CN107478224B - 惯性测量装置以及机械设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种惯性测量装置以及机械设备，所述惯性测量装置包括PCB板和惯性测量单元，所述PCB板包括PCB主体部，以及自所述PCB板的一侧开槽形成并与所述PCB主体部固定连接的隔离部，所述惯性测量单元设置在所述隔离部。本发明通过优化惯性测量结构的PCB板设计，使得传递到惯性测量结构的机械应力减小乃至于消除，使得机械应力对惯性测量结构中的惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等影响较小，从而降低噪声及减小零偏，有利于发挥出陀螺仪和加速度计的最好性能，进而提升了惯性测量结构的控制精度，特别适合应用于云台、机器人、无人机或载人航空器等设备或领域。
Description
技术领域
本发明涉及惯性测量相关设备的改进，特别是涉及惯性测量装置以及机械设备。
背景技术
无人机技术正在迅速发展，目前无人机行业航拍增稳云台的IMU(惯性测量单元)板通常都是通过锁螺丝的方式固定，具体地说，云台IMU惯性测量单元主要由陀螺仪、加速度计以及主控MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)构成，陀螺仪检测角速度，加速度计检测加速度，将角速度和加速度信息通过串行接口反馈给MCU，MCU做进一步的算法处理，来控制云台3个轴的电机做相应的运动补偿，从而实现云台的增稳控制。IMU板固定在镜头模组上，与Pitch(俯仰角)轴刚性连接，IMU板能实时检测镜头模组3个方向的角速度和加速度，然后通过云台算法去控制3轴电机实现运动补偿，从而实现云台增稳。
但是，这样IMU板就会受到螺丝或者其他固定结构产生的机械应力，陀螺仪和加速计会因为受机械应力而产生噪声、零偏(当输入角速率为零时，陀螺仪的输出量称为陀螺仪的零偏)等性能参数变差甚至损坏的问题，这些问题会导致陀螺仪和加速度计输出精度降低，从而导致云台的控制精度降低，云台增稳性能下降。
在传统IMU板设计时，一般只会根据陀螺仪或加速度计IC(Integrated Circuit集成电路)的布局指导进行PCB(Printed Circuit Board，印制电路板)设计，比如引脚的走线对称，器件周围一定距离不放置其它元件，器件中心不打过孔和走线等。虽然这些设计方案都是从受力的角度去进行PCB设计，这些都只是从MEMOS芯片本身受应力均衡的角度考虑，没有从PCB整体受力的角度去考虑，无法抵抗较大的外部非均衡机械应力，如锁螺丝，装配硬连接等，使得陀螺仪和加速计噪声，零偏等性能变差。
发明内容
基于此，有必要针对如何改进传统的惯性测量结构机械应力较大导致产生噪声及零偏较大等问题，提供一种惯性测量装置以及采用该惯性测量装置的机械设备。
一种惯性测量装置，其包括PCB板和惯性测量单元，所述PCB板包括PCB主体部，以及自所述PCB板的一侧开槽形成并与所述PCB主体部固定连接的隔离部，所述惯性测量单元设置在所述隔离部。
在其中一个实施例中，所述PCB主体部与所述隔离部一体连接。
在其中一个实施例中，所述隔离部上设置连接位，所述惯性测量单元固定连接于所述连接位。
在其中一个实施例中，所述PCB主体部于所述连接位的两侧对称设置一对安装位。
在其中一个实施例中，所述开槽为开设间隔槽，且所述PCB板于每一所述安装位与所述连接位之间均设置有所述间隔槽。
在其中一个实施例中，所述PCB主体部于每一所述安装位的周边设置隔离区。
在其中一个实施例中，所述隔离区为环形。
在其中一个实施例中，所述隔离区为所述PCB板去除导电区的剩余位置。
一种机械设备，其包括上述任一项所述惯性测量装置。
在其中一个实施例中，所述机械设备为云台、机器人、无人机或载人航空器。
上述惯性测量装置以及机械设备，通过优化惯性测量装置的PCB板设计，使得传递到惯性测量装置的机械应力减小乃至于消除，使得机械应力对惯性测量装置中的惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等影响较小，从而降低噪声及减小零偏，有利于发挥出陀螺仪和加速度计的最好性能，进而提升了惯性测量装置的控制精度，特别适合应用于云台、机器人、无人机或载人航空器等设备或领域。
