CN113108784A - 一种惯性测量装置及惯性检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种惯性测量装置及惯性检测方法，涉及惯性测量技术领域。该惯性测量装置包括处理器模块、传感器组件和印制电路板；所述处理器模块固定安装在所述印制电路板上；所述传感器组件包括第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件，所述第一惯性传感器组件、所述第二惯性传感器组件分别与所述处理器模块电连接，所述第一惯性传感器组件安装在所述印制电路板的上表面，所述第二惯性传感器组件与所述第一惯性传感器组件相对称，安装在所述印制电路板的下表面。该惯性测量可以实现提高惯性测量性能指标的技术效果。

Description

一种惯性测量装置及惯性检测方法

技术领域

本申请涉及惯性测量技术领域，具体而言，涉及一种惯性测量装置及惯性检测方法。

背景技术

目前，惯性测量单元已广泛应用于工业自动化、交通自动化、灾害预警等领域，是现代科技智能化的重要体现，极大地提高了社会的管理效率和自动化水平。一般说来，MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)惯性测量单元由以下几个部分组成：电源模块、处理器模块、MEMS惯性传感器。目前使用冗余MEMS惯性传感器的惯性测量单元会集成多个MEMS惯性传感器。

现有技术中，目前使用冗余MEMS惯性传感器大部分是用来做故障检测，比较少用于做性能的提升，惯性测量单元整体的性能指标较低。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种惯性测量装置及惯性检测方法，可以实现提高惯性测量性能指标的技术效果。

第一方面，本申请实施例提供了一种惯性测量装置，包括处理器模块、传感器组件和印制电路板；

所述处理器模块固定安装在所述印制电路板上；

所述传感器组件包括第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件，所述第一惯性传感器组件、所述第二惯性传感器组件分别与所述处理器模块电连接，所述第一惯性传感器组件安装在所述印制电路板的上表面，所述第二惯性传感器组件与所述第一惯性传感器组件相对称，安装在所述印制电路板的下表面。

在上述实现过程中，该惯性测量装置在进行惯性测量时，由于第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件对称地安装在印制电路板上，即在内部相同的位置上都会采集到由第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件输出的数据，这些数据方向可能相同或相反；处理器模块处理数据时，将第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件输出的数据进行对比处理，能够抑制一部分噪声、并降低测量误差；并且由于位置完成重合，第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件测量到的数据一致性高，从而使测量到的数据更加准确、精度更高，从而提升惯性测量的性能指标；因此，可以实现提高惯性测量性能指标的技术效果。

进一步地，所述第一惯性传感器组件包括至少一个惯性传感器。

在上述实现过程中，惯性传感器是一种传感器，主要是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。

进一步地，所述第一惯性传感器组件中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

进一步地，所述第二惯性传感器组件包括至少一个惯性传感器，所述第二惯性传感器组件中惯性传感器的数量与所述第一惯性传感器组件中惯性传感器的数量相同。

在上述实现过程中，第二惯性传感器组件与第一惯性传感器组件对称设置，即第二惯性传感器组件中惯性传感器的数量与第一惯性传感器组件中惯性传感器的数量相同。

进一步地，所述第二惯性传感器组件中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

进一步地，所述6轴MEMS惯性传感器包括3轴陀螺仪。

在上述实现过程中，陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

进一步地，所述6轴MEMS惯性传感器还包括3轴加速度计。

在上述实现过程中，加速度计是测量运载体线加速度的仪表。加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。

进一步地，所述装置还包括电源模块，所述电源模块与所述处理器模块电连接。

第二方面，本申请实施例提供了一种惯性检测方法，应用于第一方面任一项所述的惯性测量装置，包括：

接收所述第一惯性传感器组件采集的第一惯性测量数据和所述第二惯性传感器组件采集的第二惯性测量数据；

处理所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据，获得所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据之间的数据差值；

判断所述数据差值是否大于预设阈值范围，若否，则继续检测所述惯性测量装置；若是，则生成检测故障信息。

进一步地，所述处理所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据，获得所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据之间的数据差值的步骤，包括：

计算所述第一惯性测量数据的绝对值和所述第二惯性测量数据的绝对值；

计算所述第一惯性测量数据的绝对值和所述第二惯性测量数据的绝对值之间的差值，获得所述数据差值。

本申请公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本申请公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的惯性测量装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于印制电路板对称布置的6轴MEMS惯性传感器轴向示意图；

图3为本申请实施例提供的惯性检测方法的流程示意图。

图标：100-处理器模块；200-传感器组件；300-印制电路板；400-电源模块；210-第一惯性传感器组件；220-第二惯性传感器组件。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本申请实施例提供的一种惯性测量装置及惯性检测方法，可以应用于工业自动化、交通自动化、灾害预警等领域的惯性测量技术中；该惯性测量装置在进行惯性测量时，由于第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件对称地安装在印制电路板上，即在内部相同的位置上都会采集到由第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件输出的数据，这些数据方向可能相同或相反；处理器模块处理数据时，将第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件输出的数据进行对比处理，能够抑制一部分噪声、并降低测量误差；并且由于位置完成重合，第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件测量到的数据一致性高，从而使测量到的数据更加准确、精度更高，从而提升惯性测量的性能指标；因此，可以实现提高惯性测量性能指标的技术效果。

