專利名稱：一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種慣性測量組合，具體的說是一種采用微機械陀螺作為敏感元件并輔以其他外圍電路，通過敏感彈體三個軸向的角速率來滿足彈體控制系統(tǒng)進行姿態(tài)穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合。
背景技術：
導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)是導彈上自動穩(wěn)定和控制導彈繞質心運動的整套裝置。其主要功能是在各種干擾情況下，穩(wěn)定導彈姿態(tài)，保證導彈飛行姿態(tài)角偏差在允許范圍內；根據(jù)制導指令，控制導彈姿態(tài)角，以調整導彈的飛行方向，修正飛行路線，使導彈準確命中目標。導彈姿態(tài)控制系統(tǒng)由敏感裝置、控制計算裝置和執(zhí)行機構三部分組成。其中敏感裝置用于測量導彈的姿態(tài)變化并輸出信號，控制計算裝置對各姿態(tài)信號和制導指令按一定控制規(guī)律進行運算、校正和放大并輸出控制信號。執(zhí)行機構根據(jù)控制信號驅動舵面或擺動發(fā)動機產(chǎn)生使導彈繞質心運動的控制力矩。由此可看出敏感裝置的輸出對于控制系統(tǒng)的重要性。目前所使用的敏感裝置通常采用位置陀螺儀、慣性平臺和速率陀螺儀等慣性器件。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種量程大、分辨率高、動態(tài)響應時間短、功耗低、體積小、重量輕的微機械陀螺組合。本發(fā)明的技術解決方案是一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，包括本體外罩、本體、定位孔、Y軸陀螺電路板、X軸陀螺蓋板、X軸陀螺電路板、Z軸陀螺電路板；本體主體為圓柱形結構，圓柱的底面安裝X軸陀螺電路板，并由X軸陀螺蓋板對該電路板進行保護；圓柱的側面加工安裝面安裝Y軸陀螺電路板和Z軸陀螺電路板，X軸陀螺電路板、Y軸陀螺電路板和Z軸陀螺電路板三者相互正交，共同完成測量彈體角速率的功能；本體外罩罩在圓柱的側面，對Y軸陀螺電路板和Z軸陀螺電路板進行保護；圓柱底面設置定位孔，通過定位孔與彈體連接。所述的X軸陀螺電路板、Y軸陀螺電路板和Z軸陀螺電路板中每個電路板包括角速率測量電路、數(shù)學運算電路和輸出驅動電路；三個角速率測量電路的敏感軸分別與彈體坐標系的X、Y、Z軸重合；角速率測量電路把彈體運動的角速率信息轉換成電壓信號，然后通過數(shù)學運算電路進行信號處理，得到X、Y、Z三個軸向角速率同比例的電壓信號，并通過輸出驅動電路進行降噪處理后輸出供彈載控制系統(tǒng)使用。所述的數(shù)學運算電路包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C8、電容C11、電容C12、電容C16、電容C20、放大器U2 ；電阻R2—端與電源基礎電路的輸出端相連，提供U2的基準源，另一端與U2的反向輸入端連接，電阻R3—端與前級角速率測量電路的輸出端連接，另一端與放大器U2的正輸入端相連，電阻R4、電阻R5并聯(lián)后兩端分別與放大器U2的兩個增益端相連(引腳I和引腳8)分別相連，電容CS—端接地，另一端接入放大器U2的反向輸入端；電容Cll兩端分別接入放大器U2的反向輸入端和正向輸入端；電容C12 —端接入放大器U2的正向輸入端，另一端接地；電容C16與電容C20并聯(lián)后一端連接放大器U2的電源端、另一端接地，放大器U2的輸出端接輸出驅動電路。