CN113639746A - 一种mems惯性组件及姿态修正方法 - Google Patents

一种mems惯性组件及姿态修正方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种MEMS惯性组件及姿态修正方法，该MEMS惯性组件包括：MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元上设有转接板；磁罗盘，所述磁罗盘通过所述转接板设于所述MEMS惯性测量单元上；电路板，所述电路板与所述MEMS惯性测量单元以及所述磁罗盘均电连接。低成本、体积小、精度高一直是备份显示系统惯性测量模块的设计目标，本发明选用低成本、体积小、高可靠性的MEMS惯性测量单元与磁罗盘，在导航状态利用磁航向对系统航向进行修正，利用大气信息与导航解算参数进行数据融合，同时加入加计调平算法修正姿态误差，可保证系统精度。

Description

一种MEMS惯性组件及姿态修正方法
技术领域
本发明具体涉及一种高性价比的MEMS惯性组件及姿态修正方法，属于备份飞行显示系统的姿态测量领域。
背景技术
MEMS惯性组件主要用于飞机备份飞行显示系统的姿态测量模块。备份飞行显示系统主要在主惯导失效的情况下，可测量并显示飞机姿态、航向、指示空速及气压高度等信息。现在载机对备份显示系统的姿态测量模块精度要求越来越高，本发明主要将磁航向及大气信息同时与惯导信息进行融合，修正姿态误差，保证精度的同时，体积小、成本低，是一种高性价比的MEMS惯性组件。。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种MEMS惯性组件及姿态修正方法。
本发明所采用的技术方案为：一种MEMS惯性组件，包括：
MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元上设有转接板；
磁罗盘，所述磁罗盘通过所述转接板设于所述MEMS惯性测量单元上；
电路板，所述电路板与所述MEMS惯性测量单元以及所述磁罗盘均电连接。
作为一种可选的技术方案，所述MEMS惯性组件还包括：
至少一个支柱，每一所述支柱均包括螺纹段和支撑连接段，所述螺纹段上设有螺母，所述MEMS惯性测量单元上设有供所述螺纹段穿过的第一连接孔，所述螺纹段穿过所述第一连接孔后通过所述螺母被锁紧在所述MEMS惯性测量单元上；
至少一个第一螺栓，所述转接板上设有供所述第一螺栓穿过的第二连接孔，所述第一螺栓穿过所述第二连接孔后与所述支撑连接段螺纹连接。
作为一种可选的技术方案，所述MEMS惯性组件还包括：
至少一个第二螺栓，所述磁罗盘上设有供所述第二螺栓穿过的第三连接孔；
至少一个连接凸起，所述连接凸起设于所述转接板上，所述磁罗盘上设有与所述连接凸起适配的连接凹槽，所述连接凸起位于所述连接凹槽内，所述第二螺栓穿过所述第三连接孔后与所述连接凸起螺纹连接。
作为一种可选的技术方案，所述电路板通过第一插头与所述MEMS惯性测量单元相连；所述电路板通过第二插头与所述磁罗盘相连；所述电路板通过第三插头连接对外接口。
本发明还公开了一种利用如上述的MEMS惯性组件进行姿态修正的方法，包括如下步骤：
判断是否接收到磁航向，若是，进入下一步，其中，所述磁航向由所述磁罗盘测得；
判断修正周期1s是否有效，若是，进入下一步；
计算当前时刻与上一秒的系统航向变化率、当前时刻与上一秒的磁航向变化率以及航向变化率差值，并保存所述航向变化率和磁航向变化率；
判断所述航向变化率差值是否小于0.5°/s，且是否有姿态角小于5°、三轴角速率小于0.5°/s以及三轴加速度小于0.15m/s2；
若是，则对有效次数进行累计加1；
判断累计后的有效次数是否到达预定值T次；
若是则计算系统航向与磁航向差值；
利用所述系统航向与磁航向的差值修正航向。
作为一种可选的技术方案，所述预定值T为3。
本发明还公开了一种利用如上述的MEMS惯性组件进行姿态修正的方法，包括如下步骤：
接收输入的空速和高度参数，其中，所述空速是指飞行器飞行时相对空气的速度，所述高度参数经补偿后用于高度阻尼；
以修正后空速的地理系分量和导航解算的地理系速度分量的差值作为量测量，构成卡尔曼滤波器的观测量，利用卡尔曼滤波技术进行估计和校正；
通过所述空速和高度阻尼不断修正滤波状态矩阵。
