CN117804437A - 一种微型全姿定向装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型全姿定向装置及测量方法，装置包括包括三个微型陀螺仪、主控电路板、圆柱形安装基座、外部连接器；三个微型陀螺仪以安装面相互正交的方式分别固定于圆柱形安装基座的一端的三个微型陀螺仪安装腔内，三个微型陀螺仪的三个角速率敏感轴形成相互正交的XYZ三轴坐标系，X轴与圆柱形安装基座的圆柱中心轴平行；主控电路板及外部连接器分别固装于圆柱形安装基座中部的主动电路板安装腔内及圆柱形安装基座另一端的外部连接器安装腔内；主控电路板包括微控制器、微型三轴加速度计、微型姿态传感器模块、通讯模块、数据存储模块、供电模块、三个微型陀螺仪接口、对外电路接口。本发明可全姿态定向并实时输出测量结果。

Description

一种微型全姿定向装置及其测量方法

技术领域

本发明属于惯性导航设备技术应用领域，特别是一种微型全姿定向装置及其测量方法。

背景技术

现有的钻杆定向装置的定向原理是通过磁通门传感器感应地球磁场方向原理，而钻杆的使用环境基本是隧道、矿洞等有强烈磁场干扰的环境，在这种环境下使用磁通门传感器定向会出现测量结果偏差大的情况，严重影响工程质量，因此需要一种设计一种能够全姿态定向、不受磁场干扰且体积小功耗低的微型全姿定向装置来满足钻杆的使用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种设计合理、使用简单、体积小、重量轻、低功耗且可全姿态定向并实时输出测量结果的微型全姿定向装置及其测量方法。

本发明的上述目的之一通过以下技术方案来实现：

一种微型全姿定向装置，其特征在于：包括三个微型陀螺仪、主控电路板、圆柱形安装基座、外部连接器；

在圆柱形安装基座的一端在相互垂直的三个方向分别设置有一微型陀螺仪安装腔，在圆柱形安装基座的中部设置有主动电路板安装腔，在圆柱形安装基座的另一端设置有外部连接器安装腔；所述三个微型陀螺仪以安装面相互正交的方式分别固定于三个微型陀螺仪安装腔内，三个微型陀螺仪的三个角速率敏感轴形成相互正交的XYZ三轴坐标系，其中X轴与圆柱形安装基座的圆柱中心轴平行；所述主控电路板及外部连接器分别固定安装于主动电路板安装腔内及外部连接器安装腔内；

所述主控电路板包括微控制器、微型三轴加速度计、微型姿态传感器模块、通讯模块、数据存储模块、供电模块、三个微型陀螺仪接口、对外电路接口；

所述供电模块使用两种三端稳压器经主控电路板的对外电路接口与外部连接器电连接，实现电压转换功能为系统供电；所述微控制器分别经三个微型陀螺仪接口与三个微型陀螺仪电连接，实现微控制器对微型陀螺仪数据采集功能；所述微控制器与微型三轴加速度计电连接，实现微控制器对微型三轴加速度计数据采集功能；所述微控制器与微型姿态传感器模块电连接，实现微控制器与微型姿态传感器交互通讯功能。所述微控制器与通讯模块电连接，再经主控电路板的对外电路接口和外部连接器实现外部通讯功能。所述微控制器与数据存储模块电连接，实现数据存储功能。

本发明的上述目的之二通过以下技术方案来实现：

一种微型全姿定向装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、首先上位机通过通讯模块与本系统通讯，录入纬度信息并存储到微控制器缓存器中；

步骤2、然后微控制器采集三个微型陀螺仪和微型三轴加速度计数据，数据采集完毕后将微型三轴加速度计数据分别求平均，通过以下公式解算出系统俯仰角和横滚角；

式中：

θ为俯仰角；

A_n为加速度计X轴向敏感轴输出数据；

γ为横滚角；

A_e为加速度计Y轴向敏感轴输出数据；

g为重力加速度；

步骤3、根据解算出的横滚角，进行寻北解算，具体的：

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值小于等于45°则选用X轴和Y轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_e为Y轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角；

