CN105928516A - 一种惯性测量单元及其加热装置、惯性测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惯性测量单元及其加热装置、惯性测量系统，用以提高对惯性测量单元加热时的安全性，避免温度过高烧毁惯性测量单元。所述惯性测量单元加热装置，包括：第一保护电路，接收用于调节加热组件加热功率的第一电压信号，并在所述第一电压信号的控制下导通或断开；第二保护电路，接收用于指示所述惯性测量单元温度大于预设最高温度的第二电压信号，并在所述第二电压信号的控制下导通或断开；加热组件，连接在所述第一保护电路和所述第二保护电路之间，在所述第一保护电路和所述第二保护电路均导通时，对所述惯性测量单元进行加热。
Description
技术领域
本发明涉及惯性测量技术领域，尤其涉及一种惯性测量单元加热装置、应用该加热装置的惯性测量单元以及惯性测量系统。
背景技术
在机器人领域如无人机出厂时，需要对机器人的惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)内的陀螺仪和加速度计进行温度标定，校准其温度系数，通常情况下需要进行全工作温度的校准，标定时间长，工序多，而采用恒定工作温度IMU的方案，使IMU工作在恒定的温度下，则只需校准IMU的一个或有限个工作温度，从而简化IMU的标定工作，减少生成工序，节约生产成本。
现有恒定工作温度IMU的方案中，大多采用单个金属氧化物半导体(MetalOxide Semiconductor，MOS)场效应晶体管或单个晶体三极管控制一个或两个发热电阻，通过比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)控制对IMU进行加热，使IMU工作在单一的设定温度下，实现IMU的恒定工作温度。但是采用单个金属氧化物半导体(Metal Oxide Semiconductor，MOS)场效应晶体管或单个晶体三极管控制对IMU进行加热，也即采用单级控制对IMU进行加热，一旦MOS场效应晶体管或者晶体三极管失效，将无法控制对IMU的加热，容易导致IMU温度过高，烧毁IMU。
综上所述，现有技术在对IMU进行加热使IMU工作在单一温度下时，采用单级控制对IMU的加热，一旦单级控制失效，将无法控制对IMU的加热，容易导致IMU温度过高，烧毁IMU。
发明内容
本发明实施例提供了一种惯性测量单元及其加热装置、惯性测量系统，用以提高对惯性测量单元加热时的安全性，避免温度过高烧毁惯性测量单元。
本发明实施例提供的一种惯性测量单元加热装置，该装置包括：第一保护电路，接收用于调节加热组件加热功率的第一电压信号，并在所述第一电压信号的控制下导通或断开；第二保护电路，接收用于指示所述惯性测量单元温度大于预设最高温度的第二电压信号，并在所述第二电压信号的控制下导通或断开；加热组件，连接在所述第一保护电路和所述第二保护电路之间，在所述第一保护电路和所述第二保护电路均导通时，对所述惯性测量单元进行加热。
本发明实施例提供的上述装置中，第一保护电路在接收到的用于调节加热组件加热功率的第一电压信号的控制下导通或断开，第二保护电路在接收到的用于指示IMU温度大于预设最高温度的第二电压信号的控制下导通或断开，而加热组件只有在第一保护电路和第二保护电路均导通时，才对IMU进行加热，也即在对IMU进行加热时，第一保护电路和第二保护电路均可以对IMU的加热进行控制，其中一个保护电路失效时，另一个保护电路仍然可以控制对IMU的加热，与现有技术中采用单级控制对IMU的加热，一旦单级控制失效，将无法控制对IMU的加热，容易导致IMU温度过高，烧毁IMU相比，提高了对IMU加热时的安全性，避免温度过高烧毁IMU。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述第一保护电路包括：第一开关元件和下拉电阻，所述第一开关元件的第一端与所述加热组件的一端相连接，所述第一开关元件的第二端与第一节点相连接，所述第一节点为所述第一电压信号输入端与所述下拉电阻的连接点，所述第一开关元件的第三端与第二节点相连接，所述第二节点为所述下拉电阻与电源负极电压的连接点。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述第二保护电路包括：第二开关元件和上拉电阻，所述第二开关元件的第一端与所述加热组件的另一端相连接，所述第二开关元件的第二端与第三节点相连接，所述第三节点为所述第二电压信号输入端与所述上拉电阻的连接点，所述第二开关元件的第三端与第四节点相连接，所述第四节点为所述上拉电阻与电源正极电压的连接点。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述第一开关元件为场效应管或晶体三极管，所述第二开关元件为场效应管或晶体三极管。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述装置中，所述加热组件包括至少三个加热电阻。
