CN103210280B - 一种微型惯性测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微型惯性测量系统，包括壳体、传感组件以及减振器，其中，所述传感组件包括刚性传感支架、装于所述传感支架上的测控电路板、以及设于所述测控电路板上的惯性传感器；所述惯性传感器包括陀螺仪和加速度计；所述传感组件装于所述壳体内；所述减振器装于所述壳体内并设于所述传感组件与壳体内壁之间的空隙中。通过上述结构，本发明微型惯性测量系统的抗噪能力可大幅度提高，并可大幅度缩小惯性测量单元体积和重量。

Description

一种微型惯性测量系统
技术领域
本发明涉及用于无人机等运载体中的捷联惯性导航技术，尤其是涉及一种用于捷联惯性导航中的微型惯性测量系统。
背景技术
捷联式惯性导航是当今迅速发展的一种先进导航技术。它利用直接固连在运载体上的陀螺仪、加速度计等惯性元件测量出运载体相对于惯性参考系的加速度，按照牛顿惯性原理进行积分运算，获得导航坐标系下的速度、姿态角和位置信息，引导运载体从起始点驶向目的地。捷联惯性导航技术利用控制计算机将陀螺仪、加速度计测得的数据进行坐标变换、求解微分方程等数学运算，从姿态矩阵的元素中提取姿态和航向数据，实现导航任务。捷联惯性导航系统利用随时更新的捷联矩阵等数据建立“数学平台”，取代传统的机电式导航平台，从而大大简化了系统结构，使系统的体积和成本大幅度降低，惯性元件便于安装维护；此外，捷联惯性导航系统不依赖外部系统支持，自主获得姿态、速度和位置信息，也不向外界辐射任何信息，具有实时自主，不受干扰，不受地域、时间、气候条件限制，以及输出参数全面等优点，被广泛于航空、航海、交通等多种领域。
捷联惯性导航系统通常由一个惯性测量系统、一个控制计算机、控制显示器和相关支持部件构成。其核心部件惯性测量系统装有陀螺仪和加速度计。惯性测量系统的工作原理是：陀螺仪检测运载体三轴角速率，加速度计检测航行器沿着三轴运动的线性加速度，控制计算机将陀螺仪所测的角速率信号对时间积分运算，推算出瞬时航向、倾角等航行姿态信息，利用加速度计测得的加速度信号，对时间积分运算，推算出瞬时航行速度信息；进行二次积分，即可推算该时段内航行的距离和位置。
惯性测量系统及其姿态解算技术，是影响捷联式惯性导航系统性能的关键技术环节。这是因为惯性测量及其姿态解算，是对运载体实施轨迹控制的前提，它的精度和效率直接影响导航的时效和精度；第二，惯性测量系统要在严酷的气动环境中直接承受振动、冲击和角运动，引发诸多的失稳和误差效应，成为捷联惯性导航系统中薄弱环节；第三，捷联式惯性导航系统面临微型化、产业化方面的挑战，特别是随着微电子技术的发展，要求采用中精度甚至低精度的微机电惯性元器件，到达低成本批量化生产捷联惯性导航产品的目的。
当运载体趋于小型化、微型化时，其基础质量与常规运载体相比有大幅度减小，在航行动力环境中受到的激扰和随机振动比常规载体更为剧烈，系统更不稳定。惯性测量系统必须在力学结构、减振设计，以及微型化工艺等方面提出针对性技术措施，克服导航不稳，精度下降，甚至电子元器件使用寿命缩短的缺陷。
图1是现有一种小型无人机捷联惯性导航系统中所用的惯性测量系统结构示意图。其中采用紧固螺钉将传感支架11紧固在壳体12内部，再用由四个橡胶垫组成减振单元13，从底部将壳体固接在航行器上。传感支架由三块相互垂直的陀螺电路板111、112、113组成(参见图2)，上面分别安装三个单轴陀螺仪111a、112a、113a。其中水平放置的陀螺电路板111为组合陀螺电路板，上面除了装有陀螺111a以外，还装有三轴加速度计111b。三个陀螺仪应安装于三个正交平面上，它们的敏感轴互相垂直，构成测量正交坐标系；组合陀螺电路板111上三轴加速度计111b的测量轴与该电路板上的陀螺111a测量轴平行放置。组合陀螺电路板111通过接插件与调理电路板114及主处理器电路板115直接连接。
上述惯性测量系统的减振结构等效分析见图3，图中质量块M代表惯性测量系统，其质心为m；减振单元用{Ki，ci}表示，其中Ki表示刚度、ci表示阻尼系数，下标i表示减振器中所包含的减振单元的数量，对于图1采用4个橡胶垫作为减振单元，则i＝1，2，3，4；B代表航行运载体；P为减振器的弹性中心。当运载体B航行运动时，对惯性测量系统m产生基础激励，减振单元{Ki，ci}吸收并消耗来自运载体B的强迫振动能量，以P点为中心，作上下弹性运动，以此减小运载体B振动对惯性测量系统m造成的冲击。
