CN108225313A - 基于冗余mems传感器的航姿仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于冗余MEMS传感器的航姿仪，包括：整体呈长方体型的外壳；设置在所述外壳中的冗余MEMS测量装置，包括相互冗余的多个MEMS传感器，各个所述MEMS传感器的坐标轴相互正交；对所述冗余MEMS测量装置起减振作用的减振机构；设置在所述外壳中、与所述冗余MEMS测量装置相连的信号处理模块，用于将所述冗余MEMS测量装置的输出信号进行信号调理和数据融合；设置在所述外壳中、与外部电源相连并为所述冗余MEMS测量装置和所述信号处理模块供电的电源及接口模块。上述航姿仪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，特别是涉及一种基于冗余MEMS传感器的航姿仪。
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)传感器为基础的IMU(Inertialmeasurement unit，惯性测量单元)/GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)组合导航系统具有成本低、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，冲击前后零位差不符合工程应用需要等各种问题。
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基于冗余MEMS传感器的航姿仪。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于冗余MEMS传感器的航姿仪，包括：
整体呈长方体型的外壳；
设置在所述外壳中的冗余MEMS测量装置，包括相互冗余的多个MEMS传感器，各个所述MEMS传感器的坐标轴相互正交；
对所述冗余MEMS测量装置起减振作用的减振机构；
设置在所述外壳中、与所述冗余MEMS测量装置相连的信号处理模块，用于将所述冗余MEMS测量装置的输出信号进行信号调理和数据融合；
设置在所述外壳中、与外部电源相连并为所述冗余MEMS测量装置和所述信号处理模块供电的电源及接口模块。
优选的，所述冗余MEMS测量装置包括三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和三个MEMS单芯片三轴加速度计，所述冗余MEMS测量装置还包括本体；
所述本体整体呈长方体型；
所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计设置在所述本体的内壁上，且所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS单芯片三轴加速度计对应的内壁面两两垂直。
优选的，所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计通过粘结的方式设置在所述本体的内壁上。
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壳体的四个边角对应。
优选的，所述冗余MEMS测量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呈T字型的减振垫；所述减振垫设置在所述冗余MEMS测量装置和四个所述减振部件之间。
优选的，所述信号处理模块包括：
对各个所述MEMS传感器的输出信号进行数据融合的融合单元；
对所述融合单元的输出信号进行信号调理的信号转换单元。
优选的，所述信号处理模块还包括：
在所述航姿仪启动时，对所述航姿仪的工作数据进行检测的自检单元；
接收地面控制端发送的系统升级数据并根据所述系统升级数据进行系统升级的维护单元；
对各个所述MEMS传感器的输出信号进行温度补偿和误差补偿的补偿单元；
对所述补偿单元的输出进行加权计算的冗余输出加权计算单元；
通过对四元数进行卡尔曼滤波再进行积分的方法，根据所述补偿单元的输出信号和所述偏差矫正单元的输出信号，计算所述航姿仪的航姿的计算单元；
所述自检单元、所述维护单元、所述计算单元和所述补偿单元均设置在所述外壳中。
优选的，所述补偿单元通过公式：
对所述MEMS传感器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，所述外壳与所述冗余MEMS测量装置相贴合。
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，通过包括相互冗余的多个MEMS传感器组成的MEMS测量装置检测当前运动信息，信号处理模块对MEMS测量装置的输出信号进行信号调理和数据融合，而MEMS测量装置环境适应性好，随温度变化较小，因此信号处理模块能够较为精确的实时输出角速度信息和加速度信息，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基于冗余MEMS传感器的航姿仪的结构示意图；
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基于冗余MEMS传感器的航姿仪的电路结构示意图；
图4是本发明实施例提供的信号处理模块的结构框图。
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，为本发明一种基于冗余MEMS传感器的航姿仪的一个实施例。参见图1，基于冗余MEMS传感器的航姿仪可以包括外壳(图未标)、冗余MEMS测量装置100、减振机构(图未示)、信号处理模块200和电源及接口模块300。其中，所述外壳的整体呈长方体型。冗余MEMS测量装置100，设置在所述外壳中，包括相互冗余的多个MEMS传感器，各个所述MEMS传感器的坐标轴相互正交。所述减振机构，设置在所述外壳中，对所述冗余MEMS测量装置起减振作用。信号处理模块200，设置在所述外壳中，与冗余MEMS测量装置100相连，用于将冗余MEMS测量装置100的输出信号进行信号调理和数据融合。电源及接口模块300，设置在所述外壳中，与外部电源相连为冗余MEMS测量装置100和信号处理模块200供电。
