CN108139216A - 用于提供简单而可靠的惯性测量单元(imu)的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可以支持可移动物体上的测量模块(300)的系统和方法。所述测量模块(300)包括具有一个或多个传感器的第一电路板(305)。此外，所述测量模块(300)包括配重块组装件(310)，其中所述配重块组装件(310)被配置成具有使所述测量模块(300)的固有频率远离所述可移动物体的工作频率的质量。另外，所述第一电路板(305)可以安置于所述配重块组装件(310)内的内腔(311)中。

Description

用于提供简单而可靠的惯性测量单元(IMU)的系统和方法
背景技术
诸如无人载具(例如，无人航空器)等无人可移动物体可以用于执行各种监视、侦察和勘探任务。无人载具可以包括各种感测装置，用于确定当前控制状态和/或状况。因此，无人载具可以自主地或半自主地导航。这是本发明的实施方式旨在涉及的总体领域。
发明内容
本文描述了可以在可移动物体上提供测量模块的系统和方法。所述测量模块包括具有一个或多个传感器的第一电路板。此外，所述测量模块包括配重块组装件，其中所述配重块组装件被配置成具有使所述测量模块的固有频率远离所述可移动物体的工作频率的质量。另外，所述第一电路板可以安置于配重块组装件内的内腔中。
附图说明
图1是根据本发明各个实施方式的、无人航空器的振动模型的示例性图示。
图2是根据本发明各个实施方式的、具有减振的惯性测量单元(IMU)的分解图的示例性图示。
图3是根据本发明各个实施方式的、简单而可靠的惯性测量单元(IMU)的分解图的示例性图示。
图4是根据本发明各个实施方式的、部分组装的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。
图5是根据本发明各个实施方式的、组装的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。
图6是根据本发明各个实施方式的、替代的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。
图7示出根据本发明各个实施方式的、提供可移动物体上的测量模块的流程图。
具体实施方式
在附图中通过示例而非通过限制的方式图示了本发明，其中相似参考标记指示相似元件。应当注意，本公开内容中提及的“一种”、“一个”或“一些”实施方式并不一定是指同一实施方式，并且这样的提及意指至少一个。
以下对本发明的描述使用无人航空器作为可移动物体的示例。对于本领域技术人员将会显而易见的是，可以不受限制地使用其他类型的可移动物体。
关于无人航空器的振动模型
根据本发明的各个实施方式，诸如无人航空器、无人载具、手持设备或机器人等可移动物体可以利用测量模块(或装置)来获得控制该可移动物体所必需的各种类型的信息。
图1是根据本发明各个实施方式的、无人航空器的振动模型的示例性图示。如图1中所示，无人航空器100可以使用测量模块，诸如惯性测量单元(IMU)101，来确定无人航空器100的空间排列(spatial disposition)(以及其他飞行状态参数)。
IMU 101可以包括各种类型的惯性传感器，诸如一个或多个集成式运动传感器和/或一个或多个集成式方向传感器。例如，运动传感器可以包括速度测量仪和/或加速度测量仪(例如，加速度计)，而方向传感器可以包括陀螺仪和重力梯度传感器(例如，梯度仪)。
根据本发明的各个实施方式，IMU 101可以放置于可移动物体的不同的合适部分上，诸如放置在可移动物体的上方、下方、一侧或多侧或者机身110内部。IMU 101可以机械地耦合至可移动物体。可选地，IMU 101可以物理地集成到可移动物体中。
如图1中所示，IMU 101例如可以和主电路板102一起放置于无人航空器100的机身110上。主电路板102可以包括控制模块，所述控制模块包含用于控制无人航空器100的飞行状态的各种逻辑。IMU 101可以与无人航空器100上的控制模块电子地耦合。继而，IMU 101可以测量无人航空器100的空间排列和/或运动。
此外，在可移动物体上可能存在不同的振动源。振动可能使IMU 101所执行的测量的精度和稳定性严重恶化。因此，由于IMU 101的测量结果对于确定各种控制参数十分重要，振动可能不利于对可移动物体的控制。
如图1中所示，无人航空器100可以具有一个或多个马达，其中每个马达都可能是振动源。振动115可以沿着无人航空器100的机身从马达111-114向IMU 101传播。
根据本发明的各个实施方式，测量模块诸如IMU 101可以提供减振以提高测量稳定性。例如，IMU 101可以经由各种减振元件耦合至由无人航空器100所携带的支承底座。由减振元件提供的减振量可以基于IMU 101中的惯性传感器的类型而优化。
图2是根据本发明各个实施方式的、具有减振的惯性测量单元(IMU)的分解图的示例性图示。如图2中所示，IMU 200中的外壳组装件211包括可以配合并锁定在一起的第一外壳构件201和第二外壳构件210。
IMU 200进一步包括电路板205，在所述电路板205上可以安置对于振动敏感的各种类型的传感器(诸如惯性传感器)。为了防止振动使此类传感器的性能恶化，电路板205可以使用柔性材料制成。或者，可以将这些对振动敏感的传感器集成到电路板205中。
