CN110440798B

CN110440798B - 高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统

Info

Publication number: CN110440798B
Application number: CN201910638589.0A
Authority: CN
Inventors: 刘飞; 申燕超; 杨星辉; 梁文华; 王汝弢; 郭中洋; 张菁华
Original assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Current assignee: Beijing Automation Control Equipment Institute BACEI
Priority date: 2019-07-16
Filing date: 2019-07-16
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2039-07-16
Also published as: CN110440798A

Abstract

本发明提供了一种高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统，该微惯性测量单元包括：电路模组、柔性部件和安装骨架，电路模组包括综合信息处理电路模块、陀螺电路模块单元和加速度计电路模块单元，柔性部件用于电连接电路模组中的任意两个电路模块以实现电路模组的一体化，电路模组中的七个电路模块一一对应设置在七个安装台面上。应用本发明的技术方案，能够解决现有技术中因陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂所导致的在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大的技术问题。

Description

高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统

技术领域

本发明涉及惯性导航技术领域，尤其涉及一种高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统。

背景技术

微惯性测量单元是惯性导航系统的关键组件，一般由三轴微机电陀螺、三轴微机电加速度计和综合处理电路组成，其中，陀螺用于提供角运动信息，加速度计用于提供线运动信息。微惯性测量单元中陀螺和加速度计一般均采用正交的排布方式组装。近年来，随着微型制造技术的发展，小型化运载体对微惯性测量单元的体积提出了更高的要求。而现有技术中，常用的陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂，这导致在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大。

发明内容

本发明提供了一种高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统，能够解决现有技术中因陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂所导致的在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种高精度集成化微惯性测量单元，该微惯性测量单元包括：电路模组，电路模组包括综合信息处理电路模块、陀螺电路模块单元和加速度计电路模块单元；陀螺电路模块单元包括三个陀螺电路模块，加速度计电路模块单元包括三个加速度计电路模块；柔性部件，柔性部件用于电连接电路模组中的任意两个电路模块以实现电路模组的一体化；安装骨架，安装骨架为镂空的六面体框架，在安装骨架的顶面和四个侧面各设置一个安装台面，在安装骨架的内部设置两个安装台面，电路模组中的七个电路模块一一对应设置在七个安装台面上，三个陀螺电路模块中的任意两个陀螺电路模块呈正交设置，三个加速度计电路模块中的任意两个加速度计电路模块呈正交设置。

进一步地，陀螺电路模块包括单轴陀螺和第一刚性电路板，单轴陀螺固定在第一刚性电路板上；加速度计电路模块包括单轴加速度计和第二刚性电路板，单轴加速度计固定在第二刚性电路板上。

进一步地，安装骨架的材质包括铝合金或镁铝合金。

进一步地，七个安装台面中的任意两个相邻的安装台面之间均设置有走线槽，柔性部件穿过走线槽与电路模组中的任意两个电路模块电连接。

进一步地，微惯性测量单元还包括应力隔离组件，陀螺电路模块和加速度计电路模块均通过应力隔离组件固定至相应安装台面。

进一步地，应力隔离组件包括减震器和螺钉；减震器呈圆柱状，减震器包括卡接槽和贯通孔，卡接槽设置在减震器的外侧面，卡接槽用于卡接陀螺电路模块或加速度计电路模块，贯通孔沿减震器的轴线设置；螺钉穿过贯通孔将减震器固定于安装台面上。

进一步地，应力隔离组件还包括套筒和垫片，套筒套设在螺钉与贯通孔之间，垫片设置在螺钉与减震器的端面之间。

进一步地，减震器采用弹性材料制备。

进一步地，柔性部件包括柔性PCB板。

根据本发明的又一方面，提供了一种惯性导航系统，其特征在于，惯性导航系统包括如上所述的高精度集成化微惯性测量单元。

应用本发明的技术方案，提供了一种高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统，该高精度集成化微惯性测量单元通过柔性部件将电路模组一体化配置在相应的安装骨架上，避免了电路模块之间的复杂连接。该高精度集成化微惯性测量单元与现有技术相比，能够解决现有技术中因陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂所导致的在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大的技术问题。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的高精度集成化微惯性测量单元的结构示意图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的电路模组一体化的展开示意图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的电路模组一体化的安装示意图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的安装骨架的正二测视图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的安装骨架的底视图；