本发明实施例提供的一种惯性测量单元，包括：外壳、加速度计、陀螺仪以及本发明实施例提供的加热装置，所述加速度计、所述陀螺仪以及所述加热装置均设置在所述外壳所形成的腔体内，且所述加热装置中的至少三个加热电阻均匀的设置在所述腔体内。
本发明实施例提供的上述IMU中，在IMU内部使用本发明实施例提供的加热装置，并且将IMU加热装置中的至少三个加热电阻均匀的设置在IMU外壳所形成的腔体内，与现有技术中采用单个或两个发热电阻对IMU进行加热相比，不但加热电阻数量多，而且加热电阻均匀的设置在IMU外壳所形成的腔体内，使得IMU内部的温度分布更加均匀。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述惯性测量单元中，所述外壳所形成的腔体内填充有导热硅胶。
本发明实施例提供的上述IMU中，在外壳所形成的腔体内填充导热硅胶，进一步提高了IMU内部温度分布的均匀性。
本发明实施例提供的一种惯性测量系统，包括：检测单元、控制单元以及本发明实施例提供的惯性测量单元；所述检测单元，用于检测环境温度以及惯性测量单元的实时工作温度，并将检测到的环境温度以及惯性测量单元的实时工作温度发送至控制单元；所述控制单元，用于根据接收到的环境温度设定惯性测量单元的恒定工作温度，并根据设定的惯性测量单元的恒定工作温度与惯性测量单元的实时工作温度之间的关系，调节惯性测量单元中加热装置的加热功率，并且在所述惯性测量单元的实时工作温度大于预设最高温度时，停止所述惯性测量单元中加热装置的工作。
本发明实施例提供的上述惯性测量系统中，通过获取环境温度，并根据获取到的环境温度设定IMU的恒定工作温度，也即IMU的恒定工作温度不是单一的温度点，而是随着环境温度的变化而变化，与现有技术中通过PID控制对IMU进行加热，使的IMU工作在单一的设定温度下，在环境温度远低于设定温度时，增加系统功耗，降低系统可靠性相比，IMU的恒定工作温度随着环境温度的变化而变化，增强了系统可靠性，避免了环境温度远低于恒定工作温度时系统功耗大的问题。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述惯性测量系统中，所述控制单元根据接收到的环境温度设定惯性测量单元的恒定工作温度，包括：所述控制单元设定的所述惯性测量单元的恒定工作温度大于所述环境温度，且所述惯性测量单元的恒定工作温度与所述环境温度之差为预设阈值。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的上述惯性测量系统中，所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的加热功率，包括：所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的工作电压的大小，或者所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的工作电压的占空比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种惯性测量单元加热装置的电路原理示意图；
图2为本发明实施例提供的一种惯性测量单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种惯性测量单元截面的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种应用于机器人如无人机的惯性测量系统的功能模块示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种应用于机器人如无人机的惯性测量系统的功能模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明实施例提供的一种惯性测量单元及其加热装置、惯性测量系统的具体实施方式进行详细地说明。
需要说明的是，本发明实施例提供的惯性测量单元加热装置、应用该加热装置的惯性测量单元以及惯性测量系统，可以用在无人机领域，也可以用在其它的机器人领域。
