[发明专利]一种双向光通信及无线供电单轴旋转惯导系统

说明书

本发明公开了一种双向光通信及无线供电单轴旋转惯导系统，该系统包括双向光通信单元、无线供电单元、电机驱动单元、惯性测量单元、旋转端信息采集处理单元、固定端信息接收与处理单元。该系统在同一传输通道中，采用红外光和可见光通信实现旋转端与固定端的信息交互；采用磁耦合谐振式无线供电方法，实现特定距离下中功率高效率无线能量传输。采用无框力矩电机，结合增量式圆光栅及双读数头设计，实现高精度电机驱动单元的设计。以上关键技术能够避免线缆的缠绕及导电滑环的摩擦磨损，能够实现空间有限情况下的小体积无线信号及能量传输，提高旋转式惯导系统信息输出精度。本发明系统及方法具有实用性强、导航信息精度高的特点。

技术领域

本发明涉及惯性导航系统设计技术领域，特别是涉及一种双向光通信及无线供电单轴旋转惯导系统。

背景技术

惯性导航系统的高精度、轻小型化设计，一直是水下载体长航时自主导航关键技术之一。旋转调制技术是提高惯性导航系统精度的有效手段，通过引入旋转机构，使惯性测量单元整周期转动，解调后通过整周期积分，消除或者抑制与旋转轴垂直方向的惯性传感器常值漂移及慢变误差，从而提高惯性导航系统精度。

为了灵活设计转位方案，避免线缆缠绕，现有旋转调制型惯性导航系统一般采用导电滑环，实现旋转部分与固定部分之间的接触式信号及能量传输，存在使用寿命低、长时间摩擦磨损致使可靠性下降等固有缺点，因此需要将无线信号和能量传输技术引入到旋转调制惯导系统中。

应用于旋转调制惯导系统中的无线电能传输技术主要为电磁感应式无线供电和电磁谐振式无线供电，电磁感应式无线供电传输效率随距离的增加急剧下降且对原、副边绕组的错位比较敏感；电磁谐振式无线供电传输距离较远，对原、副边绕组的错位敏感度小，更适合应用于旋转调制惯导系统中，在保证原、副边绕组存在一定间隙的情况下，实现高效率无线电能传输，如高涛、王浩、雷歌阳等人的《一种用于惯导系统的无线电能和信息传输装置》(专利号201611020309.2)，采用电磁谐振式无线供电，其所述初级电能传输绕组和信息传输绕组共用初级磁芯，次级电能传输绕组和次级信息传输绕组共用次级磁芯，无线电能和信息传输均采用磁路传递，存在互相干扰的潜在问题。

因此，针对现有无线通信及无线供电在旋转调制惯导系统中应用存在的缺点，迫切需要研究适用于旋转调制惯导系统的无线信号及能量传输方式，提高系统工作寿命及可靠性，能够实现全双工无线通信，高效率无线供电，同时能够使系统具有导航定位精度高、体积小的特点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种双向光通信及无线供电单轴旋转惯导系统。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种双向光通信及无线供电单轴旋转惯导系统，该系统包括旋转部分和固定部分；所述旋转部分由惯性测量单元、旋转端信息采集处理单元、可见光接收端PCB、无线供电次级绕组、无线供电次级磁芯、增量式圆光栅、无框力矩电机转子构成；所述固定部分由红外光接收端PCB、无线供电初级磁芯、无线供电初级绕组、第一读数头、第二读数头、无框力矩电机定子、无线供电发送端PCB、电机驱动板、固定端信息接收与处理单元构成；

所述增量式圆光栅、无框力矩电机转子、第一读数头、无框力矩电机定子和电机驱动板构成电机驱动单元，其中第一读数头读取增量式圆光栅旋转角度传输至电机驱动板；无框力矩电机定子和无框力矩电机转子相互配合，所述电机驱动单元驱动无框力矩电机转子带动旋转部分以一定的转位方案转动；

所述第一读数头和第二读数头对称安装于增量式圆光栅两侧，用于补偿电机的安装偏心误差，提高测角精度；

所述无线供电发送端PCB、旋转端信息采集处理单元、无线供电初级磁芯、无线供电初级绕组、无线供电次级绕组、无线供电次级磁芯共同构成无线供电单元；其中无线供电初级绕组和无线供电次级绕组分别放置于无线供电初级磁芯和无线供电次级磁芯内部，所述无线供电发送端PCB驱动无线供电初级绕组，通过无线供电初级绕组和无线供电次级绕组之间的磁耦合谐振，为旋转部分的旋转端信息采集处理单元供电；