CN101464472B - 基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可用于获取六维加速度的基于九个单轴加速度敏感单元的六轴加速度传感器的敏感单元布局结构及其相应的六维加速度求解方法。该结构由至少九个单轴加速度敏感单元构成，其中三对分别沿三个正交轴向布置，且各自敏感轴线与所在的正交轴线重合，其余三个分别布置在三个正交轴两两之间的中线上，且其敏感轴线在对应两正交轴构成的平面上与所在中线垂直。利用该结构，通过对各单轴加速度敏感单元输出的线性叠加，可以在避免积分的情况下获取被测载体六维加速度信息，包括三个直线运动加速度和与之相应的三个角加速度，同时还可以获得三维角速度。

Description

基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法

技术领域

本发明涉及一种基于九个单轴加速度敏感单元的六轴加速度传感器的敏感单元的结构与原理，特别是一种可用于获取六维加速度的九个单轴加速度敏感单元的布局结构及对应的六维加速度求解方法。

背景技术

加速度传感是一种重要的惯性测量，被广泛应用于工业自动化控制、交通运输监测、地震预测、机器人控制、导航制导、武器技术、摄影摄像设备等领域。传统的加速度传感器主要用于获取小姿态变化情况下被测载体的单轴加速度信息，为了准确获取被测运动载体的位置、姿态以及运动趋势等信息，必须对被测载体沿空间正交轴的三维线加速度和三维角加速度进行测量，因此多维加速度传感理论与技术是近年来的一个研究热点。

实现多维加速度传感有三种方式：

一种是利用微机电系统(Micro Electronic Mechanical System，MEMS)技术开发基于电容式、压阻式、压电式和谐振式原理的多轴硅微机械加速度传感器。在一块基片上集成多个单轴加速度敏感单元和微陀螺单元，甚至包括相应的信号处理电路。由于结构和原理方面的限制，从目前硅微机械加工技术的发展现状来看，开发三轴以上的硅微加速度传感器成本较高、难以实现，而微陀螺由于受到微尺度下的原理限制难以实现高灵敏度的角速度测量，仍处于研究阶段。

另一种是采用一些新的原理和分析方法设计的基于单一惯性质量的多维加速度传感器，如静电悬浮、超导和弹性膜片应变实现多维加速度的测量。Josselin等人在采用静电悬浮的原理实现加速度传感方面做了较具有开拓性的工作(Sensors and Actuators，Vol 78，92-98，1999)，唐富荣与薛大同也采用静电悬浮原理分别设计了三轴与六轴加速度传感器(传感技术学报，Vol 15，287-292，2002)。静电悬浮式加速度传感器是通过测量电容的变化来测量加速度的，具有测量精度高的优点，但是容易发生高压击穿，不能承受较大的加速度输入，因此测量的量程小，频带窄，只适用于特殊环境中的加速度测量(如空间微重力环境等)。通过有限元分析方法研究特定结构的应变材料不同位置上的应变，可以进行多维加速度传感器的设计。但该方法的求解原理相对复杂，相关的研究工作在进一步的深入中。

第三种方式是通过复合固定在被测载体上的多个单轴加速度敏感单元的信号，得到被测载体的三维的角加速度和三维的线加速度，该思路的提出源于无陀螺捷联惯性导航技术的研究。由于单轴加速度敏感单元的输出方程中包含被测载体六维加速度的成分，从理论上讲通过合理配置至少六个单轴加速度敏感单元在一刚体基座上的位置和姿态，利用其输出构成的方程组即可求解得到刚体基座的六维加速度。根据该原理，将多个单轴加速度敏感单元按照特定的布局结构固定在一起构成敏感单元，可以实现对被测载体的六维加速度测量。目前关于六维加速度敏感单元的布局结构有多种方案，但均无法避免在求解加速度过程中出现积分环节。如专利《一种六轴加速度传感器的敏感元件的布局方法》(专利号2006100950283)给出了一种基于六个单轴加速度敏感单元实现六轴加速度传感器的敏感单元布局方法，该方法能够有效获取六维加速度，但是其角加速度的求解过程中涉及到了积分环节，会引起一定误差。

