CN103776448B - 一种姿态航向参考系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种姿态航向参考系统，包括数据采集模块和数据处理模块；其中，所述数据采集模块由角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块组成，角速度检测模块由三轴陀螺仪及其辅助元件组成，线加速度检测模块由三轴加速度计及其辅助元件组成，地磁强度检测模块由三轴磁传感器及其辅助元件组成；数据处理模块由微处理器及其辅助元件组成，对数据采集模块采集到的信号进行处理；数据采集模块和数据处理模块装配在一块印制电路板上，其中所述辅助元件为电阻或电容。本发明的姿态航向参考系统无需正交框架或基座、制作安装工序简单、精度高、重量轻。
Description
技术领域
本发明属于导航、制导与控制技术领域，更具体地，涉及一种姿态航向参考系统。
背景技术
姿态航向参考系统（Attitude and Heading Reference System，AHRS），主要由三轴角速度传感器、三轴线加速度传感器、三轴磁传感器和微处理器组成，微处理器对所有传感器件采集到的数据进行解算和融合，得到所附运载体的空间姿态和航向信息，即俯仰角、横滚角和航向角。姿态和航向信息是导航和控制过程中的关键信息，在载入姿态航向参考系统所附运载体的俯仰角、横滚角和航向角后，可以进而推导出运载体的速度、位置和运动轨迹。因此，姿态航向参考系统在航天器、导弹、车辆的导航以及卫星、机器人、平台的姿态控制等领域有着广泛的应用。
根据惯性导航系统技术，为了保证姿态航向参考系统处理得到的姿态和航向信息的准确性，上述三类传感器件的敏感轴X、Y、Z轴必须分别平行且相互之间必须正交，为了满足此条件，一般需要特定的装置来安装固定角速度传感器、线加速度传感器及磁传感器。在现有技术中，通常是先加工制作一个具有正交结构的框架或基座，再将角速度传感器、线加速度传感器及磁传感器安装固定在框架或基座的不同面上。
如专利号为CN200610011562.1的中国发明申请专利《一种轻小型惯性测量单元》：采用微机电系统（micro-electro-mechanical system，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；“T”形空心架是一个由主金属框和辅金属框结合形成的具有正交结构的框架，采用低密度、高强度材料的铝合金或钛合金制成；三块不同的惯性器件板上均有微型陀螺仪、微型加速度计和接插件，且三块板上的微型加速度计的位置分布各不相同；当一块信号处理电路板无法实现全部信号转换功能时，需要增加额外的信号处理电路板。这种方法需要使用多块不同的印制电路板，增加了整个系统的制作成本和周期；所有的印制电路板均通过螺栓配合螺母的方式安装固定在“T”形金属框架上，安装工序多，且易引入较大的安装误差；使用辅助装置“T”形金属框架来提供正交结构，增加了系统的加工制作成本，同时增加了系统的重量，不利于系统轻型化的发展。
再如专利号为CN200710063635.6的中国发明申请专利《一种隐式结构微型惯性测量单元》：按照一定垂直度、平面度和光洁度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方体基座；利用具有一定光洁度的合成陶瓷材料表面可电镀电路的特点，根据加速度计和陀螺的封装、电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路并附着焊盘；把加速度计和陀螺直接焊接在基座互相垂直的面上，以保证三个敏感方向的加速度计和陀螺相互垂直。这种方法需要进行多次电镀工序将电路和焊盘电镀在正方体陶瓷基座的不同表面上，制作工序复杂、周期长；使用正方体陶瓷基座来提供正交结构，不利于系统轻型化的发展，而且基座表面可利用的空间有限，当增加器件数量的时候，需要增大正方体基座的体积；此外，使用合成陶瓷材料加工正方体基座，成本较高。
再如专利号为CN201110299117.0的中国发明申请专利《一种基于三维立体封装技术的微型姿态航向参考系统》：包括有位于内核的三维空间集成基座，且该三维空间集成基座为六面体；三维空间集成基座外表面紧覆有多层刚柔结合板；多层刚柔结合板一面内配有微处理器，另外五面分别配装有三个单轴陀螺仪、一个三轴加速度计和一个三轴磁传感器；三维空间集成基座一面制有主器件槽，且微处理器嵌入于该主器件槽内；三维空间集成基座每面四角处均插配有定位螺钉，且定位螺钉还与多层刚柔结合板对应处穿插紧配。这种方法使用刚柔结合板，在六块刚性印制电路板之间进行多次柔性连接，制作工序复杂、周期长、成本高；刚柔结合板通过定位螺钉安装固定在三维空间集成基座上，安装工序多，且易引入安装误差；使用三维空间集成基座提供正交结构，同样不利于系统轻型化的发展。
综上所述，由于使用了具有正交结构的框架或基座，现有技术主要存在以下缺点：
（1）使用框架或基座来提供正交结构，增加了姿态航向参考系统的重量，不利于系统轻型化的发展；
（2）加工制作具有正交结构的框架或基座，增加了姿态航向参考系统的制作成本；
（3）需要设计制作不同的印制电路板、或不同的电镀电路、或结构特殊的刚柔结合板，从而使传感器件位于正交框架或基座的不同面上，制作工序复杂、周期长、成本高；
（4）将传感器件安装固定在正交框架或基座的不同面上时，需要进行多次安装工序，容易引入安装误差，降低了姿态航向参考系统的测量精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中使用正交框架或基座的缺陷，提供一种无需正交框架或基座、制作安装工序简单、精度高、重量轻的姿态航向参考系统。
本发明的技术解决方案是：一种姿态航向参考系统，包括数据采集模块和数据处理模块；数据采集模块由三个子模块：角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块组成，角速度检测模块由三轴陀螺仪及其辅助元件组成，线加速度检测模块由三轴加速度计及其辅助元件组成，地磁强度检测模块由三轴磁传感器及其辅助元件组成；数据处理模块由微处理器及其辅助元件组成，对数据采集模块采集到的信号进行处理；数据采集模块和数据处理模块装配在一块印制电路板上，其中所述辅助元件为电阻或电容。
