CN108072364A - 微惯性测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微惯性测量装置，包括：外壳；设置在外壳中的MEMS传感装置；对MEMS传感装置起减振作用的减振机构；通过电平转换模块与MEMS传感装置相连的信号处理模块，用于将MEMS传感装置的输出信号进行补偿并输出；设置在外壳中、与MEMS传感装置和信号处理模块相连的电平转换模块，用于将MEMS传感装置输出信号的电平转换为信号处理模块可识别的电平，同时将信号处理模块输出信号的电平转换为MEMS传感装置可识别的电平，并将信号处理模块输出信号的电平转换为标准的RS422电平和429航空接口电平；电源模块。该微惯性测量装置能够较为精确的实时输出角速度信息和加速度信息，测量精度较高。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别是涉及一种微惯性测量装置。
背景技术
目前，低成本导航与制导技术是发展实用化精确制导技术的首要内容。MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems，微机电系统)微惯性测量装置具有成本低、体积小、重量轻、功耗低等优点，因此在汽车定位、精细农用机械车辆导航、林区防火的无人机、精确制导武器、卫星探测等方面具有非常重要的应用价值。
传统的微惯性测量装置一般基于石英惯性器件或光纤惯性器件，即使是基于硅MEMS惯性器件，由于其角速度信息和加速度信息不但随温度变化，在较恶略的振动环境中还存在振中噪声大、零位突变甚至出现异常，以及在强冲击环境下，陀螺仪恢复时间长，冲击前后零位差差距大等各种问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种测量精度较高的微惯性测量装置。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种微惯性测量装置，包括：
整体呈长方体型的外壳；
设置在所述外壳中的MEMS传感装置，包括角运动检测单元和加速度检测单元；
对所述MEMS传感装置起减振作用的减振机构；
设置在所述外壳中、通过电平转换模块与所述MEMS传感装置相连的信号处理模块，用于将所述MEMS传感装置的输出信号进行补偿并输出；
设置在所述外壳中、与所述MEMS传感装置和所述信号处理模块相连的电平转换模块，用于将所述MEMS传感装置输出信号的电平转换为所述信号处理模块可识别的电平，同时将信号处理模块输出信号的电平转换为MEMS传感装置可识别的电平，并将所述信号处理模块输出信号的电平转换为标准的RS422电平和429航空接口电平；
设置在所述外壳中、与外部电源相连并为所述电平转换模块、所述MEMS传感装置和所述信号处理模块供电的电源模块。
优选的，所述角运动检测单元包括三个MEMS陀螺仪，所述加速度检测单元包括三个MEMS加速度计，所述MEMS传感装置还包括中间座；
所述中间座整体呈长方体型；
所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计设置在所述中间座的内壁上，且所述三个MEMS陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS加速度计对应的内壁面两两垂直。
优选的，所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计通过粘结的方式设置在所述中间座的内壁上。
优选的，所述减振机构包括四个呈柱形结构的减振部件；四个所述减振部件的一端与所述外壳底面的四个边角对应。
优选的，所述MEMS传感装置的重心位于所述减振机构的受力面上。
优选的，所述减振机构还包括减振垫；所述减振垫设置在所述MEMS传感装置和四个所述减振部件之间。
优选的，所述减振垫呈T字型，所述减振垫的材质为硅橡胶。
优选的，所述信号处理模块包括对所述MEMS传感装置的输出信号进行温度补偿的温度补偿单元、对所述MEMS传感装置的输出信号进行安装误差补偿的安装误差补偿单元。
优选的，所述温度补偿单元通过公式：
对所述MEMS传感装置的输出信号进行温度补偿；其中，为温度变化率，α0、α1、α2和α3为拟合曲线的系数，β为系数，εα为拟合误差。
优选的，所述安装误差补偿单元通过公式：