所述的輸出驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電容C17、電容C18、運算放大器U3 ;電阻R8 —端接陀螺信號輸入，另一端串聯(lián)電阻R9，電阻R9的另一端接運算放大器U3的正輸入端，電容C17 —端接電阻R8、R9的公共端，另一端接輸出地，電容C18 —端接運算放大器U3的正輸入端，另一端接輸出地，運算放大器U3負輸入端與運算放大器U3的輸出端相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有益效果為:(I)電路組成簡單，全部電路都設計在三個軸向的電路板上，無需額外的伺服回路和電源電路板；外接供電電源只需要彈上必備的±15V即可，相比傳統(tǒng)的動調陀螺所需要的三種以上的電源構成，供電形式簡單；(2)采用微機械陀螺作為主要傳感器；設計了數(shù)學運算電路改善了微機械陀螺所固有的信號紋波偏大，信號輸出隨環(huán)境溫度變化而跳動過大的問題；設計了輸出驅動電路，提高了輸出的帶載能力，同時避免了外接電路噪聲帶入組合自身的影響。(3)測量范圍三軸可達±300° /s以上，相比傳統(tǒng)動調陀螺或液浮陀螺普遍不超過±200° /s具有量程大的優(yōu)點；(4)組合內部無機械驅動部件，相比傳統(tǒng)動調或液浮陀螺數(shù)百小時的工作壽命，該組合平均無故障工作可達上萬小時；(5)電路設計中不采用大功率器件，總功率不超過0.5瓦；(6)組合可以快速啟動，I秒以內即可進行正常工作，相比較傳統(tǒng)動調陀螺或液浮陀螺所需半小時以上的預熱時間，具有快速啟動的優(yōu)點；(7)尺寸最大的Y軸電路板不超過35mmX30mm，X、Z軸電路板尺寸不超過33mmX 16mm,組合總體積不大于目前普遍使用的一個Φ40動調陀螺+伺服電路的體積，而若采用動調陀螺設計敏感裝置則至少有兩個動調陀螺配合各自的伺服電路構成，若使用液浮陀螺則體積更大。(8)組合有很好的環(huán)境適應性，可以在_45°C +65°C范圍內使用，無需減震即可抗沖擊IOOOg以上，而傳統(tǒng)動調陀螺或液浮陀螺需要單獨設計溫控裝置才可滿足以上溫度需求，同時在無減震保護時抗沖擊能力極差。


圖1為本發(fā)明的整體結構圖；圖2為本發(fā)明電路原理工作框圖；圖3為角速率測量電路；圖4為數(shù)學運算電路；圖5為輸出驅動電路；圖6為姿態(tài)控制系統(tǒng)原理圖。
具體實施例方式本發(fā)明整體結構如圖1所示:組合的結構由本體外罩1、本體2、X軸陀螺電路板6、Y軸陀螺電路板4、z軸陀螺電路板7、X軸陀螺蓋板5等結構件組成。本體2主體為圓柱形結構，圓柱的底面安裝X軸陀螺電路板6，并由X軸陀螺蓋板5對該電路板進行保護；圓柱的側面加工安裝面安裝Y軸陀螺電路板4和Z軸陀螺電路板7，X軸陀螺電路板6、Y軸陀螺電路板4和Z軸陀螺電路板7三者相互正交，共同完成測量彈體角速率的功能；本體外罩I罩在圓柱的側面，對Y軸陀螺電路板4和Z軸陀螺電路板7進行保護；圓柱底面設置定位孔
3,通過定位孔3與彈體連接；X、Y、Z軸陀螺電路板均設計有角速率測量電路、數(shù)學運算電路、輸出驅動電路，同時Y軸陀螺電路板4設計有電源變換電路及基準電源電路，通過導線連接至X、Z軸電路板。電源變換電路用以提供角速率測量電路、基準電源等所需要的+5V電源?；鶞孰娫措娐诽峁┝私M合內部電路所必須的基準電壓信號。本發(fā)明電路原理工作框圖如圖2所示:角速率測量電路是組合的核心部分，由X軸陀螺電路、Y軸陀螺電路、Z軸陀螺電路共同完成測量彈體角速率的功能。通過本體結構的基準傳遞，角速率測量電路的三個敏感軸分別與彈體坐標系的X、Y、Z軸重合。角速率測量電路把彈體運動的角速率信息轉換成電壓信號，然后通過數(shù)學運算電路進行信號處理，并通過輸出驅動電路進行降噪處理后輸出供彈載控制系統(tǒng)使用。角速率測量電路由微機械陀螺儀芯片及其外圍電路組成,完成角速率測量的功能，見圖3。包括微機械陀螺芯片U1、電阻R1、電阻R6、電阻R7、電容Cl、電容C2、電容C3、電容C4、電容C5、電容C6。