阅读说明：本技术 一种寻北装置 (North seeking device ) 是由 赵子豪 杨晨光 邢成 薛兵 侯泽 庄灿涛 于 2020-04-22 设计创作，主要内容包括：本说明书一个或多个实施例提供一种寻北装置,包括：粗寻北单元、光纤陀螺仪、转台机构、驱动单元及数据处理单元：数据处理单元包括：判断模块,用于根据获取的所述粗寻北单元的方位输出信号,判断所述光纤陀螺仪是否位于非误差角度位置；控制模块,用于当判断所述光纤陀螺仪位于非误差角度位置时,控制所述驱动单元动作,以使所述转台机构带动所述光纤陀螺仪转动至预定位置；倾角计算模块,用于根据获取的所述光纤陀螺仪位于预定位置时的输出信号,计算得到第一倾角结果。本实施例的寻北装置能够实现高精度寻北。(One or more embodiments of the present specification provide a north-seeking apparatus, including: the rough north-seeking unit, the optical fiber gyroscope, the turntable mechanism, the driving unit and the data processing unit: the data processing unit includes: the judging module is used for judging whether the optical fiber gyroscope is located at a non-error angle position according to the acquired azimuth output signal of the rough north-seeking unit; the control module is used for controlling the driving unit to act when the optical fiber gyroscope is judged to be located at a non-error angle position, so that the rotary table mechanism drives the optical fiber gyroscope to rotate to a preset position; and the inclination angle calculation module is used for calculating to obtain a first inclination angle result according to the acquired output signal when the optical fiber gyroscope is positioned at the preset position. The north-seeking device of the embodiment can realize high-precision north seeking.)

一种寻北装置

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及观测仪器技术领域，尤其涉及一种寻北装置。

背景技术

寻北装置是一种能够自动指示方位的高精度惯性仪器，已经广泛应用于矿山、铁路、航天、军事等工程测量领域。基于光纤陀螺仪实现的寻北装置，受陀螺仪设计工艺的影响，当光纤陀螺仪相对于正北方向的倾角在误差角度位置范围内时会产生零点误差，影响寻北装置的测量精度。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种寻北装置，能够提高寻北装置的测量精度。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种寻北装置，包括：粗寻北单元、光纤陀螺仪、转台机构、驱动单元及数据处理单元：所述数据处理单元包括：

判断模块，用于根据获取的所述粗寻北单元的方位输出信号，判断所述光纤陀螺仪是否位于非误差角度位置；

控制模块，用于当判断所述光纤陀螺仪位于非误差角度位置时，控制所述驱动单元动作，以使所述转台机构带动所述光纤陀螺仪转动至预定位置；

倾角计算模块，用于根据获取的所述光纤陀螺仪位于预定位置时的输出信号，计算得到第一倾角结果。

可选的，所述数据处理单元还包括：

所述判断模块，用于根据获取的所述粗寻北单元的方位输出信号，判断所述光纤陀螺仪是否位于误差角度位置范围；

所述控制模块，用于当判断所述光纤陀螺仪位于误差角度位置范围时，控制所述驱动单元动作，以使所述转台机构带动所述光纤陀螺仪转动预定角度而达到非误差角度位置；以及所述光纤陀螺仪位于非误差角度位置后，控制所述驱动单元动作，以使所述转台机构带动所述光纤陀螺仪转动至预定位置；

倾角计算模块，用于根据获取的所述光纤陀螺仪位于预定位置时的输出信号，计算得到倾角结果，根据所述倾角结果和所述预定角度，确定第二倾角结果。

可选的，所述倾角计算模块计算所述第一倾角结果的方法为：

其中，S为第一倾角结果，P_1i为所述光纤陀螺仪转动至第一预定位置时，第i次获取的所述光纤陀螺仪的输出信号，P_2i为所述光纤陀螺仪转动至第二预定位置时，第i次获取的所述光纤陀螺仪的输出信号，P_3i为所述光纤陀螺仪转动至第三预定位置时，第i次获取的所述光纤陀螺仪的输出信号，P_4i为所述光纤陀螺仪转动至第四预定位置时，第i次获取的所述光纤陀螺仪的输出信号，m为所述光纤陀螺仪转动至预定位置时，获取的所述光纤陀螺仪的输出信号的总次数。