请参见图1，图1为本申请实施例提供的惯性测量装置的结构示意图，包括处理器模块100、传感器组件200和印制电路板300。

示例性地，处理器模块100固定安装在印制电路板300上。

示例性地，传感器组件200包括第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220，第一惯性传感器组件210、第二惯性传感器组件220分别与处理器模块100电连接，第一惯性传感器组件210安装在印制电路板300的上表面，第二惯性传感器组件220与第一惯性传感器组件210相对称，安装在印制电路板300的下表面。

示例性地，处理器模块100，即中央处理器(central processing unit，简称CPU)作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

示例性地，印制电路板300，又称印刷线路板(PCB，Printed Circuit Board)，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。几乎每种电子设备，小到电子手表、计算器，大到计算机、通信电子设备、军用武器系统，只要有集成电路等电子元件，为了使各个元件之间的电气互连，都要使用印制板。印制线路板由绝缘底板、连接导线和装配焊接电子元件的焊盘组成，具有导电线路和绝缘底板的双重作用。它可以代替复杂的布线，实现电路中各元件之间的电气连接，不仅简化了电子产品的装配、焊接工作，减少传统方式下的接线工作量，大大减轻工人的劳动强度；而且缩小了整机体积，降低产品成本，提高电子设备的质量和可靠性。印制线路板具有良好的产品一致性，它可以采用标准化设计，有利于在生产过程中实现机械化和自动化。同时，整块经过装配调试的印制线路板可以作为一个独立的备件，便于整机产品的互换与维修。目前，印制线路板已经极其广泛地应用在电子产品的生产制造中。

示例性地，该惯性测量装置还包括电源模块400，电源模块400与处理器模块100电连接。

在一些实施场景中，该惯性测量装置在进行惯性测量时，由于第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220对称地安装在印制电路板300上，即在内部相同的位置上都会采集到由第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220输出的数据，这些数据方向可能相同或相反；处理器模块100处理数据时，将第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220输出的数据进行对比处理，能够抑制一部分噪声、并降低测量误差；并且由于位置完成重合，第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220测量到的数据一致性高，从而使测量到的数据更加准确、精度更高，从而提升惯性测量的性能指标；因此，可以实现提高惯性测量性能指标的技术效果。

请参见图2，图2为本申请实施例提供的基于印制电路板对称布置的6轴MEMS惯性传感器轴向示意图。

示例性地，第一惯性传感器组件210包括至少一个惯性传感器。

示例性地，惯性传感器是一种传感器，主要是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度(DoF)运动，是解决导航、定向和运动载体控制的重要部件。

示例性地，第一惯性传感器组件210中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

示例性地，微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

示例性地，MEMS器件体积小，重量轻，耗能低，惯性小，谐振频率高，响应时间短。MEMS系统与一般的机械系统相比，不仅体积缩小，而且在力学原理和运动学原理，材料特性、加工、测量和控制等方面都将发生变化。在MEMS系统中，所有的几何变形是如此之小(分子级)，以至于结构内应力与应变之间的线性关系(虎克定律)已不存在。MEMS器件中摩擦表面的摩擦力主要是由于表面之间的分子相互作用力引起的，而不是由于载荷压力引起。MEMS器件以硅为主要材料。硅的强度、硬度和杨氏模量与铁相当。密度类似于铝，热传导率接近铜和钨，因此MEMS器件机械电气性能优良。

示例性地，第二惯性传感器组件220包括至少一个惯性传感器，第二惯性传感器组件220中惯性传感器的数量与第一惯性传感器组件210中惯性传感器的数量相同。

示例性地，第二惯性传感器组件220与第一惯性传感器组件210对称设置，即第二惯性传感器组件220中惯性传感器的数量与第一惯性传感器组件210中惯性传感器的数量相同。

示例性地，第二惯性传感器组件220中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

示例性地，6轴MEMS惯性传感器包括3轴陀螺仪。

示例性地，陀螺仪是用高速回转体的动量矩敏感壳体相对惯性空间绕正交于自转轴的一个或二个轴的角运动检测装置。利用其他原理制成的角运动检测装置起同样功能的也称陀螺仪。

示例性地，6轴MEMS惯性传感器还包括3轴加速度计。

示例性地，加速度计是测量运载体线加速度的仪表。加速度计由检测质量(也称敏感质量)、支承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。

示例性地，6轴MEMS惯性传感器能输出3轴的陀螺仪数据和3轴的加速度计数据，在使用本申请指定的布局在印制电路板300的表面放置多个6轴MEMS惯性传感器时，第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220的轴向会有一些区别：此时，第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220基于x轴、y轴、z轴同向或完全不同向进行布局。当基于1个轴向相同的布局时，如图2所示，y轴的方向相同、x和z轴的方向相反。