对所述MEMS传感装置的输出信号进行安装误差补偿；其中，K矩阵为变换矩阵，U和D分别为输出和零位向量。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明实施例可以应用到汽车定位、精细农用机械车辆导航、林区防火的无人机、精确制导武器、卫星探测等方面，通过MEMS传感装置检测当前的角速度信息和加速度信息，信号处理模块对MEMS传感装置的输出信号进行补偿并输出，而MEMS传感装置和减振机构使得微惯性测量组合的环境适应性变好，MEMS传感装置和信号处理模块使得微惯性测量组合的温度变化较少，因此本发明实施例能够提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的微惯性测量装置的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的减振机构的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的微惯性测量装置的电路结构示意图。
具体实施方式
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
如图1所示，为本发明一种微惯性测量装置的一个实施例。参见图1，微惯性测量装置可以包括外壳(图未标)、MEMS传感装置100、减振机构(图未示)、信号处理模块200、电源模块300和电平转换模块400。其中，所述外壳的整体呈长方体型。MEMS传感装置100，设置在所述外壳中，包括角运动检测单元和加速度检测单元。所述减振机构对所述MEMS传感装置起减振作用。信号处理模块200，设置在所述外壳中，通过电平转换模块与MEMS传感装置100相连的，用于将MEMS传感装置100的输出信号进行补偿。电平转换模块400，设置在所述外壳中，用于将所述MEMS传感装置100输出信号的电平转换为所述信号处理模块200可识别的电平，同时将信号处理模块输出信号的电平转换为MEMS传感装置可识别的电平，并将所述信号处理模块200输出信号的电平转换为标准的RS422电平和429航空接口电平。电源模块300，设置在所述外壳中，为MEMS传感装置100、信号处理模块200和电平转换模块400供电。
上述微惯性测量装置，可以应用到汽车定位、精细农用机械车辆导航、林区防火的无人机、精确制导武器、卫星探测等方面。通过MEMS传感装置100检测当前的角速度信息和加速度信息，信号处理模块200对MEMS传感装置100的输出信号进行补偿并输出，而MEMS传感装置100和减振机构使得微惯性测量组合的环境适应性变好，MEMS传感装置100和信号处理模块200使得微惯性测量组合的温度变化较少，因此上述微惯性测量装置能够提高测量精度。
一个实施例中，所述角运动检测单元可以包括三个MEMS陀螺仪。所述加速度检测单元可以包括三个MEMS加速度计。所述MEMS传感装置还包括中间座。所述中间座整体呈长方体型。所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计设置在所述中间座的内壁上，且所述三个MEMS陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS加速度计对应的内壁面两两垂直。
优选的，所述MEMS传感装置还可以包括功能电路(ASIC电路)。所述功能电路用于对所述角运动检测单元和所述加速度检测单元的输出信号进行C/V(电容电压转化)、ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转化)和放大处理以及零偏和灵敏度初步的温度补偿。
作为一种可实施方式，MEMS陀螺仪可以选用MSG7100D型角速度传感器，但不限于此。MEMS加速度计可以选用MSA6000D型微加速度计，但并不限于此。MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，体积小、成本低，分别通过MEMS微机械结构检测角速度信号和加速度信号，并通过ASIC电路进行C/V、ADC转化以及零偏和灵敏度的初步温度补偿。MEMS陀螺仪和MEMS加速度计除了可以输出角速度信号和加速度信号外，还可以输出温度信号，用于后级电路的二次温度补偿。
另外，MEMS传感装置100的外围电路专门为ASIC正常工作设计，包括电阻、电容和电感等分立器件，形式简单，便于实现。
作为一种可实施方式，所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计可以通过粘结的方式设置在所述中间座的内壁上。例如，外围电路集成设置在电路板上；MEMS陀螺仪和MEMS加速度计焊接在所述电路板上；所述电路板通过导热绝缘胶固定在所述中间座的内壁上。
参见图2，一个实施例中，所述减振机构201可以包括四个呈柱形结构的减振部件202。四个所述减振部件202的一端与所述MEMS传感装置的四个边角对应，另一端设置在基座203上。
MEMS传感装置100的重心位于所述减振机构201的受力面上。MEMS传感装置100重心位于所述减振机构201的减振平面上，使得所述减振机构201能够对MEMS传感装置100在三轴方向上等刚度进行减振，提高对MEMS传感装置100的减振效果，进一步提高MEMS传感装置100的测量精度。