上述惯性测量系统存在的问题是：
(1)传感支架结构是三块相互分离的电路板，占用空间大，三个轴向刚度明显差异；
(2)减振单元安装在惯性测量系统的外部，不仅额外占用空间，更重要的是当惯性测量单元受迫振动时，由于刚度不均衡，力学结构不合理，受振时惯性测量系统容易产生扭转振动；
(3)减振器的理想作用范围限于单轴方向，即只能正常衰减来自铅垂x方向的振动，而对其他方向的减振不能有效抑制，使不同自由度上的线振、角振之间发生耦合，减振频带窄。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决传统惯性测量系统中存在的占用空间较大、容易产生扭转振动、减振频带窄等问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是，构造一种微型惯性测量系统，包括壳体、传感组件以及减振器；其特征在于，所述传感组件包括刚性传感支架、装于所述传感支架表面的测控电路板、以及设于所述测控电路板上的惯性传感器，所述惯性传感器包括陀螺仪和加速度计；所述传感组件装于所述壳体内；所述减振器装于所述壳体内并设于所述传感组件与壳体内壁之间的空隙中。
本发明的优选方案中，所述传感支架是正方体刚性支架，在它的至少一个表面刻有凹槽；所述测控电路板是柔性测控电路板；所述柔性测控电路板上至少有一部分电路元件嵌于所述至少一个表面的凹槽中。
本发明的优选方案中，在所述传感支架的六个表面均刻有凹槽；所述柔性测控电路板共有六块、并分别覆盖于所述传感支架的六个表面；每一块所述柔性测控电路板上的电路元件分别嵌装于其所在传感支架表面的凹槽中，使得所述柔性测控电路板平顺地覆盖于所述传感支架的每一个表面。
本发明的优选方案中，所述传感组件中还包括设于所述柔性测控电路板上的抗混叠电路和A/D转换电路；所述惯性传感器包括三个陀螺仪和一个加速度计；所述共六个电路模块分别设于所述六块柔性测控电路板上。
本发明的优选方案中，所述六块柔性测控电路板为一体结构，并沿所述传感支架的棱边作90°弯折后完整覆盖于传感支架的各个表面。
本发明的优选方案中，所述减振器中包括至少两个减振单元，分别设于所述传感组件的其中一个表面与所述壳体内壁之间的空隙中。其中，所述减振器中最好包括六个减振单元。
本发明的优选方案中，所述传感组件被所述六个减振单元悬挂于所述壳体的内腔中心，且所述减振器的弹性中心点P与所述传感组件的质心m重合。
本发明的优选方案中，所述壳体包括下部开口的上壳、以及装于所述开口处的下盖。
由于采取了上述技术方案，本发明具有以下优点：(1)不仅增强了支架刚性，还改进了系统力学结构，实现了三向等刚度减振，使惯性测量系统的抗噪能力大幅度提高；(2)改善了惯性测量系统振动特性，使其固有频率远离陀螺仪抖动器等敏感器件的工作频率，惯性传感器安装面的相对振幅降低到最小；(3)大幅度缩小惯性测量单元体积和重量，扩大了运载体的载荷空间。
附图说明
图1现有小型无人机捷联惯性测量系统示意图。
图2是图1中所示惯性测量系统中的传感支架结构示意图。
图3是图1所示惯性测量系统中的减振系等效模型示意图。
图4是本发明一个实施例中减振器所属内减振单元分布示意图，图中S为壳体上下、左右四个内壁。
图5是本发明一个较佳实施例的传感支架示意图。
图6是与图5配合的柔性测控电路板的外形和元器件布置示意图。
图7是本发明一个较佳实施例中传感组件构成示意图。
图8是与图7配合的壳体结构示意图。
图9是本发明一个较佳实施例中采用的内减振单元与传感组件的位置关系示意图。
图10是本发明一个较佳实施例中微型惯性测量系统的完整装配示意图。
具体实施方式
剧烈的随机振动是捷联惯性导航系统在运行中面临的主要力学环境，振动引起系统性能不稳定或电子元器件损坏，对系统稳定性影响极大。为了减小运载体剧烈随机震动引起电子元器件损坏或惯性测量单元性能不稳定，除了强化各传感器电路板之间的连接刚度以外，还要以减振器为阻尼介质，将惯性测量单元弹性联结到运载体上，以获得满意的减震效果。减振模式的选取不仅影响着惯导系统的减振性能，而且也影响着系统的测量精度，历来是惯导系统结构设计的重要环节。本发明从改良传感支架设计和合理化减振力学结构两个方面着手，提高微型惯性测量系统的性能。