图6示出了根据本发明的具体实施例提供的应力隔离组件的剖视图；

图7示出了根据本发明的具体实施例提供的减震器的结构示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

100、高精度集成化微惯性测量单元10、电路模组；11、综合信息处理电路模块；111、对外接口；12、陀螺电路模块单元；12a、单轴陀螺；12b、第一刚性电路板；121、第一陀螺电路模块；122、第二陀螺电路模块；123、第三陀螺电路模块；13、加速度计电路模块单元；13a、单轴加速度计；13b、第二刚性电路板；131、第一加速度计电路模块；132、第二加速度计电路模块；133、第三加速度计电路模块；20、柔性部件；30、安装骨架；30a、走线槽；30b、销钉孔；30c、螺纹孔；30d、安装孔；31、第一安装台面；32、第二安装台面； 33、第三安装台面；34、第四安装台面；35、第五安装台面；36、第六安装台面；37、第七安装台面；40、应力隔离组件；41、减震器；41a、卡接槽；41b、贯通孔；41c、端面；42、螺钉；43、套筒；44、垫片；200、外围配套器件。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1至图5所示，根据本发明的具体实施例提供了一种高精度集成化微惯性测量单元100，该微惯性测量单元100包括：电路模组10，电路模组10包括综合信息处理电路模块11、陀螺电路模块单元12和加速度计电路模块单元 13；陀螺电路模块单元12包括三个陀螺电路模块，加速度计电路模块单元13 包括三个加速度计电路模块；柔性部件20，柔性部件20用于电连接电路模组 10中的任意两个电路模块以实现电路模组10的一体化；安装骨架30，安装骨架30为镂空的六面体框架，在安装骨架30的顶面和四个侧面各设置一个安装台面，在安装骨架的内部设置两个安装台面，电路模组中的七个电路模块一一对应设置在七个安装台面上，三个陀螺电路模块中的任意两个陀螺电路模块呈正交设置，三个加速度计电路模块中的任意两个加速度计电路模块呈正交设置。

应用此种配置方式，提供了一种高精度集成化微惯性测量单元，该高精度集成化微惯性测量单元通过柔性部件将电路模组一体化配置在相应的安装骨架上，避免了电路模块之间的复杂连接。该高精度集成化微惯性测量单元与现有技术相比，能够解决现有技术中因陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂所导致的在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大的技术问题。

进一步地，各个模块之间的排布顺序在保证微惯性测量单元100的测量功能的基础上可以根据需要进行调整。作为本发明的一个具体实施例，如图2所示，综合信息处理电路模块11的一侧配置有第一陀螺电路模块121、第二陀螺电路模块122和第三陀螺电路模块123，第一陀螺电路模块121与综合信息处理电路模块11连接，第二陀螺电路模块122和第三陀螺电路模块123分别连接至第一陀螺电路模块121。与综合信息处理电路模块11的一侧相对的另一侧配置有第一加速度计电路模块131、第二加速度计电路模块132和第三加速度计电路模块133，第一加速度计电路模块131与综合信息处理电路模块11连接，第二加速度计电路模块132和第三加速度计电路模块133分别连接至第一加速度计电路模块131。

上述相连电路模块之间均采用柔性部件20电连接，以实现电路模组10的一体化。作为本发明的一个具体实施例，柔性部件20可以配置为柔性PCB板，柔性PCB板能够在保证各个电路模块之间电连接的同时，实现三个陀螺电路模块之间的两两正交设置和三个加速度计电路模块之间的两两正交设置。

此外，安装骨架30的各个安装台面需根据一体化电路模组10中各个电路模块的排布进行调整，作为本发明的一个具体实施例，如图1至图5所示，安装骨架30包括第一安装台面31、第二安装台面32、第三安装台面33、第四安装台面34、第五安装台面35、第六安装台面36和第七安装台面37，第一安装台面31、第二安装台面32、第四安装台面34和第五安装台面35分别位于安装骨架30的四个侧面，第一安装台面31与第四安装台面34相对，第二安装台面 32与第五安装台面35相对，第三安装台面33和第六安装台面36位于安装骨架30内部，第七安装台面位于安装骨架30的顶面。在图1至图5所示具体实施例中，第三安装台面33、第六安装台面36和第七安装台面37相互平行。第一陀螺电路模块121、第二陀螺电路模块122和第三陀螺电路模块123分别依次安装于第一安装台面31、第二安装台面32和第三安装台面33上，第一加速度计电路模块131、第二加速度计电路模块132和第三加速度计电路模块133分别依次安装于第四安装台面34、第五安装台面35和第六安装台面36上，综合信息处理电路模块11安装于第七安装台面37上。上述电路模块和安装台面的配合设置使得任意两个陀螺电路模块之间呈正交设置，任意两个加速度计电路模块之间呈正交设置，实现了空间六轴信息的测量。

进一步地，为了满足微惯性测量单元100的高精度要求，如图3所示，陀螺电路模块配置为包括单轴陀螺12a和第一刚性电路板12b，单轴陀螺12a固定在第一刚性电路板12b上；加速度计电路模块配置为包括单轴加速度计13a和第二刚性电路板13b，单轴加速度计13a固定在第二刚性电路板13b上。作为本发明的一个具体实施例，单轴陀螺12a可以选为高精度MEMS陀螺，单轴加速度计13a可以选为高精度MEMS加速度计。陀螺和加速度计通过表贴焊接的方式固定在刚性电路板上，刚性电路板之间采用柔性部件20电连接。通过上述刚挠结合的电路板设置，实现六轴器件的互连。