示例性地，第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220测量时，在内部相同的位置上都会有第一惯性传感器组件210和第二惯性传感器组件220输出的数据，这些数据方向可能相同或相反。处理器模块100处理数据时，将陀螺仪、加速度计在同一个方向测量到的2组数据进行对比处理，能够抑制一部分噪声、降低测量误差；并且由于位置完成重合，2个传感器测量到的数据一致性比较高，使测量到的数据更加准确、精度更高，从而提升惯性测量单元的性能。在处理2组数据时，如果发现差异大于设定的阈值，则对外部报故障。

请参见图3，图3为本申请实施例提供的惯性检测方法的流程示意图，应用于图1或图2所示的惯性测量装置，该惯性检测方法包括：

S100：接收第一惯性传感器组件采集的第一惯性测量数据和第二惯性传感器组件采集的第二惯性测量数据；

S200：处理第一惯性测量数据和第二惯性测量数据，获得第一惯性测量数据和第二惯性测量数据之间的数据差值；

S300：判断数据差值是否大于预设阈值范围，若否，则继续检测惯性测量装置；若是，则生成检测故障信息。

示例性地，惯性测量装置进行测量时，在内部相同的位置上都会生成第一惯性测量数据和第二惯性测量数据，这些数据方向可能相同或相反，即数据表现为正值或负值；处理上述数据时，将第一惯性传感器组件、第二惯性传感器组件中的陀螺仪、加速度计在同一个方向测量到的2组数据进行对比处理，能够抑制一部分噪声、降低测量误差；并且由于位置完成重合，2个传感器测量到的数据一致性比较高，使测量到的数据更加准确、精度更高，从而提升惯性测量装置的性能。在处理2组数据时，如果发现数据差值大于预设阈值范围，则说明测量不准确或装置故障，此时可生成检测故障信息，并对外部报故障。

示例性地，S200：处理第一惯性测量数据和第二惯性测量数据，获得第一惯性测量数据和第二惯性测量数据之间的数据差值的步骤，包括：

计算第一惯性测量数据的绝对值和第二惯性测量数据的绝对值；

计算第一惯性测量数据的绝对值和第二惯性测量数据的绝对值之间的差值，获得数据差值。

示例性地，本申请中基于基于印制电路板对称布置的6轴MEMS惯性传感器布局能够提升多个MEMS惯性传感器的数据的一致性、抑制噪声、降低误差，提高惯性测量单元的部分性能指标；该惯性测量装置具有精度高、适用范围广、工作稳定、安全性高等优点。

在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种惯性测量装置，其特征在于，包括处理器模块、传感器组件和印制电路板；

所述处理器模块固定安装在所述印制电路板上；

所述传感器组件包括第一惯性传感器组件和第二惯性传感器组件，所述第一惯性传感器组件、所述第二惯性传感器组件分别与所述处理器模块电连接，所述第一惯性传感器组件安装在所述印制电路板的上表面，所述第二惯性传感器组件与所述第一惯性传感器组件相对称，安装在所述印制电路板的下表面。

2.根据权利要求1所述的惯性测量装置，其特征在于，所述第一惯性传感器组件包括至少一个惯性传感器。

3.根据权利要求2所述的惯性测量装置，其特征在于，所述第一惯性传感器组件中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

4.根据权利要求2所述的惯性测量装置，其特征在于，所述第二惯性传感器组件包括至少一个惯性传感器，所述第二惯性传感器组件中惯性传感器的数量与所述第一惯性传感器组件中惯性传感器的数量相同。

5.根据权利要求4所述的惯性测量装置，其特征在于，所述第二惯性传感器组件中的惯性传感器为6轴MEMS惯性传感器。

6.根据权利要求5所述的惯性测量装置，其特征在于，所述6轴MEMS惯性传感器包括3轴陀螺仪。

7.根据权利要求6所述的惯性测量装置，其特征在于，所述6轴MEMS惯性传感器还包括3轴加速度计。

8.根据权利要求1所述的惯性测量装置，其特征在于，所述装置还包括电源模块，所述电源模块与所述处理器模块电连接。

9.一种惯性检测方法，其特征在于，应用于权利要求1至8任一项所述的惯性测量装置，所述方法包括：

接收所述第一惯性传感器组件采集的第一惯性测量数据和所述第二惯性传感器组件采集的第二惯性测量数据；

处理所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据，获得所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据之间的数据差值；

判断所述数据差值是否大于预设阈值范围，若否，则继续检测所述惯性测量装置；若是，则生成检测故障信息。

10.根据权利要求9所述的惯性检测方法，其特征在于，所述处理所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据，获得所述第一惯性测量数据和所述第二惯性测量数据之间的数据差值的步骤，包括：

计算所述第一惯性测量数据的绝对值和所述第二惯性测量数据的绝对值；

计算所述第一惯性测量数据的绝对值和所述第二惯性测量数据的绝对值之间的差值，获得所述数据差值。

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