CN208505331U - 一种共抖陀螺惯性测量单元imu - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，采用一个抖轮同时对三个激光陀螺仪进行抖动偏频，同时可采用一个FPGA作为控制中心实现对控制电路、恒流电路、以及稳频电路的控制和IMU信号处理。从而有效避免了采用多个抖轮使得加工复杂度和控制难度增大的技术问题，具有提高生产制造效率和控制精度控制效率的技术效果。且本申请实施例中的共抖陀螺惯性测量单元IMU在结构上可以为细长的圆柱体。抖轮基座可为圆形，电路结构同样采用沿抖轮的抖动轴线布局的电路层为分层圆形结构。由此可以有效地减小陀螺惯性测量系统的整体体积和重量，具有提高适用性和降低生产成本的技术效果。

Description

一种共抖陀螺惯性测量单元IMU

技术领域

本实用新型涉及电子信息控制技术领域，特别是涉及一种共抖陀螺惯性测量系统。

背景技术

陀螺惯性测量单元IMU是用来测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个惯性测量单元系统包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计用来检测物体相对于惯性坐标系独立三轴上的加速度信号，而陀螺检测载体相对于惯性坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中有着很重要的应用价值。

然而，现有的陀螺惯性测量单元IMU采用三个陀螺仪，每个陀螺仪采用各自的抖轮，在实际操作过程中需要对不同的抖轮采用不同的谐振频率，从而避免三个陀螺仪的相互影响。目前，随着各种军用和民用系统迈向小型化和轻量化的发展趋势，在需要应用导航的装置系统中都对惯性测量系统的小型化和轻量化提高了应用需求。但是现有技术中的陀螺惯性测量系统不仅需要采用至少三个抖轮，并且需要采用不同的谐振频率，由此不仅增大了陀螺惯性测量系统的加工制造复杂度，同时也增加了测量过程中的控制难度和复杂度。

可见，现有技术中存在着陀螺惯性测量单元IMU因抖轮数较多增大了加工制造复杂度，以及增加了测量过程中的控制难度和复杂度的技术问题。

实用新型内容

本申请提供一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，用以解决现有技术中存在着的陀螺惯性测量系统因抖轮数较多增大了加工制造复杂度，以及增加了测量过程中的控制难度和复杂度的技术问题。

本申请第一方面提供了一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，包括：

基座，包括固定装置；

抖轮，固定设置在所述基座上，包括至少三个陀螺安装面；

至少三个陀螺仪，分别一一对应设置在所述陀螺安装面上，且每个陀螺仪能沿分别设置在所述陀螺安装面上的陀螺轴发生轴转动，所述陀螺仪用以检测所述基座的角速度参数，获得至少三个角速度参数；

至少三个加速度传感器，设置在所述固定装置上且分别一一对应与陀螺仪连接，用以确定所述基座的加速度参数，获得至少三个加速度参数；，

控制电路，设置在所述固定装置上，且与所述抖轮连接，用以控制所述抖轮为所述陀螺仪提供抖动偏频分量；

处理装置，用以基于所述至少三个角速度参数、所述至少三个加速度参数计算获得载体的运动参数，所述运动参数包括三轴姿态角参数、和/或角度参数、和/或加速度参数；

输出装置，用以输出包括所述运动参数和/或抖动偏频分量的参数信号。

可选地，所述至少三个陀螺仪具体为三个所述激光陀螺仪；

所述至少三个加速度传感器具体为三个所述加速度传感器。

可选地，所述三个激光陀螺仪分别所在的三个陀螺轴相互正交。

可选地，所述激光陀螺仪的测量轴线与所述抖轮的抖动轴线的夹角相同，且属于50°至60°角度范围。

可选地，所述三个加速度传感器的测量轴互相正交，且所述加速度传感器的测量轴分别与其连接的激光陀螺仪的测量轴平行或与所述共抖陀螺惯性测量单元IMU的测量轴平行。

可选地，所述固定装置为固定结构体，其中，所述抖轮的中心、所述控制电路所在面板的中心、所述处理装置所在面板的中心、与所述基座的中心沿直线分层设置

可选地，所述惯性测量单元IMU还包括：

稳频电路和恒流电路，与所述陀螺仪连接，用以对所述陀螺仪进行稳频控制及恒流控制，其中，所述控制电路、所述恒流电路、以及所述稳频电路与FPGA 芯片连接，并通过所述FPGA芯片进行控制；

所述惯性测量单元IMU中的模拟电路和数字电路分层设置。

可选地，所述FPGA芯片中包括：

采样电路，用以对所述陀螺仪以及所述加速度感应器的信号进行采样，获得第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号；