可选的，装置还包括光电编码器，所述数据处理单元还包括：

位置判断模块，用于根据获取的所述光电编码器的输出信号，判断所述光纤陀螺仪是否达到所述预定位置。

可选的，所述位置判断模块，用于根据获取的所述光电编码器的转动参数，确定所述驱动单元的第一转动角度，根据所述驱动单元的驱动参数以及控制所述驱动单元动作以使所述光纤陀螺仪达到所述预定位置所对应的控制参数，确定所述驱动单元的第二转动角度，判断所述第一转动角度和所述第二转动角度是否相等，若是，所述光纤陀螺仪达到所述预定位置。

可选的，装置还包括MEMS倾角传感器，所述数据处理单元还包括：

倾斜角计算模块，用于根据获取的所述光纤陀螺仪位于预定位置时，所述MEMS倾角传感器的输出信号，计算得到倾斜角结果。

可选的，所述倾斜角计算模块计算倾斜角结果的方法是：

其中，β为MEMS倾角传感器相对于水平方向的倾斜角，L为光纤陀螺仪位于预定位置时，获取的MEMS倾角传感器的输出信号的总数，Y_j为所述光纤陀螺仪位于第j预定位置时，MEMS倾角传感器的Y轴方向的输出信号，X_j为所述光纤陀螺仪位于第j预定位置时，MEMS倾角传感器的X轴方向的输出信号。

可选的，装置包括底板、第一支撑板、转台、第二支撑板、光电编码器、滑环、上盖，所述底板与所述第一支撑板通过支柱相连接，所述驱动单元的输出轴与减速机的输入端相连接，所述减速机固定于所述第一支撑板的一侧，所述光电编码器固定于所述第一支撑板的另一侧，所述光电编码器的光栅盘与所述减速机的输出轴同轴连接，所述转台的一侧与所述减速机的输出轴端面相连接，所述转台的另一侧与所述第二支撑板的一侧通过固定架相连接，所述光纤陀螺仪固定于所述固定架上；所述滑环的一端与所述第二支撑板的另一侧相连接，所述光纤陀螺仪、光电编码器的信号输出端通过所述滑环与数据处理单元的数据输入端相连接，所述数据处理单元的控制信号端通过所述滑环与所述驱动单元的控制端相连接，所述数据处理单元基于电路板实现，所述电路板与所述上盖固定连接。

可选的，所述寻北装置还包括外筒体，所述外筒体与所述底板、上盖密封固定连接。

可选的，所述数据处理单元还包括：

授时模块，用于提供授时时间；

存储模块，用于按照所述授时时间的时间格式存储所述第一倾角结果或第二倾角结果。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的寻北装置，包括粗寻北单元、光纤陀螺仪、转台机构、驱动单元及数据处理单元，数据处理单元包括判断模块，用于根据获取的粗寻北单元的方位输出信号，判断光纤陀螺仪是否位于非误差角度位置；控制模块，用于当判断光纤陀螺仪位于非误差角度位置时，控制驱动单元动作，以使转台机构带动光纤陀螺仪转动至预定位置；倾角计算模块，用于根据获取的光纤陀螺仪位于预定位置时的输出信号，计算得到第一倾角结果。本实施例的寻北装置能够实现高精度寻北。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本说明书一个或多个实施例的装置的立体结构示意图；

图2A、2B、2C为图1所示装置的不同角度的平面结构示意图；

图3为本说明书一个或多个实施例的装置的外形示意图；

图4为本说明书一个或多个实施例的数据处理单元的结构示意图；

图5为本说明书另一个实施例的数据处理单元的结构框图。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1-4所示，本说明书一个或多个实施例提供一种寻北装置，包括粗寻北单元、光纤陀螺仪8、转台机构、驱动单元3及数据处理单元，所述数据处理单元包括：

判断模块，用于根据获取的粗寻北单元的方位输出信号，判断光纤陀螺仪8是否位于非误差角度位置；

控制模块，用于当判断光纤陀螺仪8位于非误差角度位置时，控制驱动单元3动作，以使转台机构带动光纤陀螺仪8转动至预定位置；

倾角计算模块，用于根据获取的光纤陀螺仪8位于预定位置时的输出信号，计算得到第一倾角结果。

本实施例中，数据处理单元获取粗寻北单元的方位输出信号，判断模块根据方位输出信号判断光纤陀螺仪8是否位于非误差角度位置，若是，确定光纤陀螺仪8于此位置不会产生零点误差，控制模块控制驱动单元3动作，驱动单元3驱动转台机构转动，带动光纤陀螺仪8转动至预定位置，当光纤陀螺仪8转动至预定位置时，倾角计算模块根据光纤陀螺仪8的输出信号，计算第一倾角结果，计算结果不存在零点误差，能够实现高精度寻北。