为了进一步减小微惯性测量单元100的体积，如图3所示，三个陀螺和三个加速度计均配置为固定在刚性电路板朝向安装台面的一侧，相应的外围配套器件200可布置在刚性电路板背向安装台面的一侧。此外，在综合信息处理电路模块11背向安装台面的一侧上设置有对外接口111，对外接口111用于输出测得的六轴惯性信息。

此外，为了进一步减轻微惯性测量单元100的重量，可以选择轻质化的安装骨架。作为本发明的一个具体实施例，安装骨架的材质包括铝合金或镁铝合金。

进一步地，为了尽可能减小微惯性测量单元100的体积，同时避免柔性部件在使用过程中摩擦受损，安装骨架30的七个安装台面中的任意两个相邻的安装台面之间均设置有走线槽30a，柔性部件20穿过走线槽30a与电路模组10中的任意两个电路模块电连接。作为本发明的一个具体实施例，如图4和图5所示，在安装骨架30的底部设置有两个走线槽30a，以便于第一安装台面31与第三安装台面33之间、第四安装台面34与第六安装台面36之间柔性部件20的走线。

作为本发明的一个具体实施例，如图5所示，安装骨架30的底部还配置有销钉孔30b和螺纹孔30c。销钉孔30b提供对外的位置基准，以实现微惯性测量单元100的精准定位，螺纹孔30c用于与外部壳体固定连接。

此外，为了降低陀螺和加速度计机械安装中的应力，同时衰减外界对微惯性测量单元100的力学输入，微惯性测量单元100还包括应力隔离组件40，陀螺电路模块和加速度计电路模块均通过应力隔离组件40固定至相应安装台面。作为本发明的一个具体实施例，应力隔离组件40设置在陀螺电路模块和加速度计电路模块的四角处，由此可在减震的同时控制微惯性测量单元100的体积。

作为本发明的一个具体实施例，为了获取相应的减震功能，如图6和图7 所示，将应力隔离组件40配置为包括减震器41和螺钉42；减震器41呈圆柱状，减震器包括卡接槽41a和贯通孔41b，卡接槽41a设置在减震器41的外侧面，卡接槽41a用于卡接陀螺电路模块或加速度计电路模块，贯通孔41b沿减震器41的轴线设置；螺钉42穿过贯通孔41b将减震器41固定于安装骨架30的安装台面上，安装台面设有与螺钉42相配合的安装孔30d。

进一步地，为了实现螺钉42的准确定位以及减小螺钉42对减震器41造成的形变，应力隔离组件40还包括套筒43和垫片44，套筒43套设在螺钉42与贯通孔41b之间，垫片44设置在螺钉42与减震器41的端面41c之间。作为本发明的一个具体实施例，套筒43和垫片44均采用刚性材料制备，如刚性金属材料。

此外，为了强化减震器41对机械安装应力的降低和对外界力学输入的衰减，减震器41配置为采用弹性材料制备。作为本发明的一个具体实施例，减震器41 可由硅橡胶材料模压成型。

根据本发明的又一方面，提供了一种惯性导航系统，该惯性导航系统包括如上所述的高精度集成化微惯性测量单元100。

应用此种配置方式，提供了一种惯性导航系统，该系统包括如上所述的高精度集成化微惯性测量单元，由于本发明的高精度集成化微惯性测量单元通过柔性部件将电路模组一体化配置在相应的安装骨架上，避免了电路模块之间的复杂连接，能够在同等精度条件下获取更小体积。因此，通过将高精度集成化微惯性测量单元应用到惯性导航系统中，能够极大地提高惯性导航系统的工作性能。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图7对本发明的高精度集成化微惯性测量单元100进行详细说明。

如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种高精度集成化微惯性测量单元100。该微惯性测量单元100包括：电路模组10、柔性部件20、安装骨架30和应力隔离组件40。

电路模组10包括综合信息处理电路模块11、第一陀螺电路模块121、第二陀螺电路模块122、第三陀螺电路模块123、第一加速度计电路模块131、第二加速度计电路模块132和第三加速度计电路模块133。任意两个电路模块之间均采用柔性PCB板电连接。

安装骨架30为镂空的六面体框架，包括七个安装台面，第一安装台面31、第二安装台面32、第四安装台面34和第五安装台面35分别位于安装骨架30的四个侧面，第一安装台面31与第四安装台面34相对，第二安装台面32与第五安装台面35相对，第三安装台面33和第六安装台面36位于安装骨架30内部，第七安装台面位于安装骨架30的顶面，第三安装台面33、第六安装台面36和第七安装台面37相互平行。第一至第七安装台面分别依次固定有第一陀螺电路模块121、第二陀螺电路模块122、第三陀螺电路模块123、第一加速度计电路模块131、第二加速度计电路模块132、第三加速度计电路模块133和综合信息处理电路模块11。

