CN102778232B - 微惯性测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微惯性测量装置，包括：壳体；顶盖，所述顶盖设在所述壳体的顶端且与所述壳体限定出腔室；主电路板，所述主电路板设在所述腔室内；微惯性测量组合，所述微惯性测量组合设在所述腔室内并与所述主电路板相连，所述微惯性测量组合包括三轴微机械陀螺仪、三轴微机械加速度计和三轴磁强计；和第一和第二双轴微机械加速度计，所述第一和第二双轴微机械加速度计分别设在所述腔室内且分别与所述主电路板相连。根据本发明的微惯性测量装置可用于测量微小飞行器高动态、大过载运动状态下运动参数，并计算出微小飞行器的运动姿态和运动轨迹。

Description

微惯性测量装置

技术领域

本发明涉及惯性测量领域，尤其是涉及一种微惯性测量装置。

背景技术

惯性测量技术可以获得运动物体的姿态和位置，不依赖外部信息、不辐射信号，可以实现完全自主导航。微小飞行器运行过程中，具有高动态、大过载特点，GPS定位系统无法实现微小飞行器的实时导航。

惯性测量是以牛顿经典力学为基本原理来实现微小运动物体的导航。由加速度计测量得到物体的三轴加速度，结合陀螺仪测量得到物体的三轴角速度，测量得到运动物体的6个基本运动参数，通过计算可得到物体的姿态、运动速度和运动轨迹。

微小飞行器存在平稳和机动两类运动阶段，采用传统的微惯性测量组合（包含三轴加速度计和三轴陀螺仪）无法实现不同类型阶段的加速度测量。单独采用大量程加速度计，存在加速度计分辨率较低，在平稳飞行阶段测量精度差；单独采用小量程加速度计，分辨率高，平稳飞行阶段测量精度高，机动阶段加速度超出量程而无法测量。而且，高动态情况，陀螺仪的测量误差增大，造成姿态解算不准确，进而影响导航计算。另外，传统的微惯性测量组合没有采用减震措施，飞行器的机体震动直接被惯性传感器感受，降低测量精度。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种微惯性测量装置，所述微惯性测量装置可用于测量微小飞行器高动态、大过载运动状态下运动参数，并计算出微小飞行器的运动姿态和运动轨迹。

根据本发明的微惯性测量装置，包括：壳体；顶盖，所述顶盖设在所述壳体的顶端且与所述壳体限定出腔室；主电路板，所述主电路板设在所述腔室内；微惯性测量组合，所述微惯性测量组合设在所述腔室内并与所述主电路板相连，所述微惯性测量组合包括三轴微机械陀螺仪、三轴微机械加速度计和三轴磁强计；和第一和第二双轴微机械加速度计，所述第一和第二双轴微机械加速度计分别设在所述腔室内且分别与所述主电路板相连。

根据本发明的微惯性测量装置，通过设置两套不同量程的加速度计，即小量程的三轴微机械加速度计和大量程的第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计，实现了微小飞行器平稳和机动运动状态时加速度的准确测量，同时通过设置三轴磁强计并与三轴微机械陀螺仪和三轴微机械加速度计组合或与三轴微机械陀螺仪、第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计组合测量，大大提高了测量精度，减小测量误差，从而可以更加准确地计算出微小飞行器的运动姿态和运动轨迹等，进而更好地了解微小飞行器不同运动状态下的运动信息。

另外，根据本发明的微惯性测量装置，还可以具有如下附加技术特征：

所述微惯性测量装置还包括微惯性测量组合安装盒，所述微惯性测量组合安装盒设在所述腔室内，其中所述微惯性测量组合设在所述微惯性测量组合安装盒内。

可选地，所述微惯性测量组合安装盒由硬质塑料制成。由此，不仅可以更好地将微惯性测量组合固定在腔室内，同时采用硬质塑料材质的安装盒还能减轻盒体的质量，且不会影响微惯性测量组合在测量微小飞行器运动时各项基本参数的精度，提高测量数据的准确性。