目前通用的微機械陀螺芯片普遍可以達到設計所需量程等，本發(fā)明所需的是電壓形式輸出的微機械陀螺芯片即可，如AD公司的ADXRS300或ADXRS610等芯片均可以使用。電容Cl的一端與Ul的CP2引腳相連，另一端與Ul的CPl引腳相連，電容C2的一端與Ul的CP4引腳相連，另一端與Ul的CP3引腳相連，電容C3的一端與SUMJ引腳、電阻Rl的一端相連、另一端與Rl的另一端、后級電路的輸入端相連，電容C4 一端與Ul的PGND引腳相連，另一端與輸入電壓相連，電容C5 —端與Ul的AGND相連,另一端與輸入電壓相連，電阻R6、R7在電路中起系統(tǒng)零位調整功能，電阻R6 —端與輸入地連接，另一端串連電阻R7，其中間點又與Ul的SUMJ相連，電阻R7的另一端接輸入電壓。電阻Rl與電容C3的參數(shù)設定可進行系統(tǒng)帶寬的調整，并且輸出進入后級數(shù)學運算電路。數(shù)學運算電路的功能包括差分運算和信號放大，調節(jié)輸出信號的零位和標度因數(shù)，輸出的電壓信號與角速率有如下公式:Rout = (Vout-V0)/K (I)式I中Rrat為測量得到的角速率；ν_為輸出的電壓信號Λ為微機械陀螺組合的零位輸出；κ為組合的標度因數(shù)。數(shù)學運算電路包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C8、電容C11、電容C12、電容C16、電容C20、放大器U2，見圖4。電阻R2 —端與基準電源端相連，提供U2的基準源，另一端與U2的負輸入端連接，電阻R3 —端與前級角速率敏感電路的輸出端連接，另一端與放大器的正輸入端相連，電阻R4、電阻R5的兩端均相連，且其公共端又與U2的I引腳、7引腳分別相連，電阻R4、電阻R5的調節(jié)即可對式(I)中標度因數(shù)K進行調整，電容CS —端與電阻R2的一端、電容Cl I 一端相連,另一端與輸入地相連，電容Cl I另一端與電容C12 —端、電阻R3 —端相連，電容C12的另一端與輸入地相連，電容C16、電容C20兩端均相連，其連接公共端分別與U2的4引腳電源端、輸入地相連，U2的6引腳輸出可進入后級驅動電路。此電路完成標度調整及濾波。輸出驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電容C17、電容C18、運算放大器U3，見圖5。電阻R8 —端接陀螺信號輸入，另一端串聯(lián)電阻R9，電阻R9的另一端接運算放大器的正輸入端，電容Cl7 —端接電阻R8，另一端接輸出地，電容C18 —端接電阻R9，另一端接輸出地，運算放大器正輸入端接R9的一端、負輸入端與運算放大器的輸出端相連接，整個電路連接形式為二階濾波電路配合電壓跟隨電路，電壓跟隨電路可以有效提高電路的帶載能力，輸出信號不再需要與姿態(tài)控制電路進行配調，同時控制電路噪聲不會帶入組合電路。圖中所示out為三軸微機械陀螺組合輸出。如圖6所示，陀螺組合安裝于彈體上，跟隨彈體運動，由于彈體在飛行過程中受干擾作用，使姿態(tài)偏離原來狀態(tài)，此時陀螺組合敏感到彈體的姿態(tài)變化，以三軸角速率形式輸出到彈姿控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)解算得到相應姿態(tài)角變化，按照控制算法生成控制信號，通過伺服機構產(chǎn)生控制力，控制力再作用于導彈體，這樣形成一個負反饋的自動穩(wěn)定閉環(huán)控制，從而達到彈體姿態(tài)穩(wěn)定的作用。本發(fā)明未詳細說明部分屬于本領域技術人員公知常識。
權利要求