附图说明
图1为本发明一实施例的惯性测量装置的结构示意图。
图2为图1所示实施例的A-A方向剖视放大示意图。
图3为本发明的一实施例的云台结构示意图。
图4为图3所示实施例的另一方向示意图。
图5为图3所示实施例的又一方向示意图。
图6为图3所示实施例的立体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一个实施例是，一种惯性测量装置，其包括PCB板和惯性测量单元，所述PCB板包括PCB主体部，以及自所述PCB板的一侧开槽形成并与所述PCB主体部固定连接的隔离部，所述惯性测量单元设置在所述隔离部。这样，在惯性测量单元与PCB主体部之间开槽，从而能够减小从PCB主体部传递到隔离部最终到达惯性测量单元的机械应力，使得机械应力对惯性测量单元的影响较小，从而降低噪声及减小零偏，有利于发挥出惯性测量单元的较佳性能，进而提升了惯性测量装置的控制精度。例如，自所述PCB板的一侧开槽形成并与所述PCB主体部固定连接的隔离部，为：自所述PCB板的一侧开设槽体，所述隔离部的一部分与所述PCB主体部固定连接，所述隔离部的其余部分通过所开设的槽体与所述PCB主体部间隔设置；一个例子是，所述隔离部自所述PCB板的一侧对称开槽形成并与所述PCB主体部固定连接，即，一种惯性测量装置，其包括PCB板和惯性测量单元，所述PCB板包括PCB主体部，以及自所述PCB板的一侧对称开槽形成并与所述PCB主体部固定连接的隔离部，所述惯性测量单元设置在所述隔离部。例如，自所述PCB板的一侧开设有对称的槽体，所述隔离部的一部分与所述PCB主体部固定连接，所述隔离部的其余部分通过对称的槽体与所述PCB主体部间隔设置；所述槽体亦可称为间隔槽。
例如，所述PCB主体部与所述隔离部一体连接，即，所述PCB主体部与所述隔离部位于同一PCB板，在该PCB板上开槽形成部分相连且相对分离的PCB主体部与隔离部。或者，所述PCB主体部与所述隔离部分离设置，通过连接段相连接。例如，所述惯性测量装置的所述隔离部上设置连接位，所述惯性测量单元固定连接于所述连接位。这样，可以规范惯性测量单元的连接位置，便于整体设计惯性测量装置，并且分别生产惯性测量装置中的PCB板和惯性测量单元。例如，所述PCB主体部于所述连接位的两侧对称设置一对安装位。例如，所述对称设置是相对于某一对称轴的轴对称设置，例如，所述连接位自身为对称结构，所述连接位自身相对于所述对称轴轴对称设置；这样，对称设置的一对安装位，从力学角度上来看，有助于平衡连接位的两侧的受力，从而降低了惯性测量单元于所述PCB主体部的两侧受力不平衡的影响。例如，所述开槽为开设间隔槽，且所述PCB板于每一所述安装位与所述连接位之间均设置有所述间隔槽。一个例子是，两个所述安装位与所述连接位之间，分别设置有一所述间隔槽，两个所述间隔槽对称设置，例如，两个所述间隔槽亦相对于所述对称轴轴对称设置。例如，惯性测量装置的PCB板上设置有连接位；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置有一对安装位；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽。例如，所述连接位用于安装连接惯性测量单元，所述安装位用于安装PCB板；上述惯性测量装置，通过优化惯性测量装置的PCB板设计，使得传递到惯性测量装置的机械应力减小乃至于消除，使得机械应力对惯性测量装置中的惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等影响较小，从而降低噪声及减小零偏，有利于发挥出陀螺仪和加速度计的最好性能，进而提升了惯性测量装置的控制精度，特别适合应用于云台、机器人、无人机或载人航空器等设备或领域。当需要安装多个惯性测量单元时，可以设置多个连接位。例如，所述连接位为一个或多个；当PCB板上设置多个连接位时，任意相邻两个连接位之间也设置有间隔槽，也就是说，任意两个相邻的连接位之间也设置有间隔槽。