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值大于45°，则选用X轴和Z轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_u为Z轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角；

步骤4、寻北解算完毕后将解算出的真北方位角、俯仰角和横滚角上传给上位机，然后根据解算结果设置姿态传感器的初始零偏角度，并实时读取姿态传感器测量输出结果，实现实时测量功能。

本发明具有的优点和积极效果为：

1、本发明微型全姿定向装置是一种基于微型陀螺仪、微型加速度计和微型姿态传感器等敏感元件的微小自主定向测姿的惯性仪器。结合先进的传感技术和决策算法(此处的算法指下文提到的寻北算法)，可在短时间内自动测量载体工作面的姿态角及航向角，完成全自动测定工作并可实现实时跟踪输出。

2、本发明微型全姿定向装置采用敏感地球自转角速度分量和重力加速度的，不受磁场干扰，不依赖卫星信号；全角度测量，定向测姿速度快，测量精度高；采用高精度惯性器件，出厂标定，后续免维护。

3、本发明微型全姿定向装置采用一体集成化设计，体积小，重量轻；抗干扰能力强，产品可靠性高。

4、本发明微型姿态传感器集成了三轴微机械陀螺仪和三轴微型加速度计，利用陀螺仪敏感角速率原理及加速度计敏感重力加速度原理，经采集数据后解算可实时测量相对航向角和姿态角，使得惯性测量后实现实时跟踪输出测量结果成为可能。

附图说明

图1是本发明微型全姿定向装置的结构示意图；

图2是本发明主控电路板原理图；

图3是本发明三个微型陀螺仪安装示意图；

图4是本发明微型全姿定向装置的工作流程图。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。

一种微型全姿定向装置，请参见图1-图3，主要包括三个微型陀螺仪、主控电路板2、圆柱形安装基座6、外部连接器1。三个微型陀螺仪分别为第一微型陀螺仪3、第二微型陀螺仪4和第三微型陀螺仪5。

所述圆柱形安装基座用于实现三个微型陀螺仪、主控电路板及外部连接器的集中安装。

在圆柱形安装基座的一端在相互垂直的三个方向分别设置有一微型陀螺仪安装腔，在圆柱形安装基座的中部设置有主动电路板安装腔，在圆柱形安装基座的另一端设置有外部连接器安装腔。所述三个微型陀螺仪以安装面相互正交的方式分别固定于三个微型陀螺仪安装腔内，三个微型陀螺仪的三个角速率敏感轴形成相互正交的XYZ三轴坐标系，其中X轴与圆柱形安装基座的圆柱中心轴平行，如图3所示。所述主控电路板及外部连接器分别固定安装于主动电路板安装腔内及外部连接器安装腔内。

所述主控电路板包括微控制器、微型三轴加速度计、微型姿态传感器模块、通讯模块、数据存储模块、供电模块、三个微型陀螺仪接口、对外电路接口。

其中，所述供电模块使用两种三端稳压器经主控电路板的对外电路接口与外部连接器电连接，实现电压转换功能为系统供电；所述微控制器分别经三个微型陀螺仪接口与三个微型陀螺仪电连接，实现微控制器对微型陀螺仪数据采集功能。所述微控制器与微型三轴加速度计电连接，实现微控制器对微型三轴加速度计数据采集功能。所述微控制器与微型姿态传感器模块电连接，实现微控制器与微型姿态传感器交互通讯功能。所述微控制器与通讯模块电连接，再经主控电路板的对外电路接口和外部连接器实现外部通讯功能。所述微控制器与数据存储模块电连接，实现数据存储功能。

