng)從水面接收簡(jiǎn)單指令繼而改變航向、深度、收集數(shù)據(jù)。MAUV可進(jìn)行深海搜索、觀測(cè)、識(shí)別、取樣、打撈等一系列作業(yè)，是一種安全性高、重量輕、尺寸小、造價(jià)低的“智能機(jī)器人”。

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是由慣性測(cè)量單元（Inertial?Measurement?Unit,簡(jiǎn)稱(chēng)“IMU”，包括三軸MEMS陀螺儀和加速度計(jì)）、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和電源模塊等構(gòu)成。當(dāng)采用陀螺冗余配置方式就可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)導(dǎo)航，而且能提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和可靠性。應(yīng)用于航空領(lǐng)域的傳統(tǒng)機(jī)械陀螺和光學(xué)陀螺冗余技術(shù)比較成熟，通常采用的4陀螺和6陀螺方案。70年代Sperry為NASA馬歇爾中心研制了一個(gè)6陀螺冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)中每個(gè)SLIC-15激光陀螺的靈敏軸與相鄰的陀螺成64°角，每個(gè)陀螺可以檢測(cè)到繞兩個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)所有6個(gè)陀螺都正常工作時(shí)，它可以提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，還可以檢測(cè)出任何2個(gè)陀螺的故障，并拋棄其錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。

從公開(kāi)的文獻(xiàn)來(lái)看，Northrop-Grumman公司研制的SIRUTM采用的陀螺冗余方案最為成功，它由4個(gè)半球諧振陀螺(HRG)和4個(gè)加速度計(jì)構(gòu)成，用于航天飛行器的姿態(tài)檢測(cè)和控制，從1996年至今，在太空中成功地運(yùn)行了17年，證明了該冗余設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。

受MEMS器件精度影響，MEMS陀螺冗余應(yīng)用見(jiàn)諸報(bào)道的很少，隨著MEMS陀螺精度不斷突破，而且體積和成本的不斷減小，這為陀螺冗余設(shè)計(jì)提供了極大方便。為適應(yīng)高精度、高可靠性導(dǎo)航的要求，國(guó)內(nèi)外眾多研究者提出了多種陀螺冗余配置方案,如正四面體、正六面體、正八面體、正十二面體、正二十面體方案等。

MAUV在水下航行時(shí)的航姿主要依賴(lài)于MEMS慣性系統(tǒng)測(cè)量。慣性導(dǎo)航是依據(jù)牛頓慣性原理，利用陀螺儀測(cè)量運(yùn)載體的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，加速度計(jì)測(cè)量運(yùn)載體的線(xiàn)運(yùn)動(dòng)加速度，經(jīng)積分得到載體姿態(tài)、速度、位置信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航目的的技術(shù)手段。其自主性高，但導(dǎo)航誤差隨時(shí)間積累，因此隔一段時(shí)間需要MAUV浮出水面接收GPS或北斗信號(hào)對(duì)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行修正。通常GPS或北斗接收機(jī)安裝在MAUV頭部，修正過(guò)程需要MAUV保持近乎垂直于水平面狀態(tài)，此時(shí)俯仰角接近90°，航向角和橫搖角無(wú)法確定（奇異現(xiàn)象），因此需要采取必要的改進(jìn)措施，從而使MAUV可以做任意形式的機(jī)動(dòng)，包括連續(xù)翻滾、抬頭上潛或低頭下潛。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種針對(duì)當(dāng)MAUV在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中俯仰角為±90°時(shí)橫搖和航向出現(xiàn)奇異現(xiàn)象的問(wèn)題，提出的一種慣性測(cè)量單元的冗余配置結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)MAUV全姿態(tài)導(dǎo)航的同時(shí)，顯著地提高了導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的技術(shù)方案是：采用三個(gè)IMU模塊斜交冗余配置結(jié)構(gòu)，其中IMU1安裝在正四面體的側(cè)面1上，側(cè)面1即為面BCD，IMU1的底面中心與側(cè)面1中心重合安裝，IMU1的X1軸平行于BD邊，Y1軸垂直于BD邊，使IMU1的X1、Y1、Z1軸分別與載體坐標(biāo)系的X、Y、Z軸重合，將IMU2、IMU3分別鑲嵌在側(cè)面2、側(cè)面3上，側(cè)面2即為面ABC，側(cè)面3即為面ABD，IMU2、IMU3的底面中心分別與側(cè)面2、側(cè)面3的中心重合；使IMU1的Z1軸垂直于側(cè)面1朝外放置，IMU2的Z2軸、IMU3的Z3軸分別垂直于側(cè)面2、側(cè)面3朝外放置；使IMU1、IMU2、IMU3的Y1、Y2、Y3軸均垂直于底邊指向四面體的頂點(diǎn)，那么X1、X2、X3軸是平行于底邊的，至此構(gòu)成三個(gè)IMU模塊斜交冗余配置結(jié)構(gòu)。

所述的三個(gè)IMU模塊斜交冗余配置結(jié)構(gòu)，其中9個(gè)慣性敏感器件（陀螺或加速度計(jì)）按G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9順序編號(hào)。

所述的IMU為微型慣性測(cè)量組合（MIMU），其中集成了三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁力計(jì)，并已完成前期的標(biāo)定及誤差補(bǔ)償；所說(shuō)的MIMU采用了串行外設(shè)接口（Serial?Perpheral?Interface，簡(jiǎn)稱(chēng)SPI）的通訊方式，是一種高速的、全雙工、同步的通信總線(xiàn)，且SPI以主從方式工作。