综上所述，各种不同形式的六维加速度传感方式均处于研究阶段，其中通过多个单轴加速度敏感单元输出信号复合的方式较为易于实现，且由于单轴加速度敏感单元的微型化技术已经成熟，因此有利于采用MEMS工艺进行微型化。但其关键问题在于目前所出现的布局结构均存在积分环节，不能满足高精度六维加速度求解的要求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种采用九个单轴加速度敏感单元的六轴加速度传感器的敏感单元的布局方法，从而构成一种六轴加速度传感器，实现被测载体六维加速度信息的获取，包括三个直线运动加速度和与之对应的三个角加速度。

本发明的技术方案如下：

本发明中所述六轴加速度传感器的敏感单元布局方法，采用至少九个单轴加速度敏感单元按照特定的位置姿态固定在刚体基座、刚体框架或被测载体上构成。单轴加速度敏感单元可以是单轴加速度传感器，也可以是构成单轴加速度传感器的敏感元件，其作用是感受在其所在位置处沿其敏感轴线的加速度。其中三对分别沿三个正交轴线布置，且其敏感轴线与所在的正交轴线重合；其余三个分别布置在三个正交轴两两之间的中线上，且其敏感轴线在其所在中线对应的两正交轴构成的平面上，与其所在中线垂直。

本发明具有下述优点：

1.本发明中的敏感元件的布局结构采用九个单轴加速度敏感单元构成，可以通过对其输出的线性解算得到被测载体包括三个正交的线加速度和对应的三个角加速度的六维加速度信息。相比存在积分环节的六轴加速度传感器的敏感元件的布局方法而言，其角加速度求解精度更高。

2.可以从九个单轴敏感单元的输出方程直接解算出被测载体的三维角速度信息。

3.对制造的工艺要求低，可降低生产成本。只需保证各单轴敏感单元的敏感质心在对应直线方向上，除避免相互不出现空间干涉外对位置无特别要求。

4.易于实现。各单轴加速度敏感单元布置的姿态为沿正交轴向，或在两正交轴构成的平面上与正交轴成45度角。

附图说明

图1(a)为本发明中布局结构的立体图。

图1(b)为本发明中布局结构的主视图(O_ay_az_a平面投影视图)。

图1(c)为本发明中布局结构的左视图(O_ax_az_a平面投影视图)。

图1(d)为本发明中布局结构的俯视图(O_ax_ay_a平面投影视图)。

图2为本发明的一种具体实施例，即一种三棱锥形的结构布局示意图。

图3为本发明的另一种具体实施例，即一种立方体的结构布局示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图具体说明本发明的结构：

图1所示为本发明中涉及的布局结构的基本形式。如图1所示，坐标系O_ax_ay_az_a为一正交的右手系，第一、第二个单轴加速度敏感单元1、2沿x_a轴正向布置，它们的敏感轴线与x_a轴重合、方向一致；第三、第四个单轴加速度敏感单元3、4沿y_a轴正向布置，它们的敏感轴线与y_a轴重合、方向一致；第五、第六个单轴加速度敏感单元5、6沿z_a轴正向布置，它们的敏感轴线与z_a轴重合、方向一致，第七个单轴加速度敏感单元7位于O_ax_ay_a平面上x_a轴和y_a轴的中线上(与x_a轴夹角α·π/4(α＝1或-1))，敏感轴线在O_ax_ay_a平面上与O_a到7的敏感质心连线垂直、指向x_a轴。第八个单轴加速度敏感单元8位于O_ay_az_a平面上y_a轴和z_a轴的中线上(与y_a轴夹角β·π/4(β＝1或-1))，敏感轴线在O_ay_az_a平面上与O_a到8的敏感质心连线垂直、指向y_a轴。第九个单轴加速度敏感单元9位于O_az_ax_a平面上轴z_a和x_a轴的中线上(与z_a轴夹角γ·π/4(γ＝1或-1))，敏感轴线在O_az_ax_a平面上与O_a到9的敏感质心连线垂直、指向z_a轴。第一至九个单轴加速度敏感单元1-9到O_a的距离分别为l₁，l₂，…l₉，在保证各单轴加速度敏感单元不产生空间干涉的前提下可以任意取值，包括负值。