所述微惯性测量装置进一步包括第一转接板，其中所述微惯性测量组合通过所述第一转接板与所述主电路板相连。

可选地，所述第一和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程为±70g。

有利地，所述第一双轴微机械加速度计的量程为±70g，所述第二双轴微机械加速度计的量程为±35g。

所述微惯性测量装置还包括两个安装盒，所述两个安装盒分别设在所述腔室内，其中所述第一和第二双轴微机械加速度计分别设在所述两个安装盒内。

可选地，所述安装盒由硬质塑料制成。采用硬质塑料材质的安装盒不仅能减轻盒体的质量，而且不会影响微惯性测量组合在测量微小飞行器运动时各项基本参数的精度，进一步提高了测量数据的准确性。

所述微惯性测量装置进一步包括第二和第三转接板，其中所述第一双轴微机械加速度计通过所述第二转接板与所述主电路板相连且所述第二双轴微机械加速度计通过所述第三转接板与所述主电路板。

所述第一双轴微机械加速度计焊接至所述第二转接板且所述第二双轴微机械加速度计焊接至所述第三转接板。

所述微惯性测量装置进一步包括安装支架，所述安装支架设在所述腔室内，所述安装支架包括：第一固定板，其中所述第二转接板设在所述第一固定板上；和第二固定板，所述第二固定板的一端与所述第一固定板的一端相连且所述第二固定板与所述第一固定板之间的夹角范围在90°±6′之间，其中所述第三转接板设在所述第二固定板上。

有利地，所述第一固定板和所述第二固定板一体形成。

具体地，所述第一固定板的中央形成有沿所述第一固定板的厚度方向贯通所述第一固定板的第一贯通部，其中所述第二转接板设在所述第一贯通部内；所述第二固定板的中央形成有沿所述第二固定板的厚度方向贯通所述第二固定板的第二贯通部，其中所述第三转接板设在所述第二贯通部内。

更具体地，所述第一贯通部包括：沿所述第一固定板的厚度方向形成的第一安装孔和第一定位孔，所述第一安装孔和第一定位孔的面积不同；所述第二转接板上具有第一凸台，其中所述第一凸台卡设在所述第一定位孔内且所述第二转接板定位在所述第一安装孔内；所述第二贯通部包括：沿所述第二固定板的厚度方向形成的第二安装孔和第二定位孔，所述第二安装孔和所述第二定位孔的面积不同；所述第三转接板上具有第二凸台，其中所述第二凸台卡设在所述第二定位孔内且所述第三转接板定位在所述第二安装孔内。

通过设置凸台与定位孔进行定位，从而可将第二转接板和第三转接板更加精确地安装在第一固定板和第二固定板上，大大提高了装配效率和装配精度，缩短装配时间。

有利地，所述第二和第三转接板的沿厚度方向的侧面上均设有橡胶垫。

通过分别在第二转接板和第三转接板厚度方向的侧面上设置橡胶垫，有效隔离了微小飞行器的高频振动，实现了减震缓冲的目的，大大提高了微惯性测量装置的测量精度。

所述壳体为圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的顶端沿其周向形成有两个弧形的豁口，其中所述两个豁口沿所述壳体的轴线中心对称。

所述主电路板可拆卸地设在所述圆柱形壳体的顶端，其中所述主电路板呈长圆形，且所述主电路板的两个弧形端配合在所述两个豁口内。

所述微惯性测量装置还包括两个减震垫，所述两个减震垫分别卡合在所述两个豁口内。吸震垫的形状优选为与豁口的形状相同，由此可更好地吸收微小飞行器运动时的震动，进一步提高微惯性测量装置的测量精度。

根据本发明的微惯性测量装置，具有如下四个优点：1）采用两套不同量程的加速度计实现微小飞行器平稳和大过载情况加速度的准确测量；2）利用重力矢量、地磁场矢量完成初始对准；3）三轴微机械陀螺仪和三轴磁强计进行组合，实现高动态情况下微小飞行器姿态的准确测量；4）在第一和第二双轴微机械加速度计的侧面上设置橡胶垫，有效吸收微小飞行器高动态、大过载运动时产生的有害震动，降低测量误差。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的微惯性测量装置的立体爆炸图；