一种微型全姿定向装置的测量方法，参见图4，包括如下步骤：

步骤1、首先上位机通过通讯模块与本系统通讯，录入纬度信息并存储到微控制器缓存器中；

步骤2、然后微控制器采集三个微型陀螺仪和微型三轴加速度计数据，数据采集完毕后将微型三轴加速度计数据分别求平均，通过以下公式解算出系统俯仰角和横滚角；

式中：

θ为俯仰角；

A_n为加速度计X轴向敏感轴输出数据；

γ为横滚角；

A_e为加速度计Y轴向敏感轴输出数据；

g为重力加速度。

步骤3、根据解算出的横滚角，进行寻北解算，具体的：

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值小于等于45°则选用X轴和Y轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_e为Y轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角。

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值大于45°，则选用X轴和Z轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_u为Z轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角。

步骤4、寻北解算完毕后将解算出的真北方位角、俯仰角和横滚角上传给上位机，然后根据解算结果设置姿态传感器的初始零偏角度，并实时读取姿态传感器测量输出结果，实现实时测量功能。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (2)

1.一种微型全姿定向装置，其特征在于：包括三个微型陀螺仪、主控电路板、圆柱形安装基座、外部连接器；

在圆柱形安装基座的一端在相互垂直的三个方向分别设置有一微型陀螺仪安装腔，在圆柱形安装基座的中部设置有主控电路板安装腔，在圆柱形安装基座的另一端设置有外部连接器安装腔；所述三个微型陀螺仪以安装面相互正交的方式分别固定于三个微型陀螺仪安装腔内，三个微型陀螺仪的三个角速率敏感轴形成相互正交的XYZ三轴坐标系，其中X轴与圆柱形安装基座的圆柱中心轴平行；所述主控电路板及外部连接器分别固定安装于主控电路板安装腔内及外部连接器安装腔内；

所述主控电路板包括微控制器、微型三轴加速度计、微型姿态传感器模块、通讯模块、数据存储模块、供电模块、三个微型陀螺仪接口、对外电路接口；

所述供电模块使用两种三端稳压器经主控电路板的对外电路接口与外部连接器电连接，实现电压转换功能为系统供电；所述微控制器分别经三个微型陀螺仪接口与三个微型陀螺仪电连接，实现微控制器对微型陀螺仪数据采集功能；所述微控制器与微型三轴加速度计电连接，实现微控制器对微型三轴加速度计数据采集功能；所述微控制器与微型姿态传感器模块电连接，实现微控制器与微型姿态传感器交互通讯功能。所述微控制器与通讯模块电连接，再经主控电路板的对外电路接口和外部连接器实现外部通讯功能。所述微控制器与数据存储模块电连接，实现数据存储功能。

2.一种基于权利要求1所述的微型全姿定向装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、首先上位机通过通讯模块与本系统通讯，录入纬度信息并存储到微控制器缓存器中；

步骤2、然后微控制器采集三个微型陀螺仪和微型三轴加速度计数据，数据采集完毕后将微型三轴加速度计数据分别求平均，通过以下公式解算出系统俯仰角和横滚角；

式中：

θ为俯仰角；

A_n为加速度计X轴向敏感轴输出数据；

γ为横滚角；

A_e为加速度计Y轴向敏感轴输出数据；

g为重力加速度；

步骤3、根据解算出的横滚角，进行寻北解算，具体的：

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值小于等于45°则选用X轴和Y轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_e为Y轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角；

若横滚角与水平0°之差的绝对值或者横滚角与水平180°之差的绝对值大于45°，则选用X轴和Z轴的微型陀螺仪数据带入下面的公式进行寻北解算；

式中：

为真北方位角；

G_u为Z轴向微型陀螺仪输出数据；

G_n为X轴向微型陀螺仪输出数据；

θ为俯仰角；

γ为横滚角；

步骤4、寻北解算完毕后将解算出的真北方位角、俯仰角和横滚角上传给上位机，然后根据解算结果设置姿态传感器的初始零偏角度，并实时读取姿态传感器测量输出结果，实现实时测量功能。