本发明实施例提供的一种惯性测量单元加热装置，如图1所示，该装置包括：第一保护电路102，接收用于调节加热组件106加热功率的第一电压信号，并在第一电压信号的控制下导通或断开；第二保护电路104，接收用于指示惯性测量单元温度大于预设最高温度的第二电压信号，并在第二电压信号的控制下导通或断开；加热组件106，连接在第一保护电路104和第二保护电路104之间，在第一保护电路102和第二保护电路104均导通时，对惯性测量单元进行加热。
本发明实施例提供的装置中，第一保护电路在接收到的用于调节加热组件加热功率的第一电压信号的控制下导通或断开，第二保护电路在接收到的用于指示IMU温度大于预设最高温度的第二电压信号的控制下导通或断开，而加热组件只有在第一保护电路和第二保护电路均导通时，才对IMU进行加热，也即在对IMU进行加热时，第一保护电路和第二保护电路均可以对IMU的加热进行控制，其中一个保护电路失效时，另一个保护电路仍然可以控制对IMU的加热，与现有技术中采用单级控制对IMU的加热，一旦单级控制失效，将无法控制对IMU的加热，容易导致IMU温度过高，烧毁IMU相比，提高了对IMU加热时的安全性，避免温度过高烧毁IMU。
具体实施时，第一保护电路102包括：第一开关元件Q1和下拉电阻R1，第一开关元件Q1的第一端与加热组件106的一端相连接，第一开关元件Q1的第二端与第一节点M1相连接，第一节点M1为第一电压信号输入端与下拉电阻R1的连接点，第一开关元件Q1的第三端与第二节点M2相连接，第二节点M2为下拉电阻R1与电源负极电压的连接点。其中，第一开关元件Q1为场效应管或晶体三极管。
第二保护电路104包括：第二开关元件Q2和上拉电阻R2，第二开关元件Q2的第一端与加热组件106的另一端相连接，第二开关元件Q2的第二端与第三节点M3相连接，第三节点M3为第二电压信号输入端与上拉电阻R2的连接点，第二开关元件Q2的第三端与第四节点M4相连接，第四节点M4为上拉电阻R2与电源正极电压的连接点。其中，第二开关元件Q2为场效应管或晶体三极管。
值得说明的是，具体实施时，还可以在本发明实施例提供的加热装置的电源正极电压和电源负极电压之间接入储能电容C1，以增强系统的可靠性。
具体实施时，第一电压信号可以是数字信号，也可以是模拟信号，当第一电压信号是数字信号，例如：方波信号时，可以通过调节方波信号的占空比调节加热组件的加热功率，当第一电压信号是模拟信号时，可以通过调节模拟信号的平均电压调节加热组件的加热功率。第二电压信号可以是电平脉冲信号，例如：低电平脉冲信号，在IMU温度高于预设的最高温度时，通过第二电压信号触发断开第二开关元件Q2，避免高温烧毁IMU，其中，预设的最高温度可以根据经验值自由设定，例如：预设的最高温度为80℃。
在一种可能的实施方式中，本发明实施例提供的装置中，加热组件106包括至少三个加热电阻。例如：在本发明实施例图1中示出的加热装置中加热组件106包括四个加热电阻，即加热电阻W1、加热电阻W2、加热电阻W3和加热电阻W4。
本发明实施例提供的一种惯性测量单元，如图2所示，包括：外壳202、加速度计204、陀螺仪206以及本发明实施例提供的加热装置，加速度计204、陀螺仪206以及加热装置均设置在外壳202所形成的腔体内，且加热装置中的至少三个加热电阻均匀的设置在腔体内。图2中示出了加热装置的四个加热电阻208在IMU内部的设置情况，加热电阻均匀的设置在腔体内，较为优选地，加热电阻均匀的设置在加速度计和陀螺仪的四周。
本发明实施例提供的IMU中，在IMU内部使用本发明实施例提供的加热装置，并且将IMU加热装置中的至少三个加热电阻均匀的设置在IMU外壳所形成的腔体内，与现有技术中采用单个或两个发热电阻对IMU进行加热相比，不但加热电阻数量多，而且加热电阻均匀的设置在IMU外壳所形成的腔体内，使得IMU内部的温度分布更加均匀。
如图3所示，图3示出了本发明实施例提供的IMU的截面图，加速度计204、陀螺仪206以及加热电阻208均设置在外壳202所形成的腔体内，且腔体内填充有导热硅胶210，优选为液态导热硅胶。值得说明的是，外壳202一般为金属外壳，例如：铜外壳。在外壳所形成的腔体内填充导热硅胶210，进一步提高了IMU内部温度分布的均匀性。当然，本领域技术人员应当理解的是，腔体内也可以填充其它导热材料。