具体地，当所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁传感器分别由三个单轴MEMS陀螺仪、两个双轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器组成时，X轴MEMS陀螺仪和Y轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为垂直表面贴装封装，Z轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为水平表面贴装封装，YZ轴MEMS加速度计采用的封装形式为垂直表面贴装封装，XY轴MEMS加速度计采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴磁阻传感器采用的封装形式为水平表面贴装封装。
具体地，当所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁传感器分别由三个单轴MEMS陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器组成时，X轴MEMS陀螺仪和Y轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为垂直表面贴装封装，Z轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴MEMS加速度计采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴磁阻传感器采用的封装形式为水平表面贴装封装。
本发明采用具有特定封装结构的陀螺仪、加速度计和磁传感器，使数据采集模块和数据处理模块可以装配在一块印制电路板上，无需使用具有正交结构的框架或基座，与现有技术相比，主要有以下优点：
（1）减轻了姿态航向参考系统的重量，利于系统轻型化的发展；
（2）不需要加工制作额外的框架或基座，降低了姿态航向参考系统的制作成本；
（3）不需要设计制作不同的印制电路板、或不同的电镀电路、或结构特殊的刚柔结合板，减少了系统的制作工序，缩短了系统的制作周期，并进一步降低了系统的制作成本；
（4）传感器件可以通过自动贴片装配在印制电路板上，工序简单，且装配精度高，提高了姿态航向参考系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明的一种航向姿态参考系统采用三个单轴MEMS陀螺仪、两个双轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器情况下的整体结构图，其中图1a为俯视图，图1b为右前俯视图及坐标系方向的规定，图1c为主视图，图1d为右视图，图1e为仰视图，图1f为右前仰视图及其对应坐标系的方向；
图2为本发明的一种航向姿态参考系统采用三个单轴MEMS陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器情况下的整体结构图，其中图2a为俯视图，图2b为右前俯视图及坐标系方向的规定，图2c为主视图，图2d为右视图，图2e为仰视图，图2f为右前仰视图及其对应坐标系的方向；
图3为垂直表面贴装封装单轴MEMS陀螺仪的封装结构图；
图4为水平表面贴装封装单轴MEMS陀螺仪的封装结构图；
图5为垂直表面贴装封装双轴MEMS加速度计的封装结构图；
图6为水平表面贴装封装双轴MEMS加速度计的封装结构图；
图7为水平表面贴装封装三轴磁阻传感器的封装结构图；
图8为水平表面贴装封装三轴MEMS加速度计的封装结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1和图2分别显示了按照本发明的姿态航向参考系统的第一实施方式和第二实施方式的整体结构图。
按照本发明第一实施方式的姿态航向参考系统采用三个单轴MEMS陀螺仪、两个双轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器，如图1中所示，角速度检测模块由X轴MEMS陀螺仪101、Y轴MEMS陀螺仪102、Z轴MEMS陀螺仪103及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的角速度；线加速度检测模块由XY轴MEMS加速度计104、YZ轴MEMS加速度计105及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的线加速度；地磁强度检测模块由一个三轴磁阻传感器106及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的地磁强度；角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块共同组成了数据采集模块。数据处理模块由微处理器107及相应的电阻、电容等辅助元件组成，可以对数据采集模块采集到的三轴角速度、三轴线加速度和三轴地磁强度信号进行解算和融合，得到本发明所附运载体的空间姿态和航向信息。数据采集模块和数据处理模块可以通过一次自动贴片工艺装配在一块刚性印制电路板108上，装配后的效果如图1所示。三个单轴MEMS陀螺仪的信号输出方式均为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信。其中，X轴MEMS陀螺仪101和Y轴MEMS陀螺仪102采用的封装形式为垂直表面贴装封装，其封装结构如图3所示；Z轴MEMS陀螺仪103采用的封装形式为水平表面贴装封装，其封装结构如图4所示。两个双轴MEMS加速度计的信号输出方式均为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信。其中，YZ轴MEMS加速度计105采用的封装形式为垂直表面贴装封装，其封装结构如图5所示；XY轴MEMS加速度计104采用的封装形式为水平表面贴装封装，其封装结构如图6所示。三轴磁阻传感器106的信号输出方式为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信，其采用的封装形式为水平表面贴装封装，封装结构如图7所示。
