本发明专利技术属于惯性导航技术领域，涉及一种捷联惯性导航系统的惯性测量组件(IMU)新型的结构设计方法。本发明专利技术将三个陀螺和加速度计等角度对称的斜置安装在惯性测量组件支架上，通过支架的安装面实现惯性测量组件和捷联惯导系统的固联；三个陀螺和三个加速度计的敏感轴不再和惯导系统的坐标系或载体的坐标系重合；显著地缩小惯性测量组件的尺寸、体积和重量；解决传统的捷联惯导系统的惯性测量组件质心偏移的问题；扩大陀螺和加速度计的测量范围，非常适合于弹载或对尺寸重量及动态范围要求高的捷联惯导系统。该发明专利技术可以提高惯性测量组件的空间利用率，改善惯性测量组件质心偏移的问题，显著地缩小惯性测量组件的结构尺寸和重量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于惯性导航
，涉及一种传感器斜置的惯性测量组件结构。
技术介绍
捷联惯导系统的惯性测量组件(IMU)包括三个陀螺和三个加速度计，用以敏感和测量载体的角运动和线运动，惯导系统通过对陀螺和加速度计的输出信号进行解算，得到载体的姿态、速度、位置等导航信号。在很多应用场合，例如导弹、直升机或制导炸弹的惯导系统，对惯性测量组件的尺寸、重量和体积的要求非常苛刻，而且某些导弹的动态范围非常高，需要选择量程和载体动态范围相同的传感器。如果惯性测量组件的结构按照传统的方法进行设计即三个陀螺和三个加速度计的敏感轴相互正交布置，和载体的坐标系(也是惯导系统的坐标系)完全重合，坐标系满足右手定则。这样的设计方法必然会造成惯性测量组件的质心和惯性测量组件的几何中心严重偏移；惯性测量组件至少有40%的空间会被浪费或利用率不高，因而极易造成惯性测量组件的尺寸、空间和重量超出使用要求；必须选择动态范围和载体动态范围相等的传感器， 严重地限制了传感器的选择范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种能够充分利用有限空间的一种传感器斜置的惯性测量组件结构。本专利技术的技术解决方案是惯性测量组件结构包括一个六棱台体的支架，三个陀螺和三个加速度计，将三个陀螺和三个加速度计等角度对称的斜置安装在惯性测量组件的支架上，将三个陀螺测量到的角速度，通过一个转换矩阵转换到惯导系统的坐标系下；同理，将三个加速度计测量到的加速度，通过另外一个转换矩阵转换到惯导Tba,系统的坐标系下；其中，^为陀螺坐标系到惯导坐标系的转换矩阵，r/加速度计坐标系到惯导坐标系的转换矩阵，实现对载体的角速度和加速度的测量；(1)支架的结构支架的安装面为支架的底面，支架安装面的法线与载体的最大动态输入轴平行或重合，三个陀螺安装面和三个加速度计安装面分别绕支架安装面的法线成轴对称圆周均布，陀螺安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角为α，加速度计安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角为θ ；(2)陀螺安装面的结构陀螺安装面的法线与安装在其安装面上的陀螺敏感轴重合，三个陀螺安装面的法线和载体的最大动态输入轴Zb之间的夹角也均为α ；惯导系统的坐标系的Χ、Υ、Ζ轴分别为 0Xb、OYb, OZb ；X、Y、Z陀螺的敏感轴分别为0Xg、OYg, OZg ；其中OYg在支架底面的投影为0A， OA和OYb共线；OXg在支架底面的投影为0B，OB和OXb之间的夹角为Y ；X、Y、Z陀螺的敏感轴之间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为β ；(2)加速度计安装面的结构加速度计安装面的法线与安装在其安装面上的加速度计敏感轴重合，三个加速度计安装面的法线和载体的最大动态输入轴Zb之间的夹角也均为θ ；Χ、Υ、Ζ加速度计的敏感轴分别为OXa、OYa, OZa ；其中OXa在支架底面的投影为OC ；OC和OXb之间的夹角为Ψ ；X、Y、 Z加速度计的敏感轴之间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为Φ ；(3)角速度转换矩阵Γ/，则三个陀螺测量的角f \'6V、 将三个陀螺测量的角速度，带入公式=KW)速度ωgyω.