CN104931046A - 一种微型惯性测量系统 - Google Patents

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    • G01C21/10—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration
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    • G01C21/16—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by using measurements of speed or acceleration executed aboard the object being navigated; Dead reckoning by integrating acceleration or speed, i.e. inertial navigation

Abstract

本发明公开了一种微型惯性测量系统，包含角速度传感器、加速度传感器、放大整形电路、微控制器模块、显示模块、数据传输模块，所述角速度传感器和加速度传感器分别依次通过放大整形电路连接微控制器模块，所述微控制器模块上还连接有显示模块和数据传输模块，本发明体积小、质量轻、功耗低、成本低；通过精确测量载体的3个轴向角速度信息和3个轴向加速度信息进而精确得出载体的移动轨迹。

Description

一种微型惯性测量系统
技术领域
本发明涉及一种惯性检测系统，尤其涉及一种微型惯性测量系统，属于测量控制领域。
背景技术
惯性测量单元（英文：Inertial measurement unit，简称 IMU）是测量物体三轴姿态角( 或角速率) 以及加速度的装置。一般的，一个IMU 包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中用着很重要的应用价值。IMU 大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上，也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。随着技术的发展，更小的器件、更小的部件，在许多方面都表现出了非常独特的优势，有些航天、航空领域中出现了一大批小型化运载体，这就要求它们的惯性测量单元的体积很小、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 加速计迅速发展起来，为微型惯性测量单元的设计和研制提供了有力的支持。现有的微型惯性测量单元大多采用三个方向上使用同种类型的传感器，组成立方体形的结构。六块加工精度很高的金属板组成一个金属六面体作为支架，在金属六面体的六个金属面上安装陀螺仪和加速度计，加速度计安装在六面体的三个互相垂直的中间，以保证三只加速度计敏感轴两两垂直且相交于空间同一点，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，这种结构的惯性测量单元存在的缺点是，体积大、空间利用率不高、不利于微小化。还有一种结构是对方形组合的改进，相比上述的立方结构，体积有了一定的减小，但是空间的利用率还是不高。因此为了进一步更高程度的提高惯性测量单元的空间利用率，减小体积，需要从传感器的结构和原理着手，寻求最佳的解决方案。
例如申请号为“201010250948.4”的一种微型惯性测量系统,涉及捷联惯导技术。该发明从改进惯性测量装置的力学结构入手,提供一个大幅度缩小惯性测量系统体积、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,对捷联惯导系统造成的不良影响。系统包括传感组件1.2、内减振减震器、惯性检测单元壳体1.6、下盖1.8等部件,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1.4组成,它们安装在惯性检测单元壳体1.6内壁S与传感组件1.2的6个平面之间,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。
又如申请号为“201410536806.2”的一种新型微型惯性测量单元组合，包括基座，所述基座上焊接有两个梳齿式结构的加速度计(敏感轴在芯片平面内)、一个单支点扭摆式结构的加速度计(敏感轴垂直于芯片平面)、两个单支点角振动结构的陀螺(敏感轴在芯片平面内)和一个线振动结构的陀螺(敏感轴垂直于芯片平面)。采用不同结构的惯性传感器来检测加速度和角速率三个方向的分量，这样可以不用过多的考虑各传感器敏感轴的位置关系，从而可以使得结构的排列更加紧凑，空间利用率达到最大化，可以采用叠层结构，结构紧凑，抗冲击能力强，适用于小型化和高过载场合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种能够可准确跟踪运动目标，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低的微型惯性测量系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
    一种微型惯性测量系统，包含角速度传感器、加速度传感器、放大整形电路、微控制器模块、显示模块、数据传输模块，所述角速度传感器和加速度传感器分别通过放大整形电路连接微控制器模块，所述显示模块和数据传输模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，角速度传感器，用于实时检测载体三个轴向角速度参数；
加速度传感器，用于实时检测载体三个轴向加速度参数；
放大整形电路，用于对检测的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进行放大整形处理，进而传输至微控制器模块；
微控制器模块，用于根据接收的放大整形处理后的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进而分析得出载体的移动轨迹；
显示模块，用于实时显示微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹；
