CN100381785C - 一种轻小型惯性测量单元 - Google Patents

Abstract

一种轻小型惯性测量单元，采用微型MEMS惯性器件，配合必要元器件构成x向、y向、z向三块惯性器件板，由信号处理电路板进行信号转换，所有电路板安装在“T”形空心架上；三个惯性器件板上的微型加速度计芯片分布各不相同，相互距离在空间减少到最大程度，信号处理电路合理安装，不会增大微小型惯性测量单元的体积；本发明充分利用了空间、减少了质量、缩小了体积、减少了杆臂效应；本发明适用于运载体速度、位置、姿态等导航参数的测量，尤其适用于各种小型化运载体如微小型飞行器、纳型卫星、微小型机器人等。

Description

一种轻小型惯性测量单元

技术领域

本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别涉及基于MEMS技术的低成本微小型惯性测量单元的设计，适用于各种小型化运载体，如小飞机、小卫星、小机器人等。

背景技术

惯性测量单元是导航、制导与控制系统中的一种非常重要的设备，由三只陀螺仪和三只加速度计组成，根据惯性导航原理的要求，三只加速度计在空间尽量靠拢、敏感轴两两垂直且三轴交于空间同一点，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两垂直且与对应加速度计敏感轴平行。由惯性测量单元辅以导航计算机组成的惯性导航系统，依靠加速度计测量的载体加速度和陀螺仪测量的载体姿态，推导出载体的速度、姿态和位置，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，这一独特优点，使其成为运载体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的一种广泛使用的主要导航方法。

从工程角度看，随着科学技术的发展，更小的器件、更小的部件、更小的结构单元甚至更小的分系统，在许多方面表现出了非常独特的优势，能使许多系统性能和系统功能大大增强，满足很多特殊场合和功能的要求，以航天、航空和航海为代表的领域中出现了一大批小型化运载体，这些小型化运载体对微小型惯性测量单元的要求变得非常迫切和突出，例如小型化飞机翼展往往不足一米，有的甚至只有手掌般大，它内部的空间和能够承受的载荷非常有限，这就要求它们的惯性测量单元体积很小、重量很轻。

随着微型制造技术和MEMS技术的发展，新一代微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计迅速发展起来，为微小型惯性测量单元的设计和研制提供了有力支持，现有的对微小型惯性测量单元的研究，主要集中在器件的选择或研制以及电路的集成和开发上，而微小型惯性测量单元的结构设计却还停留在传统惯性测量单元的设计方法上：传统设计利用六块加工精度很高的金属板组成一个金属六面体作为支撑架，在金属六面体的六个金属面上开孔或挖槽，安装陀螺仪和加速度计；加速度计一般安装在六面体的三个互相垂直面的中间，以保证三只加速度计敏感轴两两垂直且三轴交于空间同一点，陀螺仪的安装保证三只陀螺仪的敏感轴在空间两两垂直且与对应加速度计敏感轴平行。

传统运载体如客机、车辆、货船等，其载重能力很强、可利用空间很大，对传统惯性测量单元的重量和体积没有太大的限制，但是，微小型惯性测量单元主要应用在承载能力很弱的小型化运载体上，例如手掌般大的小飞机、身高只有几厘米的微小型机器人、质量只有几十公斤的小卫星等，要求惯性测量单元必须具有轻重量和小体积，其所应用的微型MEMS惯性器件外观仅仅是一个芯片，体积一般在毫米级、重量一般不足一克，加上微型MEMS惯性器件的外围处理电路及接插件，总重量也不过几克到十几克，而利用以上结构设计方法设计出来的金属六面体支撑架重量往往达到几百克，占据了整个微小型惯性测量单元的主要重量和体积，严重制约了小型运载体进一步小型化、轻型化的发展，这里传统设计已经远远不能满足实际要求了。

现有的微小型惯性测量单元的结构设计沿用了传统的结构设计，主要存在以下缺点：

(1)金属六面体支架过于笨重，大大增加微小型惯性测量单元的重量，不利于突破小型化运载体承载能力有限的约束，同时也严重限制了小型运载体的进一步小型化、轻型化的发展；