本发明实施例提供的一种惯性测量系统，应用于机器人中，例如应用于无人机中，如图4所示，包括：检测单元402、控制单元404以及本发明实施例提供的惯性测量单元406；检测单元402，用于检测环境温度以及惯性测量单元406的实时工作温度，并将检测到的环境温度以及惯性测量单元406的实时工作温度发送至控制单元404；控制单元404，用于根据接收到的环境温度设定惯性测量单元406的恒定工作温度，并根据设定的惯性测量单元406的恒定工作温度与惯性测量单元406的实时工作温度之间的关系，调节惯性测量单元406中加热装置的加热功率，并且在惯性测量单元406的实时工作温度大于预设最高温度时，停止惯性测量单元406中加热装置的工作。
本发明实施例提供的惯性测量系统中，通过获取环境温度，并根据获取到的环境温度设定IMU的恒定工作温度，也即IMU的恒定工作温度不是单一的温度点，而是随着环境温度的变化而变化，与现有技术中通过PID控制对IMU进行加热，使的IMU工作在单一的设定温度下，在环境温度远低于设定温度时，增加系统功耗，降低系统可靠性相比，IMU的恒定工作温度随着环境温度的变化而变化，增强了系统可靠性，避免了环境温度远低于恒定工作温度时系统功耗大的问题。
具体实施时，检测单元402包括多个传感器，例如：DS18B20温度传感器，检测当前的环境温度以及惯性测量单元406的实时工作温度，并将当前的环境温度以及惯性测量单元406的实时工作温度发送至控制单元404，控制单元404根据接收到的环境温度设定惯性测量单元406的恒定工作温度，包括：控制单元404设定的惯性测量单元406的恒定工作温度大于当前的环境温度，且惯性测量单元406的恒定工作温度与当前的环境温度之差为预设阈值，其中，预设阈值可以根据经验值自由设定，例如：预设阈值为30℃。
控制单元404根据设定的惯性测量单元406的恒定工作温度与惯性测量单元406的实时工作温度之间的关系，调节惯性测量单元406中加热装置的加热功率，可以采用现有技术中的PID控制方式，此处不再赘述。控制单元404调节惯性测量单元406中加热装置的加热功率，包括：控制单元404调节惯性测量单元406中加热装置的工作电压的大小，或者控制单元404调节惯性测量单元406中加热装置的工作电压的占空比。
值得说明的是，控制单元404在惯性测量单元406的实时工作温度大于预设最高温度时，停止惯性测量单元406中加热装置的工作，同时可以向用户上报报警提示，以提示用户惯性测量单元406的温度大于预设最高温度。
本发明实施例提供的惯性测量系统，可以应用在机器人中，例如：应用在无人机中，其中，检测单元402可以采用传感器，控制单元可以采用CPU处理器等。
作为较为具体的实施例，图5示出了本发明实施例提供的另一种惯性测量系统的功能模块示意图，如图5所示，包括DS18B20温度传感器502、温度PID控制504以及惯性测量单元506，在实现惯性测量单元506工作在恒定的工作温度下时，DS18B20温度传感器502采集当前的环境温度，并将当前的环境温度发送至温度PID控制504，温度PID控制504根据当前的环境温度设定惯性测量单元506的恒定工作温度，该恒定工作温度应大于当前的环境温度，且该恒定工作温度与当前的环境温度之差为预设阈值。
温度PID控制504设定惯性测量单元506的恒定工作温度之后，发送脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，Pwm)电压信号(对应于本发明实施例中IMU加热装置中的第一电压信号)至惯性测量单元506，以控制IMU加热装置对惯性测量单元506进行加热，惯性测量单元506中设置有传感器组，该传感器组用于采集惯性测量单元506的实时工作温度以及姿态数据，并将采集到的传感器数据(也即：惯性测量单元506的姿态数据)以及温度数据(也即：惯性测量单元506的实时工作温度)发送至温度PID控制504，温度PID控制记录惯性测量单元506的姿态数据，并根据惯性测量单元506的实时工作温度与设定的恒定工作温度的关系，调节Pwm电压信号的占空比，调节IMU加热装置的加热功率，具体来说，当惯性测量单元506的实时工作温度大于设定的恒定工作温度时，减小Pwm电压信号的占空比，降低IMU加热装置的加热功率；当惯性测量单元506的实时工作温度小于设定的恒定工作温度时，增大Pwm电压信号的占空比，增加IMU加热装置的加热功率。另外，当惯性测量单元506的实时工作温度大于预设的最高温度时，温度PID控制504发送Lock电压信号(对应于本发明实施例中IMU加热装置中的第二电压信号)至惯性测量单元506，以控制IMU加热装置停止对惯性测量单元506进行加热，同时向用户发出报警提示，Lock电压信号可以是电平脉冲信号，例如：低电平脉冲信号。
在该实施例中，DS18B20温度传感器502以及惯性测量单元506中的传感器组对应于本发明实施例提供的惯性测量系统中检测单元402，温度PID控制504对应于本发明实施例提供的惯性测量系统中控制单元404，惯性测量单元506对应于本发明实施例提供的惯性测量系统中惯性测量单元406。