例如，在惯性测量装置的PCB板上设置一个或多个连接位；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对安装位；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽，且当PCB板上设置多个连接位时，任意相邻两个连接位之间也设置有间隔槽。例如，根据需要安装的惯性测量单元的数量，在惯性测量装置的PCB板上设置一个或多个连接位。又如，在惯性测量装置的PCB板上设置多个连接位；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对安装位；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽，且任意相邻两个连接位之间也设置有间隔槽。其中，在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置的间隔槽，与任意相邻两个连接位之间设置的间隔槽，形状相同或相异。
在其中一个实施例中，在所述PCB板的每一所述安装位的周边设置隔离区，这样，惯性测量单元的噪声能够降低60％左右。例如，惯性测量装置的PCB板上设置连接位；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对安装位；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽；在所述PCB板的每一所述安装位的周边设置隔离区。又如，惯性测量装置的PCB板上设置连接位；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对安装位；在所述PCB板的每一所述安装位的周边设置隔离区；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽。这样，通过设置隔离区，由于隔离区已去除导电铜箔，刚度降低，可以吸收安装位的一部分机械应力。在其中一个实施例中，所述隔离区为环形。例如，所述隔离区为圆环形或方环形或多边形环形等。
例如，所述PCB板于每一所述安装位的周边设置隔离区，这样，由于隔离区已去除导电铜箔，刚度降低，可以吸收安装位的一部分机械应力，从而降低了安装位机械应力对连接位的影响。在其中一个实施例中，所述隔离区为环形。例如，所述隔离区为圆环形或方环形或多边形环形等。
例如，如图1与图2所示，一种惯性测量装置60，其包括PCB板600；所述PCB板600包括隔离部610与PCB主体部620；惯性测量装置的PCB板上设置连接位611；在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对安装位621；在所述PCB板的每一所述安装位的周边设置隔离区622；在所述PCB板的每一所述安装位与所述连接位之间设置间隔槽640；所述隔离部与所述PCB主体部之间通过连接段630相连接并且通过两个间隔槽640相隔断。为了便于理解，图2中的一个安装位621安装了螺丝623，连接位611上安装有惯性测量单元700，例如，惯性测量单元为陀螺仪及/或加速计IC。例如，在所述PCB板的所述连接位的两侧还对称设置其它安装位，即还设置一对或多对安装位；可以理解，在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置一对或多对安装位，例如，在距离所述连接位最近的一对安装位与所述连接位之间设置间隔槽，又如，在所述连接位与每一所述安装位之间设置间隔槽；又如，当具有多个连接位时，以所有连接位为一个整体连接位，在距离所述整体连接位最近的一对安装位与所述整体连接位之间设置间隔槽，或者，在所述整体连接位与每一所述安装位之间设置间隔槽，以此类推。如图2所示，在所述PCB板的所述连接位的两侧对称设置两对安装位。