因此，第一至九个单轴加速度敏感单元1-9的敏感质心在O_ax_ay_az_a下的坐标可以用位置矩阵U_a表示为

$U_a=\left[\begin{array}{ccccc}{u}_{a1}& u_{a2}& u_{a3}& \·\·\·& u_{a9}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccccccccc}{l}_2& l_2& 0& 0& 0& 0& l_7& 0& l_9\·\mathrm{\γ}\\ 0& 0& l_3& l_4& 0& 0& l_7\·\mathrm{\α}& l_8& 0\\ 0& 0& 0& 0& l_5& l_6& 0& l_8\·\mathrm{\β}& l_9\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中u_a1，u_a2，u_a3，…，u_a9分别为第一到九个单轴加速度敏感单元的位置向量在O_ax_ay_az_a下的坐标。

第一至九单轴加速度敏感单元1-9的敏感轴向向量在O_ax_ay_az_a下的坐标可以用姿态矩阵J_a表示为

$J_a=\left[\begin{array}{ccccc}{\mathrm{\θ}}_{a1}& {\mathrm{\θ}}_{a2}& {\mathrm{\θ}}_{a3}& \·\·\·& {\mathrm{\θ}}_{a9}\end{array}\right]$

$=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}\mathrm{\α}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}\mathrm{\β}/2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}\mathrm{\γ}/2\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中θ_a1，θ_a2，θ_a3，…，θ_a9分别为第一到九个单轴加速度敏感单元的敏感轴向向量在O_ax_ay_az_a下的坐标。

根据六轴加速度传感器的求解原理，可以通过下式得到O_ax_ay_az_a在惯性坐标系下三维角加速度、三维线加速度和角速度平方项在O_ax_ay_az_a下的坐标表示。

其中，

为三维的角加速度，[L_x，L_y，L_z]^T为三维的线加速度，[ω_x ²，ω_y ²，ω_z ²]^T为三维的角速度平方项。[A₁，A₂，…，A₉]^T为九个单轴加速度敏感单元所测得的加速度。

此外，该结构中各单轴加速度敏感单元均可反向布置。当反向布置时，只需在(3)中该敏感单元对应的加速度输出项前乘以-1即可，而不影响六维加速度和角速度的求解。

根据l₁，l₂，…l₉和α，β，γ取值的不同，本发明涉及的布局结构可以有多种变形，将其代入(1)和(2)中即可得到对应的位置、姿态矩阵。

如图2所示为一种三棱锥形的结构布局方案。第一、三和五个单轴加速度敏感单元1、3、5分别沿正交右手系O_bx_by_bz_b的x_b，y_b，z_b轴线固定在离原点2d处，其敏感轴线与对应的坐标系轴线重合、方向相反。第二、四和六个单轴加速度敏感单元2、4、6分别沿x_b，y_b，z_b轴线固定在离原点d处，其敏感轴线与对应的坐标系轴线重合、方向一致。第七、八、九个单轴加速度敏感单元7、8、9分别布置在单轴加速度敏感单元1、3的连线、3、5的连线和5、1的连线的中点，且敏感轴线与对应连线方向一致。显然此构型相当于基本构型取值l₁＝l₂＝…＝l₆＝2d、l₇＝l₈＝l₉＝d、α＝β＝γ＝1的情况，其对应的位置和姿态矩阵U_b和J_b在O_bx_by_bz_b下的坐标表示分别为