图2是图1中所示的微惯性测量装置的圈示A部的放大图；

图3是图1中所示的微惯性测量装置的立体图；

图4是根据本发明实施例的微惯性测量装置的壳体的剖视图；

图5是根据本发明实施例的微惯性测量装置的壳体的俯视图；

图6是根据本发明实施例的微惯性测量装置的壳体的侧视图；

图7是根据本发明实施例的微惯性测量装置的安装支架的主视图；

图8是根据本发明实施例的微惯性测量装置的安装支架的俯视图；

图9是根据本发明实施例的微惯性测量装置的主电路板的电路图；和

图10是微惯性测量装置与微小飞行器胶连接剪切剥离模型。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图10描述根据本发明实施例的微惯性测量装置100。根据本发明实施例的微惯性测量装置100可用于测量微小飞行器例如无人机运动过程中的一些参数，并通过计算机对测量数据进行分析以得出微小飞行器的运动姿态和运动轨迹。

根据本发明实施例的微惯性测量装置100，包括壳体1、顶盖2、主电路板3、微惯性测量组合、第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计。其中，需要说明的是，在图1所示的具体实施例中，第一双轴微机械加速度计已预先焊接至第二转接板上6，且第二双轴微机械加速度计也已预先焊接至第三转接板7上，因此图1中未示出第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计，另外，微惯性测量组合也已预先安装在微惯性测量组合安装盒4内，因此图1中也未示出微惯性测量组合。

如图1所示，顶盖2设在壳体1的顶端且与壳体1限定出腔室11。主电路板3设在腔室11内，具体地，如图1所示，主电路板3设在腔室11的顶部，即设在壳体1的顶端处。微惯性测量组合设在腔室11内并与主电路板3相连，微惯性测量组合包括三轴微机械陀螺仪（三轴MEMS陀螺仪）、三轴微机械加速度计（三轴MEMS加速度计）和三轴磁强计。其中，三轴微机械陀螺仪所能测量的角速度的范围在±300°/sec之间，三轴微机械加速度计所能测量的加速度的范围在±18g之间，三轴磁强计所能测量的磁场强度的范围在±2.5gauss之间。

传统地，微小飞行器具有平稳和机动两类运动状态，其中机动运动状态也称高动态、大过载运动状态，此时微小飞行器的加速度一般在50g以上，也就是说，当微小飞行器的加速度小于50g时，一般认为此时微小飞行器的运动状态为平稳运动状态，而当微小飞行器的加速度大于50g时，一般认为此时微小飞行器的运动状态为机动运动状态，即高动态、大过载运动状态。

由于传统的微惯性测量组合中只有三轴微机械加速度计和三轴微机械陀螺仪，在微小飞行器处于平稳运动状态或机动运动状态时，三轴微机械陀螺仪测量的数据往往存在一定的误差，并在高动态、大过载环境下，陀螺仪的测量误差有增大的趋势，造成姿态结算不准确。本发明的微惯性测量组合中，通过设置三轴磁强计并与三轴微机械陀螺仪组合测量，大大提高了微小飞行器在平稳运动状态尤其是机动运动状态时测量数据的准确性。

第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计分别设在腔室11内且分别与主电路板3相连。第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计组合使用，从而在功能上相当于一个三轴微机械加速度计，组合使用的第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计可用于测量微小飞行器在高动态、大过载运动状态时的加速度。也就是说，由于微惯性测量组合中的三轴微机械加速度计的测量范围在±18g之间，因此当微小飞行器处于机动运动状态时，其加速度已经超过所述三轴微机械加速度计的量程，因此通过设置组合使用的第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计，在微小飞行器处于机动运状态时可用于测量此时飞行器的加速度，从而为计算飞行器的轨迹提供可靠的数据。

微惯性测量装置100可设置在微小飞行器上，用于测量微小飞行器在运动过程中的各项运动参数。其中，为描述方便、清楚，将微小飞行器分为平稳运动状态和机动运动状态来分别进行详细说明。

当微小飞行器处于平稳运动状态时，微惯性测量组合提供计算飞行器所需的全部运动参数，具体地，三轴微机械陀螺仪用于测量微小飞行器在三个轴上的角速度的大小，三轴微机械加速度计用于测量微小飞行器在三个轴上的加速度的大小，三轴磁强计用于测量微小飞行器在三个轴上的磁场强度，三轴微机械陀螺仪可提供三个轴上的角速度的数值，即三个基本运动参数，三轴微机械加速度计可提供三个轴上的加速度的数值，也为三个基本运动参数，同样的，三轴磁强计可提供三个轴上的磁场强度的数值，也是三个基本运动参数，也就是说，微惯性测量组合此时可提供微小飞行器的九个基本运动参数。