传感支架是安装陀螺仪和测控电路板及连接线的关键部件，工作时经受各种剧烈振动，其中支架上陀螺仪安装面的相对振幅最大，其结构的动态性能将影响到陀螺仪工作的可靠性和精确性，需要具备一定的静强度、抗振强度和疲劳寿命。工艺方面，要求支架安装方便，便于加工制造。合理设计支架结构，改善结构的刚度和阻尼特性，使结构固有频率必须远离陀螺仪抖动器工作振动频率，使陀螺仪安装面的相对振幅为最小。改进支架设计不能宥于传统思维，采用大幅度增加壁厚的方法来提高刚度和提高结构固有频率；而应通过改善结构的材料、外形、结合面等结构设计，提高支架的结构刚度和阻尼。而且，还要从整体出发，处理好支架和减振装置相互制约关系，还要考虑测控电路板在支架上的安装位置和线路走向。
由前面的陈述可以看出，为了克服现有惯性测量系统的上述技术缺陷，本发明采取的技术措施是：从改进惯性测量系统的力学结构入手，提供一个大幅度缩小体积、三向等刚度减振结构的微型惯性测量系统，克服三向刚度不等、共振激励、以及产生扭转振动等缺陷，对捷联惯性导航系统造成的不良影响。
本发明的一个优选实施例如图4至图10所示，这种微型惯性测量系统中包括传感组件12、减振单元、上壳16、下盖18等部件，其中：
传感组件12由传感支架121、惯性传感器122、柔性测控电路板123组成：本实施例中，传感支架121是各平面刻有凹槽，符合一定比重和刚度要求的正方体刚性支架。
惯性传感器122包括陀螺仪和加速度计，其中包括三个陀螺仪和一个加速度计，它们焊接在柔性测控电路板123上。
柔性测控电路板123应当包含传感器信号预处理功能，其中至少包含抗混叠电路和A/D转换电路；电路板基和连接导线采用柔韧材质，以耐受90°的弯折；柔性测控电路板的外形应当与传感支架的平面展开图形全等，当它沿着传感支架棱边作90°弯折后，整张柔性测控电路板能够完整、平顺地覆盖传感支架每一个平面。
具体实施时，抗混叠电路、A/D转换电路、三个陀螺仪、一个加速度计，共六个电路模块分别设于六块柔性测控电路板上。每一块柔性测控电路板上的电路元件分别嵌装于其所在传感支架表面的凹槽中。
上壳16与下盖18构成的内腔形状应与传感组件12的外形相似且空间略大，使得壳体各内壁与传感组件对应平面之间留有基本相等的空间，以安装内减振单元14。
内减振器由若干具有适当阻尼特性的内减振单元构成单元{Ki，ci}14组成，它们安装在上壳16内壁S与传感组件12的6个平面之间，根据运载体不同振动特性决定其数量，最多可达6个。将传感组件悬挂在壳体内腔中心，内减振单元的形变力轴相互正交，内减振器的弹性中心点P与传感组件质心m重合，以均衡吸收并消耗来自运载体的强迫振动。具体实施时，其中的减振单元由具有一定阻尼作用的弹性材料构成，可以采用但不限于弹簧、橡胶垫、硅胶、海绵、或者其他减振材料。
本发明在一个较佳的实施例中，传感支架选用具有一定比重和刚度的金属或者非金属材料，整体加工成一个正方形的传感支架121，整体加工而非组装是为保证支架本身具有足够的刚性，以降低刚性不足和各向异性的测量误差参见图5；
图6是本发明一个较佳实施例中柔性测控电路板123平面展开和元器件布置示意图。柔性测控电路板123的电路板基和连接导线采用柔韧材质，可以耐受90°的弯折；其外形设计成与传感支架外平面展开图全等的形状，因而具有6个展开平面。传感器和其它电子元件焊接在6个展开平面正面的适当位置上。
图7是本发明一个较佳实施例中传感组件构成示意图。柔性测控电路板123正面焊有惯性传感器122和其它电子元件。用柔性测控电路板的正面贴附传感支架121，沿着传感支架棱边作90°弯折，将各传感器或电子元件嵌入传感支架各平面的凹槽之内以后，整张柔性测控电路板背面朝外，将传感支架连同传感、电子元件包络起来，并且完整、平顺地覆盖传感支架每一个平面。
本发明在设计捷联惯性导航减振系统时，把避免或减小振动耦合作为首要考虑因素。如果系统力学结构安排不合理，系统六自由度上的振动互相耦合，产生线振动与角振动交叉激振，致使惯性测量系统的检测数据内含有强烈的自身交叉激振信息，将给系统引入伪运动信号，严重影响惯导系统的测量精度。为了减小减振器对系统角运动测量的干扰，减振系统的角振动频率应尽可能远离惯导系统的测量带宽。在宽带随机振动条件下，减振频率越低减振效率越高。
图8是本发明一个较佳实施例所采用的上壳16设计，它与下盖18构成正方形的内腔为示意清楚图中省略下盖，是容纳传感组件12与减振单元14的场所。上壳16与下盖18构成的壳体内腔的形状，被设计成与传感组件12外形相同的正方形，且比传感组件外形略大。这样设计使得上壳16与下盖18构成的6个壳体内壁，与所对应的传感组件6个外平面之间，留有形状和大小基本相同的空间；当把外形基本相同内减振单元14全部安装其中，形成内减振器总成之后，产生了比较好的减振效果。
