CN110793520A - 一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，包括主控模块、MIMU、解旋机构和通信模块；MIMU设置在解旋机构上，对X、Y、Z三个轴向角速度、加速度进行测量，并将测量的信息以串行通信方式输出至主控模块，通信模块将采集的计数信号传递给主控模块；主控模块对接收的信号进行处理，实时输出导航与控制信号给解旋机构，对解旋机构进行控制与驱动。本发明的微惯性组件，可实现对被测对象姿态测量与导航控制，解决滚转角高动态的测试需求，重量轻、低成本、模块化，提高可维护性，提高效费比。

Description

一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件

技术领域

本发明专利涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件。

背景技术

微惯性导航组件一种基于MEMS陀螺仪与MEMS加速度计的惯性测量组件，其工作原理是利用两两正交的MEMS惯性传感器（MEMS陀螺仪与MEMS加速度计）的敏感轴向建立空间惯性坐标系，通过MEMS陀螺仪与MEMS加速度计对载体角速度与加速度进行测量，得到运动载体的动态参数，进而通过坐标转换、导航算法得到运动载体的姿态信息。惯性组件可广泛应用于民用与军事领域。在民用领域主要用于云台控制、高性能导航、石油勘探。在军事领域主要用于常规制导弹药惯性制导、机载与车载平台的稳定控制以及单兵导航等。

在一些恶劣环境的应用场合，尤其是高动态、高过载、高速度环境，MIMU具备低成本、小型化、抗高过载、大量程滚转角度测量等特点。载体高动态的转速测量是实现姿态稳定和制导控制的基础，因此陀螺仪作为检测旋转角速度或角度的传感器，是惯性导航系统的核心部件。传统的惯性导航系统通常采用激光陀螺仪、光纤陀螺仪等高精度陀螺仪，但这类高精度陀螺仪成本太高、体积大、抗过载能力弱，都很难适应高动态、高过载、高速度的恶劣环境。目前制导炮弹、旋转弹出膛后的滚转角范围很大，需要实现3~40r/s的（1r=360°/s）角速度测量，而现有光纤陀螺方案的量程无法满足高动态要求，且体积、成本等方面局限性较大。

随着MEMS惯性传感器的技术迅速发展，性能指标的迅速提升，MEMS惯性传感器成本低、体积小、功耗低、抗高过载能力强，因此研制微惯性组件意义重大。

目前一般的微惯性组件尤其是用于常规制导弹药等军事领域惯性组件要求成本低、抗高过载、高动态， 这类惯导系统多采用大量程MEMS陀螺仪的作为核心器件实现对高动态惯性测量，但目前能够工程应用的大量程MEMS陀螺仪量程仍无法全面满足高动态的测试需求，并且大量程的MEMS陀螺仪分辨率相对较低，无法适应高动态下滚转带来的各种误差效应，如标度误差、零位误差、正交误差等。

为解决MEMS陀螺仪在制导炮弹、旋转弹的高动态测量应用问题，多是通过设计专门的机械解旋结构装置实现快速解旋，降低MEMS陀螺仪的动态测量需求。但传统解旋装置结构复杂、体积大、重量重，效费比低且精度有限。

发明内容

发明目的：

为了解决制导炮弹、旋转弹等对滚转角高动态测量需求，降低成本，提高效费比，本专利设计一种适用于高动态环境下的微惯性导航组件，解决滚转角高动态的测试需求，重量轻、低成本、模块化，提高可维护性，提高效费比。

设计方案：

一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，包括主控模块、MIMU 、解旋机构和通信模块；

MIMU设置在解旋机构上，对X、Y、Z三个轴向角速度、加速度进行测量，并将测量的信息以串口协议的形式输出至主控模块，

通信模块将采集的计数信号传递给主控模块；

主控模块对接收的信号进行处理，实时输出导航与控制信号给解旋机构，对解旋机构进行控制与驱动。

进一步地，解旋机构包括微型电机、啮合的小齿轮和大齿轮；

通过微型电机驱动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动。

进一步地，所述MIMU固定连接在大齿轮上，并与大齿轮同轴。

进一步地，所述微型电机由主控模块控制运动。

进一步地，MIMU包括三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计，MEMS陀螺仪和MEMS加速度计分别安装在正方体结构的侧面，分别对X、Y、Z三个轴向角速度和加速度的测量。