上述电路模块和安装台面的配合设置使得任意两个陀螺电路模块之间呈正交设置，任意两个加速度计电路模块之间呈正交设置，实现了空间六轴信息的测量。同时，上述电路模块的一体化设置和相应的安装骨架避免了电路模块之间的复杂连接，实现了微惯性测量单元100的小型化。

应力隔离组件40可以降低陀螺和加速度计机械安装中的应力，同时衰减外界对微惯性测量单元100的力学输入，其包括减震器41、螺钉42、套筒43和垫片44。减震器41采用弹性材料制备，包括卡接槽41a和贯通孔41b，卡接槽 41a设置在减震器41的外侧面，用于卡接陀螺电路模块或加速度计电路模块，贯通孔41b沿减震器41的轴线设置。螺钉42穿过贯通孔41b将减震器41固定于安装台面上，安装台面设有与螺钉42相配合的安装孔30d。套筒43套设在螺钉42与贯通孔41b之间，垫片44设置在螺钉42与减震器41的端面41c之间。套筒43和垫片44均采用刚性材料制备。

综上所述，本发明提供了一种高精度集成化微惯性测量单元及惯性导航系统，该高精度集成化微惯性测量单元通过柔性部件将电路模组一体化配置在相应的安装骨架上，避免了电路模块之间的复杂连接。该高精度集成化微惯性测量单元与现有技术相比，能够解决现有技术中因陀螺和加速度计的台体构造和互连部件较为复杂所导致的在同等精度条件下微惯性测量单元体积较大的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述微惯性测量单元包括：

电路模组(10)，所述电路模组(10)包括综合信息处理电路模块(11)、陀螺电路模块单元(12)和加速度计电路模块单元(13)；所述陀螺电路模块单元(12)包括三个陀螺电路模块，所述加速度计电路模块单元(13)包括三个加速度计电路模块；

柔性部件(20)，所述柔性部件(20)用于电连接所述电路模组(10)中的任意两个电路模块以实现电路模组(10)的一体化；

安装骨架(30)，所述安装骨架(30)为镂空的六面体框架，在所述安装骨架(30)的顶面和四个侧面各设置一个安装台面，在所述安装骨架(30)的内部设置两个安装台面，所述电路模组(10)中的七个所述电路模块一一对应设置在七个所述安装台面上，三个所述陀螺电路模块中的任意两个所述陀螺电路模块呈正交设置，三个所述加速度计电路模块中的任意两个所述加速度计电路模块呈正交设置；

所述微惯性测量单元还包括应力隔离组件(40)，所述陀螺电路模块和所述加速度计电路模块均通过所述应力隔离组件(40)固定至相应安装台面；

所述应力隔离组件(40)包括减震器(41)和螺钉(42)；所述减震器(41)呈圆柱状，所述减震器(41)包括卡接槽(41a)和贯通孔(41b)，所述卡接槽(41a)设置在所述减震器(41)的外侧面，所述卡接槽(41a)用于卡接所述陀螺电路模块或所述加速度计电路模块，所述贯通孔(41b)沿所述减震器(41)的轴线设置；所述螺钉(42)穿过所述贯通孔(41b)将所述减震器(41)固定于所述安装台面上。

2.根据权利要求1所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述陀螺电路模块包括单轴陀螺(12a)和第一刚性电路板(12b)，所述单轴陀螺(12a)固定在所述第一刚性电路板(12b)上；所述加速度计电路模块包括单轴加速度计(13a)和第二刚性电路板(13b)，所述单轴加速度计(13a)固定在所述第二刚性电路板(13b)上。

3.根据权利要求1所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述安装骨架(30)的材质包括铝合金或镁铝合金。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，七个所述安装台面中的任意两个相邻的所述安装台面之间均设置有走线槽(30a)，所述柔性部件(20)穿过所述走线槽(30a)与所述电路模组(10)中的任意两个电路模块电连接。

5.根据权利要求1所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述应力隔离组件(40)还包括套筒(43)和垫片(44)，所述套筒(43)套设在所述螺钉(42)与所述贯通孔(41b)之间，所述垫片(44)设置在所述螺钉(42)与所述减震器(41)的端面(41c)之间。

6.根据权利要求1所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述减震器(41)采用弹性材料制备。

7.根据权利要求1所述的高精度集成化微惯性测量单元，其特征在于，所述柔性部件(20)包括柔性PCB板。

8.一种惯性导航系统，其特征在于，所述惯性导航系统包括权利要求1至7中任一项所述的高精度集成化微惯性测量单元(100)。