在其中一个实施例中，所述PCB板为电路板；在其中一个实施例中，所述PCB板为印制电路板，在其中一个实施例中，所述PCB板为印制电路板，所述隔离区为所述印制电路板去除导电区的剩余位置，这样，惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计的噪声能够降低60％左右。一个例子是，所述隔离区为所述印制电路板去除铜箔的剩余位置；例如，所述隔离区，包括所述印制电路板去除铜箔的剩余位置以及所述印制电路板去除铜箔所形成的空间，隔离区的深度为所述印制电路板去除铜箔所形成的空间的深度，例如所述印制电路板去除铜箔的剩余位置的厚度与周围的PCB厚度只相差了2层铜箔的厚度，即隔离区的深度为2层铜箔的厚度，约70微米。又如，所述隔离区的深度为所述PCB板的深度的5％至20％，例如，所述隔离区的深度为所述PCB板的深度的5％或10％。
在其中一个实施例中，所述安装位上设置有安装结构。在其中一个实施例中，所述安装结构包括螺丝。例如，所述螺丝螺接固定于所述安装位上；又如，所述安装结构包括螺丝与螺母，所述螺丝穿设所述安装位并与所述螺母相固定。又如，所述安装结构包括卡扣件或者插接件，用于卡扣或者插接于所述安装位上；可以理解，安装位上的安装结构或者其他固定于安装位上的结构，是机械应力的最主要来源，会使得惯性测量装置受机械应力影响产生性能参数变差甚至损坏的问题，性能参数变差主要包括噪声增大、零偏增加等，这些问题会导致陀螺仪和加速度计输出精度降低，从而导致采用惯性测量装置的机械设备出现问题，例如云台的控制精度降低，以及云台增稳性能下降等。
例如，采用间隔槽和掏空螺丝孔周围的铜箔的方式，实现阻断机械应力和吸收机械应力，使得IMU受机械应力的影响的程度降到最低，提升IMU性能。其中间隔槽的方式和位置根据应力源所在位置不同，可以灵活调整。所述PCB板因锁螺丝固定会产生机械应力，其他固定板卡的方式，只要对板卡会产生机械应力，本发明的各个实施例都是适用的。本发明的惯性测量装置的各实施例中，采用单独间隔槽或隔离区的设计，惯性测量单元的噪声能够降低60％左右，而采用同时设计间隔槽和隔离区的实施例，惯性测量单元能够降低90％以上的因机械应力引起的噪声，从而极大地提升了惯性测量单元的输出精度，配合控制算法最终使得采用所述惯性测量装置的机械设备的控制精度可以达到0.01°。
例如，所述间隔槽只去掉PCB板的铜箔形成槽区或者切除部分PCB板形成槽区，两种形成槽区的方式都可以达到削弱应力的效果，其中，只去掉PCB板的铜箔形成槽区对削弱应力的效果会比切除部分PCB板形成槽区的效果差。在其中一个实施例中，两所述间隔槽对称设置；例如，两所述间隔槽轴对称设置；间隔槽的位置和形状与惯性测量单元电路的所占用的PCB区域以及PCB的受力点有关，例如，间隔槽要距离惯性测量电路1mm以上的距离；一个例子是，两个间隔槽，亦即连接位两边的间隔槽位置，为轴对称结构，例如要关于惯性测量单元电路对称，使得惯性测量单元两边受力平衡。如果不对称，惯性测量单元受到的外力不均衡，会使得陀螺仪和加速度计噪声及零偏等性能参数变差，导致输出精度降低。例如，所述间隔槽为L形，两个L形的间隔槽对称设置，所述连接位处于两个L形的间隔槽之间；又如，所述间隔槽为矩形，两个矩形的间隔槽对称设置，所述连接位处于两个矩形的间隔槽之间。也就是说，连接位的位置是受到限制的。例如，所述间隔槽的宽度大于1毫米；一个例子是，所述间隔槽的宽度与所述连接位的宽度成正比，所述连接位的宽度为两所述间隔槽之间的所述连接位垂直于两所述间隔槽的对称轴方向的长度，可以用微米或者毫米作计量单位，当所述连接位的宽度越大时，所述间隔槽的宽度越大，且所述间隔槽的宽度至少大于1毫米。间隔槽宽度主要与PCB制作工艺有关，1mm宽度的槽孔是板厂的常规工艺，有利于降低制版成本。具体宽度可以根据PCB面积大小和PCB板厂的制程能力灵活调整，间隔槽宽度的差异对削弱应力的效果较小，通常只需考虑线路布局、物理强度和制造工序即可。间隔槽宽度可以根据板卡空间大小和PCB制板厂的工艺能力灵活调整，在满足强度要求的前提下，不同的间隔槽宽度对隔离应力的效果基本一致。
在其中一个实施例中，所述间隔槽与所述连接位的距离大于1毫米，这样，间隔槽与连接位所连接的惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等之间存在一定的距离，以确保惯性测量单元电路的布线空间以及PCBA工艺的可制造性；例如，所述间隔槽与所述连接位的距离为1.2、1.5、2、3、4或5毫米等。例如，间隔槽的宽度与连接位的距离、以及与连接位的宽度单独设置，又一个例子是，所述间隔槽与所述连接位的距离，该距离与所述连接位的宽度成正比，同上所述，所述连接位的宽度即为所述连接位垂直于两所述间隔槽的对称轴方向的长度，当所述连接位的宽度越大时，所述间隔槽与所述连接位的距离越大，且所述间隔槽与所述连接位的距离至少大于1毫米。
