微机械陀螺寻北仪制造技术

本发明专利技术提供了一种微机械陀螺寻北仪。本发明专利技术提出的基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪，采用了无线供电、无线通信传输的技术方案，内置式的一体化结构设计，实现了所述数字信号采集板与所述数字信号处理板之间的无线通信、以及无线供电。相对于现有技术，所述基于旋转调制技术的微机械陀螺寻北仪采用内置式一体化设计，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了寻北仪的体积、及成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微机械陀螺寻北仪，具体涉及一种基于旋转调制技术的便携式低功耗微机械陀螺寻北仪，属于惯性寻北

技术介绍
寻北仪作为一种指示方位的仪器，不仅在卫星、导弹、高精度惯性导航系统初始初对准等国防高科技领域得到广泛的应用，而且在地球物理探测、煤矿开采、大地测量、矿山、地下钻井工程、隧道挖掘以及无人驾驶汽车自动驾驶系统、车载定位定向导航系统等民用领域得到广泛应用。根据原理的不同，寻北仪分为两大类。第一类寻北仪需要外界信息辅助，如天文寻北、GPS寻北、后视定向寻北。天文寻北依靠光学仪器观测恒星位置进行寻北。GPS寻北则依靠GPS信号测量出两点位置信息进行寻北。测绘领域的后视定向寻北则在已知一个点的精确坐标的基础上依靠经纬仪等测量出待求点的角度、距离后计算得到北向夹角。此类需要外界信息辅助的寻北方式一般精度较高，但是依赖外界条件，对天气、位置等环境要求较为苛刻，而且一般寻北周期较长。第二类寻北仪不需要外界信息辅助，如磁寻北和惯性寻北。磁寻北利用磁传感器检测地球磁场来确定地磁北极。惯性寻北则依靠陀螺和加速度计测量地球自转矢量确定地理北极。现有技术中的电子磁罗盘已能达到较高精度，但由于地球磁场较弱，易受周围铁磁物质、电子设备等干扰，导致电子磁罗盘的使用受限。与之相比，惯性寻北具有隐蔽性强、寻北定向精度高、测量时间短、完全自主、不受气候条件限制等优点。惯性寻北是军用和民用惯性领域发展最早也是最为重要的应用之一，在对精度、使用环境要求较高的领域如国防领域已经得到广泛应用。陀螺仪是惯性寻北仪中的核心部件，它的使用是惯性寻北仪发展的关键。传统的惯性寻北仪通常采用激光陀螺、光纤陀螺以及挠性陀螺等高精度的陀螺仪。这类寻北仪能在规定的寻北时间内达到较高精度，满足特定的使用需求。但这类寻北仪存在价格昂贵、体积大、重量重、功耗大、启动时间长等问题。在某些对体积、功耗以及成本有严格要求的领域，如单兵野外寻北、单兵导航、炮兵侦查兵定向等军用领域以及行人导航、无人汽车自动驾驶系统ANS、民船用陀螺罗经等民用领域，这类利用传统陀螺仪构成的惯性寻北仪已不再适用。另一方面，微机械(MEMS)陀螺具有纯固态、高可靠性、小尺寸、低成本、低功耗等特点。其在近十年内得到飞速发展，性能得到大幅提升，有望在惯性寻北领域得到大范围应用。但就目前普遍的微机械陀螺发展来看，其精度仍然较低，仍无法直接利用于陀螺寻北仪等对陀螺精度要求较高的应用场合。利用系统级的方法如旋转调制技术可以对陀螺的误差进行自动补偿，可以使低精度的陀螺仪能够用于高精度的场合。而旋转调制技术的核心是旋转系统中的载荷结构的设计以及旋转结构与固定结构的电气连接。目前的寻北仪中载荷结构部分与驱动部分都是外置型的，也就是说敏感元件(陀螺仪)与电机的安装是属于“层叠”式结构。这必然导致系统体积过大，而且其电机驱动模块与寻北解算模块、显示驱动模块也是分开的，这就造成系统体积过大，质量过于笨重。而且，目前寻北仪中固定部分与旋转部分的电气连接一般采用导电滑环连接或者采用导线直接连接。而导电滑环连接增大了系统的体积，增加了系统的成本与功耗，且需要定期维护，导电滑环存在磨损，降低了系统的可靠性与使用寿命。而直接采用导线连接的旋转结构则需要设计机械限位机构增加了系统体积及成本，且不能实现连续旋转的功能，降低了旋转调制的效果，对低精度微机械陀螺的精度提升有限，无法将低精度的微机械陀螺应用于陀螺惯性寻北仪。
技术实现思路
有鉴于此，提出一种具有体积小、功耗低、成本低、可连续旋转的基于旋转调制技术的便携式微机械陀螺寻北仪实为必要。一种微机械陀螺寻北仪，其包括：一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子、一转子内置于所述定子设置；一圆光栅用于测量所述转子的转角；一安装工装固定于所述转子，该安装工装安装有一个微机械陀螺和一个微机械加速度计，所述微机械陀螺和微机械加速度计的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述电机的转动轴；一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和所述微机械加速度计供电，以及采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算并输出结果；一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。所述壳体材料不限，只要具有一定硬度就可以，可以是满足所需支撑内部器件的材料，如铝合金LY12或者黄铜等。所述收容空间用于封装所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述安装工装、所述数字信号采集板、所述数据处理板、所述显示装置以及所述电池盒。所述永磁同步电机通过收纳于所述电池盒中的电池供电。所述定子固定于所述底座，所述转子通过一竖直轴系固定于所述底座。所述转子可以相对所述定子转动。所述定子上具有线圈，所述转子为永磁体。当给所述定子通以正弦交流电时，所述转子会转动。所述永磁同步电机可以为分装直驱式永磁电机或者内装直驱式永磁同步电机。优选地，所述永磁同步电机为分装直驱式永磁同步电机。所述圆光栅包括一圆光栅读数头和一圆光栅尺。所述圆光栅尺固定于所述转子，所述圆光栅读数头固定于所述壳体底座。所述圆光栅读数头用于读取圆光栅的转角信息。所述圆光栅为绝对式圆光栅，其通过收纳于所述电池盒中的电池供电。该圆光栅与所述数字信号处理板电连接，用于计量所述的转子的转角，并将该转角输出给所述数字信号处理板。该绝对式圆光栅用于输出所述转子的转角。该转角一方面作为转子位置反馈用于所述永磁同步电机的矢量控制，另一方面用于寻北仪的寻北解算。所述安装工装可以以嵌入安装的方式内置于所述转子中。所述安装工装也可以固定于所述转子远离底座的一端。所述安装工装为一多面体结构，其具有多个对称的安装面。优选地，该安装工装为六面体。所述微机械陀螺与所述微机械加速度计分别安装于所述安装工装的两个安装面。所述安装工装还可以再进一步安装一个微机械陀螺和一个微机械加速度计。所述微机械陀螺可以是安装工装能容纳的任意微机械陀螺仪。所述微机械加速度计可以是安装工装能容纳的任意微机械加速度计。优选地，所述微机械陀螺为清华大学导航中心研发的硅微机械陀螺仪。优选地所述微机械加速度计可以是瑞士Colibrys公司的SF1500型微机械加速度计。采用单个微机械加速度计旋转，多个位置的读数一起联立解算可以得到相应的安装工装的姿态角，然后结合多个位置的陀螺输出联立解算，即可得到北向夹角，这就是一个微机械陀螺和一个微机械加速度计的方案。如果要求仅在一个位置的输出就得到安装工装的姿态角，则可以利用两个正交安装的微机械加速度计实现，再联立微机械陀螺的输出解算得到北向夹角，这个就是一个微机械陀螺和两个微机械加速度计方案。如果需要冗余，提高可靠性，靠增加测量组数来提高测量精度，相应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械陀螺寻北仪，其包括：一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子、一转子内置于所述定子设置；一圆光栅用于测量所述转子的转角；一安装工装固定于所述转子，该安装工装安装有一个微机械陀螺和一个微机械加速度计，所述微机械陀螺的敏感轴和所述微机械加速度计的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述电机的转动轴；一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和微机械加速度计供电，采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算；一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。

