专利名称：适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法
技术领域：
本发明涉及旋转体(如飞行器)的惯性导航技术，特别涉及高速旋转体的姿态测量方法，具体为一种适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法。
背景技术：
捷联原文为“strapdown”，有“直接固联”的意思。捷联式姿态测量系统是将惯性测量元件直接安装在载体上，省去了惯性平台的台体，代之以存贮在计算机中的“数学平台”。捷联式姿态测量系统是一个信息处理系统，即载体安装的惯性测量元件所测量的飞行器运动信息，经过计算机处理成所需要的导航和控制信息。由于省去了物理平台，所以结构简单，体积、重量和成本都大大降低，而且维护方便。捷联式系统提供的信息全部是数字信息，特别适合在采用数字飞行控制系统的飞行器上。
现有的捷联式姿态测量方法是直接在载体上安装三个加速度计和三个速率陀螺仪，三个加速度计Ax、Ay、Az和三个速率陀螺仪Gx、Gy、Gz的测量轴分别与载体坐标系b的纵轴oxb(也称滚动轴，向前)、横轴oyb(也称俯仰轴，向右)以及竖轴ozb(也称偏航轴，向下)相重合(如图1所示)。加速度计和速率陀螺仪以及后续处理装置置于一个壳体内，而形成惯性导航系统或装置。该测量方法通常是敏感oxb、oyb以及ozb三个轴向上的线加速度和旋转角速率(角度)。在得到三个轴向的线加速度ax、ay、az和旋转角速率ωx、ωy、ωz的输出值后，利用捷联惯导系统中以四元数为基础的等效旋转矢量算法，对旋转体的实时姿态信息进行更新和提取。我们称这种测量方法为全加速度计阵列和纯陀螺的姿态测试方法。
在实际中，有些载体(飞行器，如弹体)滚动轴向(oxb)转速非常高(即为高速旋转体)，而其余轴的转速相对较低。现有速率陀螺仪受测量精度和测量范围的限制，无法及时感知高速旋转体滚动轴向的旋转角速率，使测量系统出现乱码、死机等，而无法正常工作。因此，现有的捷联式姿态测量方法仅适用于轴向低速旋转的载体，无法适用于轴向高速旋转载体。
发明内容
本发明为了解决现有载体姿态测量方法无法适用于轴向高速旋转载体的问题，提供一种适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法。
本发明是采用如下技术方案实现的适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，在载体内设置惯性导航系统，在载体内壁固连有刚性支架，刚性支架上支撑有滚动轴承，滚动轴承上支撑有其轴线与载体坐标系的滚动轴(纵轴oxb)同向的转轴，惯性导航系统固连于转轴的一端，转轴的另一端铰接有铰轴与载体坐标系的俯仰轴同向的重锤，从而使惯性导航系统与高速旋转体形成半捷联(或称部分捷联)。载体的俯仰角发生变化时，重锤在地球引力的作用下，可以在俯仰角平面内的一定夹角范围前后自由摆动，使转轴的受力平衡，使滚动轴承克服阻尼。这样载体在滚动轴向高速旋转时，滚动轴承的阻尼很小，使转轴及固连的惯性导航系统不随载体同步高速旋转，转轴在重锤的作用下，只沿滚动轴在小角度范围内作低速的调节转动，使惯性导航系统中的滚动轴方向上的速率陀螺仪感知该调节转动而输出相应的旋转角速率ωx。在本发明所述的测量方法下，惯性导航系统的滚动轴已经不再与高速旋转体捷联，而只有其余两个方向捷联，因此，此时的惯性导航系统只能准确地感知高速旋转体的偏航角和俯仰角的姿态变化信息，而不能真实地反映其滚动角变化情况。实际工程应用过程中，某些高速旋转体并不需要准确测出其滚动轴向上的姿态信息，而只是需要测出其它两个轴向上的姿态信息即可满足应用需求，这也正是本发明引入半捷联式姿态测量概念和方案的原因。本发明的实质是通过在载体内部增设滚动轴承来降低惯性导航系统在滚动轴向的转速，使滚动轴向上的速率陀螺仪在载体轴向高速旋转时能正确感知一个较低的相对转速，从而实现高速旋转体的姿态测量，该方法应用于如飞行器、导弹等高速旋转体上是本领域技术人员不容易想到的。