进一步的，参见图2，所述减振机构201还可以包括减振垫204。所述减振垫204设置在所述MEMS传感装置和四个所述减振部件202之间。设置减振垫204能够进一步提高所述减振机构201对MEMS传感装置100的减振效果。
一个实施例中，所述减振垫204可以呈工字型。所述减振垫204的材质为硅橡胶。本实施例中，减振垫204采用T型垫，通过选择合适硬度和材质的T型垫，能够控制所述减振机构201的谐振频率，进一步提高所述减振机构201对MEMS传感装置100的减振效果。
其中，减振机构201选用随温度变化较小的硅橡胶材料，减振垫204采用“工”字型设计。所述减振垫204与所述减振部件202过耦合连接，压缩量根据材料的杨氏模量和所述MEMS传感装置100的重量进行设计，最终将减振机构的谐振频率远离惯性器件的谐振点。
另外，还可以通过减小MEMS传感装置100和所述外壳之间的间隙，控制阻尼，从而提高微惯性测量装置在振动和冲击等恶略环境下的适应性。
一个实施例中，所述信号处理模块200可以包括对所述MEMS传感装置100的输出信号进行温度补偿的温度补偿单元、对所述MEMS传感装置100的输出信号进行安装误差补偿的安装误差补偿单元。
其中，传统的MEMS传感装置，包括陀螺以及加速度计补偿的方法是多阶拟合，对于温度曲线相对线性或者相对平滑的曲线有着较为显著的补偿效果。以三阶补偿为例：
K0(t)＝α0+α1(T-T0)+α2(T-T0)2+α3(T-T0)3+εα
其中K0(t)为补偿曲线，α0、α1、α2和α3分别为拟合曲线的系数，εα为拟合误差，T和T0分别为实时温度和常温值。
然而，对于高精度的MEMS传感装置来讲，温度曲线的迟滞则较为明显的影响补偿的效果。即，在升温和降温的时候温度曲线有着较为明显的区别。因此所述温度补偿单元选用带有温度变化率的二维补偿方法，即通过公式：
对所述MEMS传感装置100的输出信号进行温度补偿。其中，为温度变化率，α0、α1、α2和α3分别为拟合曲线的系数，β为系数，εα为拟合误差。
由于工艺的原因，MEMS传感装置100的各个轴向并不是完全正交的，而是有一个交错角，因此需要经过矩阵变换将不正交的矩阵转换成正交矩阵。具体的，所示所述安装误差补偿单元可以通过公式：
对所述MEMS传感装置100的输出信号进行安装误差补偿。其中，K矩阵为变换矩阵，U和D分别为输出和零位向量。
本实施例中，所述信号处理模块200在有丰富的接口并有足够的计算能力的条件下，还能够满足低功耗的需求。可选的，所述信号处理模块200的核心处理芯片可以选用AD公司生产的浮点处理器ADSP-21479型芯片。ADSP-21479型芯片的工作频率高达266MHz，可以满足大量的浮点数据计算，从而保证角速度信号/加速度信号的实时性。
电平转换模块400包括3.3V/5V电平转换单元410、两路隔离422电平转换单元420和429航空接口输出单元430。3.3V/5V电平转换单元410与MEMS传感装置100和信号处理模块200连接，将所述MEMS传感装置输出信号的电平转换为所述信号处理模块可识别的电平，同时将信号处理模块输出信号的电平转换为MEMS传感装置可识别的电平。429航空接口输出单元430和两路隔离422电平转换单元420与信号处理模块200连接，将所述信号处理模块输出信号的电平转换为标准的RS422电平和429航空接口电平。
可选的，电源模块300可允许宽输入电压范围，并对外部电源进行共模抑制，输出预设电压，同时使MEMS传感装置100、信号处理模块200、电平转换模块400的电源与外部电源隔离。参见图3，电源模块300可以包括二次隔离电源输入单元310、第一电压转换单元320和第二电压转换单元330。二次隔离电源输入单元310分别与第一电压转换单元320、第二电压转换单元330、MEMS传感装置100、电平转换模块400连接。第一电压转换单元320为信号处理模块200以及电平转换模块400供电。第二电压转换单元330与429航空接口输出单元420连接。
其中，二次隔离电源输入单元310可以将外部28V电源转换为5V电源。第一电压转换单元320可以将二次隔离电输入单元310的输出电压转换为1.2V电压或3.3V电压。第二电压转换单元330可以将二次隔离电输入单元310的输出电压转换为±15V电压。
另外，可以在保证安装精度的前提下，选择合适的材质和结构，控制所述外壳的模态。
上述微惯性测量装置，陀螺仪零偏不稳定性达1°/h，角度随机游走达0.1°/√h，标度非线性达0.01％；加速度计的零偏稳定性达50ug，标度非线性达0.05％，接近国际先进水平。此外，本系统在强振动和强冲击环境下，其振中稳定性和零位差均在30°/h以内，环境适应性好；其全温区(-45℃～85℃)稳定性达30°/h。