就转换成惯导系统坐标系下的角速度S2 J(ObxVfiV者之间的转换关系为CO1bxω,byω.= Tbgbz Jωsx 其中《gx、cogy、cogz分别为X、Y、Z轴陀螺测量到的角速度；cobx、coby、cobz分别为惯导坐标系下等效的X、Y、Z轴的角速度；r/为陀螺坐标系到惯导坐标系3X3的转换矩阵， 计算公式为sin α cos/ -sin α cos/ 0 sin α sin χ sin α sin χ —sin α cos αcos α cos α (4)加速度转换矩阵C，则三个加速度计 Tbg =faxfbxfax 将三个加速度计测量的加速度fay，带入公式fby= Tbg fay、fa”、fbz jaz /测量的加速度fax fay 、faz .就转换成惯导系统坐标系下的加速度(fbx、 fby\fbz J；二者之间的转换关系为fbxfaxfby=Kfay权利要求1. 一种传感器斜置的惯性测量组件结构，其特征在于，惯性测量组件结构包括ー个六 棱台体的支架，三个陀螺和三个加速度计，将三个陀螺和三个加速度计等角度対称的斜置安装在惯性测量组件的支架上，将三个陀螺测量到的角速度 双，通过ー个转换矩阵、 JTbg,J ax转换到惯导系统的坐标系下；同理，将三个加速度计测量到的加速度fay，通过另外ー个J az ノ转换矩阵”，转换到惯导系统的坐标系下；其中，？；6为陀螺坐标系到惯导坐标系的转换矩 阵，”加速度计坐标系到惯导坐标系的转换矩阵，实现对载体的角速度和加速度的測量；(1)支架的结构支架的安装面为支架的底面，支架安装面的法线与载体的最大动态输入轴平行或重 合，三个陀螺安装面和三个加速度计安装面分别绕支架安装面的法线成轴对称圆周均布， 陀螺安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角为a，加速度计安装面的法线与支架安 装面的法线之间的夹角为9 ；(2)陀螺安装面的结构陀螺安装面的法线与安装在其安装面上的陀螺敏感轴重合，三个陀螺安装面的法线和 载体的最大动态输入轴ん之间的夹角也均为a ；惯导系统的坐标系的X、Y、Z轴分别为0\、 OYb, OZb ；X、Y、Z陀螺的敏感轴分别为0Xg、OYg, OZg ；其中OYg在支架底面的投影为OA，OA和 OYb共线；OXg在支架底面的投影为0B，OB和OXb之间的夹角为Y ；X、Y、Z陀螺的敏感轴之 间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为3 ；(2)加速度计安装面的结构加速度计安装面的法线与安装在其安装面上的加速度计敏感轴重合，三个加速度计安 装面的法线和载体的最大动态输入轴4之间的夹角也均为9 ；X、Y、Z加速度计的敏感轴分 别为OXa、OYa、OZa ；其中OXa在支架底面的投影为OC ；OC和OXb之间的夹角为￥ ；X、Y、Z加 速度计的敏感轴之间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为小；(3)角速度转换矩阵巧r / \ / \(Ogx卜e0SX将三个陀螺测量的角速度Ogy，带入公式2.根据权利要求1所述的一种传感器斜置的惯性测量组件结构，其特征在于，所述的陀螺安装面的法线和载体的最大动态输入轴Zb之间的夹角α范围为30° 70°。3.根据权利要求1所述的一种传感器斜置的惯性测量组件结构，其特征在于，所述的加速度计安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角θ范围为30° 70°。4.根据权利要求1所述的一种传感器斜置的惯性测量组件结构，其特征在于，所述的六棱台体的支架为中空或镂空结构，镂空部分的空间用于安装电路板或者接插件。全文摘要本专利技术属于惯性导航