由此，在微小飞行器处于平稳运动状态下，与传统的微惯性测量组合仅能提供六个基本运动参数相比，具有更高的准确性，减小测量误差，通过计算机对这九个基本运动参数的分析、运算，精确地计算出微小飞行器的运动姿态、轨迹、速度等。

当微小飞行器处于机动运动状态时，微惯性测量组合以及第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计共同提供计算飞行器所需的全部运动参数，具体地，飞行器在此运动状态下，微惯性测量组合中的三轴微机械陀螺仪和三轴磁强计以及第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计提供计算所需的全部运动参数。

更具体地，三轴微机械陀螺仪用于测量微小飞行器在三个轴上的角速度的大小，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计组合使用以测量微小飞行器在三个轴上的加速度的大小，三轴磁强计用于测量微小飞行器在三个轴上的磁场强度，三轴微机械陀螺仪可提供三个轴上的角速度的数值，即三个基本运动参数，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计可提供三个轴上的加速度的数值，也为三个基本运动参数，同样的，三轴磁强计可提供三个轴上的磁场强度的数值，也是三个基本运动参数，也就是说，微惯性测量组合此时可提供微小飞行器的六个基本运动参数，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计可提供微小飞行器的三个基本运动参数，共计九个基本参数。

由此，在微小飞行器处于机动运动状态下，与传统的微惯性测量组合仅能提供六个基本运动参数相比，具有更高的准确性，减小测量误差，通过计算机对着九个基本运动参数的分析、运算，精确地计算出微小飞行器在机动运动姿态、轨迹、速度等。而且，通过三轴磁强计与三轴微机械陀螺仪组合测量，还进一步减小了机动运动状态下的测量误差，使测量数据更加精准。

简言之，在飞行器平稳运动时，采用精度更高的小量程的三轴微机械加速度计测量飞行器的加速度，这样获得的加速度数据更加准确可靠。而在飞行器高动态、大过载运动时，由于飞行器的加速度超过了小量程三轴微机械加速度计的测量范围，此时由大量程的第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计测量飞行器的加速度，从而实现微小飞行器不同运动状态下，即平稳运动状态和机动运动状态，均可准确地测出飞行器的加速度并与角速度参数和磁场强度参数相结合，精确地计算出飞行器的运动姿态和运动轨迹，更好地了解飞行器的运动状态。

根据本发明实施例的微惯性测量装置100，通过设置两套不同量程的加速度计，即小量程的三轴微机械加速度计和大量程的第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计，实现了微小飞行器平稳和机动运动状态时加速度的准确测量，同时通过设置三轴磁强计并与三轴微机械陀螺仪和三轴微机械加速度计组合或与三轴微机械陀螺仪、第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计组合测量，大大提高了测量精度，减小测量误差，从而可以更加准确地计算出微小飞行器的运动姿态和运动轨迹等，进而更好地了解微小飞行器不同运动状态下的运动信息。

如图1所示，微惯性测量装置100还包括微惯性测量组合安装盒4，微惯性测量组合安装盒4设在腔室11内，其中微惯性测量组合设在微惯性测量组合安装盒4内。具体地，微惯性测量组合安装盒4通过定位结构定位在腔室11的底壁上，例如通过微惯性测量组合安装盒4上的圆柱销和/或菱形销定位在腔室11的底壁上，然后通过螺栓可拆卸地紧固在底壁上，实现微惯性测量组合安装盒4的固定。

有利地，微惯性测量组合安装盒4由硬质塑料制成，例如在本发明的一个具体示例中，微惯性测量组合封装在一个23mm×23mm×23mm的立方体硬质塑料盒内。这样不仅可以更好地将微惯性测量组合固定在腔室11内，同时采用硬质塑料材质的安装盒还能减轻盒体的质量，且不会影响微惯性测量组合在测量微小飞行器运动时各项基本参数的精度，提高测量数据的准确性。

微惯性测量组合通过第一转接板5与主电路板3相连。具体而言，微惯性测量组合与一组柔性电缆连接至第一转接板5，第一转接板5将电缆延伸连接至主电路板3上，微惯性测量组合通过柔性电缆获得工作电压以对外输出测量数据，有利地，柔性电缆的两端采用胶体封装，避免在微小飞行器高动态、大过载运动时失效，提高微惯性测量组合工作的稳定性。