一些实施例中，光纤陀螺仪相对于正北方向的倾角在345°～360°以及0°～15°的范围内时会产生零点误差，因此，将光纤陀螺仪相对于正北方向的倾角在345°～360°以及0°～15°的范围作为误差角度位置范围，先利用粗寻北单元采集光纤陀螺仪8的方位输出信号，若根据粗寻北单元的方位输出信号，判断光纤陀螺仪8不在误差角度位置范围之内，则光纤陀螺仪8位于非误差角度位置，于非误差角度位置，不会产生零点误差，可基于当前位置计算确定寻北结果。可选的，粗寻北单元可使用电子罗盘14等可检测方位的仪器。

本实施例中，倾角计算模块根据获取的光纤陀螺仪位于预定位置时的输出信号，计算得到第一倾角结果的计算方法为：

其中，S为第一倾角结果，即光纤陀螺仪8相对于正北方向的倾角(也可以是寻北装置与地理北极之间的夹角)，P_1i为光纤陀螺仪8转动至第一预定位置时，第i次获取的光纤陀螺仪8的输出信号，P_2i为光纤陀螺仪8转动至第二预定位置时，第i次获取的光纤陀螺仪8的输出信号，P_3i为光纤陀螺仪8转动至第三预定位置时，第i次获取的光纤陀螺仪8的输出信号，P_4i为光纤陀螺仪8转动至第四预定位置时，第i次获取的光纤陀螺仪8的输出信号，m为光纤陀螺仪8转动至预定位置时，获取的光纤陀螺仪8的输出信号的总次数。

一些实施例中，基于光纤陀螺仪的四位置寻北算法计算第一倾角结果，其中，光纤陀螺仪位于第一预定位置、第二预定位置、第三预定位置、第四预定位置为间隔90度的四个位置，即分别为对应于Φ，Φ+90°，Φ+180°，Φ+270°的位置。

一些实施例中，数据处理单元还包括：

判断模块，用于根据获取的粗寻北单元的方位输出信号，判断光纤陀螺仪8是否位于误差角度位置范围；

控制模块，用于当判断光纤陀螺仪8位于误差角度位置范围时，控制驱动单元3动作，以使转台机构带动光纤陀螺仪8转动预定角度而达到非误差角度位置；以及当光纤陀螺仪8位于非误差角度位置后，控制驱动单元3动作，以使转台机构带动光纤陀螺仪8转动至预定位置；

倾角计算模块，用于根据获取的光纤陀螺仪8位于预定位置时的输出信号，计算得到倾角结果，根据倾角结果和预定角度，确定第二倾角结果。

本实施例中，数据处理单元获取粗寻北单元的方位输出信号，判断模块根据方位输出信号判断光纤陀螺仪8是否位于误差角度位置范围，若是，为避免光纤陀螺仪8于此位置产生零点误差，控制模块控制驱动单元3动作，驱动单元3驱动转台机构转动，带动光纤陀螺仪8转动预定角度而达到非误差角度位置；之后，控制驱动单元3动作，以使转台机构带动光纤陀螺仪8转动至预定位置，当光纤陀螺仪8转动至预定位置时，倾角计算模块根据光纤陀螺仪8的输出信号，计算得到倾角结果，再根据倾角结果和预定角度，计算得到第二倾角结果，由于倾角结果不包含零点误差，因而，第二倾角结果不存在零点误差，能够实现高精度寻北。

一些方式中，当判断光纤陀螺仪8位于误差角度位置范围内时，通过控制驱动单元3动作，控制光纤陀螺仪8顺时针转动45度以达到非误差角度位置，然后，在光纤陀螺仪8位于非误差角度位置的条件下，控制光纤陀螺仪8转动至预定位置，根据光纤陀螺仪8于预定位置采集的输出信号，利用公式(1)计算倾角结果，之后，将得到的倾角结果减去45度，得到第二倾角结果，作为寻北结果，能够消除零点误差，提高寻北测量精度。