本发明的有益效果为：低成本、体积小、精度高一直是备份显示系统惯性测量模块的设计目标，本发明选用低成本、体积小、高可靠性的MEMS惯性测量单元与磁罗盘，在导航状态利用磁航向对系统航向进行修正，利用大气信息与导航解算参数进行数据融合，同时加入加计调平算法修正姿态误差，可保证系统精度。
附图说明
图1是实施例中MEMS惯性组件的爆炸图。
图2是实施例中MEMS惯性测量单元、转接板以及磁罗盘装配后的示意图。
图3是实施例中MEMS惯性组件的原理结构图。
图4是航向修正算法流程图。
图5是大气组合算法流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明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发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。
实施例
如图1和图2所示，一种MEMS惯性组件，包括：
MEMS惯性测量单元1，所述MEMS惯性测量单元1上设有转接板2；
磁罗盘3，所述磁罗盘3通过所述转接板2设于所述MEMS惯性测量单元1上；
电路板4，所述电路板4与所述MEMS惯性测量单元1以及所述磁罗盘3均电连接。
作为一种可选的实施方式，所述MEMS惯性组件还包括：
至少一个支柱5，每一所述支柱5均包括螺纹段501和支撑连接段502，所述螺纹段501上设有螺母6，所述MEMS惯性测量单元1上设有供所述螺纹段501穿过的第一连接孔，所述螺纹段501穿过所述第一连接孔后通过所述螺母6被锁紧在所述MEMS惯性测量单元1上；
至少一个第一螺栓7，所述转接板2上设有供所述第一螺栓7穿过的第二连接孔，所述第一螺栓7穿过所述第二连接孔后与所述支撑连接段502螺纹连接。
作为一种可选的实施方式，所述MEMS惯性组件还包括：
至少一个第二螺栓8，所述磁罗盘3上设有供所述第二螺栓8穿过的第三连接孔；
至少一个连接凸起9，所述连接凸起9设于所述转接板2上，所述磁罗盘3上设有与所述连接凸起9适配的连接凹槽，所述连接凸起9位于所述连接凹槽内，所述第二螺栓8穿过所述第三连接孔后与所述连接凸起9螺纹连接。
作为一种可选的实施方式，所述电路板4通过第一插头10与所述MEMS惯性测量单元1相连；所述电路板4通过第二插头11与所述磁罗盘3相连；所述电路板4通过第三插头12连接对外接口。
本实施例中，第一插头10、第二插头11和第三插头12分别采用J30J-15TJL(带线)插头、Molex5146-0900插头和J63A-212-015-161-JC插头，支柱5和螺母6均设有三个，第一螺栓7设有三个，第二螺栓8设有四个，支柱通过螺母6被固定在MEMS惯性测量单元1上，转接板2通过第一螺栓7被固定在支柱5上，磁罗盘3通过第二螺栓8被固定在转接板2上，进而完成磁罗盘3、转接板2和MEMS惯性测量单元1的组合装配，整个结构紧凑，体积小。其中，MEMS惯性测量单元1与磁罗盘3测量载体角速率、加速度与磁航向，设于电路板4上的解算模块接收大气及磁航向等信息，并利用以上信息进行姿态解算，通过RS422接口对外备份显示系统输出相关信息，产品原理图如图3所示。
本实施例提供的MEMS惯性组件，在导航状态利用磁航向对系统航向进行修正，利用大气信息与导航解算参数进行数据融合，同时加入加计调平算法修正姿态误差，可保证系统精度。
具体地，在导航状态利用磁航向对系统航向进行修正的过程如下：
判断是否接收到磁航向，若是，进入下一步，其中，所述磁航向由所述磁罗盘测得；
判断修正周期1s是否有效，若是，进入下一步；
计算当前时刻与上一秒的系统航向变化率、当前时刻与上一秒的磁航向变化率以及航向变化率差值，并保存所述航向变化率和磁航向变化率；
判断所述航向变化率差值是否小于0.5°/s，且是否有姿态角小于5°、三轴角速率小于0.5°/s以及三轴加速度小于0.15m/s2；
若是，则对有效次数进行累计加1；
判断累计后的有效次数是否到达预定值T次，其中，所述预定值T为3；
若是则计算系统航向与磁航向差值；
利用所述系统航向与磁航向的差值修正航向。
更为具体地，航向修正算法流程图如图4所示。在对准状态，系统利用磁航向作为初始航向进行初始对准，建立初始姿态阵。进入导航状态之后，系统以10ms周期进行导航解算。系统与磁罗盘通讯频率为1Hz，接收到磁航向之后，判断修正周期1s是否有效，有效则计算当前时刻与上一秒的系统航向变化率、当前时刻与上一秒的磁航向变化率及航向变化率差值，以确保磁航向处于稳定输出、较小干扰状态，当航向变化率差值小于0.5°/s，姿态角小于5°、三轴角速率小于0.5°/s、三轴加速度小于0.15m/s2 时，对有效次数进行累计，有效次数达到3次，计算磁航向与系统航向差值，以修正系数（可根据系统试验进行调整）与航向差值修正航向。
