CN115574807A - 基于mems惯性器件的导航控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于导航控制技术领域，具体公开了一种基于MEMS惯性器件的导航控制系统。该基于MEMS惯性器件的导航控制系统包括导航计算机模块以及惯性测量模块。所述导航计算机模块包括电路板和导航计算芯片组，所述导航计算芯片组设置于所述电路板；所述惯性测量模块包括安装支架、X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、Z轴陀螺仪以及三轴加速度计，所述X轴陀螺仪、所述Y轴陀螺仪、所述Z轴陀螺仪以及所述三轴加速度计均设置于所述安装支架上并通过柔性电路板与所述导航计算机模块电连接。本发明可以解决现有技术中基于MEMS惯性器件的导航控制系统的重量大、体积大、环境适应性差的难题。

Description

基于MEMS惯性器件的导航控制系统

技术领域

本发明属于导航控制技术领域，具体涉及一种基于MEMS惯性器件的导航控制系统。

背景技术

随着武器装备技术的飞速发展，微小型化高机动性的武器装备逐渐被军方所亲耐，微小型化导航控制组件作为其中重要组成部分之一，需要具备惯性测量与制导控制两部分功能，惯测组件部分需在30mm*30mm*25.8mm的空间内实现三轴角速度及三轴加速度信息测量功能组件的集成，且重量不能大于35g，而目前的微小型化导航控制组件难于实现小型化和轻量化设计的双重需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于MEMS惯性器件的导航控制系统，以解决现有技术中基于MEMS惯性器件的导航控制系统的重量大、体积大、环境适应性差的难题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种基于MEMS惯性器件的导航控制系统，包括：

导航计算机模块，所述导航计算机模块包括电路板和导航计算芯片组，所述导航计算芯片组设置于所述电路板；以及

惯性测量模块，所述惯性测量模块包括安装支架、X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、Z轴陀螺仪以及三轴加速度计，所述X轴陀螺仪、所述Y轴陀螺仪、所述Z轴陀螺仪以及所述三轴加速度计均设置于所述安装支架上并通过柔性电路板与所述导航计算机模块电连接。

进一步地，所述导航计算芯片组包括相互电连接的DSP芯片和FPGA芯片。

进一步地，所述安装支架为正方体支架，所述X轴陀螺仪、所述Y轴陀螺仪以及所述Z轴陀螺仪安装在所述安装支架上两两垂直的三个侧壁上，所述三轴加速度计安装在所述安装支架的另一个面上。

进一步地，所述安装支架包括第一侧壁、第二侧壁以及第三侧壁，所述第一侧壁、第二侧壁以及所述第三侧壁两两垂直，所述第一侧壁上设置有第一凹槽，所述X轴陀螺仪安装于所述第一凹槽内，所述第二侧壁上设置有第二凹槽，所述Y轴陀螺仪安装于所述第二凹槽内，所述第三侧壁上设置有第三凹槽，所述Z轴陀螺仪安装于所述第三凹槽；

所述安装支架包括第四侧壁，所述第四侧壁上设置有第四凹槽，所述三轴加速度计安装于所述第四凹槽内。

进一步地，所述X轴陀螺仪包括第一信号采集电路板和设置于所述第一信号采集电路板上的X轴陀螺仪芯片；

所述Y轴陀螺仪包括第二信号采集电路板和设置于所述第二信号采集电路板上的Y轴陀螺仪芯片；

所述Z轴陀螺仪包括第三信号采集电路板和设置于所述第三信号采集电路板上的Z轴陀螺仪芯片；

所述三轴加速度计包括第四信号采集电路板和设置于所述第四信号采集电路板上的三轴加速度计芯片。

进一步地，所述第一信号采集电路板、所述第二信号采集电路板、所述第三信号采集电路板以及所述第四信号采集电路板均为印制电路板。

进一步地，所述正方体支架的各个表面均设置有防护板。

进一步地，所述第一信号采集电路板、所述第二信号采集电路板、所述第三信号采集电路板以及所述第四信号采集电路板均粘接固定在所述防护板上。

进一步地，所述防护板通过螺钉、销钉、卡扣以及焊接方式中的至少一种固定在所述安装支架上。

进一步地，所述安装支架的顶部和底部均设置有减震元件。

应用本发明的技术方案，本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统主要包括导航计算机模块和惯性测量模块，其中，导航计算机模块的主要结构为电路板和芯片组，即导轨计算机模块内部可以实现无线缆化安装，而惯性测量模块的X轴陀螺仪、Y轴陀螺仪、Z轴陀螺仪以及三轴加速度计均集成设置在安装支架上，且惯性测量模块和导航计算机模块之间通过柔性电路板电连接，整个系统的体积比较小、重量比较轻、且惯性测量模块和导航计算机模块之间的相对位置可以发生相对变化，环境适应性比较好，更适于在有限的空间内实现导航控制。