上述基于冗余MEMS传感器的航姿仪，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。通过冗余MEMS测量装置100检测当前运动信息，信号处理模块200对冗余MEMS测量装置100的输出信号进行信号调理和数据融合，而冗余MEMS测量装置100环境适应性好，随温度变化较小，因此信号处理模块200能够较为精确的实时输出角速度信息和加速度信息，提高测量精度。
一个实施例中，冗余MEMS测量装置100可以包括三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和三个MEMS单芯片三轴加速度计，即XYZ轴的陀螺仪和加速度计芯片均包含三个正交轴向的传感器信息，但并不限于此。三个MEMS单芯片三轴陀螺仪相互冗余，三个MEMS单芯片三轴加速度计相互冗余。MEMS单芯片三轴陀螺仪用于测量角速度信息，MEMS单芯片三轴加速度计用于测量加速度信息。所述冗余MEMS测量装置还包括本体。所述本体整体呈长方体型。所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计设置在所述本体的内壁上，且所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS单芯片三轴加速度计对应的内壁面两两垂直。其优势为，在能够实施冗余算法的同时，还能够避免单芯片单轴芯片各个轴向环境适应性不一致的情况，从而提升组件的环境适应性。
优选的，所述冗余MEMS测量装置100还可以包括功能电路(ASIC电路)。所述功能电路用于对冗余MEMS测量装置100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MSG9000D型单芯片三轴角速度传感器，但不限于此。MEMS加速度计可以选用MSA8000D型单芯片三轴微加速度计，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，通过MEMS微机械结构检测当前的角速度信号/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，冗余MEMS测量装置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。冗余MEMS测量装置100的外围电路包括：退耦电容及分压电阻等。
作为一种可实施方式，所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计可以通过粘结的方式设置在所述本体的内壁上。例如，所述功能电路集成设置在电路板上；MEMS陀螺仪和MEMS加速度计与所述电路板连接；所述电路板通过导热绝缘胶固定在所述本体的内壁上。通过导热绝缘胶将所述电路板固定在所述本体的内壁上，可以对MEMS陀螺仪和MEMS加速度计起到减振作用，而且还能够保证冗余MEMS测量装置100能够更加充分的接收到有用信号。
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。四个所述减震部件202可以为中空结构。
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，进一步提高对MEMS传感装置100的减振效果，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，减震垫采用“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减振部件202的重量进行设计，最终将振动的截止频率能够将惯性器件的共振点与所述减振部件202隔离。
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，从而提高基于冗余MEMS传感器的航姿仪在振动和冲击等恶劣环境下的适应性。
参见图3，一个实施例中，信号处理模块200可以对各个所述MEMS传感器的输出信号进行数据融合的融合单元210和对融合单元210的输出信号进行信号调理的信号转换单元220。
进一步的，信号处理模块200还可以包括自检单元230、维护单元240、补偿单元250、冗余输出加权计算单元260和计算单元270。其中，自检单元230，用于在所述航姿仪启动时，根据冗余MEMS测量装置100的输出信号对所述航姿仪进行检测。维护单元240，用于接收地面控制端发送的系统升级数据并根据所述系统升级数据进行系统升级。补偿单元250，用于对各个MEMS传感器的输出信号进行温度补偿和误差补偿。冗余输出加权计算单元260，用于对所述补偿单元250的输出进行加权计算。计算单元270，用于通过对四元数进行卡尔曼滤波再进行积分的方法，根据补偿单元250的输出信号和冗余输出加权计算单元260的输出信号，计算所述航姿仪的航姿。自检单元230、维护单元240、计算单元270和补偿单元250均设置在所述外壳中。融合单元210具体用于对计算单元270的输出信号进行融合。
其中，传统的MEMS测量装置，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(1)
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测量装置来讲，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：
对所述冗余MEMS测量装置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，冗余MEMS测量装置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，所示补偿单元250可以通过公式：
对冗余MEMS测量装置100的输出信号进行误差补偿。其中，K矩阵为变换矩阵，U和D分别为输出和零位向量。由于本设计为冗余传感器设计，因此以上算式的计算量至少为普通设计的三倍以上。另外还要增加一步权值计算，如将三个测量相同惯性输出量的值求均值。