在其中一个实施例中，所述PCB板于每一所述安装位的周边设置隔离区，所述隔离区围绕所述安装位设置；这样，将连接螺丝孔周围的铜箔与PCB板内其他电气属性的铜箔隔离，使得螺丝孔周围的铜箔与PCB板内的铜箔之间形成不含铜箔的隔离带。例如，所述安装位为圆形或正多边形，所述隔离区为圆环形或正多边环形，例如，所述安装位为圆形，所述隔离区为对应的圆环形，又如，所述安装位为正多边形，所述隔离区为对应的正多边环形，一个例子是，所述隔离区的宽度为所述安装位的直径的30％以上，隔离区的宽度的上限不作限制，根据板卡的可用空间灵活设置即可，例如，所述隔离区的宽度为所述安装位的直径的50％至200％，其中，隔离区的宽度根据板卡的空间可自由设定，例如，隔离区的宽度与板卡的空间有关，如果板卡空间大，那么隔离区的宽度可以做得更宽；一个例子是，所述隔离区的宽度为所述安装位的直径的200％，当隔离区的宽度在大于安装位的直径的2倍时，继续增大隔离区的宽度对削弱应力的效果已非常有限。例如，所述隔离区为圆环形，所述隔离区的宽度即为圆环形的外圆半径与内圆半径的差值，以此类推；例如，所述隔离区的宽度为所述安装位的直径的60％至120％；例如，所述隔离区空置或者所述隔离区填充设置有胶体；例如，所述胶体为橡胶垫圈或所述胶体为液态胶体固化后的结构。
在其中一个实施例中，所述间隔槽包括连通式间隔槽和/或断续式间隔槽；其中，连通式间隔槽为连通的，例如连通式间隔槽为一个矩形或L形，断续式间隔槽为不连通的，断续式间隔槽包括多个相互之间不连通的断续槽区，例如所述断续槽区为圆形、三角形、矩形或其组合；例如，所述断续式间隔槽的宽度与所述连通式间隔槽的宽度相同或相异设置。一个例子是，所述间隔槽包括一条连通式间隔槽，以及一条断续式间隔槽；例如，所述断续式间隔槽位于所述连通式间隔槽与所述连接位之间；又如，所述断续式间隔槽的宽度为所述连通式间隔槽的宽度的1.2至1.5倍，例如所述断续式间隔槽的宽度为所述连通式间隔槽的宽度的1.28倍，这样，可以极好地提升隔离应力的效果；一个例子是，所述间隔槽包括一条连通式间隔槽，以及一条断续式间隔槽，所述断续式间隔槽位于所述连通式间隔槽与所述连接位之间，并且，所述断续式间隔槽的宽度为所述连通式间隔槽的宽度的1.2至1.5倍。
在其中一个实施例中，所述断续式间隔槽包括单层断续式间隔槽和/或多层断续式间隔槽，例如，所述单层断续式间隔槽为一层断续式间隔槽结构，所述多层断续式间隔槽包括至少二层断续式间隔槽结构；在其中一个实施例中，一层所述断续式间隔槽结构包括若干个断续槽区，在其中一个实施例中，所述断续槽区为圆形、三角形、矩形或其组合；例如，所述断续槽区包括若干圆形，类似于省略号形状；在其中一个实施例中，所述多层断续式间隔槽中，各层断续式间隔槽结构对齐设置或交错设置；例如，各层断续式间隔槽结构对齐设置，使得每一层断续式间隔槽结构的各个断续槽区均与相邻层的各个断续槽区对齐，亦即完全重合；例如，各层断续式间隔槽结构交错设置，使得每一层断续式间隔槽结构的各个断续槽区均与相邻层的各个断续槽区相互错开或者部分重合，这样可以达到较好的隔离应力的效果。
在其中一个实施例中，所述PCB板包括隔离部与PCB主体部，所述连接位设置于所述隔离部，所述隔离部与所述PCB主体部之间通过连接段相连接并且通过两所述间隔槽相隔断；在其中一个实施例中，所述连接段的宽度为所述连接位的宽度的5％至80％；例如，所述连接段的宽度为所述连接位的宽度的8％至40％，例如，所述连接段的宽度为所述连接位的宽度的15％或38％。连接段的宽度较窄有利于隔离应力，但是过窄的话则会影响隔离部与PCB主体部之间的物理连接强度，因此需要合理设计连接段的宽度。一个例子是，所述连接段的宽度与所述间隔槽的长度成正比，这样可以使得在震动环境下所述隔离部能够保持较好的刚度。