也即是说，本发明创的基于MEMS惯性器件的导航控制系统采用一体化集成设计方案，导轨计算机模块内部可实现无线缆化设计，大大减少了硬件资源的使用，惯性测量模块和导航计算机模块之间通过柔性电路板电连接以实现信息交互，环境适应性比较好，整个基于MEMS惯性器件的导航控制系统的体积更小，重量更轻。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例公开的基于MEMS惯性器件的导航控制系统的结构示意图。

附图标记说明：

10、导航计算机模块；11、电路板；12、导航计算芯片组；121、DSP芯片；122、FPGA芯片；20、惯性测量模块；21、安装支架；211、第一侧壁；2111、第一凹槽；212、第二侧壁；2121、第二凹槽；213、第三侧壁；2131、第三凹槽；22、X轴陀螺仪；221、第一信号采集电路板；23、Y轴陀螺仪；231、第二信号采集电路板；24、Z轴陀螺仪；241、第三信号采集电路板；25、三轴加速度计；251、第四信号采集电路板；26、防护板；27、减震元件；30、柔性电路板。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

参见图1所示，图1为本申请实施例公开的基于MEMS惯性器件的导航控制系统的结构示意图，在图1中，惯性测量模块20部分已经被分解开。本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统利用仿真手段迭代优化，实现低成本高效率的结构设计；采用具有精度高、尺寸小等特点的MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，并结合惯性器件温度误差特性采用分立式标定方法，建立角速度测量通道和加速度测量通道误差温度补偿模型，设计出满足微小型导航控制要求的微小型导航控制组合产品，可以传统导航控制组合体积重量大、成本高、精度低、环境适应性差等问题。具体地，根据图1可以知道，本实施例中的基于MEMS惯性器件的导航控制系统包括导航计算机模块10和惯性测量模块20。

其中，导航计算机模块10包括导航计算电路板11和导航计算芯片组12，导航计算芯片组12设置于导航计算电路板11上；惯性测量模块20包括安装支架21、X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25，X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25均设置于安装支架21上并通过柔性电路板30与导航计算机模块10电连接。

在本申请中，MEMS是指微机电系统，即Micro-Electro-Mechanical System，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等。本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统主要包括导航计算机模块10和惯性测量模块20，其中，导航计算机模块10的主要结构为电路板和芯片组，即导轨计算机模块10内部可以实现无线缆化安装，而惯性测量模块20的X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25均集成设置在安装支架21上，且惯性测量模块20和导航计算机模块10之间通过柔性电路板30电连接，整个系统的体积比较小、重量比较轻、且惯性测量模块20和导航计算机模块10之间的相对位置可以发生相对变化，环境适应性比较好，更适于在有限的空间内实现导航控制。

也即是说，本发明创的基于MEMS惯性器件的导航控制系统采用一体化集成设计方案，导轨计算机模块10内部可实现无线缆化设计，大大减少了硬件资源的使用，惯性测量模块20和导航计算机模块10之间通过柔性电路板30电连接以实现信息交互，环境适应性比较好，整个基于MEMS惯性器件的导航控制系统的体积更小，重量更轻。

具体来说，本实施例中的导航计算电路板11为一块刚性印制电路板，结构简单，便于实现。导航计算芯片组12包括相互电连接的DSP芯片121和FPGA芯片122，其中，DSP(Digital Signal Processing)即数字信号处理技术，DSP芯片121是指能够实现数字信号处理技术的芯片，DSP作为数据运算处理与控制中心，负责信息采集及处理、与外部接口的通信控制及指令处理等功能。FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，FPGA芯片122可以用来构建外部接口，负责惯性测量模块20中输出的角速度和加速度数据的采集预处理，以及对外通讯的逻辑控制与接口管理，从而满足系统使用要求。

进一步地，本实施例中的安装支架21为正方体支架，实际安装时，将X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23以及Z轴陀螺仪24安装在安装支架21上两两垂直的三个侧壁上，而将三轴加速度计25安装在安装支架21的另一个侧壁上。可以理解的是，这里所述的另一个侧壁是指除去X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23以及Z轴陀螺仪24安装的侧壁之外的任意一个侧壁。通过使X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25分别设置在正方体支架的各个侧壁上，能够合理利用正方体支架上的空间，便于实现惯性测量模块20的小型化设计。当然，在本申请的其他实施方式中，还可以将安装支架21设置为长方体或者其他具有正交安装侧壁的支架结构，只要是在本申请的构思下的其他变形方式，均在本申请的保护范围之内。