根据本发明的各个实施方式，IMU 200可以使用配重块206来降低IMU 200的固有频率。IMU 200的固有频率可以使用以下公式来定义:其中K代表弹性系数而M代表质量。因此，配重块206可被配置成具有能够使IMU 200的固有频率远离无人航空器的工作频率(例如，50～200Hz)的质量。
如图2中所示，电路板205可以放置于配重块206的表面上(例如，固定在配重块206的顶面上)。或者，电路板205可以例如使用黑胶埋入配重块206的表面上的凹陷区域中。
此外，为电路板205提供支撑的配重块206可以与减震胶片204和207以及泡棉203和208一起放置于外壳组装件211中，这样可以进一步减少振动。
根据本发明的各个实施方式，可以使用粘接材料(例如，双面胶209)来固定外壳组装件211中的配重块206、减震胶片204和207以及泡棉203和208。
此外，为了以符合要求的精度组装IMU 200，可以使用各种工具(诸如夹具)来恰当地处理外壳组装件211中的各个组件203-208。而且，可以使用定位装置(例如，定位胶片202)来将不同组件203-208精确地放置在外壳组装件201中，例如，放置在外壳组装件211的内表面上。
简单而可靠的惯性测量单元(IMU)
图3是根据本发明各个实施方式的、简单而可靠的惯性测量单元(IMU)的分解图的示例性图示。如图3中所示，IMU 300中的外壳组装件309包括可以配合并锁定在一起的第一外壳构件301和第二外壳构件308。
根据本发明的各个实施方式，IMU 300可以包括配重块组装件310。配重块组装件310可被配置成具有能够使IMU 300的固有频率远离无人航空器的工作频率(例如，50～200Hz)的质量。
IMU 300进一步包括电路板305，在所述电路板305上可以安置对于振动敏感的不同类型的传感器(诸如惯性传感器)。为了防止振动使此类传感器的性能恶化，电路板305可以使用柔性材料制成。或者，这些对振动敏感的传感器可以物理地集成到电路板305中。
如图3中所示，配重块组装件310可以包括第一配重块303和第二配重块306，它们可以牢固地耦合以形成具有内腔311的配重块组装件310。此外，包括惯性传感器的电路板305可以安置于内腔311中。换言之，配重块组装件310被配置成具有适于容纳电路板305的内腔，所述电路板305具有支持IMU 300的一个或多个传感器。
根据本发明的各个实施方式，可以使用不同的耦合机制，将第一配重块303和第二配重块306牢固地耦合在一起(即，形成配重块组装件310)。合适的耦合机制可以基于粘合剂、粘结、焊接和/或紧固件(例如，螺钉、钉、销等)。而且，可以使用泡棉302和/或粘接材料307来将配重块组装件310固定在外壳组装件309中。
此外，可以使用可压缩的散热介质材料304来填充内腔311中的空隙。散热介质材料304可以从电路板305导离热量，并防止电路板305在配重块组装件310内的内腔311中移动。例如，散热介质材料304可以基于硅胶、热凝胶、环氧树脂、相变材料、聚酰亚胺、石墨、铝带和/或硅酮涂层织物。
根据本发明的各个实施方式，由于IMU 300的结构简单，IMU 300的组装过程十分简明直接，并且可以减小IMU 300的尺寸。例如，泡棉302可以预先安装在外壳构件301或308中。此外，不需要使用特殊工具来处理和定位外壳组装件309中的各个组件302-307。而且，组装过程不涉及难以处理的粘胶(诸如黑胶)。而且，由于电路板305与可压缩散热介质材料304一起安置于配重块组装件310的内腔311中，因此IMU 300的性能可靠。
图4是根据本发明各个实施方式的、部分组装的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。如图4中所示，IMU 400中的外壳组装件409包括可以彼此配合并相互锁定的第一外壳构件401和第二外壳构件407。
IMU 400可以包括配重块组装件408，所述配重块组装件408可被配置成具有能够使IMU的固有频率远离无人航空器的工作频率(例如，50～200Hz)的质量。
配重块组装件408可以容纳具有对振动敏感的各种类型传感器(诸如惯性传感器)的电路板(未示出)。此外，连接至配重块组装件408中的电路板的柔性信号线403可以保持(或稳定)在配重块组装件408的外表面(例如，顶面)上，以避免不期望的移位和/或干扰。
根据本发明的各个实施方式，配重块组装件408可以具有不同配置。例如，配重块组装件408可以是具有内腔(或空腔)的单一配重块。或者，配重块组装件408可以由多个构件或分部(诸如配重块404-405)形成，所述多个构件或分部可以牢固地耦合以形成内腔。
此外，配重块组装件408可以是不同的几何形状。例如，配重块组装件408可以是立方体形状、圆柱体形状、球体形状、椭圆形状、三维多边形形状等。
如图4中所示，配重块组装件408可以和泡棉402和/或粘接材料406一起放置在外壳组装件409中，这防止了配重块组装件408的不必要移动。另外，泡棉402可被配置用于减少可能影响IMU 400中的传感器的性能的振动。此外，泡棉402可以确保IMU 400在符合要求的湿度和温度范围内工作，这有益于达到期望的测量精度。