在本发明的一个具体实施例中，第一双轴微机械加速度计的量程在±70g之间，第二双轴微机械加速度计的量程在±35g之间。由此，通过第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计的组合，在微小飞行器高动态、大过载运动状态下，也可准确地测量此时飞行器的三个轴的加速度的大小，具体地说，在图1所示的实施例中，微小飞行器沿壳体1轴向方向的加速度一般较大，即在微小飞行器高动态运动时，沿壳体1轴向的加速度一般可超过50g，此时第一双轴微机械加速度计的敏感轴的方向设置成与该轴向方向一致即可。

当然，本发明并不限于此，在本发明的另一些实施例中，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程在±70g之间。也就是说，第一双轴微机械加速度计的量程可以是±70g之间，或第二双轴微机械加速度计的量程在±70g之间，当然第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计的量程也可均为±70g之间。

换言之，只要保证第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程超过±50g就可以用于测量微小飞行器在高动态、大过载运动状态下的加速度，例如第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程在±60g、±80g或±90g，再者，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计中的一个的量程为±60g、±80g或±90g，另一个为±35g，即只要满足第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程超过±50g，且其敏感轴位于微小飞行器运动时加速度较大的那个方向（例如上述中壳体1的轴向方向）即可。

为了更好地将第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计固定在腔室11内，避免第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计在工作时由于飞行器的震动造成损伤，微惯性测量装置100还包括两个安装盒（图未示出），两个安装盒分别设在腔室11内，其中第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计分别设在两个安装盒内。

有利地，安装盒也由硬质塑料制成，例如在本发明的一个具体示例中，第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计分别封装在两个5mm×5mm×2mm的长方体硬质塑料盒内。采用硬质塑料材质的安装盒不仅能减轻盒体的质量，而且不会影响微惯性测量组合在测量微小飞行器运动时各项基本参数的精度，进一步提高了测量数据的准确性。

如图1所示，第一双轴微机械加速度计通过第二转接板6与主电路板3。具体而言，第一双轴微机械加速度计与一组柔性电缆连接至第二转接板6，第二转接板6将电缆延伸连接至主电路板3上，第一双轴微机械加速度计通过该组柔性电缆获得工作所需电压以对外输出测量数据，其中柔性电缆的两端可采用胶体封装，避免在微小飞行器高动态、大过载运动时失效，提高微惯性测量组合工作的稳定性。

同样地，第二双轴微机械加速度计通过第三转接板7与主电路板3相连，其中在第二双轴微机械加速度计和第三转接板7以及主电路板3之间也设有一组柔性电缆，用于向第二双轴微机械加速度计供电并输出第二双轴微机械加速度计测量的数据，该组柔性电缆的两端优选也用胶体封装，避免在微小飞行器高动态运动时失效，更进一步地提高微惯性测量组合工作的稳定性。

由于第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计的尺寸很小，因此为了更好地与第二和第三转接板相连，第一双轴微机械加速度计可焊接至第二转接板6且第二双轴微机械加速度计可焊接至第三转接板7上。这里，需要说明的是，由于第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计封装在硬质塑料盒内，将第一双轴微机械加速度计和第二双轴微机械加速度计分别焊接至第二转接板6和第三转接板7不能理解为将安装盒焊接在相应的转接板上，而是在封装盒的一端引出导片，将导片与相应的转接板焊接在一起。

下面参考图1-图3、图7-图8描述根据本发明实施例的微惯性测量装置100的安装支架8。

为了更好地固定具有第一双轴微机械加速度计的第二转接板6和具有第二双轴微机械加速度计的第三转接板7，惯性测量装置100还包括安装支架8，安装支架8设在腔室11内，且用于固定第二转接板6和第三转接板7。

在本发明的一个示例中，如图1、图7和图8所示，安装支架8包括第一固定板81和第二固定板82，第二转接板6设在第一固定板81上，第三转接板7设在第二固定板82上。其中，第二固定板82的一端与第一固定板81的一端相连且第二固定板82与第一固定板81之间的夹角范围在90°±6′之间，也就是说，第一固定板81和第二固定板82的不垂直度小于6′。有利地，为了提高加工精度，降低第一固定板81和第二固定板82之间的不垂直度，第一固定板81和第二固定板82可一体形成。

