一种惯性测量单元的冗余配置结构制造技术

本发明专利技术公开了一种惯性测量单元的冗余配置结构，IMU1安装在正四面体的侧面1上，IMU1的底面中心与侧面1中心重合安装，IMU1的X1轴平行于BD边，Y1轴垂直于BD边，使IMU1的X1、Y1、Z1轴分别与载体坐标系的X、Y、Z轴重合，IMU2、IMU3分别镶嵌在侧面2、侧面3上，IMU2、IMU3的底面中心分别与侧面2、侧面3的中心重合；使IMU1的Z1轴垂直于侧面1朝外放置，IMU2的Z2轴、IMU3的Z3轴分别垂直于侧面2、侧面3朝外放置；使IMU1、IMU2、IMU3的Y1、Y2、Y3轴均垂直于底边指向四面体的顶点，那么X1、X2、X3轴是平行于底边的，至此构成三个IMU模块斜交冗余配置结构。本方法在实现MAUV全姿态导航的同时，显著地提高了导航系统的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种惯性测量单元的冗余配置结构，IMU1安装在正四面体的侧面1上，IMU1的底面中心与侧面1中心重合安装，IMU1的X1轴平行于BD边，Y1轴垂直于BD边，使IMU1的X1、Y1、Z1轴分别与载体坐标系的X、Y、Z轴重合，IMU2、IMU3分别镶嵌在侧面2、侧面3上，IMU2、IMU3的底面中心分别与侧面2、侧面3的中心重合；使IMU1的Z1轴垂直于侧面1朝外放置，IMU2的Z2轴、IMU3的Z3轴分别垂直于侧面2、侧面3朝外放置；使IMU1、IMU2、IMU3的Y1、Y2、Y3轴均垂直于底边指向四面体的顶点，那么X1、X2、X3轴是平行于底边的，至此构成三个IMU模块斜交冗余配置结构。本方法在实现MAUV全姿态导航的同时，显著地提高了导航系统的可靠性。【专利说明】—种惯性测量单元的冗余配置结构
本专利技术涉及微型自治水下机器人惯性导航领域，具体的说是一种惯性测量单元的冗余配置结构。
技术介绍
微型自治水下机器人(MicroAutonomous Underwater Vehicle,简称 “MAUV”)是一种具有自携动力、能按设计程序进行操作的自治式潜水器，由于它的成本、功耗和功耗要求很低，因此水中导航方式采用MEMS惯性导航系统、地磁导航和多普勒计程仪组合的方式。MAUV与水面没有直接联系，在运行过程中通过声通讯系统从水面接收简单指令继而改变航向、深度、收集数据。MAUV可进行深海搜索、观测、识别、取样、打捞等一系列作业，是一种安全性高、重量轻、尺寸小、造价低的“智能机器人”。微机电系统(MEMS)惯性导航系统是由惯性测量单元(Inertial MeasurementUnit,简称“MU”，包括三轴MEMS陀螺仪和加速度计)、导航计算机和电源模块等构成。当采用陀螺冗余配置方式就可以实现全姿态导航，而且能提高导航系统的精度和可靠性。应用于航空领域的传统机械陀螺和光学陀螺冗余技术比较成熟，通常采用的4陀螺和6陀螺方案。70年代Sperry为NASA马歇尔中心研制了一个6陀螺冗余系统，系统中每个SLIC-15激光陀螺的灵敏轴与相邻的陀螺成64°角，每个陀螺可以检测到绕两个轴的运动，当所有6个陀螺都正常工作时，它可以提高系统的测量精度，还可以检测出任何2个陀螺的故障，并抛弃其错误数据。从公开的文献来看，Northrop-Grumman公司研制的SIRUTM采用的陀螺冗余方案最为成功，它由4个半球谐振陀螺(HRG)和4个加速度计构成，用于航天飞行器的姿态检测和控制，从1996年至今，在太空中成功地运行了 17年，证明了该冗余设计的可行性和可靠性。受MEMS器件精度影响，MEMS陀螺冗余应用见诸报道的很少，随着MEMS陀螺精度不断突破，而且体积和成本的不断减小，这为陀螺冗余设计提供了极大方便。为适应高精度、高可靠性导航的要求，国内外众多研究者提出了多种陀螺冗余配置方案，如正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体、正二十面体方案等。MAUV在水下航行时的航姿主要依赖于MEMS惯性系统测量。惯性导航是依据牛顿惯性原理，利用陀螺仪测量运载体的转动角速度，加速度计测量运载体的线运动加速度，经积分得到载体姿态、速度、位置信息，实现导航目的的技术手段。其自主性高，但导航误差随时间积累，因此隔一段时间需要MAUV浮出水面接收GPS或北斗信号对惯导系统进行修正。通常GPS或北斗接收机安装在MAUV头部，修正过程需要MAUV保持近乎垂直于水平面状态，此时俯仰角接近90°，航向角和横摇角无法确定(奇异现象)，因此需要采取必要的改进措施，从而使MAUV可以做任意形式的机动，包括连续翻滚、抬头上潜或低头下潜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种针对当MAUV在运动过程中俯仰角为±90°时横摇和航向出现奇异现象的问题，提出的一种惯性测量单元的冗余配置结构，该结构在实现MAUV全姿态导航的同时，显著地提高了导航系统的可靠性。