(2)微小型惯性测量单元的体积过大，不利于突破小型化运载体内部空间有限的约束，严重限制了小型运载体的进一步轻型化的发展；

(3)加速度计分布不够集中，相互之间距离较远，增大了杆臂效应的影响。

发明内容

本发明的目的是：克服现有微小型惯性测量单元的不足，提供一种重量轻、体积小、加速度计集中分布、结构优化的微小型惯性测量单元。

本发明的技术解决方案是：一种轻小型惯性测量单元包括：支撑架、微MEMS惯性器件板、信号处理电路板，其中支撑架为“T”形空心架，微MEMS惯性器件板分为x向惯性器件板、y向惯性器件板和z向惯性器件板三块，x向惯性器件板安装在“T”形空心架的x向面上，y向惯性器件板安装在“T”形空心架的y向面上，z向惯性器件板安装在“T”形空心架的z向面上，信号处理电路板安装在“T”形空心架的x负向面上，其中，x向惯性器件板和信号处理电路板由同一个长螺栓固定安装。将x向惯性器件板上的x向微型加速度计芯片置于电路板的右上角，所述的y向惯性器件板上的y向微型加速度计芯片置于电路板的上边中央，所述的z向惯性器件板上的z向微型加速度计芯片置于电路板的右边中央，使得三个微型加速度计芯片敏感轴两两垂直且交于空间同一点，同时分布尽量集中，减少杆臂效应。

“T”形空心架包括辅金属框和主金属框两部分，辅金属框固连在主金属框的中线处，两个金属框互相垂直成“T”形，利用优化理论进行优化设计，保证足够刚度、强度和硬度的同时最大限度地去除了对实现功能不发挥作用的金属部分；x向面、y向面、z向面的平面度加工要求很高，此三平面两两互相垂直，垂直度加工要求很高，最大限度地满足惯性器件的安装要求。

信号处理电路板中包含信号转换芯片，一般为高速A/D转换芯片，也可以是高精度V/F转换芯片，将MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的模拟输出信号转换为导航计算机需要的数字信号。

本发明的原理是：本发明中由“T”形空心架为三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计提供三个两两互相垂直的安装面，“T”形空心架由一个辅金属框连接在一个主金属框的中线处组成，这样，“T”形空心架的主金属框右面、辅金属框左面和辅金属框右面，可以作为电路板的安装面，但是，辅金属框的左右两个平面互相平行，只能取一个作为惯性器件板安装面，为了满足微小型惯性测量单元需要三个两两互相垂直安装面的要求，根据三点确定一个平面的原理，取辅金属框的顶端和主金属框的顶端共同构成第三个安装平面。x向、y向、z向惯性器件板就分别安装在这三个两两互相垂直的安装面上，满足惯性测量单元对惯性器件在空间分布结构的要求。辅金属框另一个平面可以安装信号处理电路板，由于信号处理电路板没有空间的方位安装精度要求，所以可以根据要求在辅金属框上安装一块或者多块信号处理板。

根据安装电路板的重量和大小，确定“T”形空心架所受的施加力和所受的尺寸约束，优化各个参数，保证其足够刚度、强度和硬度的同时最大限度地减少其尺寸、降低其重量。

x向、y向、z向惯性器件板分别是x向、y向、z向微型MEMS陀螺仪和加速度计的处理电路板，每个惯性器件板包括一个微型MEMS陀螺仪、一个微型MEMS微型加速度计芯片、运算放大器、接插件和若干电阻、电容；其中微型加速度计芯片的放置位置经过优化设计，x向惯性器件板上的微型加速度计芯片置于电路板的右上角，y向惯性器件板上的微型加速度计芯片置于电路板的上边中央，z向惯性器件板上的微型加速度计芯片置于电路板的右边中央，从而保证了微型加速度计芯片分布集中，相互之间尽量靠拢，减小了杆臂效应的影响。

信号处理电路板把微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计模拟输出信号转换为导航计算机需要的数字输入信号，根据需要的数据精度、转换速度、电路复杂程度等选择A/D转换芯片或者V/F转换芯片。如果出于功能、接口、可靠性等方面的考虑，要求的信号处理电路过于复杂，而使得信号处理电路板尺寸太大，超过了“T”形空心架辅金属框前后面面积范围，可以由两块或多块较简单的电路板组合，用同一个螺栓配合多个螺母串在一起，联合实现全部信号转换功能，安装在“T”形空心架上，相对于一块大面积电路板，小面积电路板组可以使结构紧凑，减少微小型惯性测量单元的体积。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明多角度、多方面优化了结构设计，与现有的微小型惯性测量单元结构设计相比，主要有以下优点：

(1)采用由两个金属框构成的“T”形空心架作为支撑，为微型MEMS惯性器件提供三个两两互相垂直的安装面，较现有由六块金属板构成支撑的微小型惯性测量单元而言，本发明的重量可以减轻一个数量级左右；

(2)利用“T”形空心架的结构特点，安装微型MEMS惯性器件，充分利用了空间，较现有微小型惯性测量单元而言，可以大大减少本发明的体积；

(3)对惯性器件板上的微型MEMS加速度计芯片合理安排分布位置，使加速度计芯片分布集中，相互之间尽量靠拢，减小了杆臂效应的影响。

(4)将微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计进行结构一体化设计，共用一块电路板作为外围处理电路，节省了一套电路板和接插件，间接的节省了空间和体积。