在其中一个实施例中，所述PCB板为硬性电路板和/或柔性电路板；例如，当所述PCB板为硬性电路板时，所述隔离部、所述连接段与所述PCB主体部一体设置，例如，所述连接段为整体连续结构或者所述连接段具有至少一层所述断续式间隔槽结构；所述整体连续结构为矩形连续结构、弧形连续结构或者波浪形连续结构；又如，当所述PCB板为柔性电路板(FPC)时，所述隔离部与所述PCB主体部分别设置有补强结构，且所述隔离部与所述PCB主体部之间设置至少一连接桥，所述隔离部与所述PCB主体部通过所述连接桥相互固定；例如，所述隔离部的补强结构与所述PCB主体部的补强结构通过所述连接桥相互固定；所述连接段用于保证惯性测量装置的PCB板不易形变；例如，所述补强结构包括所述隔离部的补强结构与所述PCB主体部的补强结构，所述补强结构及/或所述连接桥设置于FPC背面，例如，所述补强结构及/或所述连接桥为钢片或FR4板材等；在其中一个实施例中，所述连接桥垂直或倾斜于所述隔离部；例如，当具有两个所述连接桥时，两个所述连接桥对称设置。例如，两个所述连接桥整体为“||”或者“八”形。柔性电路板与连接桥的设计，使得隔离部与PCB主体部可以分别制造、组装使用，可以使得柔性电路板具有硬性电路板的刚度，且通过柔性电路板实现电路连接以及通过连接桥实现隔离部与PCB主体部的相互固定，有利于进一步切断和削弱机械应力的能量传递，从而降低机械应力对惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等的不良影响。
本发明的又一实施例，PCB板以硬性的印制电路板为例，惯性测量单元以陀螺仪和加速度计为例，对本发明及其各实施例的优化和优点进一步作出说明。首先，将陀螺仪和加速度计芯片所在的电路区域开设间隔槽，与产生应力源的PCB区域隔离，并且，在PCB受应力较小的区域实现单点连接，可以理解，所述单点并不是数学意义上的一个点，可以理解为一个如上所述的连接段。单点的形状或其宽度与间隔槽长度有关，例如间隔槽长度长，为了使惯性测量单元所在区域的PCB在震动环境下，能够保持较好的刚度，单点连接的宽度就要求更宽。例如间隔槽长度短，则单点连接的宽度就可以变窄。其次，将连接安装位例如螺丝孔周围的铜箔与PCB板内其他电气属性的铜箔隔离，使螺丝孔成为孤岛。这样设计的原因是，有铜箔的PCB材质刚度要强于没有铜箔的PCB材质。当把铜箔去掉以后，隔离区的刚度变弱，可以吸收一部分机械应力，减少机械应力往板内传递，这样的设计，至少能够达到吸收50％应力的效果。
陀螺仪和加速度计的输出精度、噪声、零偏等直接影响到姿态准确性，进而影响云台IMU算法的精确度和云台控制精度，因此良好的IMU性能对云台的增稳控制非常关键。影响IMU性能的因素很多，本发明惯性测量装置只从机械应力的角度，通过巧妙地优化IMU板PCB设计，减小外部应力对陀螺仪和加速度计的影响，提升IMU性能，从而降低惯性测量装置的噪音，进而能够提升相关机械设备例如云台的控制精度。
下面安装结构以螺丝为例继续说明，因IMU板采用螺丝固定在镜头模组所在的机壳上，PCB板会受到锁螺丝带来的应力，因此从两个方面优化PCB设计。陀螺仪和加速度计芯片所在的电路区域间隔槽，与产生应力源的PCB区域隔离。在PCB受应力较小的区域单点连接；并将连接螺丝孔周围的铜箔与PCB板内其他电气属性的铜箔隔离，使螺丝孔成为孤岛。这样设计的原因是，有铜箔的PCB材质刚度要强于没有铜箔的PCB材质。当把铜箔去掉以后，隔离区的刚度变弱，可以吸收一部分机械应力，减少机械应力往板内传递。
本发明各实施例所述惯性测量装置，对机械应力的阻断和减弱过程是：当锁螺丝时，以及安装结构及其上面的装置发生振动时，应力往板内传递，在隔离区处PCB板刚性变弱，吸收了一部分应力，然后剩余的应力继续往板内传递，当遇到间隔槽后，应力在此处被截断，这样，能传递到陀螺仪和加速度计电路部分的应力只能通过隔离部与PCB主体部之间很窄的连接段。且由于连接段处于上下两个安装位(螺丝孔)的对称点且与螺丝孔距离较远，因此能传递到陀螺仪和加速度计电路部分的应力几乎可以忽略不计了。通过实验证明，IMU板用同样的力锁紧螺丝的条件下，采用本发明所述惯性测量装置，其中的陀螺仪和加速度计的噪声比没做优化的噪声低60％左右，从而极大地提升了陀螺仪和加速计的输出精度，配合控制算法最终使得云台的控制精度可以达到0.01°。这个控制精度是目前航拍云台增稳控制精度的最高水平；且零偏可以降低30％左右。