具体地，利用大气信息与导航解算参数进行数据融合，同时加入加计调平算法修正姿态误差的过程如下：
接收输入的空速和高度参数，其中，所述空速是指飞行器飞行时相对空气的速度，所述高度参数经补偿后用于高度阻尼；
以修正后空速的地理系分量和导航解算的地理系速度分量的差值作为量测量，构成卡尔曼滤波器的观测量，利用卡尔曼滤波技术进行估计和校正；
通过所述空速和高度阻尼不断修正滤波状态矩阵。
更为具体地，大气组合算法流程图如图5所示。惯性导航解算单元利用大气输出的空速、高度等参数进行惯性/大气组合解算。其中大气高度数据经补偿后可以直接用于高度阻尼；飞机在飞行时的空速是相对空气的速度，空速向量已知时，则大气数据系统输出的空速向量在东、北、天地理坐标系的分量可以已知，则以修正后空速的地理系分量和导航解算的地理系速度分量的差值作为量测量，构成卡尔曼滤波器的观测量，利用卡尔曼滤波技术进行估计和校正。通过大气数据速度和高度阻尼不断修正滤波状态矩阵，提高系统精度。
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，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种MEMS惯性组件，其特征在于，包括：
MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元上设有转接板；
磁罗盘，所述磁罗盘通过所述转接板设于所述MEMS惯性测量单元上；
电路板，所述电路板与所述MEMS惯性测量单元以及所述磁罗盘均电连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS惯性组件，其特征在于，还包括：
至少一个支柱，每一所述支柱均包括螺纹段和支撑连接段，所述螺纹段上设有螺母，所述MEMS惯性测量单元上设有供所述螺纹段穿过的第一连接孔，所述螺纹段穿过所述第一连接孔后通过所述螺母被锁紧在所述MEMS惯性测量单元上；
至少一个第一螺栓，所述转接板上设有供所述第一螺栓穿过的第二连接孔，所述第一螺栓穿过所述第二连接孔后与所述支撑连接段螺纹连接。
3.根据权利要求1所述的MEMS惯性组件，其特征在于还包括：
至少一个第二螺栓，所述磁罗盘上设有供所述第二螺栓穿过的第三连接孔；
至少一个连接凸起，所述连接凸起设于所述转接板上，所述磁罗盘上设有与所述连接凸起适配的连接凹槽，所述连接凸起位于所述连接凹槽内，所述第二螺栓穿过所述第三连接孔后与所述连接凸起螺纹连接。
4.根据权利要求1所述的MEMS惯性组件，其特征在于，所述电路板通过第一插头与所述MEMS惯性测量单元相连；所述电路板通过第二插头与所述磁罗盘相连；所述电路板通过第三插头连接对外接口。
5.一种利用如权利要求1-4任一项所述的MEMS惯性组件进行姿态修正的方法，其特征在于，包括如下步骤：
判断是否接收到磁航向，若是，进入下一步，其中，所述磁航向由所述磁罗盘测得；
判断修正周期1s是否有效，若是，进入下一步；
计算当前时刻与上一秒的系统航向变化率、当前时刻与上一秒的磁航向变化率以及航向变化率差值，并保存所述航向变化率和磁航向变化率；
判断所述航向变化率差值是否小于0.5°/s，且是否有姿态角小于5°、三轴角速率小于0.5°/s以及三轴加速度小于0.15m/s2；
若是，则对有效次数进行累计加1；
判断累计后的有效次数是否到达预定值T次；
若是则计算系统航向与磁航向差值；
利用所述系统航向与磁航向的差值修正航向。
6.根据权利要求5所述的姿态修正方法，其特征在于：所述预定值T为3。
7.一种利用如权利要求1-4任一项所述的MEMS惯性组件进行姿态修正的方法，其特征在于，包括如下步骤：
接收输入的空速和高度参数，其中，所述空速是指飞行器飞行时相对空气的速度，所述高度参数经补偿后用于高度阻尼；
以修正后空速的地理系分量和导航解算的地理系速度分量的差值作为量测量，构成卡尔曼滤波器的观测量，利用卡尔曼滤波技术进行估计和校正；
通过所述空速和高度阻尼不断修正滤波状态矩阵。
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