所述输出装置，还用以输出所述第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号。

可选地，所述惯性测量单元IMU还包括：

滤波模块，用以对所述参数信号、所述第一陀螺仪采样信号和所述第一加速度采样信号进行滤波，生成滤波信号、第二陀螺仪采样信号机和第二加速度采样信号；

所述输出装置，还用以输出所述滤波信号、所述第二陀螺仪采样信号和所述第二加速度采样信号。

可选地，所述控制电路还包括：

补偿模块，用以在预定坐标系内补偿所述惯性测量单元IMU的器件误差及安装误差角。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中的共抖陀螺惯性测量单元IMU采用一个抖轮同时对三个激光陀螺仪进行抖动偏频，同时可采用一个FPGA作为控制中心实现对抖轮控制电路、恒流电路、以及稳频电路的控制和信号处理。从而有效避免了采用多个抖轮使得加工复杂度和控制难度增大的技术问题，具有提高生产制造效率和控制精度控制效率的技术效果。且本申请实施例中的共抖陀螺惯性测量单元 IMU在结构上可以为细长的圆柱体。抖轮基座可为圆形，电路结构同样采用沿抖轮的抖动轴线布局的电路层为分层圆形结构。由此可以有效地减小陀螺惯性测量系统的整体体积和重量，具有提高适用性和降低生产成本的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种共抖陀螺惯性测量单元IMU的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种共抖陀螺惯性测量单元IMU中的抖轮的结构图；

图3为本实用新型实施例提供的一种共抖陀螺惯性测量单元IMU中的抖轮的剖面图；

图4为本实用新型实施例提供的一种共抖陀螺惯性测量单元IMU的电路模块结构图。

具体实施方式

本申请提供本申请提供一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，用以解决现有技术中存在着的陀螺惯性测量系统因抖轮数较多增大了加工制造复杂度，以及增加了测量过程中的控制难度和复杂度的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本申请实施例中的共抖陀螺惯性测量单元IMU采用一个抖轮同时对三个激光陀螺仪进行抖动偏频，同时可采用一个FPGA作为控制中心实现对控制电路、恒流电路、以及稳频电路的控制和信号处理。从而有效避免了采用多个抖轮使得加工复杂度和控制难度增大的技术问题，具有提高生产制造效率和控制精度控制效率的技术效果。且本申请实施例中的共抖陀螺惯性测量单元IMU 在结构上可以为细长的圆柱体。抖轮基座可为圆形，电路结构同样采用沿抖轮的抖动轴线布局的电路层为分层圆形结构。由此可以有效地减小陀螺惯性测量系统的整体体积和重量，具有提高适用性和降低生产成本的技术效果。

下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

实施例一

请参考图1、图2、图3和图4，本申请实施例一提供一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，包括：

基座101，包括固定装置；

抖轮102，固定设置在所述基座上，包括至少三个陀螺安装面1021；

至少三个陀螺仪103，分别一一对应设置在所述陀螺安装面1021上，且每个陀螺仪能沿分别设置在所述陀螺安装面上的陀螺轴发生轴转动，所述陀螺仪用以检测所述基座的角速度参数，获得至少三个角速度参数；在本申请实施例中，所述至少三个陀螺仪具体为三个所述激光陀螺仪；所述三个激光陀螺仪分别所在的三个陀螺轴相互正交；所述激光陀螺仪的测量轴线与所述抖轮的抖动轴线的夹角相同，且属于50°至60°角度范围；

至少三个加速度传感器104，设置在所述固定装置上且分别一一对应与陀螺仪连接，用以确定所述基座的加速度参数，获得至少三个加速度参数；在本申请实施例中，所述至少三个加速度传感器具体为三个所述加速度传感器；进一步地，所述三个加速度传感器的测量轴互相正交，且所述加速度传感器的测量轴分别与其连接的激光陀螺仪的测量轴平行或与所述共抖陀螺惯性测量单元IMU的测量轴平行；

控制电路105，设置在所述固定装置上，且与所述抖轮连接，用以控制所述抖轮为所述陀螺仪提供抖动偏频分量；进一步地，所述控制电路可以通过 FPGA芯片来实现，由FPGA芯片通过软件实现对系统中的包括腔长、恒流控制、抖轮的抖频、抖幅控制及噪音加注；同时，本申请实施例中的所述惯性测量单元IMU还包括稳频电路和恒流电路，所述稳频电路和恒流电路与所述陀螺仪连接，用以对所述陀螺仪进行稳频控制及恒流控制，而所述控制电路、所述恒流电路、以及所述稳频电路也可与FPGA芯片连接，并通过所述FPGA芯片进行控制；所述惯性测量单元IMU中的模拟电路和数字电路分层设置；

处理装置，用以基于所述至少三个角速度参数、所述至少三个加速度参数计算获得载体的运动参数，所述运动参数包括三轴姿态角参数、和/或角度参数、和/或加速度参数；

输出装置，用以输出包括所述运动参数和/或抖动偏频分量的参数信号。

需要指出的是，本申请实施例中的所述固定装置为固定结构体，具体可以为一圆柱形支撑体，其中，所述抖轮的中心、所述控制电路所在面板的中心、所述处理装置所在面板的中心、与所述基座的中心沿直线分层设置；

进一步地，所述FPGA芯片中包括采样电路和滤波模块，所述采样电路用以对所述陀螺仪以及所述加速度感应器的信号进行采样，获得第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号；而所述滤波模块用以对所述参数信号、所述第一陀螺仪采样信号和所述第一加速度采样信号进行滤波，生成滤波信号、第二陀螺仪采样信号机和第二加速度采样信号；所述输出装置，用以输出所述第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号，还用以输出所述滤波信号、所述第二陀螺仪采样信号和所述第二加速度采样信号。