图5是根据本发明各个实施方式的、组装的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。如图5中所示，IMU 500包括具有第一外壳构件501和第二外壳构件502的外壳组装件509，所述第一外壳构件501和第二外壳构件502彼此配合并相互锁定。
另外，可以使用不同的耦合方法(例如，使用耦合螺栓506-508)将外壳组装件509放置于电路板510上。例如，电路板510可以是无人航空器的控制板或主电路板。此外，电路板510可以包括气压计和必需的加热装置以保持测量环境的符合要求的温度。
根据本发明的各个实施方式，IMU 500可以包括配重块组装件503，所述配重块组装件503放置于外壳组装件509的内部(即，位于外壳组装件509内的内腔中)。配重块组装件503可被配置成具有能够使IMU的固有频率远离无人航空器的工作频率(例如，50～200Hz)的质量。
另外，配重块组装件503可以包括具有惯性传感器的电路板(未示出)，所述电路板可以安置于配重块组装件503中的内腔中。
此外，柔性信号线504可以穿过配重块组装件503上的开口511，并且例如使用插接装置505将配重块组装件503中的电路板与电路板510连接起来。或者，配重块组装件503中的电路板可以经由不同的无线通信协议而电子地与电路板510相连接。
图6是根据本发明各个实施方式的、替代的惯性测量单元(IMU)的示例性图示。如图6中所示，IMU 600包括配重块组装件601，所述配重块组装件601包括具有惯性传感器的电路板(未示出)。此外，配重块组装件601可以具有不同的配置并且可以是不同的形状。
根据本发明的各个实施方式，配重块组装件601可以直接放置于电路板610上。或者，可以在配重块组装件601与电路板610之间放置减震垫(未示出)。因此，可以进一步简化IMU 600的结构，并且可以大幅减小IMU 600的尺寸。
如图6中所示，柔性信号线603可以例如使用插接装置604将配重块组装件601中的电路板与电路板610连接起来。或者，配重块组装件601中的电路板可以经由不同的无线通信协议而电子地与电路板610相连接。
这里，电路板610可以是无人航空器的控制板或主电路板。例如，电路板610可以包括气压计和必需的加热装置以保持测量环境中的符合要求的温度。
图7示出了根据本发明各个实施方式的、提供可移动物体上的测量模块的流程图。如图7中所示，在步骤701，可以提供第一电路板，其具有支持测量模块的一个或多个传感器。另外，在步骤702，可以在测量模块中提供配重块组装件，其中所述配重块组装件被配置成具有使测量模块的固有频率远离可移动物体的工作频率的质量。继而，在步骤703，可以将所述第一电路板安置于配重块组装件的内腔中。
出于说明和描述的目的提供了本发明的前文描述。这并不旨在成为详尽的或将本发明限制于所公开的精确形式。本发明的广度和范围不应受到任何上文所述示例性实施方式的限制。许多修改和改变对于本领域技术人员将会是显而易见的。修改和改变包括所公开特征的任何相关组合。选择并描述了实施方式以便最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域其他技术人员能够针对适于所设想到的特定用途的各个实施方式和各种修改及组合，来对本发明加以理解。以下权利要求及其等同项旨在限定本发明的范围。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将会在不偏离本发明的情况下想到许多改变、变化和替代。应当理解，在实施本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并从而覆盖这些权利要求及其等同项的范围内的方法和结构。

Claims (30)

1.一种用于支持测量模块的装置，包括：
配重块组装件，其适于放置在可移动物体上的所述测量模块中，其中所述配重块组装件被配置成具有：
使所述测量模块的固有频率远离所述可移动物体的工作频率的质量，以及
内腔，其适于容纳第一电路板，该第一电路板具有支持所述测量模块的一个或多个传感器。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
至少一个所述传感器是惯性传感器，所述惯性传感器包括：
一个或多个速度测量仪；
一个或多个加速度测量仪；
一个或多个陀螺仪；和/或
一个或多个重力梯度仪。
3.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述可移动物体是无人航空器、无人载具、手持设备或者机器人。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
散热介质材料，其填入所述配重块组装件内的所述内腔中的空隙中，其中所述散热介质材料适于：
从所述第一电路板导离热量，以及
防止所述第一电路板在所述配重块组装件内的所述内腔中移动。
5.根据权利要求4所述的装置，其中：