1.一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，其特征在于:包括本體外罩(I)、本體(2)、定位孔(3)、Y軸陀螺電路板⑷、X軸陀螺蓋板(5)、X軸陀螺電路板(6)、Z軸陀螺電路板(7)； 本體(2)主體為圓柱形結構，圓柱的底面安裝X軸陀螺電路板(6)，并由X軸陀螺蓋板(5)對該電路板進行保護；圓柱的側面加工安裝面安裝Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)，X軸陀螺電路板(6)、Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)三者相互正交，共同完成測量彈體角速率的功能；本體外罩(I)罩在圓柱的側面，對Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)進行保護；圓柱底面設置定位孔(3)，通過定位孔(3)與彈體連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，其特征在于:所述的X軸陀螺電路板(6)、Y軸陀螺電路板⑷和Z軸陀螺電路板(7)中每個電路板包括角速率測量電路、數(shù)學運算電路和輸出驅動電路；三個角速率測量電路的敏感軸分別與彈體坐標系的X、Y、Z軸重合；角速率測量電路把彈體運動的角速率信息轉換成電壓信號，然后通過數(shù)學運算電路進行信號處理，得到X、Y、Z三個軸向角速率同比例的電壓信號，并通過輸出驅動電路進行降噪處理后輸出供彈載控制系統(tǒng)使用。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，其特征在于:所述的數(shù)學運算電路包括電阻R2、電阻R3、電阻R4、電阻R5、電容C8、電容C11、電容C12、電容C16、電容C20、放大器U2 ； 電阻R2 —端與電源基礎電路的輸出端相連,提供U2的基準源,另一端與U2的反向輸入端連接，電阻R3—端與前級角速率測量電路的輸出端連接，另一端與放大器U2的正輸入端相連，電阻R4、電阻R5并聯(lián)后兩端分別與放大器U2的兩個增益端相連分別相連，電容CS一端接地，另一端接入放大器U2的反向輸入端；電容Cll兩端分別接入放大器U2的反向輸入端和正向輸入端；電容C 12 —端接入放大器U2的正向輸入端,另一端接地；電容C16與電容C20并聯(lián)后一端連接放大器U2的電源端、另一端接地，放大器U2的輸出端接輸出驅動電路。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，其特征在于:所述的輸出驅動電路包括電阻R8、電阻R9、電容C17、電容C18、運算放大器U3 ;電阻R8 —端接陀螺信號輸入，另一端串聯(lián)電阻R9，電阻R9的另一端接運算放大器U3的正輸入端，電容C17 —端接電阻R8、R9的公共端，另一端接輸出地，電容C18 —端接運算放大器U3的正輸入端，另一端接輸出地，運算放大器U3負輸入端與運算放大器U3的輸出端相連接。
全文摘要
一種用于彈體穩(wěn)定控制用的微機械陀螺組合，包括本體外罩(1)、本體(2)、定位孔(3)、Y軸陀螺電路板(4)、X軸陀螺蓋板(5)、X軸陀螺電路板(6)、Z軸陀螺電路板(7)；本體(2)主體為圓柱形結構，圓柱的底面安裝X軸陀螺電路板(6)，并由X軸陀螺蓋板(5)對該電路板進行保護；圓柱的側面加工安裝面安裝Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)，X軸陀螺電路板(6)、Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)三者相互正交，共同完成測量彈體角速率的功能；本體外罩(1)罩在圓柱的側面，對Y軸陀螺電路板(4)和Z軸陀螺電路板(7)進行保護；圓柱底面設置定位孔(3)，通過定位孔(3)與彈體連接。
文檔編號G01C19/00GK103076011SQ201210583860
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權日2012年12月26日
發(fā)明者魏路, 邢立華, 李宏川, 姚竹賢, 呂秀梅, 白瀅 申請人:北京興華機械廠