如图所示，本实施例中，寻北装置还包括光电编码器6，数据处理单元还包括：

位置判断模块，用于根据获取的光电编码器6的输出信号，判断光纤陀螺仪8是否达到预定位置。

一些实施例中，位置判断模块，用于根据获取的光电编码器6的转动参数，确定驱动单元3的第一转动角度，根据驱动单元3的驱动参数以及控制驱动单元3动作以使光纤陀螺仪8达到预定位置所对应的控制参数，确定驱动单元3的第二转动角度，判断第一转动角度和第二转动角度是否相等，若是，确定光纤陀螺仪8达到预定位置。

一些实施例中，驱动单元3为步进电机，步进电机的输出轴转动，通过转台机构带动光电编码器6、光纤陀螺仪8随之转动，控制模块根据光电编码器6的转动参数，确定驱动单元3的第一转动角度，计算方法是：

其中，θ_t为步进电机在时间t内的转动角度，n_t为光电编码器在时间t内转过的码盘数，N为光电编码器的码盘总数，可根据所选用的光电编码器所确定。可选的，所选取的光电编码器的码盘总数为2000。

一些实施例中，根据驱动单元3的驱动参数以及控制驱动单元3动作以使光纤陀螺仪8达到预定位置所对应的控制参数，确定驱动单元3的第二转动角度，计算方法是：

其中，θ_c为控制光纤陀螺仪8达到预定位置所对应的第c个预设的转动角度，u_c为为达到第c个预设的转动角度，需要发送的脉冲个数，r为减速机的减速比，D为步进电机驱动的细分。可选的，所选取的减速机的减速比为50，步进电机驱动的细分为2000。

根据公式(2)计算得到第一转动角度θ_t，根据公式(3)计算得到第二转动角度θ_c，当θ_t＝θ_c时，判断光纤陀螺仪8已达到预定位置。若θ₁为光纤陀螺仪8达到第一预定位置所对应的第1个预设的转动角度，则当θ₁＝θ_t时，判断光纤陀螺仪8已达到第一预定位置；若θ₂为光纤陀螺仪8达到第二预定位置所对应的第2个预设的转动角度，则当θ₂＝θ_t时，判断光纤陀螺仪8已达到第二预定位置；若θ₃为光纤陀螺仪8达到第三预定位置所对应的第3个预设的转动角度，则当θ₃＝θ_t时，判断光纤陀螺仪8已达到第三预定位置；若θ₄为光纤陀螺仪8达到第四预定位置所对应的第4个预设的转动角度，则当θ₄＝θ_t时，判断光纤陀螺仪8已达到第四预定位置，光纤陀螺仪8达到四个预定位置的时间t不同，光电编码器6在时间t内转过的码盘数不同。

如图2A及图5所示，本实施例中，寻北装置不仅能够测量倾角，实现精确寻北，而且，能够测量装置相对于水平方向的倾斜角。寻北装置还包括MEMS倾角传感器15，数据处理单元还包括：

倾斜角计算模块，用于根据获取的光纤陀螺仪8位于预定位置时，MEMS倾角传感器15的输出信号，计算得到倾斜角结果。

一些实施例中，倾斜角计算模块计算倾斜角结果的方法是：

其中，β为MEMS倾角传感器15相对于水平方向的倾斜角(也可以是寻北装置与水平方向之间的夹角)，L为光纤陀螺仪8位于预定位置时，获取的MEMS倾角传感器15的输出信号的总数，Y_j为光纤陀螺仪8位于第j预定位置时，MEMS倾角传感器的Y轴方向的输出信号，X_j为光纤陀螺仪8位于第j预定位置时，MEMS倾角传感器的X轴方向的输出信号。

可选的，基于前述的寻北装置的四位置寻北算法，j＝1,2,3,4，L＝4，即，在装置位于第一预定位置、第二预定位置、第三预定位置、第四预定位置时，计算装置的倾斜角结果。

本实施例中，当光纤陀螺仪8位于预定位置时，根据获取的MEMS倾角传感器15的输出信号，计算得到寻北装置相对于水平方向的倾斜角，不仅扩展了寻北装置的功能，而且测量的倾斜角精度较高。

一些方式中，MEMS倾角传感器15的X轴与光纤陀螺仪8的刻度线重合，光纤陀螺仪8的刻度线用于指示光纤陀螺仪8的敏感轴方向，根据公式(1)计算得到的第一倾角结果是刻度线与正北方向的夹角，也是步进电机的初始位置。可选的，MEMS倾角传感器15为具有X轴、Y轴输出的倾角传感器，例如，可选用型号为ADIS16209的MEMS倾角传感器。

