一种传感器斜置的惯性测量组件结构

摘要

本发明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。

主权项

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，为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Z_b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OX_b、OY_b、OZ_b；X、Y、Z陀螺的敏感轴分别为OX_g、OY_g、OZ_g；其中OY_g在支架底面的投影为OA，OA和OY_b共线；OX_g在支架底面的投影为OB，OB和OX_b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Z_b之间的夹角也均为θ；X、Y、Z加速度计的敏感轴分别为OX_a、OY_a、OZ_a；其中OX_a在支架底面的投影为OC；OC和OX_b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$\left(\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{bx}}\\ {\omega }_{\mathrm{by}}\\ {\omega }_{\mathrm{bz}}\end{array}\right)=T_g^b\left(\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{gx}}\\ {\omega }_{\mathrm{gy}}\\ {\omega }_{\mathrm{gz}}\end{array}\right),$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：$\left(\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{bx}}\\ {\omega }_{\mathrm{by}}\\ {\omega }_{\mathrm{bz}}\end{array}\right)=T_g^b\left(\begin{array}{c}{\omega }_{\mathrm{gx}}\\ {\omega }_{\mathrm{gy}}\\ {\omega }_{\mathrm{gz}}\end{array}\right);$其中：ω_gx、ω_gy、ω_gz分别为X、Y、Z轴陀螺测量到的角速度；ω_bx、ω_by、ω_bz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3x3的转换矩阵，计算公式为：$T_g^b=\left[\begin{array}{ccc}\sin \alpha \cos \gamma & -\sin \alpha \cos \gamma & 0\\ \sin \alpha \sin \gamma & \sin \alpha \sin \gamma & -\sin \alpha \\ \cos \alpha & \cos \alpha & \cos \alpha \end{array}\right];$(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$\left(\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{bx}}\\ f_{\mathrm{by}}\\ f_{\mathrm{bz}}\end{array}\right)=T_a^b\left(\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ax}}\\ f_{\mathrm{ay}}\\ f_{\mathrm{az}}\end{array}\right),$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：$\left(\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{bx}}\\ f_{\mathrm{by}}\\ f_{\mathrm{bz}}\end{array}\right)=T_a^b\left(\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{ax}}\\ f_{\mathrm{ay}}\\ f_{\mathrm{az}}\end{array}\right);$其中：f_ax、f_ay、f_az分别为X、Y、Z轴加速度计测量到的加速度；f_bx、f_by、f_bz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3x3的转换矩阵，计算公式为：$T_a^b=\left[\begin{array}{ccc}\sin \theta \cos \psi & -\sin \theta \cos \psi & 0\\ -\sin \theta \sin \psi & -\sin \theta \sin \psi & -\sin \theta \\ \cos \theta & \cos \theta & \cos \theta \end{array}\right].$