附图说明

图1为本发明整体结构的右前俯视图以及坐标系方向的规定；

图2为本发明整体结构右后俯视图及其对应坐标系的方向；

图3为本发明x向惯性器件板的主、左、右前俯及俯视图，其中图3a为主视图，图3b为左视图，3c为右前俯视图，3d为俯视图；

图4为本发明y向惯性器件板的右、主、右前俯、俯、及左前俯视图；，其中图4a为右视图，图4b为主视图，4c为右前俯视图，4d为俯视图，4e为左前俯视图；

图5为本发明z向惯性器件板的右前仰、主、左、右前俯及俯视图，其中图5a为主视图，图5b为左视图，5c为俯视图，5d为左前俯视图，5e为左前仰视图；

图6为本发明信号处理电路的主、左、俯及左前俯视图，其中图6a为主视图，图6b为左视图，6c为俯视图，6d为左前俯视图；

图7为本发明“T”形空心架的右、主、左、左前仰、俯及左前俯视图，其中图7a为右视图，图7b为主视图，7c为左视图，7d为左前仰视图，7e俯视图，7f为左前俯视图；

图8为本发明x向惯性器件板的安装示意图；

图9为本发明y向惯性器件板的安装示意图；

图10为本发明z向惯性器件板的安装示意图；

图11为本发明信号处理电路板的安装示意图；

图12为本发明有多块信号处理板时的右后俯视图。

上述各图中：1、x向惯性器件板，2、y向惯性器件板，3、z向惯性器件，4、信号处理电路板，5、“T”形空心架，6、主金属框，7、辅金属框，8、x向微型加速度计芯片，9、y向微型加速度计芯片，10、z向微型加速度计芯片，11、微MEMS陀螺仪，12、运算放大器，13、标准接插件，14、信号转换芯片。

具体实施方式

本发明实施例选用的微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计，其敏感轴均垂直于器件的安装平面。如图1所示，左图为本发明典型实施例的整体结构图，按图中所示的微小型惯性测量单元方向，规定各坐标系轴向如右图所示，规定x轴正向为前、x轴负向为后、y轴正向为右、y轴负向为左、z轴正向为上、z轴负向为下；同时，如图7所示，规定“T”形空心架5右端与y轴垂直的金属框为主金属框6，“T”形空心架左边与x轴垂直的金属框为辅金属框7。如图1所示，x向惯性器件板1安装在“T”形空心架5中辅金属框7的前平面上，即安装在“T”形空心架的x向面上，y向惯性器件板2安装在“T”形空心架5中主金属框6右平面上，即安装在“T”形空心架的y向面上，z向惯性器件板3安装于由“T”形空心架5中主金属框6和辅金属框7的两个窄长形端面共同组成的“T”形上平面，即安装在“T”形空心架的z向面上。如图2所示，信号处理板4安装在“T”形空心架5中辅金属框7的后平面上，即安装在“T”形空心架的x负向面上。

如图3所示，为x向惯性器件板1，它是x向微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计的处理电路板，包括一个x向微型MEMS微型加速度计芯片8、一个微型MEMS陀螺仪11、运算放大器12、接插件13和若干电阻、电容，其中x向微型加速度计芯片8置于x向惯性器件板1的右上角。

如图4所示为y向惯性器件板2，它是y向微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计的处理电路板，包括一个y向微型MEMS微型加速度计芯片9、一个微型MEMS陀螺仪11、运算放大器12、接插件13和若干电阻、电容，其中y向微型加速度计芯片9置于y向惯性器件板2的上边中央。

如图5所示为z向惯性器件板3，它是z向微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计的处理电路板，包括一个z向微型MEMS微型加速度计芯片10、一个微型MEMS陀螺仪11、运算放大器12、接插件13和若干电阻、电容，其中z向微型加速度计芯片10置于z向惯性器件板3的右边中央。

如图6所示为信号处理电路板4，它包括信号转换芯片14、接插件13和若干电阻、电容，其中信号转换芯片14一般为A/D转换芯片，也可以是V/F转换芯片。信号处理电路板把微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计输出的模拟信号转换为导航计算机需要的数字输入信号，根据需要的数据精度、转换速度、电路复杂程度等合理选择A/D转换芯片或者V/F转换芯片。

如图7所示为“T”形空心架5，包括辅金属框7和主金属框6两部分，辅金属框7固连在主金属框6的中线处，两个金属框互相垂直成“T”形。取辅金属框7的前平面，作为x向安装平面，安装x向惯性器件板1；取主金属框6的右平面作为y向安装平面，安装y向惯性器件板2；为了满足微小型惯性测量单元需要三个两两互相垂直安装面的要求，将主金属框和辅金属框的顶面处理成如图中所示的上表面，作为z向安装平面，安装z向惯性器件板3。