具体来说，本实施例中的安装支架21包括第一侧壁211、第二侧壁212以及第三侧壁213，其中，第一侧壁211、第二侧壁212以及第三侧壁213两两垂直，第一侧壁211上设置有第一凹槽2111，X轴陀螺仪22安装于第一凹槽2111内，第二侧壁212上设置有第二凹槽2121，Y轴陀螺仪23安装于第二凹槽2121内，第三侧壁213上设置有第三凹槽2131，Z轴陀螺仪24安装于第三凹槽2131；安装支架21包括第四侧壁(图中未示出)，第四侧壁上设置有第四凹槽(图中未示出)，三轴加速度计25安装于第四凹槽内。通过在安装支架21上设置第一凹槽2111、第二凹槽2121、第三凹槽2131以及第四凹槽，分别对应安装X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25，能够实现惯性测量模块20的小型化和轻量化设计。

具体来说，本实施例中的X轴陀螺仪22包括第一信号采集电路板221和设置于第一信号采集电路板221上的X轴陀螺仪芯片(图中未示出)；Y轴陀螺仪23包括第二信号采集电路板231和设置于第二信号采集电路板231上的Y轴陀螺仪芯片(图中未示出)；Z轴陀螺仪24包括第三信号采集电路板241和设置于第三信号采集电路板241上的Z轴陀螺仪芯片(图中未示出)；三轴加速度计25包括第四信号采集电路板251和设置于第四信号采集电路板251上的三轴加速度计芯片(图中未示出)。也即是说，本实施例中将X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25设计成芯片化结构，惯性测量模块20内部可以实现无线缆化安装，大大减少了硬件资源的使用，使惯性测量模块20内部电路所占空间体积大幅减小，能够进一步减小基于MEMS惯性器件的导航控制系统的体积和重量。

可选地，本实施例中的第一信号采集电路板221、第二信号采集电路板231、第三信号采集电路板241以及第四信号采集电路板251均为印制电路板。该印制电路板为刚性印制电路板，便于对X轴陀螺仪芯片、Y轴陀螺仪芯片、Z轴陀螺仪芯片以及三轴加速度计芯片进行支撑和安装。

进一步地，正方体支架的各个表面均设置有防护板26，安装好防护板26之后，该防护板26盖设于X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25的外侧，即远离正方体支架的一侧，通过该防护板26的作用，便于对X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25进行保护。可选地，本实施例中的防护板26为金属板，结构强度高，稳定性好。

进一步地，第一信号采集电路板221、第二信号采集电路板231、第三信号采集电路板241以及第四信号采集电路板251均粘接固定在防护板26上，结构简单，便于对第一信号采集电路板221、第二信号采集电路板231、第三信号采集电路板241以及第四信号采集电路板251进行支撑和安装，且能够进一步提高惯性测量模块20的集成化程度。可选地，防护板26通过螺钉、销钉、卡扣以及焊接方式中的至少一种固定在安装支架21上。

进一步地，安装支架21的顶部和底部均设置有减震元件27，该减震元件27例如可以是弹性垫、弹性柱等结构，通过该减震元件27的作用，可以降低基于MEMS惯性器件的导航控制系统使用过程中振动和噪音。

综上可以知道，本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统包括导航计算机模块10和惯性测量模块20两大部分。其中，惯性测量模块20采用微机电惯性器件构建三轴角速度测量通道和三轴加速度测量通道，主要由安装支架21、X轴陀螺仪22、Y轴陀螺仪23、Z轴陀螺仪24以及三轴加速度计25组成，通过柔性电路板30与导航计算机模块10进行信息交互；导航计算机模块10采用“DSP+FPGA”架构方案建外部接口和信息处理系统，主要由DSP电路及FPGA电路组成，用于存储并运行工程应用软件，存储惯性误差补偿系数，采集惯测组件输出的角速度和加速度信息，以及负责制导率运算、外部通讯，最终实现惯性测量与制导控制功能。本申请的基于MEMS惯性器件的导航控制系统能够解决导航控制组合的一体化设计及高精度、低成本、高可靠的惯性测量与制导控制需求。