$U_b=\left[\begin{array}{ccccccccc}2d& 2d& 0& 0& 0& 0& d& 0& d\\ 0& 0& 2d& 2d& 0& 0& d& d& 0\\ 0& 0& 0& 0& 2d& 2d& 0& d& d\end{array}\right]---\left(4\right)$

$J_b=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& 1& 0& 0& 0& 0& \sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 1& 1& 0& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2\end{array}\right]---\left(5\right)$

图3为本发明涉及的结构布局的另一种结构变形。该布局基于一种立方体的结构，坐标系的原点O_c定义在边长为e立方体ABCDEFGH的中心，x_c，y_c，z_c轴分别垂直于面ABCD、EADH和HDCG。第一到五个单轴加速度敏感单元1、2、3、4、5分别固定在面ABCD、FEHG、EADH、BFGC和HDCG的中心，其敏感轴线分别垂直对应的表面向外；第六个单轴加速度敏感单元6固定在原点O_c处，敏感轴向沿z_c轴反方向；第七、八和九个单轴加速度敏感单元7、8和9分别布置在边EH、CG和CD的中点，敏感轴线分别位于面O_cx_cy_c、O_cy_cz_c和O_cz_cx_c上且与其敏感质心到O_c的连线分别垂直。此构型相当于基本构型取值l₁＝l₃＝l₅＝l₉＝e、l₂＝l₄＝l₇＝l₈＝-e、l₆＝0、α＝β＝-1、γ＝1的情况，其对应的位置和姿态矩阵U_c和J_c在O_cx_cy_cz_c下的坐标表示分别为

$U_c=\left[\begin{array}{ccccccccc}e& -e& 0& 0& 0& 0& -e& 0& e\\ 0& 0& e& -e& 0& 0& e& -e& 0\\ 0& 0& 0& 0& e& 0& 0& e& e\end{array}\right]---\left(6\right)$

$J_c=\left[\begin{array}{ccccccccc}1& -1& 0& 0& 0& 0& -\sqrt{2}/2& 0& -\sqrt{2}/2\\ 0& 0& 1& -1& 0& 0& -\sqrt{2}/2& -\sqrt{2}/2& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& -1& 0& -\sqrt{2}/2& \sqrt{2}/2\end{array}\right]---\left(7\right)$

Claims (6)

1.一种基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，采用九个单轴加速度敏感单元按照一定的空间相互关系布置在一起构成，其特征在于：其中六个单轴加速度敏感单元分为三组分别沿坐标系的三个正交轴向布置，其各自的敏感质心位于对应正交轴上、敏感轴向与其所在正交轴轴向一致；另外三个单轴加速度敏感单元的敏感质心分别位于三个正交轴两两之间的中线上，敏感轴线在各自对应两正交轴构成的平面上，与所在的中线垂直；在各单轴加速度敏感单元不发生空间干涉的前提下敏感质心到原点距离可以任意选择。

2.根据权利要求1所述的基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，其特征在于：所述九个单轴加速度敏感单元是单轴的加速度传感器，或者是构成单轴加速度传感器的敏感元件。

3.根据权利要求1或2所述的基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，其特征在于：所述单轴加速度敏感单元安装方式采用正向安装或反向安装。

4.根据权利要求3所述的基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，其特征在于：在所述九个单轴加速度敏感单元外，可以在其他任意位置增加额外的单轴加速度敏感单元作为冗余。

5.根据权利要求4所述的基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，其特征在于：所述九个单轴加速度敏感单元安装在刚体基座或刚体框架上，整体构成的一个六轴加速度传感器。

6.根据权利要求4所述的基于九加速度敏感单元的六轴加速度传感器的布局方法，其特征在于：所述九个单轴加速度敏感单元安装在被测载体上，与被测载体组合构成六轴加速度传感器。

Images