数据传输模块，用于将微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹传输至监控中心进行远程监控。
    作为本发明一种微型惯性测量系统的进一步优选方案，所述加速度传感器的芯片型号为KXR94。
    作为本发明一种微型惯性测量系统的进一步优选方案，所述角速度传感器的芯片型号为IDG-300。
    作为本发明一种微型惯性测量系统的进一步优选方案，所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
    作为本发明一种微型惯性测量系统的进一步优选方案，所述显示模块采用LCD显示屏。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明体积小、质量轻、功耗低、成本低；
2、本发明通过精确测量载体的3个轴向角速度信息和3个轴向加速度信息进而精确得出载体的移动轨迹。
附图说明
图1是本发明的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
    如图1所示，一种微型惯性测量系统，包含角速度传感器、加速度传感器、放大整形电路、微控制器模块、显示模块、数据传输模块，所述角速度传感器和加速度传感器分别通过放大整形电路连接微控制器模块，所述显示模块和数据传输模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，角速度传感器，用于实时检测载体三个轴向角速度参数；
加速度传感器，用于实时检测载体三个轴向加速度参数；
放大整形电路，用于对检测的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进行放大整形处理，进而传输至微控制器模块；
微控制器器器模块，用于根据接收的放大整形处理后的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进而分析得出载体的移动轨迹；
显示模块，用于实时显示微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹；
数据传输模块，用于将微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹传输至监控中心进行远程监控。
    其中，所述加速度传感器的芯片型号为KXR94，所述角速度传感器的芯片型号为IDG-300，所述微控制器模块采用AVR系列单片机，所述显示模块采用LCD显示屏。
本发明体积小、质量轻、功耗低、采集频率和采集精度高、成本低以及抗冲击能力强，微惯性测量装置的硬件主要由微惯性传感器单元MEMS和微控制器模块组成。微惯性传感器单元由微机械陀螺和微加速度计组成，可精确测量载体的3个轴向角速度信息和3个轴向加速度信息。
 加速度计是惯性导航与惯性制导系统的一类重要敏感元件，用来测量运载体相对惯性空间运动的加速度，经过积分和相关的运算就能得到载体空间的位置。加速度计是一个直接测量元件，它能连续测量运载体的加速度，然后经过计算机解算出运载体速度、经纬度及航程等。本系统采用的KXR94加速度计芯片是Kionix公司生产的三轴加速度计。该加速度计内部已经对温度和电压波动引起的偏差进行了设计补偿，因此由于电压和温度引起的偏差较小。该器件测量范围为±2g，灵敏度系数为560mV／g，非线性度为0.1％，零加速度漂移为±150mg；2.8～3.3V均可工作；功耗很低，静态电流约1.1 mA。
微型惯性测量装置MIMU(Micro Inertial Measure-ment Unit)以其尺寸小、成本低等特点不仅在传统应用领域得到应用。本发明设计了一个高度集成、低功耗及低成本的微型惯性测量装置，可精确地测算出载体的航向角、俯仰角及位置等信息，为运动轨迹跟踪实验打下了基础，也可广泛地应用于民用航空、车辆控制、机器人、工业自动化、探矿、玩具等领域。
AVR单片机具有预取指令功能，即在执行一条指令时，预先把下一条指令取进来，使得指令可以在一个时钟周期内执行；多累加器型，数据处理速度快；AVR单片机具有32个通用工作寄存器，相当于有32条立交桥，可以快速通行；中断响应速度快。AVR单片机有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断；AVR单片机耗能低。对于典型功耗情况，WDT关闭时为100nA，更适用于电池供电的应用设备；有的器件最低1.8 V即可工作；AVR单片机保密性能好。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
    以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以再不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种微型惯性测量系统，其特征在于：包含角速度传感器、加速度传感器、放大整形电路、微控制器模块、显示模块、数据传输模块，所述角速度传感器和加速度传感器分别通过放大整形电路连接微控制器模块，所述显示模块和数据传输模块连接在微控制器模块的相应端口上；
其中，角速度传感器，用于实时检测载体三个轴向角速度参数；
加速度传感器，用于实时检测载体三个轴向加速度参数；
放大整形电路，用于对检测的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进行放大整形处理，进而传输至微控制器模块；
微控制器模块，用于根据接收的放大整形处理后的三个轴向角速度参数和三个轴向加速度参数进而分析得出载体的移动轨迹；
显示模块，用于实时显示微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹；
数据传输模块，用于将微控制器模块分析得出的载体的移动轨迹传输至监控中心进行远程监控。
2.根据权利要求1所述的一种微型惯性测量系统，其特征在于：所述加速度传感器的芯片型号为KXR94。
3.根据权利要求1所述的一种微型惯性测量系统，其特征在于：所述角速度传感器的芯片型号为IDG-300。
4.根据权利要求1所述的一种微型惯性测量系统，其特征在于：所述微控制器模块采用AVR系列单片机。
5.根据权利要求1所述的一种微型惯性测量系统，其特征在于：所述显示模块采用LCD显示屏。
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