一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置，包括惯性传感器模块、光电耦合模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块以及电源模块，所述惯性传感器模块经过光电耦合模块的光耦隔离后，通过数据采集模块的采样通道传输至数据处理模块，经过数据处理模块处理后的导航数据由数据发送模块对外发送。本发明专利技术能够在某个传感器发生故障时，不影响整个系统的工作，同时可以检测故障传感器，多传感器冗余的设计有效提高了导航数据的精度；采用分布图法对数据进行删选，运用卡尔曼滤波方法对数据进行融合，提高数据处理的精度；本发明专利技术不依赖外部系统与环境，完全自主。

【技术实现步骤摘要】
一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置
本专利技术数据水下机器人导航技术，具体涉及一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置。
技术介绍
海洋蕴含着丰富的资源，是人类生存的第二空间，合理利用、开发和监测海洋资源对于人类社会的可持续发展将起到巨大的作用。水下机器人的出现为人类进行深海资源的研究与开发提供了强有力的工具。目前，人类在深海打捞、资源调查、生物种群调查、深海基因获取等方面所取得的突破性进展均与水下机器人密切相关。水下机器人技术的发展对于海洋科学研究起到了巨大的推动作用。目前，水下机器人广泛应用于海洋救助与打捞、深海资源调查、海洋石油开采、水下工程施工、军事和国防建设等诸多方面，己经产生了巨大的经济效益和社会效益，具有潜在的应用前景。精确的导航数据是水下机器人执行任务和轨迹定位的关键，水下机器人在水下工作时间长，水下环境复杂，容易受到洋流、噪声等因素的影响，导航数据的精确程度决定着水下机器人的整体性能，所以，提高水下机器人导航数据的精度对提高水下机器人性能、增强水下机器人完成任务能力具有重要意义。惯性导航系统是20世纪初发展起来的一种导航方法，是依靠自身设备进行导航的一种无源系统，其主要依靠牛顿惯性原理，利用惯性传感器(陀螺仪、加速度计)测量物体相对惯性空间的线运动和角运动参数，在给定的初始条件下，通过积分输出载体的姿态参数和导航参数。目前，捷联式惯性导航技术发展迅速，克服了早期惯性导航系统体积大、能耗高等缺点，随着光纤陀螺的不断研究和发展，光纤捷联式惯性导航已经成为惯导研究重点。陀螺仪和加速度计的漂移误差是影响惯性导航系统精度的主要因素，惯性导航的数据是通过对传感器的数据二次积分得到的，惯性传感器会随着时间不断漂移，而这些误差会不断积累到导航系统中。提高惯性传感器的精度是提高惯导系统精度的最直接方法，而按照目前惯性传感器的发展水平，提高到足够的精度必然会增加大量的成本。中国专利(申请号为201010559044.X)公开了一种小型水下机器人组合导航系统及导航方法，结合外部GPS数据，根据磁偏角数据库推导导航信息，该装置导航数据精度不高，且无法实现完全独立自主。中国专利(申请号为201410413791.0)公开了一种水下结构检测机器人实施导航系统及方法，利用多种算法对传感器数据进行解析处理，但从根本上解决传感器自身误差问题，该装置无法实现精确制导，且算法复杂，成本较高。中国专利(申请号为201310315126.3)公开了一种六冗余型光纤捷联惯性导航系统，将惯性传感器分布于空心的正十二面体上，具有较强的抗冲击能力，但未给出传感器数据的处理方法，同时，对于水下机器人多洋流、噪声的复杂工作环境，该系统无法有效支持水下机器人的导航。中国专利(申请号为201510559788.4)公开了一种水下机器人惯性导航方法及系统，主要利用惯性传感器相反方向翻转的抵消作用，对传感器的漂移进行补偿，该方法实现难度大，且在实施过程中会增加额外误差，虽然后期算法可取得一定效果，但算法复杂，稳定性不高。
技术实现思路
专利技术目的：本专利技术的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置。技术方案：本专利技术的一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置，包括惯性传感器模块、光电耦合模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块以及电源模块，所述惯性传感器模块经过光电耦合模块的光耦隔离后，通过数据采集模块的采样通道传输至数据处理模块，经过数据处理模块处理后的导航数据由数据发送模块对外发送；其中，所述惯性传感器模块包括按照正十二面体规则分布的6个三轴陀螺仪和6个三轴加速度计，并且相同传感器对称放置；所述光电耦合模块对信号进行隔离；所述数据采集模块是由运算放大器构成的数据采样电路，完成各个传感器的数据采集，所述数据处理模块包括主处理芯片，完成对传感器数据的删选、融合及计算；所述数据发送模块包括RS232数据收发器芯片，完成对导航数据的定时发送；所述电源模块包括隔离电源和稳压电源。进一步的，所述惯性传感器模块中的陀螺仪为光纤陀螺，加速度计为石英挠性加速度计，为了提高精度，将光路部分与电路部分相分离。进一步的，所述光电耦合模块中由光电耦合器构成光电隔离电路，对传感器的信号进行隔离，保证系统的稳定性。进一步的，所述电源模块包括稳压电源和隔离电源，为系统提供所需的3.3V、±5V、±12V电源，每个电源输入均并联一个电容进行滤波处理，提高电源质量，数字量的地和模拟量的地之间用零欧姆的电阻隔开。