如图1、2A、2B、2C所示，一些实施方式中，寻北装置包括底板1、第一支撑板5、转台7、第二支撑板9，底板1与第一支撑板5通过至少一根支柱2相连接，驱动单元3的输出轴与减速机4的输入端相连接，减速机4固定于第一支撑板5的一侧，光电编码器6固定于第一支撑板5的另一侧，光电编码器6的光栅盘与减速机4的输出轴同轴连接，转台7的一侧与减速机输出轴端面相连接，能够随减速机4转动而转动，转台7的另一侧与第二支撑板9的一侧通过固定架12相连接，光纤陀螺仪8固定于固定架12上，MEMS倾角传感器15固定于第二支撑板9的一侧，滑环13的一端与第二支撑板9的另一侧相连接，滑环13的信号端与数据处理单元的数据输入端相连接，光纤陀螺仪8、光电编码器6的信号输出端通过滑环13与数据处理单元的数据输入端相连接，数据处理单元的控制信号端通过滑环13与驱动电机3的控制端相连接，电子罗盘14的信号输出端通过数据线与数据处理单元的数据输入端相连接，数据处理单元基于电路板10实现，电路板10与上盖11通过连接件固定连接。

如图3所示，本实施例中，寻北装置还包括外筒体16，外筒体16与底板1、上盖11密封固定连接，可选的，装置的高为326毫米，上盖11直径为100毫米；整个寻北装置结构紧凑，布局合理，体积较小，尤其适用于井下使用，能够为安装于井下的各种观测仪器提供精确的测量倾角、倾斜角功能。

如图5所示，一些实施方式中，数据处理单元包括主控芯片，电子罗盘14、光纤陀螺仪8、光电编码器6的信号输出端分别与主控芯片的信号输入端相连接，主控芯片的控制信号输出端与驱动单元3的控制端相连接，驱动单元3的输出轴与减速机4的输入端相连接，减速机4的输出轴与光电编码器6相连接，减速机4的输出轴端面与转台7相连接，主控芯片控制驱动单元3的输出轴转动，经减速机4减速后，能够带动光电编码器6、转台7及转台7上的光纤陀螺仪8转动。

寻北装置的工作过程是，主控芯片根据获取的电子罗盘14采集的方位输出信号，快速判断出光纤陀螺仪8的当前位置是否在误差角度位置范围之内，若否，主控芯片控制驱动单元3动作，使得光纤陀螺仪8达到四个预定位置，根据光电编码器6的输出信号，判断光纤陀螺仪8达到四个预定位置时，根据获取的光纤陀螺仪8的输出信号，计算得到第一倾角结果，实现寻北；若判断光纤陀螺仪8的当前位置在误差角度位置范围之内，主控芯片控制驱动单元3动作，将光纤陀螺仪8顺时针旋转45度，以使光纤陀螺仪8位于非误差角度位置，然后，主控芯片控制驱动单元3动作，使得光纤陀螺仪8达到四个预定位置，根据光电编码器6的输出信号，判断光纤陀螺仪8达到四个预定位置时，根据获取的光纤陀螺仪8的输出信号，计算倾角结果，再将倾角结果减去45度，得到第二倾角结果，实现寻北。

同时，当光纤陀螺仪8达到四个预定位置时，主控芯片根据获取的MEMS倾角传感器15的输出信号，计算得到倾斜角结果。

如图5所示，数据处理单元还包括授时模块、数据传输接口、存储模块，授时模块用于为寻北装置提供精确的授时时间；存储模块用于存储第一倾角结果或第二倾角结果、倾斜角结果以及对应的时间，具体的，可根据授时时间，按照年月日时分秒的时间格式存储所测量的第一倾角结果或第二倾角结果、倾斜角结果；主控芯片计算得到的第一倾角结果或第二倾角结果、倾斜角结果以及对应的时间经数据传输接口传输给终端，特别是，当寻北装置应用于井下时，数据处理单元经数据传输接口、CAN总线与地面设备相连接，可将测量得到的第一倾角结果或第二倾角结果、倾斜角结果以及测量结果数据对应的时间传输至地面设备，由于井下观测周期长，可利用本实施例的寻北装置所测量的倾角结果和倾斜角结果，长期观测分析倾角和倾斜角是否有变化，以及具体的变化规律。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本说明书一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。