进一步地，MIMU通过供电滑环和电源供电板接受主控模块电源供电，供电滑环采用接触式的滑环弹片，通过与电源供电板的圆形供电轨道接触实现电源供电。

进一步地，所述通信模块包括光电传感器发射模块和光电传感器接收模块。

本发明所达到的有益效果：

本专利提供了一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，可实现对被测对象姿态测量与导航控制，解决滚转角高动态的测试需求，重量轻、低成本、模块化，提高可维护性，提高效费比。

附图说明

图1 组件硬件架构图；

图2 组件结构示意；

图3 MIMU 组成示意；

图4 MIMU 中MEMS惯性器件的组装示意；

图5 解旋机构；

图6 MIMU供电示意；

图7图6的俯视图；

图中，1：主控模块：信号处理、解旋机构电机控制与驱动、提供MIMU与电机电源供电，通过串口RS422输出导航信息；

2：供电滑环：主控模块的的电源模块通过供电滑环提供MIMU供电;

3：电源供电板：进行MIMU供电的系统供电板；

4：MIMU：两两正交的MEMS传感器（MEMS陀螺仪、MEMS加速度计），实现对被测对象角速度与加速度测量；

5: 大齿轮:实现低转速；

6: 小齿轮:实现高转速;

7: 微型电机：实现解旋;

8: 光电传感器发射模块;

9: 光电传感器接收模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的微惯性组件由主控模块1、MIMU4、解旋机构、通信模块四个功能模块组成。采用高精度小量程的MIMU，通过由微型电机7、传动齿轮构成的解旋机构实现对高动态恶劣环境下的高精度惯性测量。通信模块采用光通信的方式将惯性测量信息传输给主控模块1，主控模块1进行信号处理通过RS422的串口实时输出导航与控制信号。主控模块1同时也实现对解旋机构的电机控制与驱动，提供整个组件电源供电。

主控模块1实现对解旋机构电机控制与驱动，通过驱动微型电机7带动小齿轮6的高速转动，小齿轮6作为主动齿从而带动大齿轮5的低速转动，结合图5，根据传动原理，小齿轮6和大齿轮5设计适合的传动比。MIMU4直接固定连接在与大齿轮5同轴上，MIMU 4的X轴向测量的角速度就是大齿轮5的转速。这种解旋机构具有灵敏度高、平稳度高、线性度好及结构简单等优点。

MIMU4组成如图3所示，MEMS陀螺仪、MEMS加速度计分别安装在正方体结构侧面，分别实现对X、Y、Z三个轴向角速度、加速度测量，MIMU检测的角速度、加速度等信息以串行通信方式输出至主控模块，MIMU 4中轴向的定义如图4。MIMU 4的抗高过载能力通过设计仿真与灌封保障。这种MIMU实现一体化设计，性能相对采用大量陀螺仪实现的MIMU在标度线性度、零偏稳定性、噪声、正交性等方面均提升一个数量级，而且体积小、质量轻且分布均匀、抗过载能力强。

MIMU 4的电源供电通过供电滑环2和电源供电板3实现，供电滑环2采用接触式的滑环弹片，通过电源供电板3的圆形供电轨道，实现MIMU 4的电源供电，如图6和图7所示。

通信模块包括光电传感器发射模块8和光电传感器接收模块9，光电传感器发射模块8和光电传感器接收模块9组成光通信模块的发射与接收端，实现对MIMU旋转圈数的计数，并将采集计数的信号传递给主控模块进行信号处理。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，包括主控模块、MIMU 、解旋机构和通信模块；

MIMU设置在解旋机构上，对X、Y、Z三个轴向角速度、加速度进行测量，并将测量的信息以串口协议的形式输出至主控模块，

通信模块将采集的计数信号传递给主控模块；

主控模块对接收的信号进行处理，实时输出导航与控制信号给解旋机构，对解旋机构进行控制与驱动。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，解旋机构包括微型电机、啮合的小齿轮和大齿轮；

通过微型电机驱动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，所述MIMU固定连接在大齿轮上，并与大齿轮同轴。

4.根据权利要求2所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，所述微型电机由主控模块控制运动。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，MIMU包括三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计，MEMS陀螺仪和MEMS加速度计分别安装在正方体结构的侧面，实现对X、Y、Z三个轴向角速度和加速度的测量。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，MIMU通过供电滑环和电源供电板接受主控模块电源供电，供电滑环采用接触式的滑环弹片，通过与电源供电板的圆形供电轨道接触实现电源供电。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高动态恶劣环境的微惯性组件，其特征是，所述通信模块包括光电传感器发射模块和光电传感器接收模块。

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