进一步地，所述惯性测量单元IMU还包括补偿模块，用以在预定坐标系内补偿所述惯性测量单元IMU的器件误差及安装误差角。

可见，本申请实施例中的惯性测量单元IMU中的信号采集功能和控制功能都可集成于FPGA芯片中，由此可以有效降低整个系统的硬件数量。而所述滤波模块和补偿电路可以通过DSP芯片来实现。DSP可对陀螺仪和加速度感应器的信号进行滤波、温度误差补偿，不正交度补偿，得到器件安装坐标系的角速率和加速度，通过正交变换得到IMU坐标系的加速度和角速度。

再进一步地，本申请实施例中的抖轮可为三辐条抖轮，采用压电陶瓷驱动，抖轮的偏频量在单个陀螺仪上的分量满足单个陀螺抖动偏频要求。

由此可见，本申请实施例中的陀螺惯性测量系统采用一个抖轮同时对至少三个激光陀螺仪进行抖动偏频，同时可采用一个FPGA作为控制中心实现对多个电路及功能模块的控制和信号处理。从而有效避免了采用多个抖轮使得加工复杂度和控制难度增大的技术问题，具有提高生产制造效率和控制精度控制效率的技术效果。

本申请实施例中的陀螺惯性测量系统在结构上可以为细长的圆柱体。抖轮基座可为圆形，电路结构同样采用沿抖轮的抖动轴线布局的电路层为分层圆形结构。由此可以有效地减小陀螺惯性测量系统的整体体积和重量，具有提高适用性和降低生产成本的技术效果。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。进一步地，本申请技术方案中的各个方法步骤可以颠倒，变换先后顺序而依然落入本申请所涵盖的实用新型范围中。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种共抖陀螺惯性测量单元IMU，其特征在于，包括：

基座，包括固定装置；

抖轮，固定设置在所述基座上，包括至少三个陀螺安装面；

至少三个陀螺仪，分别一一对应设置在所述陀螺安装面上，且每个陀螺仪能沿分别设置在所述陀螺安装面上的陀螺轴发生轴转动，所述陀螺仪用以检测所述基座的角速度参数，获得至少三个角速度参数；

至少三个加速度传感器，设置在所述固定装置上且分别一一对应与陀螺仪连接，用以确定所述基座的加速度参数，获得至少三个加速度参数；

控制电路，设置在所述固定装置上，且与所述抖轮连接，用以控制所述抖轮为所述陀螺仪提供抖动偏频分量；

处理装置，用以基于所述至少三个角速度参数、所述至少三个加速度参数计算获得载体的运动参数，所述运动参数包括三轴姿态角参数、和/或角度参数、和/或加速度参数；

输出装置，用以输出包括所述运动参数和/或抖动偏频分量的参数信号。

2.如权利要求1所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述至少三个陀螺仪具体为三个激光陀螺仪；

所述至少三个加速度传感器具体为三个所述加速度传感器。

3.如权利要求2所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述三个激光陀螺仪分别所在的三个陀螺轴相互正交。

4.如权利要求3所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述激光陀螺仪的测量轴线与所述抖轮的抖动轴线的夹角相同，且属于50°至60°角度范围。

5.如权利要求4所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述三个加速度传感器的测量轴互相正交，且所述加速度传感器的测量轴分别与其连接的激光陀螺仪的测量轴平行或与所述共抖陀螺惯性测量单元IMU的测量轴平行。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述固定装置为固定结构体，其中，所述抖轮的中心、所述控制电路所在面板的中心、所述处理装置所在面板的中心、与所述基座的中心沿直线分层设置。

7.如权利要求6所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述惯性测量单元IMU还包括：

稳频电路和恒流电路，与所述陀螺仪连接，用以对所述陀螺仪进行稳频控制及恒流控制，其中，所述控制电路、所述恒流电路、以及所述稳频电路与FPGA芯片连接，并通过所述FPGA芯片进行控制；

所述惯性测量单元IMU中的模拟电路和数字电路分层设置。

8.如权利要求7所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述FPGA芯片中包括：

采样电路，用以对所述陀螺仪以及所述加速度传感器的信号进行采样，获得第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号；

所述输出装置，还用以输出所述第一陀螺仪采样信号和第一加速度采样信号。

9.如权利要求8所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述惯性测量单元IMU还包括：

滤波模块，用以对所述参数信号、所述第一陀螺仪采样信号和所述第一加速度采样信号进行滤波，生成滤波信号、第二陀螺仪采样信号机和第二加速度采样信号；

所述输出装置，还用以输出所述滤波信号、所述第二陀螺仪采样信号和所述第二加速度采样信号。

10.如权利要求1所述的惯性测量单元IMU，其特征在于，所述惯性测量单元IMU还包括：

补偿模块，用以在预定坐标系内补偿所述惯性测量单元IMU的器件误差及安装误差角。