，涉及一种捷联惯性导航系统的惯性测量组件(IMU)新型的结构设计方法。本专利技术将三个陀螺和加速度计等角度对称的斜置安装在惯性测量组件支架上，通过支架的安装面实现惯性测量组件和捷联惯导系统的固联；三个陀螺和三个加速度计的敏感轴不再和惯导系统的坐标系或载体的坐标系重合；显著地缩小惯性测量组件的尺寸、体积和重量；解决传统的捷联惯导系统的惯性测量组件质心偏移的问题；扩大陀螺和加速度计的测量范围，非常适合于弹载或对尺寸重量及动态范围要求高的捷联惯导系统。该专利技术可以提高惯性测量本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种传感器斜置的惯性测量组件结构，其特征在于，惯性测量组件结构包括一个六棱台体的支架，三个陀螺和三个加速度计，将三个陀螺和三个加速度计等角度对称的斜置安装在惯性测量组件的支架上，将三个陀螺测量到的角速度通过一个转换矩阵 转换到惯导系统的坐标系下；同理，将三个加速度计测量到的加速度通过另外一个转换矩阵 转换到惯导系统的坐标系下；其中， 为陀螺坐标系到惯导坐标系的转换矩阵， 加速度计坐标系到惯导坐标系的转换矩阵，实现对载体的角速度和加速度的测量；（１）支架的结构支架的安装面为支架的底面，支架安装面的法线与载体的最大动态输入轴平行或重合，三个陀螺安装面和三个加速度计安装面分别绕支架安装面的法线成轴对称圆周均布，陀螺安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角为α，加速度计安装面的法线与支架安装面的法线之间的夹角为θ；（２）陀螺安装面的结构陀螺安装面的法线与安装在其安装面上的陀螺敏感轴重合，三个陀螺安装面的法线和载体的最大动态输入轴Ｚｂ之间的夹角也均为α；惯导系统的坐标系的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴分别为ＯＸｂ、ＯＹｂ、ＯＺｂ；Ｘ、Ｙ、Ｚ陀螺的敏感轴分别为ＯＸｇ、ＯＹｇ、ＯＺｇ；其中ＯＹｇ在支架底面的投影为ＯＡ，ＯＡ和ＯＹｂ共线；ＯＸｇ在支架底面的投影为ＯＢ，ＯＢ和ＯＸｂ之间的夹角为γ；Ｘ、Ｙ、Ｚ陀螺的敏感轴之间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为β；（２）加速度计安装面的结构加速度计安装面的法线与安装在其安装面上的加速度计敏感轴重合，三个加速度计安装面的法线和载体的最大动态输入轴Ｚｂ之间的夹角也均为θ；Ｘ、Ｙ、Ｚ加速度计的敏感轴分别为ＯＸａ、ＯＹａ、ＯＺａ；其中ＯＸａ在支架底面的投影为ＯＣ；ＯＣ和ＯＸｂ之间的夹角为ψ；Ｘ、Ｙ、Ｚ加速度计的敏感轴之间的夹角相等，定义任意两者之间的夹角为φ；（３）角速度转换矩阵将三个陀螺测量的角速度带入公式则三个陀螺测量的角速度就转换成惯导系统坐标系下的角速度二者之间的转换关系为：其中：ωｇｘ、ωｇｙ、ωｇｚ分别为Ｘ、Ｙ、Ｚ轴陀螺测量到的角速度；ωｂｘ、ωｂｙ、ωｂｚ分别为惯导坐标系下等效的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的角速度； 为陀螺坐标系到惯导坐标系３×３的转换矩阵，计算公式为：（４）加速度转换矩阵将三个加速度计测量的加速度带入公式则三个加速度计测量的加速度就转换成惯导系统坐标系下的加速度二者之间的转换关系为：其中：ｆａｘ、ｆａｙ、ｆａｚ分别为Ｘ、Ｙ、Ｚ轴加速度计测量到的加速度；ｆｂｘ、ｆｂｙ、ｆｂｚ分别为惯导坐标系下等效的Ｘ、Ｙ、Ｚ轴的加速度； 为加速度计坐标系到惯导坐标系３×３的转换矩阵，计算公式为：。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：陈江良，陈璞，
申请(专利权)人：中国航空工业第六一八研究所，
类型：发明
国别省市：87
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