理论上第一固定板81与第二固定板82可加工成绝对地垂直，即两固定板之间的夹角刚好为90°，但由于工艺条件、加工设备等诸多因素影响，第一固定板81和第二固定板82在实际生产时不可能加工成绝对地垂直，但是其不垂直度可控制在很小的一个范围内，例如控制在6′内。由此，通过控制第一固定板81和第二固定板82的不垂直度小于6′，且在计算微小飞行器运动姿态时，将第一固定板81和第二固定板82的不垂直度带入相关公式进行计算，也就是说，不能忽略第一固定板81和第二固定板82的不垂直度对计算微小飞行器运动姿态和轨迹的影响，从而最大限度地减小测量误差，以更精准地计算飞行器的运动姿态。

如图1、图7和图8所示，第一固定板81的中央形成有沿第一固定板81的厚度方向贯通第一固定板的第一贯通部，其中第二转接板6设在第一贯通部内。具体地，第一贯通部包括沿第一固定板81的厚度方向形成的第一安装孔811和第一定位孔812，第二转接板6上具有第一凸台61，其中第一凸台61卡设在第一定位孔812内且第二转接板6定位在第一安装孔811内。

其中第一安装孔811和第一定位孔812的面积不同，也就是说，只要第一安装孔811的面积与第一定位孔812的面积不同，第一安装孔811与第一定位孔812的形状也就不同。由此，第一定位孔812通过与第一凸台61的卡合即可实现第二转接板6的定位作用。例如在本发明的一个示例中，第一安装孔811为大体矩形孔，第一定位孔812也为大体矩形孔，且第一安装孔811的面积大于第一定位孔812的面积。当然，第一定位孔812的形状也可以是三角形孔或其它边数大于三的多边形孔，此时第一凸台61具有与第一定位孔812大致相同的外形轮廓。

同样地，第二固定板82的中央形成有沿第二固定板82的厚度方向贯通第二固定板82的第二贯通部，其中第三转接板7设在第二贯通部内。具体地，第二贯通部包括沿第二固定板7的厚度方向形成的第二安装孔821和第二定位孔822，第三转接板7上具有第二凸台71，其中第二凸台71卡设在第二定位孔822内且第三转接板7定位在第二安装孔821内。

其中第二安装孔821和第二定位孔822的面积不同，也就是说，只要第二安装孔821的面积与第二定位孔822的面积不同，第二安装孔821与第二定位孔822的形状也就不同。由此，第二定位孔822通过与第二凸台71的卡合即可实现第三转接板7的定位作用。例如在本发明的一个示例中，第二安装孔821为大体矩形孔，第二定位孔822也为大体矩形孔，且第二安装孔821的面积大于第二定位孔822的面积。当然，第二定位孔822的形状也可以是三角形孔或其它边数大于三的多边形孔，此时第二凸台71具有与第二定位孔822大致相同的外形轮廓。

通过设置凸台与定位孔进行定位，从而可将第二转接板6和第三转接板7更加精确地安装在第一固定板81和第二固定板82上，大大提高了装配效率和装配精度，缩短装配时间。

有利地，第二转接板6和第三转接板7的厚度方向的侧面上均设有橡胶垫。具体地说，第二转接板6沿其厚度方向的两侧面上分别设有一层橡胶垫，同样地，第三转接板7沿其厚度方向的两侧面上也分别设有一层橡胶垫。此时，第二转接板6可通过螺栓分别穿过一层橡胶垫、第二转接板6和另一层橡胶垫将第二转接板6固定在第一固定板81上，且第三转接板7可通过螺栓分别穿过一层橡胶垫、第三转接板7和另一层橡胶垫将第三转接板7固定在第二固定板82上。

通过分别在第二转接板6和第三转接板7厚度方向的侧面上设置橡胶垫，有效隔离了微小飞行器的高频振动，实现减震缓冲的目的，大大提高了微惯性测量装置100的测量精度。

下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的微惯性测量装置100的壳体1以及主电路板3。

如图1-图3所示，壳体1为圆柱形壳体，圆柱形壳体1的顶端沿其周向形成有两个弧形的豁口12，其中两个豁口12沿壳体1的轴线中心对称。主电路板3可拆卸地设在圆柱形壳体1的顶端，其中主电路板3成长圆形，且主电路板3的两个弧形端配合在两个豁口12内，也就是说，主电路板3的两个弧形端可分别卡合在两个豁口12内，主电路板3可通过多个螺栓紧固在壳体1的顶端。