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TI公司生产的TMS320C6748型芯片，主频可达到456-MHz，定点浮点可选芯片，双精度浮点型运算相对同种类其它芯片具有较为明显的优势，3648MIPS处理速度，超节能设计，减小功耗和热损失，BGA封装0.65mm脚间距，能够较好的符合设计需求。
可选的，电源及接口模块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，同时使冗余MEMS测量装置100和信号处理模块300的电源与外部电源隔离。参见图4，电源模块300可以包括二次隔离电源输入单元310、第一电平转换单元320、第二电平转换单元330、两路隔离电源422电平转换单元340和429航空接口输出单元350。二次隔离电源输入单元310分别与第一电平转换单元320和第二电平转换单元330连接。第一电平转换单元320为信号处理模块200供电。第二电平转换单元330与429航空接口输出单元350连接。429航空接口输出单元350还与信号处理模块200。两路隔离电源422电平转换单元340与信号处理模块200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。第一电平转换单元320可以将二次隔离电源输入单元310的输出电压转换为1.2V电压或3.3V电压。第二电平转换单元330可以将二次隔离电源输入单元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。
上述基于冗余MEMS传感器的航姿仪，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。
上述基于冗余MEMS传感器的航姿仪具有以下优点：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；且体积小，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。
本基于冗余MEMS传感器的航姿仪可应用的领域包括：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)
1.一种基于冗余MEMS传感器的航姿仪，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冗余MEMS测量装置，包括相互冗余的多个MEMS传感器，各个所述MEMS传感器的坐标轴相互正交；
对所述冗余MEMS测量装置起减振作用的减振机构；
设置在所述外壳中、与所述冗余MEMS测量装置相连的信号处理模块，用于将所述冗余MEMS测量装置的输出信号进行信号调理和数据融合；
设置在所述外壳中、与外部电源相连并为所述冗余MEMS测量装置和所述信号处理模块供电的电源及接口模块。
2.根据权利要求1所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述冗余MEMS测量装置包括三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和三个MEMS单芯片三轴加速度计，所述冗余MEMS测量装置还包括本体；
所述本体整体呈长方体型；
所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计设置在所述本体的内壁上，且所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪对应的内壁面两两垂直，所述三个MEMS单芯片三轴加速度计对应的内壁面两两垂直。
3.根据权利要求2所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述三个MEMS单芯片三轴陀螺仪和所述三个MEMS单芯片三轴加速度计通过粘结的方式设置在所述本体的内壁上。
4.根据权利要求1所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，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的四个边角对应。
5.根据权利要求4所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述冗余MEMS测量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所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述减振机构还包括呈T字型的减振垫；所述减振垫设置在所述冗余MEMS测量装置和四个所述减振部件之间。
7.根据权利要求1所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述信号处理模块包括：
对各个所述MEMS传感器的输出信号进行数据融合的融合单元；
对所述融合单元的输出信号进行信号调理的信号转换单元。
8.根据权利要求7所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述信号处理模块还包括：
在所述航姿仪启动时，对所述航姿仪的工作数据进行检测的自检单元；
接收地面控制端发送的系统升级数据并根据所述系统升级数据进行系统升级的维护单元；
对各个所述MEMS传感器的输出信号进行温度补偿和误差补偿的补偿单元；
对所述补偿单元的输出进行加权计算的冗余输出加权计算单元；
通过对四元数进行卡尔曼滤波再进行积分的方法，根据所述补偿单元的输出信号和所述偏差矫正单元的输出信号，计算所述航姿仪的航姿的计算单元；
所述自检单元、所述维护单元、所述计算单元和所述补偿单元均设置在所述外壳中。
9.根据权利要求8所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述补偿单元通过公式：
对所述MEMS传感器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1至9任一项所述的基于冗余MEMS传感器的航姿仪，其特征在于，所述外壳与所述冗余MEMS测量装置相贴合。
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