【技术特征摘要】
1.一种微机械陀螺寻北仪，其包括：一壳体，该壳体包括一底座、一盖体，所述底座与所述盖体闭合形成一收容空间；一永磁同步电机固定于所述底座，该永磁同步电机包括一定子、一转子内置于所述定子设置；一圆光栅用于测量所述转子的转角；一安装工装固定于所述转子，该安装工装安装有一个微机械陀螺和一个微机械加速度计，所述微机械陀螺的敏感轴和所述微机械加速度计的敏感轴相互垂直并且在同一平面内，并且该平面垂直于所述电机的转动轴；一数字信号采集板固定于所述转子并与所述微机械陀螺和微机械加速度计电连接，用于给所述微机械陀螺和微机械加速度计供电，采集所述微机械陀螺和所述微机械加速度计的数据并无线传输该数据；一数字信号处理板固定于所述底座并与所述圆光栅、所述永磁同步电机电连接，用于驱动所述永磁同步电机、给所述数字信号采集板无线供电，以及无线接收来自所述数字信号采集板的数据，并结合所述转子的转角进行寻北解算；一显示装置安装于所述数字信号处理板，并从所述盖体露出用于显示寻北结果；以及一电池盒，该电池盒用于收纳电池，该电池盒收纳的电池给所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板以及所述显示装置供电。2.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述收容空间用于封装所述永磁同步电机、所述圆光栅、所述安装工装、所述数字信号采集板、所述数字信号处理板、所述显示装置以及所述电池盒。3.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述定子固定于所述底座，所述转子通过竖直轴系固定于所述底座。4.如权利要求3所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述圆光栅为绝对式圆光栅，该圆光栅与所述数字信号处理板电连接，用于计量所述的转子的转角，并将该转角输出给所述数字信号处理板。5.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述安装工装嵌入设置于所述转子中。6.如权利要求1所述的微机械陀螺寻北仪，其特征在于，所述数字信号采集板具有陀螺数字接口模块用于接收陀螺信号、加速度计模拟接口模块用于接收加速度计信号、无线通信模...

【专利技术属性】
技术研发人员：张嵘，周斌，张永健，陈志勇，郭美凤，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11