进一步地，微惯性测量装置100还包括两个吸震垫9，两个吸震垫9分别卡合在两个豁口12内，也就是说，主电路板3的一个弧形端与一个豁口12之间设有其中一个吸震垫9，主电路板3的另一个弧形端与另一个豁口12之间设有另外一个吸震垫9。

吸震垫9的形状优选为与豁口12的形状相同，由此可更好地吸收微小飞行器运动时的震动，进一步提高微惯性测量装置100的测量精度。

根据本发明实施例的微惯性测量装置100，初始对准采用重力矢量和地磁场矢量完成，利用重力矢量和地磁场矢量在三维空间的分布，计算得到为微小飞行器的初始姿态，并且通过微惯性测量装置100的微惯性测量组合以及第一和第二双轴微机械加速度计测量的几个基本参数，计算得到微小飞行器其后的运动姿态以及运动轨迹。

由于，微小飞行器高动态、大过载运动时，主电路板3上的电路结构承受很大的冲击力，为避免系统掉电，采用手动开关触发、逻辑电路自锁的方式，在微惯性测量装置100上电工作后，手动开关动作不能使微惯性测量装置100掉电，其中图9为电路原理图。另外，为了方便操作人员启动微惯性测量装置100，顶盖2的中央可形成通孔21，其中用于控制主电路板3的开关从通孔21中露出，以方便电动电路工作。

另外，根据本发明实施例的微惯性测量装置100与微小飞行器的固定方式也有多种且没有特殊要求，其具体固定方式可根据微小飞行器提供的安装空间来选择。例如可在微惯性测量装置100的壳体1上加工定位槽、定位孔或者利用底部、顶部平面来实现定位，并通过螺栓实现最终固定。

优选地，对于微小飞行器（图10中的B）可提供圆柱形腔体安装空间时，可以采用高强度胶体连接，胶连接可以减轻结构的重量，具体地说，胶连接剪切扯离模型如图10所示，设飞行器腔体材料模量为E₁，厚度为t₁，微惯性测量装置100圆柱形壳体1弹性模量为E₂，厚度为t₂；胶层（图10中的C）厚度为h，粘接面附近载荷为P。N₁为弹壳截面轴力，N₂为圆托盘截面轴力，x为考察点距胶体中点的距离。假定忽略载荷偏心，胶层受剪切作用，胶层剪应力与相对位移变形成正比,则有

$N_1=\frac{P}{2}(-\frac{\mathrm{sh\λx}}{\mathrm{sh}\frac{\mathrm{\λl}}{2}}+\frac{E_2{t}_2-E_1{t}_1}{E_1{t}_1+E_1{t}_2}\×\frac{\mathrm{ch\λx}}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\λl}}{2}}+\frac{{2E}_1{t}_1}{E_1{t}_1+E_2{t}_2})$

$N_2=\frac{P}{2}(-\frac{\mathrm{sh\λx}}{\mathrm{sh}\frac{\mathrm{\λl}}{2}}+\frac{E_2{t}_2-E_1{t}_1}{E_1{t}_1+E_1{t}_2}\×\frac{\mathrm{ch\λx}}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\λl}}{2}}+\frac{{2E}_1{t}_1}{E_1{t}_1+E_2{t}_2})$

$\mathrm{\τ}=\frac{\mathrm{\λP}}{2}(\frac{\mathrm{ch\λx}}{\mathrm{sh}\frac{\mathrm{\λl}}{2}}-\frac{E_2{t}_2-E_1{t}_1}{E_1{t}_1+E_2{t}_2}\·\frac{\mathrm{sh\λx}}{\mathrm{ch}\frac{\mathrm{\λl}}{2}})$

$\mathrm{\λ}=\sqrt{\frac{G}{h}(\frac{1}{E_1{t}_1}+\frac{1}{E_2{t}_2})}$

根据实际应用环境，核算τ的大小，选取最大剪切强度不小于5*τ的胶体型号，按照型号胶体的使用方法，将测量装置固定于微小飞行器腔体内。

根据本发明实施例的微惯性测量装置100，具有如下四个优点：1）采用两套不同量程的加速度计实现微小飞行器平稳和大过载情况加速度的准确测量；2）利用重力矢量、地磁场矢量完成初始对准；3）三轴微机械陀螺仪和三轴磁强计进行组合，实现高动态情况下微小飞行器姿态的准确测量；4）在第一和第二双轴微机械加速度计的侧面上设置橡胶垫，有效吸收微小飞行器高动态、大过载运动时产生的有害震动，降低测量误差。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (17)