图9是本发明一个较佳实施例中采用的全部内减振单元14构成内减振器总成后，与传感组件的位置关系示意图。为了有效衰减或完全吸收对于来自前后、左右、上下6个自由度的对传感组件12的强迫振动，本实施例采用6个内减振单元14，即6个形状相同的减振垫，安装在上壳16内壁与传感组件12之间，将传感组件悬挂在壳体内腔中心位置，且各内减振单元的形变力轴相互正交，以均衡吸收并消耗来自运载体的强迫振动。
图10是本发明一个较佳实施例中关于微型惯性测量系统2.1的完整装配示意图。由于实行了上述一系列技术措施，保证了减振器的固有频率、减振系数、减振效率、机械强度等符合系统的抗冲击及振动要求；使得该微型惯性测量系统的弹性坐标系、惯性坐标系、和求解坐标系三个坐标系，处于各对应坐标轴相互平行、系统质心与减振装置的弹性中心重合的最佳状态，达到各自由度振动间具有较高的去耦效应，以及各固有频率相互接近，获得较窄频率分布的技术效果。
本发明的微型惯性测量系统可用于无人机等自动驾驶飞行器、船只、水下自动探测设备，或是各种车辆、机器人等。除了以上实施例以外，本发明还可以有其他实施方式，例如：(1)其中的壳体结构并不限于上壳与下盖配合的结构，也可是下壳与上盖配合，或者是中间壳体与上下盖配合；(2)可将柔性测控电路板上的六个功能模块全部或部分作集成处理，使得柔性测控电路板的块数可减为六块以下，此时传感支架表面设置的凹槽数量也可相应减少；(3)支架也可以是长方体结构，当然此时电路板的结构需作相应改动。可见，相关的等同替换技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种微型惯性测量系统，包括壳体、传感组件以及减振器；其特征在于，所述传感组件包括测控电路板、以及设于所述测控电路板上的惯性传感器；所述传感组件装于所述壳体内；所述减振器装于所述壳体内并设于所述传感组件与壳体内壁之间的空隙中, 所述传感组件还包括传感支架，所述传感支架包括六个表面，所述传感支架的六个表面均刻有凹槽；所述测控电路板共有六块，每一块所述测控电路板上的电路元件分别嵌装于其所在传感支架表面的凹槽中。
2. 根据权利要求1所述的微型惯性测量系统，其特征在于，惯性传感器包括陀螺仪和加速度计。
3. 根据权利要求2所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述传感支架是正方体刚性支架，所述测控电路板是柔性测控电路板。
4. 根据权利要求3所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述柔性测控电路板平顺地覆盖于所述传感支架的每一个表面。
5. 根据权利要求4所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述传感组件中还包括设于所述柔性测控电路板上的抗混叠电路和A/D转换电路；所述惯性传感器包括三个陀螺仪和一个加速度计；所述抗混叠电路、A/D转换电路、三个陀螺仪和一个所述加速度计共六个电路模块分别设于所述六块柔性测控电路板上。
6. 根据权利要求5所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述六块柔性测控电路板为一体结构，并沿所述传感支架的棱边作90°弯折后完整覆盖于传感支架的各个表面。
7. 根据权利要求4所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述减振器中包括至少两个减振单元，分别设于所述传感组件的其中一个表面与所述壳体内壁之间的空隙中。
8. 根据权利要求5所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述减振器中包括六个减振单元。
9. 根据权利要求8所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述传感组件被所述六个减振单元悬挂于所述壳体的内腔中心，且所述减振器的弹性中心点P与所述传感组件的质心m重合。
10. 根据权利要求1-9中任一项所述的微型惯性测量系统，其特征在于，所述壳体包括下部开口的上壳、以及装于所述开口处的下盖。
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