上述微惯性测量装置具有以下优点：MEMS陀螺仪和MEMS加速度计选用自产的高精度MEMS惯性器件，其体积小，精度高，环境适应性好；减震机构通过理论计算和试验，选取合适的谐振频率和阻尼系数，进一步提高在强振动和强冲击环境下的适应性；通过分析MEMS惯性器件的温度特性，选择合适的温度补偿策略，提升微惯性测量组合的测量精度；体积小，重量轻，在达到最优的减振效果的前提下，充分利用空间，选择合适的材质，降低本系统的体积和重量。
本微惯性测量组合可应用的领域包括：航海领域，能够与GPS等进行松耦合，为船只的航向和姿态进行计算；飞机和导弹的短时间姿态测量；炮弹领域，能够承受大g值冲击，且炮弹对运行时间要求较低；高风险领域，对虚拟训练中人体姿态检测，提高虚拟训练的逼真程度和训练效果；汽车领域，对汽车姿态进行实时监控，提高汽车行驶的安全性。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微惯性测量装置，其特征在于，包括：
整体呈长方体型的外壳；
设置在所述外壳中的MEMS传感装置，包括角运动检测单元和加速度检测单元；
对所述MEMS传感装置起减振作用的减振机构；
设置在所述外壳中、通过电平转换模块与所述MEMS传感装置相连的信号处理模块，用于将所述MEMS传感装置的输出信号进行补偿并输出；
设置在所述外壳中、与所述MEMS传感装置和所述信号处理模块相连的电平转换模块，用于将所述MEMS传感装置输出信号的电平转换为所述信号处理模块可识别的电平，同时将信号处理模块输出信号的电平转换为MEMS传感装置可识别的电平，并将所述信号处理模块输出信号的电平转换为标准的RS422电平和429航空接口电平；
设置在所述外壳中、与外部电源相连并为所述电平转换模块、所述MEMS传感装置和所述信号处理模块供电的电源模块。
2.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述角运动检测单元包括三个MEMS陀螺仪，所述加速度检测单元包括三个MEMS加速度计，所述MEMS传感装置还包括中间座；
所述中间座整体呈长方体型；
所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计设置在所述中间座的内壁上，且所述三个MEMS陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS加速度计对应的内壁面两两垂直。
3.根据权利要求2所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述三个MEMS陀螺仪和所述三个MEMS加速度计通过粘结的方式设置在所述中间座的内壁上。
4.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述减振机构包括四个呈柱形结构的减振部件；四个所述减振部件的一端与所述外壳底面的四个边角对应。
5.根据权利要求4所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述MEMS传感装置的重心位于所述减振机构的受力面上。
6.根据权利要求4所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述减振机构还包括减振垫；所述减振垫设置在所述MEMS传感装置和四个所述减振部件之间。
7.根据权利要求6所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述减振垫呈T字型，所述减振垫的材质为硅橡胶。
8.根据权利要求1所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述信号处理模块包括对所述MEMS传感装置的输出信号进行温度补偿的温度补偿单元、对所述MEMS传感装置的输出信号进行安装误差补偿的安装误差补偿单元。
9.根据权利要求8所述的微惯性测量装置，其特征在于，所述温度补偿单元通过公式：
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对所述MEMS传感装置的输出信号进行温度补偿；其中，为温度变化率，α0、α1、α2和α3为拟合曲线的系数，β为系数，εα为拟合误差。
10.根据权利要求8所述的微惯性测量装置，其特征在于，
所述安装误差补偿单元通过公式：
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对所述MEMS传感装置的输出信号进行安装误差补偿；其中，K矩阵为变换矩阵，U和D分别为输出和零位向量。
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