[发明专利]一种机载双光纤IMU/DGPS组合相对形变姿态测量装置

摘要

本发明公开一种机载双光纤IMU/DGPS组合相对形变姿态测量装置，以光纤陀螺作为传感元件，采用现有的测量精度的惯性测量方法，以及基于三只陀螺和三只加速度计的惯性器件配置方式，采用高精度DGPS信息作为外部信息源，在DGPS信息更新时，两惯性组件通过各自解算得到的导航信息，与DGPS提供的速度和位置信息进行滤波处理，得到相对姿态矩阵，解算得到相对姿态。当DGPS信号丢失或未更新时，使用所处环境较稳定的主惯性组件速度、位置信息对从惯性组件进行滤波修正，从惯性组件经滤波处理后的导航信息与主惯导信息进行相对姿态矩阵解算，得到相对姿态。本发明是一种具有实时性的高精度测量装置，实现了对载体刚度与变形特征无定量数据的精确测量。

主权项

一种机载双光纤IMU/DGPS组合相对形变姿态测量装置，其特征在于：包括主惯性组件、从惯性组件、DGPS接收机与上层控制系统；其中，主惯性组件位于载体舱内，从惯性组件位于载体舱外；主惯性组件与从惯性组件结构相同，均包括三轴光纤陀螺仪、三轴石英挠性加速度计、二次电源、I/O接口电路，I/F信号转换电路与导航计算机；其中，三轴光纤陀螺仪用来测量惯性组件自身所在载体位置上x、y、z三个轴向上的转动角速度信号，并通过I/O接口电路发送给导航计算机；所述三轴石英挠性加速度计用来测量惯性组件自身所在载体位置上x、y、z三个轴向上的加速度信号，经过I/F信号转换电路转换为加速度脉冲信号，通过I/O接口电路发送给导航计算机；所述二次电源用来将外部电源电压转换成惯性组件所需要的电压；在主惯性组件与从惯性组件中的三轴光纤陀螺仪中每个光纤陀螺上，以及三轴石英挠性加速度计中每个加速度计上均安装有温度传感器，用来实时获取主惯性组件与从惯性组件x、y、z三个轴向上的温度信息，并发送给导航计算机；带有差分功能的DGPS接收机用来测量载体的高精度位置、速度信息，通过I/O接口电路发送给导航计算机；所述导航计算机用来接收为基于FPGA+DSP的组合导航计算机，其中，FPGA用来接收惯性组件所在位置三个轴向上的转动角速度信号与加速度脉冲信号，与惯性组件中各个温度传感器发送的温度信号，以及DGPS测得的载体的高精度位置、速度信息，并将其中的转动角速度信号、加速度脉冲信号与温度信号发送给DSP；DSP根据接收到的温度信号对接收到的转动角速度信号、加速度脉冲信号进行温度补偿与标定补偿后，与DGPS测得的载体的高精度位置、速度信息一同通过UART发送给上层控制系统；上层控制系统包含串口通信单元、相对姿态解算单元和人机交互界面；其中，串口通信模块用来采集导航计算机发送的经过温度补偿与标定补偿后的转动角速度信号、加速度脉冲信号，与DGPS测得的载体的高精度位置、速度信息，并进行缓存，以备后续调用；相对姿态解算单元包括惯性组件导航解算模块与相对姿态解算模块。其中，惯性组件导航解算模块通过查询DGPS更新标志变量的数值是否发生改变来判断DGPS信息的更新，从而控制主惯导系统与从惯导系统的工作模式，包括三种工作模式，分别为纯惯性模式、IMU/DGPS组合模式和主惯性组件/从惯性组件组合模式；在DGPS信息更新后的下一个解算时刻，惯性组件导航解算模控制主惯性组件与从惯性组件均工作在IMU/DGPS组合模式下，并由串口通信单元中调用DGPS测得的载体高精度位置、速度信息，分别对主惯性组 件与从惯性组件的转动角速度信号、加速度脉冲信号进行滤波修正，并发送给姿态结算模块。在DGPS信息丢失或未更新的情况下，由于惯性组件导航解算模块无法对主惯性组件与从惯性组件的转动角速度信号、加速度脉冲信号进行滤波修正，因此惯性组件导航解算模块控制惯性组件导航解算模块，控制主惯性组件工作在纯惯性模式，从惯导工作在主惯性组件/从惯性组件组合模式，由此通过精度较高的主惯性组件的转动角速度信号、加速度脉冲信号修正从惯性组件的转动角速度信号、加速度脉冲信号，并发送给相对姿态解算模块；相对姿态解算模块根据获得的经滤波修正后的主惯行组件与从惯性组件的转动角速度信号、加速度脉冲信号，分别对主惯性组件与从惯性组件各自进行的导航解算，得到主惯性组件与从惯性组件各自的位置、速度和姿态信息，保存并输出到人机交互界面进行显示；然后根据主惯性组件与从惯性组件的姿态信息得到主惯性组件与从惯性组件间的相对姿态矩阵，并对相对姿态矩阵进行解算，得到主惯性组件与从惯性组件间相对姿态值，并对其进行保存并输出给人机交互界面进行显示。