综上所述，本发明实施例提供的一种惯性测量单元及其加热装置、惯性测量系统，第一保护电路在接收到的用于调节加热组件加热功率的第一电压信号的控制下导通或断开，第二保护电路在接收到的用于指示IMU温度大于预设最高温度的第二电压信号的控制下导通或断开，而加热组件只有在第一保护电路和第二保护电路均导通时，才对IMU进行加热，也即在对IMU进行加热时，第一保护电路和第二保护电路均可以对IMU的加热进行控制，其中一个保护电路失效时，另一个保护电路仍然可以控制对IMU的加热，提高了对IMU加热时的安全性，同时对IMU进行多点加热，使得IMU内部的温度更加均匀，而且IMU的恒定工作温度随着环境温度的变化而变化，增强了系统可靠性。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种惯性测量单元加热装置，其特征在于，该装置包括：
第一保护电路，接收用于调节加热组件加热功率的第一电压信号，并在所述第一电压信号的控制下导通或断开；
第二保护电路，接收用于指示所述惯性测量单元温度大于预设最高温度的第二电压信号，并在所述第二电压信号的控制下导通或断开；
加热组件，连接在所述第一保护电路和所述第二保护电路之间，在所述第一保护电路和所述第二保护电路均导通时，对所述惯性测量单元进行加热。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一保护电路包括：第一开关元件和下拉电阻，所述第一开关元件的第一端与所述加热组件的一端相连接，所述第一开关元件的第二端与第一节点相连接，所述第一节点为所述第一电压信号输入端与所述下拉电阻的连接点，所述第一开关元件的第三端与第二节点相连接，所述第二节点为所述下拉电阻与电源负极电压的连接点。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第二保护电路包括：第二开关元件和上拉电阻，所述第二开关元件的第一端与所述加热组件的另一端相连接，所述第二开关元件的第二端与第三节点相连接，所述第三节点为所述第二电压信号输入端与所述上拉电阻的连接点，所述第二开关元件的第三端与第四节点相连接，所述第四节点为所述上拉电阻与电源正极电压的连接点。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一开关元件为场效应管或晶体三极管，所述第二开关元件为场效应管或晶体三极管。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其特征在于，所述加热组件包括至少三个加热电阻。
6.一种惯性测量单元，其特征在于，包括：外壳、加速度计、陀螺仪以及如权利要求1-5中任一项所述的加热装置，所述加速度计、所述陀螺仪以及所述加热装置均设置在所述外壳所形成的腔体内，且所述加热装置中的至少三个加热电阻均匀的设置在所述腔体内。
7.根据权利要求6所述的惯性测量单元，其特征在于，所述外壳所形成的腔体内填充有导热硅胶。
8.一种惯性测量系统，其特征在于，包括：检测单元、控制单元以及如权利要求6或7所述的惯性测量单元；
所述检测单元，用于检测环境温度以及惯性测量单元的实时工作温度，并将检测到的环境温度以及惯性测量单元的实时工作温度发送至控制单元；
所述控制单元，用于根据接收到的环境温度设定惯性测量单元的恒定工作温度，并根据设定的惯性测量单元的恒定工作温度与惯性测量单元的实时工作温度之间的关系，调节惯性测量单元中加热装置的加热功率，并且在所述惯性测量单元的实时工作温度大于预设最高温度时，停止所述惯性测量单元中加热装置的工作。
9.根据权利要求8所述的惯性测量系统，其特征在于，所述控制单元根据接收到的环境温度设定惯性测量单元的恒定工作温度，包括：
所述控制单元设定的所述惯性测量单元的恒定工作温度大于所述环境温度，且所述惯性测量单元的恒定工作温度与所述环境温度之差为预设阈值。
10.根据权利要求8所述的惯性测量系统，其特征在于，所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的加热功率，包括：
所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的工作电压的大小，或者所述控制单元调节惯性测量单元中加热装置的工作电压的占空比。
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