[发明专利]一种惯性测量单元的冗余配置结构

说明书

技术领域

本发明涉及微型自治水下机器人惯性导航领域，具体的说是一种惯性测量单元的冗余配置结构。

背景技术

微型自治水下机器人（Micro Autonomous Underwater Vehicle,简称“MAUV”）是一种具有自携动力、能按设计程序进行操作的自治式潜水器，由于它的成本、功耗和功耗要求很低，因此水中导航方式采用MEMS惯性导航系统、地磁导航和多普勒计程仪组合的方式。MAUV与水面没有直接联系，在运行过程中通过声通讯系统从水面接收简单指令继而改变航向、深度、收集数据。MAUV可进行深海搜索、观测、识别、取样、打捞等一系列作业，是一种安全性高、重量轻、尺寸小、造价低的“智能机器人”。

微机电系统（MEMS）惯性导航系统是由惯性测量单元（Inertial Measurement Unit,简称“IMU”，包括三轴MEMS陀螺仪和加速度计）、导航计算机和电源模块等构成。当采用陀螺冗余配置方式就可以实现全姿态导航，而且能提高导航系统的精度和可靠性。应用于航空领域的传统机械陀螺和光学陀螺冗余技术比较成熟，通常采用的4陀螺和6陀螺方案。70年代Sperry为NASA马歇尔中心研制了一个6陀螺冗余系统，系统中每个SLIC-15激光陀螺的灵敏轴与相邻的陀螺成64°角，每个陀螺可以检测到绕两个轴的运动，当所有6个陀螺都正常工作时，它可以提高系统的测量精度，还可以检测出任何2个陀螺的故障，并抛弃其错误数据。

从公开的文献来看，Northrop-Grumman公司研制的SIRUTM采用的陀螺冗余方案最为成功，它由4个半球谐振陀螺(HRG)和4个加速度计构成，用于航天飞行器的姿态检测和控制，从1996年至今，在太空中成功地运行了17年，证明了该冗余设计的可行性和可靠性。

受MEMS器件精度影响，MEMS陀螺冗余应用见诸报道的很少，随着MEMS陀螺精度不断突破，而且体积和成本的不断减小，这为陀螺冗余设计提供了极大方便。为适应高精度、高可靠性导航的要求，国内外众多研究者提出了多种陀螺冗余配置方案,如正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体方案等。

MAUV在水下航行时的航姿主要依赖于MEMS惯性系统测量。惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用陀螺仪测量运载体的转动角速度，加速度计测量运载体的线运动加速度，经积分得到载体姿态、速度、位置信息，实现导航目的的技术手段。其自主性高，但导航误差随时间积累，因此隔一段时间需要MAUV浮出水面接收GPS或北斗信号对惯导系统进行修正。通常GPS或北斗接收机安装在MAUV头部，修正过程需要MAUV保持近乎垂直于水平面状态，此时俯仰角接近90°，航向角和横摇角无法确定（奇异现象），因此需要采取必要的改进措施，从而使MAUV可以做任意形式的机动，包括连续翻滚、抬头上潜或低头下潜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对当MAUV在运动过程中俯仰角为±90°时横摇和航向出现奇异现象的问题，提出的一种惯性测量单元的冗余配置结构，该结构在实现MAUV全姿态导航的同时，显著地提高了导航系统的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明的技术方案是：采用三个IMU模块斜交冗余配置结构，其中IMU1安装在正四面体的侧面1上，侧面1即为面BCD，IMU1的底面中心与侧面1中心重合安装，IMU1的X1轴平行于BD边，Y1轴垂直于BD边，使IMU1的X1、Y1、Z1轴分别与载体坐标系的X、Y、Z轴重合，将IMU2、IMU3分别镶嵌在侧面2、侧面3上，侧面2即为面ABC，侧面3即为面ABD，IMU2、IMU3的底面中心分别与侧面2、侧面3的中心重合；使IMU1的Z1轴垂直于侧面1朝外放置，IMU2的Z2轴、IMU3的Z3轴分别垂直于侧面2、侧面3朝外放置；使IMU1、IMU2、IMU3的Y1、Y2、Y3轴均垂直于底边指向四面体的顶点，那么X1、X2、X3轴是平行于底边的，至此构成三个IMU模块斜交冗余配置结构。

所述的三个IMU模块斜交冗余配置结构，其中9个惯性敏感器件（陀螺或加速度计）按G1、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9顺序编号。

所述的IMU为微型惯性测量组合（MIMU），其中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，并已完成前期的标定及误差补偿；所说的MIMU采用了串行外设接口（Serial Perpheral Interface，简称SPI）的通讯方式，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，且SPI以主从方式工作。