[發明專利]一種雙向光通信及無線供電單軸旋轉慣導系統

有效

• 申請號: 202110630964.4
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113346628B
• 公開（公告）日: 2022-05-27
• 發明（設計）人: 黃添添;牛萌;葉凌云;宋開臣
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H02J50/00
• 分類號: H02J50/00;H02J50/12;H02J7/00;G01C21/16;G01C21/20;H04B10/116
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種雙向光通信及無線供電單軸旋轉慣導系統，該系統包括雙向光通信單元、無線供電單元、電機驅動單元、慣性測量單元、旋轉端信息采集處理單元、固定端信息接收與處理單元。該系統在同一傳輸通道中，采用紅外光和可見光通信實現旋轉端與固定端的信息交互；采用磁耦合諧振式無線供電方法，實現特定距離下中功率高效率無線能量傳輸。采用無框力矩電機，結合增量式圓光柵及雙讀數頭設計，實現高精度電機驅動單元的設計。以上關鍵技術能夠避免線纜的纏繞及導電滑環的摩擦磨損，能夠實現空間有限情況下的小體積無線信號及能量傳輸，提高旋轉式慣導系統信息輸出精度。本發明系統及方法具有實用性強、導航信息精度高的特點。

技術領域

本發明涉及慣性導航系統設計技術領域，特別是涉及一種雙向光通信及無線供電單軸旋轉慣導系統。

背景技術

慣性導航系統的高精度、輕小型化設計，一直是水下載體長航時自主導航關鍵技術之一。旋轉調制技術是提高慣性導航系統精度的有效手段，通過引入旋轉機構，使慣性測量單元整周期轉動，解調后通過整周期積分，消除或者抑制與旋轉軸垂直方向的慣性傳感器常值漂移及慢變誤差，從而提高慣性導航系統精度。

為了靈活設計轉位方案，避免線纜纏繞，現有旋轉調制型慣性導航系統一般采用導電滑環，實現旋轉部分與固定部分之間的接觸式信號及能量傳輸，存在使用壽命低、長時間摩擦磨損致使可靠性下降等固有缺點，因此需要將無線信號和能量傳輸技術引入到旋轉調制慣導系統中。

應用于旋轉調制慣導系統中的無線電能傳輸技術主要為電磁感應式無線供電和電磁諧振式無線供電，電磁感應式無線供電傳輸效率隨距離的增加急劇下降且對原、副邊繞組的錯位比較敏感；電磁諧振式無線供電傳輸距離較遠，對原、副邊繞組的錯位敏感度小，更適合應用于旋轉調制慣導系統中，在保證原、副邊繞組存在一定間隙的情況下，實現高效率無線電能傳輸，如高濤、王浩、雷歌陽等人的《一種用于慣導系統的無線電能和信息傳輸裝置》(專利號201611020309.2)，采用電磁諧振式無線供電，其所述初級電能傳輸繞組和信息傳輸繞組共用初級磁芯，次級電能傳輸繞組和次級信息傳輸繞組共用次級磁芯，無線電能和信息傳輸均采用磁路傳遞，存在互相干擾的潛在問題。

因此，針對現有無線通信及無線供電在旋轉調制慣導系統中應用存在的缺點，迫切需要研究適用于旋轉調制慣導系統的無線信號及能量傳輸方式，提高系統工作壽命及可靠性，能夠實現全雙工無線通信，高效率無線供電，同時能夠使系統具有導航定位精度高、體積小的特點。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種雙向光通信及無線供電單軸旋轉慣導系統。

為實現上述目的，本發明所采用的技術方案是：一種雙向光通信及無線供電單軸旋轉慣導系統，該系統包括旋轉部分和固定部分；所述旋轉部分由慣性測量單元、旋轉端信息采集處理單元、可見光接收端PCB、無線供電次級繞組、無線供電次級磁芯、增量式圓光柵、無框力矩電機轉子構成；所述固定部分由紅外光接收端PCB、無線供電初級磁芯、無線供電初級繞組、第一讀數頭、第二讀數頭、無框力矩電機定子、無線供電發送端PCB、電機驅動板、固定端信息接收與處理單元構成；

所述增量式圓光柵、無框力矩電機轉子、第一讀數頭、無框力矩電機定子和電機驅動板構成電機驅動單元，其中第一讀數頭讀取增量式圓光柵旋轉角度傳輸至電機驅動板；無框力矩電機定子和無框力矩電機轉子相互配合，所述電機驅動單元驅動無框力矩電機轉子帶動旋轉部分以一定的轉位方案轉動；

所述第一讀數頭和第二讀數頭對稱安裝于增量式圓光柵兩側，用于補償電機的安裝偏心誤差，提高測角精度；

所述無線供電發送端PCB、旋轉端信息采集處理單元、無線供電初級磁芯、無線供電初級繞組、無線供電次級繞組、無線供電次級磁芯共同構成無線供電單元；其中無線供電初級繞組和無線供電次級繞組分別放置于無線供電初級磁芯和無線供電次級磁芯內部，所述無線供電發送端PCB驅動無線供電初級繞組，通過無線供電初級繞組和無線供電次級繞組之間的磁耦合諧振，為旋轉部分的旋轉端信息采集處理單元供電；