在辅金属框7的后平面上安装信号处理电路板4。

根据安装电路板的重量和大小，确定“T”形空心架5所受的施加力和尺寸约束，在保证具有足够的刚度、强度和硬度条件下，优化“T”形空心架5，选择合适的参数，最大限度地减少尺寸、降低重量，使其满足实际工作环境的要求。“T”形空心架5采用低密度、高强度的材料，如铝合金、或钛合金制成。

如图8所示，为x向惯性器件板1安装在“T”形空心架5中辅金属框7前平面上的情况，电路板上开有三个安装孔，安装时，x向微型加速度计芯片8向里靠近“T”形空心架y向面与z向面的交线。

如图9所示，为y向惯性器件板2安装在“T”形空心架5中主金属框6右平面上的情况，电路板上开有四个安装孔，安装时，y向微型加速度计芯片9向上靠近“T”形空心架y向面与z向面的交线。

如图10所示，为z向惯性器件板3安装在“T”形空心架5中z向平面上的情况，电路板上开有三个安装孔如图所示，安装时，z向微型加速度计芯片10向右靠近“T”形空心架y向面与z向面的交线。

如图8、图9、图10所示，在惯性测量单元中，三只微型加速度计芯片8～10的敏感轴两两垂直且三轴需要交于空间同一点。

如图11所示，为信号处理板4安装在“T”形空心架5中辅金属框7的后平面上的情况，电路板上开有三个安装孔，安装时精度与方位不作要求。

如果出于功能、接口、可靠性等方面的考虑，要求的信号处理电路过于复杂，而使得信号处理电路板尺寸太大，超过了“T”形空心架辅金属框中正方形的面积范围，可以由两块或多块较简单的电路板组合，用同一个螺栓配合多个螺母串在一起，联合实现全部信号转换功能，安装在“T”形空心架上，相对于一块大面积电路板，小面积电路板组可以使结构紧凑，减少微小型惯性测量单元的体积；例如，可以如图12所示，由三块较简单的电路板组合，联合实现信号处理电路板4的功能，用同一套螺栓配合多个螺母串在一起，信号处理电路板安装孔两边均有螺母紧固，安装在“T”形空心架上，可以使结构优化，减少微小型惯性测量单元的体积，此时如果其他电路板上的接插件与信号电路板干涉，可以改变插针方向，也可以换为小接插件，还可以换为焊线连接。

本发明可以作为一种通用的微小型惯性测量单元结构优化设计形式，应用者可以根据其特殊的微惯性器件的特点，通过修改尺寸或局部结构来灵活方便地实现其功能。

Claims (4)

1.一种轻小型惯性测量单元，包括支撑架、惯性器件板、信号处理电路板，其特征在于：支撑架为“T”形空心架(5)，惯性器件板包括x向惯性器件板(1)、y向惯性器件板(2)和z向惯性器件板(3)，由信号处理电路板处理惯性器件板的输出信号，x向惯性器件板(1)安装在“T”形空心架(5)的x向面上，y向惯性器件板(2)安装在“T”形空心架(5)的y向面上，z向惯性器件板(3)安装在“T”形空心架(5)的z向面上，信号处理电路板(4)安装在“T”形空心架(5)的x负向面上，x向惯性器件板(1)和信号处理电路板(4)由同一个长螺栓固定安装；将x向微型加速度计(8)置于所述x向惯性器件板(1)的右上角，y向微型加速度计(9)置于所述y向惯性器件板(2)的上边中央，z向微型加速度计(10)置于所述z向惯性器件板(3)的右边中央，使得三个微型加速度计(8～10)敏感轴两两垂直且交于空间同一点，同时使得分布集中，减少杆臂效应。

2.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元，其特征在于：所述的“T”形空心架(5)包括主金属框(6)和辅金属框(7)两部分，辅金属框(7)固连在主金属框(6)的中线处，两个金属框互相垂直成“T”形，在辅金属框(7)的前平面上安装所述的x向惯性器件板(1)，在主金属框(6)的右平面上安装所述的y向惯性器件板(2)，在由主金属框(6)的顶端和辅金属框(7)的顶端共同确定的平面上安装所述的z向惯性器件板(3)，在辅金属框(7)的后平面上安装所述的信号处理板(4)。

3.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元，其特征在于：所述的“T”形空心架(5)采用低密度、高强度材料的铝合金、或钛合金制成。

4.根据权利要求1所述的一种轻小型惯性测量单元，其特征在于：所述的信号处理电路板(4)包括接插件(13)和信号转换芯片(14)及其外围电路，信号处理电路板(4)是一块复杂的电路板实现全部信号转换功能，或是两块或多块较简单的电路板，用同一个螺栓配合多个螺母串在一起，联合实现全部信号转换功能。

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