本发明解决了传统导航控制组合体积重量大、成本高、精度低、环境适应性差等问题，可以以最低的成本，最小的结构尺寸，设计出了满足系统使用要求的微小型导航控制组合，该系统的惯性测量模块20部分体积仅有28.7mm*27mm*25.8mm，质量小于30g，可以在有限空间内解决了导航控制组合产品系统结构及电路的小型化、惯性传感器芯片低应力正交安装等问题，降低了硬件成本，具有较高的应用价值。本发明可应用于小型化武器装备研制配套任务中，可产生长远的经济效益。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

(1)本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统围绕低成本、高可靠等技术需求，以最低的成本，最小的结构尺寸，解决了在有限空间内实现系统结构及电路的小型化设计问题，以及惯性传感器芯片低应力正交安装等问题。

(2)本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统设计出了满足系统使用要求的微小型导航控制组合产品，惯性测量模块部分体积仅有28.7mm*27mm*25.8mm，质量小于30g。

(3)本发明的基于MEMS惯性器件的导航控制系统中的导航计算机模块和惯性测量模块可以实现无线缆安装，降低了硬件成本，便于实现基于MEMS惯性器件的小型化和轻量化设计。

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申请保护范围的限制。

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

Claims (10)

1.一种基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，包括：

导航计算机模块(10)，所述导航计算机模块(10)包括电路板(11)和导航计算芯片组(12)，所述导航计算芯片组(12)设置于所述电路板(11)；以及

惯性测量模块(20)，所述惯性测量模块(20)包括安装支架(21)、X轴陀螺仪(22)、Y轴陀螺仪(23)、Z轴陀螺仪(24)以及三轴加速度计(25)，所述X轴陀螺仪(22)、所述Y轴陀螺仪(23)、所述Z轴陀螺仪(24)以及所述三轴加速度计(25)均设置于所述安装支架(21)上并通过柔性电路板(30)与所述导航计算机模块(10)电连接。

2.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述导航计算芯片组(12)包括相互电连接的DSP芯片(121)和FPGA芯片(122)。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述安装支架(21)为正方体支架，所述X轴陀螺仪(22)、所述Y轴陀螺仪(23)以及所述Z轴陀螺仪(24)安装在所述安装支架(21)上两两垂直的三个侧壁上，所述三轴加速度计(25)安装在所述安装支架(21)的另一个面上。

4.根据权利要求3所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述安装支架(21)包括第一侧壁(211)、第二侧壁(212)以及第三侧壁(213)，所述第一侧壁(211)、第二侧壁(212)以及所述第三侧壁(213)两两垂直，所述第一侧壁(211)上设置有第一凹槽(2111)，所述X轴陀螺仪(22)安装于所述第一凹槽(2111)内，所述第二侧壁(212)上设置有第二凹槽(2121)，所述Y轴陀螺仪(23)安装于所述第二凹槽(2121)内，所述第三侧壁(213)上设置有第三凹槽(2131)，所述Z轴陀螺仪(24)安装于所述第三凹槽(2131)；

所述安装支架(21)包括第四侧壁，所述第四侧壁上设置有第四凹槽，所述三轴加速度计(25)安装于所述第四凹槽内。

5.根据权利要求3所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述X轴陀螺仪(22)包括第一信号采集电路板(221)和设置于所述第一信号采集电路板(221)上的X轴陀螺仪芯片；

所述Y轴陀螺仪(23)包括第二信号采集电路板(231)和设置于所述第二信号采集电路板(231)上的Y轴陀螺仪芯片；

所述Z轴陀螺仪(24)包括第三信号采集电路板(241)和设置于所述第三信号采集电路板(241)上的Z轴陀螺仪芯片；

所述三轴加速度计(25)包括第四信号采集电路板(251)和设置于所述第四信号采集电路板(251)上的三轴加速度计芯片。

6.根据权利要求5所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述第一信号采集电路板(221)、所述第二信号采集电路板(231)、所述第三信号采集电路板(241)以及所述第四信号采集电路板(251)均为印制电路板。

7.根据权利要求6所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述正方体支架的各个表面均设置有防护板(26)。

8.根据权利要求7所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述第一信号采集电路板(221)、所述第二信号采集电路板(231)、所述第三信号采集电路板(241)以及所述第四信号采集电路板(251)均粘接固定在所述防护板(26)上。

9.根据权利要求7所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述防护板(26)通过螺钉、销钉、卡扣以及焊接方式中的至少一种固定在所述安装支架(21)上。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的基于MEMS惯性器件的导航控制系统，其特征在于，所述安装支架(21)的顶部和底部均设置有减震元件(27)。

Images