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:本专利技术的技术方案是:采用三个IMU模块斜交冗余配置结构，其中MUl安装在正四面体的侧面I上，侧面I即为面B⑶，IMUl的底面中心与侧面I中心重合安装，IMUl的Xl轴平行于BD边，Yl轴垂直于BD边，使IMUl的X1、Y1、Z1轴分别与载体坐标系的X、Y、Z轴重合，将MU2UMU3分别镶嵌在侧面2、侧面3上，侧面2即为面ABC，侧面3即为面ABD，IMU2, IMU3的底面中心分别与侧面2、侧面3的中心重合；使MUl的Zl轴垂直于侧面I朝外放置，IMU2的Ζ2轴、MU3的Ζ3轴分别垂直于侧面2、侧面3朝外放置；使IMU1、IMU2,IMU3的Yl、Υ2、Υ3轴均垂直于底边指向四面体的顶点，那么X1、Χ2、Χ3轴是平行于底边的，至此构成三个IMU模块斜交冗余配置结构。所述的三个IMU模块斜交冗余配置结构，其中9个惯性敏感器件(陀螺或加速度计)按 Gl、G2、G3、G4、G5、G6、G7、G8、G9 顺序编号。所述的IMU为微型惯性测量组合(MMU)，其中集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，并已完成前期的标定及误差补偿；所说的MMU采用了串行外设接口(Serial Perpheral Interface,简称SPI)的通讯方式,是一种高速的、全双工、同步的通信总线，且SPI以主从方式工作。本专利技术的有益效果主要表现在:所述的惯性测量单元具有:1、采用MU冗余方案，避免了采用单个陀螺和单个加速度计构成冗余系统，降低冗余系统的设计难度，减小体积，且采用市面上技术成熟的MU，降低技术风险；2、采用了三个MU模块斜交冗余配置结构，有别于传统的三轴正交安装方式，每个测量轴有多个冗余的测量值，避开了当MAUV抬头或低头(纵摇角接近±90° )时，航向角和横摇角无法定值的问题，实现MAUV在水中的全姿态导航解算；3、三个MU组成的系统与单MU组成的系统相比可靠性显著增加。【专利附图】【附图说明】图1航向和横摇出现奇异现象示意图；图2三个IMU模块斜交冗余配置示意图；图3 ADIS16405的轴向方位图；图4 IMU冗余系统可靠性对比表；图5冗余数-可靠度曲线图。【具体实施方式】下面对本专利技术的实施例做详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。由于MAUV的导航误差随时间积累，因此隔一段时间需要浮出水面接收GPS或北斗信号对惯导系统进行修正。通常GPS或北斗接收机安装在MAUV头部，修正过程需要MAUV保持近乎垂直于水平面状态，此时俯仰角接近90°，参照图1 (左图为正常现象示意图，右图为奇异现象示意图)，航向角和横摇角无法确定(奇异现象)，因此需要采取必要的改进措施，从而使MAUV可以做任意形式的机动，包括连续翻滚、抬头上潜或低头下潜。参照图2，在正四面体的三个安装基准面上安装的MMU是美国ADI公司的ADIS16405，它集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计，出厂前ADIS16405已完成前期的标定及误差补偿，使用简单、方便。另外，ADIS16405的通讯方式采用串行外设接口(Serial Perpheral Interface,简称SPI),它是一种高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性测量单元的冗余配置结构，其特征在于：采用三个惯性测量单元即IMU模块斜交冗余配置结构，其中IMU1安装在正四面体的第一侧面（1）上，第一侧面（1）即为面BCD，IMU1的底面中心与第一侧面（1）中心重合安装，IMU1的X1轴平行于BD边，Y1轴垂直于BD边，使IMU1的X1、Y1、Z1轴分别与载体坐标系的X、Y、Z轴重合，IMU2、IMU3分别镶嵌在第二侧面（2）、第三侧面（3）上，第二侧面（2）即为面ABC，第三侧面（3）即为面ABD，IMU2、IMU3的底面中心分别与第二侧面（2）、第三侧面（3）的中心重合；使IMU1的Z1轴垂直于第一侧面（1）朝外放置，IMU2的Z2轴、IMU3的Z3轴分别垂直于第二侧面（2）、第三侧面（3）朝外放置；使IMU1、IMU2、IMU3的Y1、Y2、Y3轴均垂直于底边指向四面体的顶点，使X1、X2、X3轴平行于底边，构成三个IMU模块斜交冗余配置结构。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何昆鹏，夏建，邵玉萍，张晓宇，张庆，许德新，张兴智，胡文彬，韩继韬，刘辉煜，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：