1.一种微惯性测量装置，其特征在于，包括：

壳体；

顶盖，所述顶盖设在所述壳体的顶端且与所述壳体限定出腔室；

主电路板，所述主电路板设在所述腔室内；

微惯性测量组合，所述微惯性测量组合设在所述腔室内并与所述主电路板相连，所述微惯性测量组合包括三轴微机械陀螺仪、三轴微机械加速度计和三轴磁强计；和

第一和第二双轴微机械加速度计，所述第一和第二双轴微机械加速度计分别设在所述腔室内且分别与所述主电路板相连，其中所述第一和第二双轴微机械加速度计中的至少一个的量程为±70g。

2.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，还包括微惯性测量组合安装盒，所述微惯性测量组合安装盒设在所述腔室内，其中所述微惯性测量组合设在所述微惯性测量组合安装盒内。

3.根据权利要求2所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述微惯性测量组合安装盒由硬质塑料制成。

4.根据权利要求2所述的微惯性测量装置，其特征在于，进一步包括第一转接板，其中所述微惯性测量组合通过所述第一转接板与所述主电路板相连。

5.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第一双轴微机械加速度计的量程为±70g，所述第二双轴微机械加速度计的量程为±35g。

6.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，还包括两个安装盒，所述两个安装盒分别设在所述腔室内，其中所述第一和第二双轴微机械加速度计分别设在所述两个安装盒内。

7.根据权利要求6所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述安装盒由硬质塑料制成。

8.根据权利要求6所述的微惯性测量装置，其特征在于，进一步包括第二和第三转接板，其中所述第一双轴微机械加速度计通过所述第二转接板与所述主电路板相连且所述第二双轴微机械加速度计通过所述第三转接板与所述主电路板。

9.根据权利要求8所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第一双轴微机械加速度计焊接至所述第二转接板且所述第二双轴微机械加速度计焊接至所述第三转接板。

10.根据权利要求9所述的微惯性测量装置，其特征在于，进一步包括安装支架，所述安装支架设在所述腔室内，所述安装支架包括：

第一固定板，其中所述第二转接板设在所述第一固定板上；和

第二固定板，所述第二固定板的一端与所述第一固定板的一端相连且所述第二固定板与所述第一固定板之间的夹角范围在90°±6′之间，其中所述第三转接板设在所述第二固定板上。

11.根据权利要求10所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第一固定板和所述第二固定板一体形成。

12.根据权利要求10所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第一固定板的中央形成有沿所述第一固定板的厚度方向贯通所述第一固定板的第一贯通部，其中所述第二转接板设在所述第一贯通部内；

所述第二固定板的中央形成有沿所述第二固定板的厚度方向贯通所述第二固定板的第二贯通部，其中所述第三转接板设在所述第二贯通部内。

13.根据权利要求12所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第一贯通部包括：沿所述第一固定板的厚度方向形成的第一安装孔和第一定位孔，所述第一安装孔和第一定位孔的面积不同；

所述第二转接板上具有第一凸台，其中所述第一凸台卡设在所述第一定位孔内且所述第二转接板定位在所述第一安装孔内；

所述第二贯通部包括：沿所述第二固定板的厚度方向形成的第二安装孔和第二定位孔，所述第二安装孔和所述第二定位孔的面积不同；

所述第三转接板上具有第二凸台，其中所述第二凸台卡设在所述第二定位孔内且所述第三转接板定位在所述第二安装孔内。

14.根据权利要求11所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述第二和第三转接板的沿厚度方向的侧面上均设有橡胶垫。

15.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述壳体为圆柱形壳体，所述圆柱形壳体的顶端沿其周向形成有两个弧形的豁口，其中所述两个弧形的豁口沿所述壳体的轴线中心对称。

16.根据权利要求15所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述主电路板可拆卸地设在所述圆柱形壳体的顶端，其中所述主电路板呈长圆形，且所述主电路板的两个弧形端配合在所述两个弧形的豁口内。

17.根据权利要求16所述的微惯性测量装置，其特征在于，还包括两个减震垫，所述两个减震垫分别卡合在所述两个弧形的豁口内。