进一步的，数据处理模块对接收到的各个数据的一致性进行检测，运用分布图法，排除离异值的干扰，利用扩展卡尔曼滤波方法对数据进行融合，利用积分法对融合所得数据进行计算，最终获得最优导航数据。本专利技术还公开了一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置的处理方法，包括数据采集、数据处理和数据发送过程，具体包括以下步骤：步骤一：六个陀螺仪和六个加速度计的数据经过光耦隔离后，通过数据采集模块，分别由6个I/O口和6个AD采样通道传输到数据处理模块的主处理芯片；步骤二：在主处理芯片中，对所接收到的各个传感器的数据进行数据一致性检测，运用分布图方法对进行数据删选，删选出有效的一致传感器数据；步骤三：进行传感器故障检测，如果在失效时间内，某一传感器的数据一直是非有效数据，且数据所在位置距离有效区间较远，则可判断出该传感器失效。失效时间可以根据实际情况调整；步骤四：对删选出来的有效传感器数据进行传感器数据融合。针对于水下机器人所处环境的非线性，运用扩展卡尔曼滤波方法，对有效的传感器数据进行融合；步骤五：对融合出来的陀螺仪和加速度计的数据，进行导航数据计算，得到水下机器人的姿态角、速度、位置等导航数据，最后将导航数据放入数据发送模块中，通过RS232串口电路定时向外发送，供给水下机器人导航使用。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术采用多传感器冗余技术，可实现在某一传感器失效的情况下不影响整个系统的正常工作；(2)本专利技术中多传感器冗余设计，对于多个传感器的数据进行融合分析，最终得到导航数据，有效提高了导航数据的精度；(3)本专利技术采用分布图法对数据进行删选，运用卡尔曼滤波方法对数据进行融合，提高数据处理的精度；(4)对于失效的传感器，本专利技术在进行数据删选时，可对持续失效的数据进行分析记录，从而检测出故障传感器，以便更换；(5)本专利技术能够不依赖外部系统与环境，完全自主。附图说明图1为本专利技术的数据流向图；图2为本专利技术的结构示意图；图3为本专利技术的系统流程图。具体实施方式下面对本专利技术技术方案进行详细说明，但是本专利技术的保护范围不局限于所述实施例。如图1所示，本专利技术一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置，包括惯性传感器模块1、光电耦合模块2、数据采集模块3、数据处理模块4、数据发送模块5以及电源模块6。惯性传感器模块1包括6个三轴陀螺仪传感器11和6个三轴加速度计传感器12。数据采集模块3主要由运算放大器构成的数据采样电路，完成各个传感器数据的采集。数据处理模块4包括主处理芯片以及周围电路，完成对传感器数据的删选、融合及计算。数据发送模块5由RS232数据收发器芯片构成，完成对导航数据的定时发送；电源模块6由隔离电源和稳压电源构成。如图2所示，本专利技术中的整个导航装置放置于外壳本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置，其特征在于：包括惯性传感器模块、光电耦合模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块以及电源模块，所述惯性传感器模块经过光电耦合模块的光耦隔离后，通过数据采集模块的采样通道传输至数据处理模块，经过数据处理模块处理后的导航数据由数据发送模块对外发送；其中，所述惯性传感器模块包括按照正十二面体规则分布的6个三轴陀螺仪和6个三轴加速度计，并且相同传感器对称放置；所述光电耦合模块对信号进行隔离；所述数据采集模块是由运算放大器构成的数据采样电路，完成各个传感器的数据采集，所述数据处理模块包括主处理芯片，完成对传感器数据的删选、融合及计算；所述数据发送模块包括RS232数据收发器芯片，完成对导航数据的定时发送；所述电源模块包括隔离电源和稳压电源。

【技术特征摘要】
1.一种新型水下机器人冗余捷联惯导装置，其特征在于：包括惯性传感器模块、光电耦合模块、数据采集模块、数据处理模块、数据发送模块以及电源模块，所述惯性传感器模块经过光电耦合模块的光耦隔离后，通过数据采集模块的采样通道传输至数据处理模块，经过数据处理模块处理后的导航数据由数据发送模块对外发送；其中，所述惯性传感器模块包括按照正十二面体规则分布的6个三轴陀螺仪和6个三轴加速度计，并且相同传感器对称放置；所述光电耦合模块对信号进行隔离；所述数据采集模块是由运算放大器构成的数据采样电路，完成各个传感器的数据采集，所述数据处理模块包括主处理芯片，完成对传感器数据的删选、融合及计算；所述数据发送模块包括RS232数据收发器芯片，完成对导航数据的定时发送；所述电源模块包括隔离电源和稳压电源。2.根据权利要求1所述的新型水下机器人冗余捷联惯导装置，其特征在于：所述惯性传感器模块中的陀螺仪为光纤陀螺，并且光路部分与电路部分相分离，加速度计为石英挠性加速度计。3.根据权利要求1所述的新型水下机器人冗余捷联惯导装置，其特征在于：所述光电耦合模块中由光电耦合器构成光电隔离电路，对传感器的信号进行隔离。4.根据权利要求1所述的新型水下机器人冗余捷联惯导装置，其特征在于：所述电源模块包括稳压电源和隔离电源，为系统提供所需的3.3V、±5V、±12V电源，每个电源输入均并联一个电容进行滤波处理，提高电源质量，数字量的地和模拟...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴晓强，邹博，刘维亭，赵强，袁文华，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32