所述散热介质材料选自：硅胶、热凝胶、环氧树脂、相变材料、聚酰亚胺、石墨、铝带和/或硅酮涂层织物。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第二电路板，其中所述第二电路板操作为与所述配重块组装件中的所述第一电路板通信。
7.根据权利要求6所述的装置，进一步包括：
信号线，其穿过所述配重块组装件的开口，并将所述第一电路板与所述第二电路板连接起来。
8.根据权利要求7所述的装置，其中：
所述信号线稳定于所述配重块组装件的外表面上。
9.根据权利要求6所述的装置，其中：
容纳所述第一电路板的所述配重块组装件放置于所述第二电路板上。
10.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述配重块组装件包括多个分部，所述多个分部牢固地耦合在一起以形成所述配重块组装件内的所述内腔。
11.根据权利要求10所述的装置，其中：
所述第一电路板与所述配重块组装件的分部相耦合。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
外壳组装件，其中所述外壳组装件包括适于锁定在一起的第一外壳构件和第二外壳构件。
13.根据权利要求12所述的装置，其中：
使用定位装置将所述配重块组装件定位在所述外壳组装件的内表面上，并使用粘接材料和/或泡棉将所述配重块组装件固定在所述外壳组装件中。
14.根据权利要求12所述的装置，其中：
所述外壳组装件放置于所述可移动物体的一部分上。
15.一种用于组装用于可移动物体的测量模块的方法，包括：
提供第一电路板，其具有支持所述测量模块的一个或多个传感器；
在所述测量模块中提供配重块组装件，其中所述配重块组装件被配置成具有使所述测量模块的固有频率远离所述可移动物体的工作频率的质量，以及
将所述第一电路板安置于所述配重块组装件内的内腔中。
16.根据权利要求15所述的方法，其中：
至少一个所述传感器是惯性传感器，所述惯性传感器包括：
一个或多个速度测量仪；
一个或多个加速度测量仪；
一个或多个陀螺仪；和/或
一个或多个重力梯度仪。
17.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述可移动物体是无人航空器、无人载具、手持设备或者机器人。
18.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
将散热介质材料填入所述配重块组装件内的所述内腔中的空隙中，其中所述散热介质材料适于：
从所述第一电路板导离热量，以及
防止所述第一电路板在所述配重块组装件内的所述内腔中移动。
19.根据权利要求18所述的方法，其中：
所述散热介质材料选自：硅胶、热凝胶、环氧树脂、相变材料、聚酰亚胺、石墨、铝带和/或硅酮涂层织物。
20.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
提供第二电路板，其中所述第二电路板操作为与所述配重块组装件中的所述第一电路板通信。
21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将信号线穿过所述配重块组装件的开口，并将所述第一电路板与所述第二电路板连接起来。
22.根据权利要求21所述的方法，进一步包括：
将所述信号线稳定在所述配重块组装件的外表面上。
23.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：
将容纳所述第一电路板的所述配重块组装件放置于所述第二电路板上。
24.根据权利要求15所述的方法，其中：
所述配重块组装件包括多个分部，所述多个分部牢固地耦合在一起以形成所述配重块组装件内的所述内腔。
25.根据权利要求24所述的方法，进一步包括：
在将所述多个分部耦合在一起之前，将所述第一电路板与所述配重块组装件的分部相耦合。
26.根据权利要求15所述的方法，进一步包括：
提供外壳组装件，其中所述外壳组装件包括适于锁定在一起的第一外壳构件和第二外壳构件。
27.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
使用定位装置将所述配重块组装件定位在所述外壳组装件的内表面上，以及
使用粘接材料和/或泡棉将所述配重块组装件固定在所述外壳组装件中。
28.根据权利要求26所述的方法，进一步包括：
将所述外壳组装件放置于所述可移动物体的一部分上。
29.一种测量模块，包括：
第一电路板，其具有支持所述测量模块的一个或多个传感器；以及
位于所述测量模块中的第一配重块和第二配重块，其中所述第一配重块和所述第二配重块被配置成具有使所述测量模块的固有频率远离可移动物体的工作频率的总质量，并且
其中所述第一电路板安置于在所述第一配重块与所述第二配重块之间形成的内腔中。
30.一种用于组装用于可移动物体的测量模块的方法，包括：
提供第一电路板，其具有支持所述测量模块的一个或多个传感器；
提供第一配重块和第二配重块，其中所述第一配重块和所述第二配重块被配置成具有使所述测量模块的固有频率远离所述可移动物体的工作频率的总质量；以及
将所述第一电路板安置于在所述第一配重块与所述第二配重块之间形成的内腔中。
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