一种机械设备，其包括上述任一实施例所述惯性测量装置。在其中一个实施例中，所述机械设备为云台、机器人、无人机或载人航空器。例如，一种云台，其包括上述任一项所述惯性测量装置，以此类推。上述机械设备，通过优化惯性测量装置的PCB板设计，使得传递到惯性测量装置的机械应力减小乃至于消除，使得机械应力对惯性测量装置中的惯性测量单元例如陀螺仪和加速度计等影响较小，从而降低噪声及减小零偏，有利于发挥出陀螺仪和加速度计的最好性能，进而提升了惯性测量装置的控制精度。
例如，对于云台，通过优化IMU板的PCB设计，从PCB整体受应力的角度去优化PCB结构设计，使得传递到陀螺仪和加速度计的机械应力减小或消除，使得机械应力对陀螺仪和加速计的不良影响降低或消除，从而发挥出陀螺仪和加速度计的最好性能，进而提升了云台控制精度。例如，一实施例的云台的不同方向示意图分别如图3、图4与图5所示，其包括相机主板100、YAW(航向)轴200(用于确定偏航角)、ROLL(横滚)轴300(用于确定翻滚角)、Pitch(俯仰)轴400(用于确定俯仰角)、IMU板及固定于IMU板上的镜头模组500；云台的立体结构如图6所示。
上面以云台IMU的应用为例，可以理解的是，这种PCB板(或称为板卡)的抗应力设计，不仅可以用于云台IMU，也可以用在其他需要惯性测量单元的设备，如机器人、无人机、载人航空器等，用于减小或避免机械应力对陀螺仪和加速度计的影响
需要说明的是，本发明的其它实施例还包括，上述各实施例中的技术特征相互组合所形成的、能够实施的惯性测量装置以及机械设备。传统IMU板设计时，一般只会根据陀螺仪或加速度计的布线指引进行PCB设计，比如引脚的走线对称，器件周围一定距离不放置其它元件，器件中心不打过孔和走线等。虽然这些设计方案都是从受力的角度去进行PCB设计，但只是从MEMOS芯片本身受应力均衡的角度考虑，没有从PCB整体受力的角度去考虑，无法抵抗较大的外部非均衡机械应力。本发明及其各实施例通过优化PCB板设计，切断和削弱机械应力的能量传递，从而使得机械应力对陀螺仪和加速度计的不良影响降到最低，极大提升了IMU姿态检测的准确度，有利于在现有技术水平上提升控制精度到最高标准。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种惯性测量装置(60)，其特征在于：包括PCB板(600)和惯性测量单元(700)，所述PCB板(600)包括PCB主体部(620)，以及自所述PCB板(600)的一侧开槽形成并与所述PCB主体部(620)固定连接的隔离部(610)，所述惯性测量单元(700)设置在所述隔离部(610)；其中，自所述PCB板的一侧开设槽体，所述隔离部的一部分与所述PCB主体部固定连接，所述隔离部的其余部分通过所开设的槽体与所述PCB主体部间隔设置。
2.根据权利要求1所述惯性测量装置(60)，其特征在于：所述PCB主体部(620)与所述隔离部(610)一体连接。
3.根据权利要求1所述惯性测量装置(60)，其特征在于：所述隔离部(610)上设置连接位(611)，所述惯性测量单元(700)固定连接于所述连接位(611)。
4.根据权利要求3所述惯性测量装置(60)，其特征在于：所述PCB主体部(620)于所述连接位(611)的两侧对称设置一对安装位(621)。
5.根据权利要求4所述惯性测量装置(60)，其特征在于：所述开槽为开设间隔槽(640)，且所述PCB板(600)于每一所述安装位(621)与所述连接位(611)之间均设置有所述间隔槽(640)。
6.根据权利要求5所述惯性测量装置(60)，其特征在于，所述PCB主体部(620)于每一所述安装位(621)的周边设置隔离区(622)。
7.根据权利要求6所述惯性测量装置(60)，其特征在于，所述隔离区(622)为环形。
8.根据权利要求6所述惯性测量装置(60)，其特征在于，所述隔离区(622)为所述PCB板(600)去除导电区的剩余位置。
9.一种机械设备，其特征在于，包括如权利要求1至8中任一项所述惯性测量装置(60)。
10.根据权利要求9所述机械设备，其特征在于，所述机械设备为云台、机器人、无人机或载人航空器。
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