按照本发明第二实施方式的姿态航向参考系统采用三个单轴MEMS陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器，如图2中所示，角速度检测模块由X轴MEMS陀螺仪201、Y轴MEMS陀螺仪202、Z轴MEMS陀螺仪203及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的角速度；线加速度检测模块由一个三轴MEMS加速度计204及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的线加速度；地磁强度检测模块由一个三轴磁阻传感器205及相应的电阻、电容等辅助元件组成，用于检测X轴、Y轴和Z轴方向上的地磁强度；角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块共同组成了数据采集模块。数据处理模块由微处理器206及相应的电阻、电容等辅助元件组成，可以对数据采集模块采集到的三轴角速度、三轴线加速度和三轴地磁强度信号进行解算和融合，得到本发明所附运载体的空间姿态和航向信息。数据采集模块和数据处理模块可以通过一次自动贴片工艺装配在一块刚性印制电路板207上，装配后的效果如图2所示。三个单轴MEMS陀螺仪的信号输出方式均为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信。其中，X轴MEMS陀螺仪201和Y轴MEMS陀螺仪202采用的封装形式为垂直表面贴装封装，其封装结构如图3所示；Z轴MEMS陀螺仪203采用的封装形式为水平表面贴装封装，其封装结构如图4所示。三轴MEMS加速度计204的信号输出方式为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信，其采用的封装形式为水平表面贴装封装，封装结构如图8所示。三轴磁阻传感器205的信号输出方式为数字输出，通过SPI或I2C等数字接口与微处理器相连，进行数据传输和通信，其采用的封装形式为水平表面贴装封装，封装结构如图7所示。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种姿态航向参考系统，其特征在于，包括数据采集模块和数据处理模块；其中，所述数据采集模块由角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块组成，角速度检测模块由三轴陀螺仪及其辅助元件组成，线加速度检测模块由三轴加速度计及其辅助元件组成，地磁强度检测模块由三轴磁传感器及其辅助元件组成；数据处理模块由微处理器及其辅助元件组成，对数据采集模块采集到的信号进行处理；数据采集模块和数据处理模块装配在一块印制电路板上，其中所述辅助元件为电阻或电容；
当所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁传感器分别由三个单轴MEMS陀螺仪、两个双轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器组成时，X轴MEMS陀螺仪和Y轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为垂直表面贴装封装，Z轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为水平表面贴装封装，YZ轴MEMS加速度计采用的封装形式为垂直表面贴装封装，XY轴MEMS加速度计采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴磁阻传感器采用的封装形式为水平表面贴装封装。
2.一种姿态航向参考系统，其特征在于，包括数据采集模块和数据处理模块；其中，所述数据采集模块由角速度检测模块、线加速度检测模块和地磁强度检测模块组成，角速度检测模块由三轴陀螺仪及其辅助元件组成，线加速度检测模块由三轴加速度计及其辅助元件组成，地磁强度检测模块由三轴磁传感器及其辅助元件组成；数据处理模块由微处理器及其辅助元件组成，对数据采集模块采集到的信号进行处理；数据采集模块和数据处理模块装配在一块印制电路板上，其中所述辅助元件为电阻或电容；
当所述三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁传感器分别由三个单轴MEMS陀螺仪、一个三轴MEMS加速度计和一个三轴磁阻传感器组成时，X轴MEMS陀螺仪和Y轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为垂直表面贴装封装，Z轴MEMS陀螺仪采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴MEMS加速度计采用的封装形式为水平表面贴装封装，三轴磁阻传感器采用的封装形式为水平表面贴装封装。
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| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Liu Chaojun Inventor after: Yu Shuai Inventor after: Zhang Shengzhi Inventor after: Luo Zhang Inventor before: Liu Chaojun Inventor before: Yu Shuai Inventor before: Zhang Shengzhi Inventor before: Yuan Xuebing |
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| COR | Change of bibliographic data |