本发明抛弃了全捷联式姿态测量系统中感知每个轴向上的线加速度和旋转角速率(角度)常规思想，并在全捷联式姿态测量系统概念的基础上，通过增加滚动轴承给出了一种半捷联式姿态测量方法，其核心思想是通过惯导系统与高速旋转体部分捷联，完成对旋转体部分姿态信息的测量。该方法有效地解决了现有MEMS惯性敏感元件——速率陀螺仪在测量精度和测量范围方面，无法满足高速旋转体的姿态测量的现状。在现有速率陀螺仪的基础上(即采用现有速率陀螺仪)，该方法可实现高速旋转体的姿态测量。
图1为现有旋转体姿态测量方法中加速度计和速率陀螺仪的安装位置示意图；图2为实现本发明所述测量方法的示意图；图3为图2的A-A截面示意图；图中1-刚性支架，2-滚动轴承，3-转轴，4-惯性导航系统，5-重锤。
具体实施例方式
适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，在载体内设置惯性导航系统4，在载体内壁固连有刚性支架1，刚性支架1上支撑有滚动轴承2，滚动轴承上支撑有其轴线与载体坐标系的滚动轴(纵轴oxb)同向的转轴3，惯性导航系统4固连于转轴的一端，转轴的另一端铰接有铰轴与载体坐标系的俯仰轴同向的重锤5，从而使惯性导航系统与高速旋转体形成半捷联(或称部分捷联)。所述的滚动轴承2为止推轴承。由于姿态解算的需要，惯性导航系统中各组件敏感头的组合方式与全捷联式测量系统中各组件敏感头的组合方式相同。在得到高速旋转体三个轴向的旋转角速度ωx、ωy、ωz和线加速度ax、ay、az之后，后续的姿态解算与导航解算便可借助捷联惯性导航系统中的相关理论和方法完成，即利用捷联惯导系统中以四元数为基础的等效旋转矢量算法，对旋转体的实时姿态信息进行更新和提取。
权利要求
1.一种适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，在载体内设置惯性导航系统(4)，其特征为在载体内壁固连有刚性支架(1)，刚性支架(1)上支撑有滚动轴承(2)，滚动轴承上支撑有其轴线与载体坐标系的滚动轴同向的转轴(3)，惯性导航系统(4)固连于转轴的一端，转轴的另一端铰接有铰轴与载体坐标系的俯仰轴同向的重锤(5)，从而使惯性导航系统与高速旋转体形成半捷联。
2.如权利要求1所述的适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，其特征为滚动轴承(2)为止推轴承。
全文摘要
本发明为一种适用于高速旋转体的半捷联式姿态测量方法，涉及高速旋转体的姿态测量方法。本发明解决现有载体姿态测量方法无法适用于轴向高速旋转载体的问题。该测量方法是在载体内设置惯性导航系统，在载体内壁固连有刚性支架，刚性支架上支撑有滚动轴承，滚动轴承上支撑有其轴线与载体坐标系的滚动轴同向的转轴，惯性导航系统固连于转轴的一端，转轴的另一端铰接有铰轴与载体坐标系的俯仰轴同向的重锤。该方法有效地解决了现有MEMS惯性敏感元件——速率陀螺仪在测量精度和测量范围方面，无法满足高速旋转体的姿态测量的现状。采用现有速率陀螺仪，该方法可实现高速旋转体的姿态测量。
文档编号G01C21/24GK1932445SQ200610048390
公开日2007年3月21日 申请日期2006年9月30日 优先权日2006年9月30日
发明者张文栋, 杨卫, 李 杰, 刘俊, 熊继军, 任勇峰, 石云波, 李锦明, 刘文怡, 郭涛, 甑国涌, 崔永俊, 马幸, 罗超 申请人:中北大学