CN208921141U - 一种微机电陀螺捷联惯导 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微机电陀螺捷联惯导，包括惯性传感器和支撑框架；其特征是：支撑框架由下往上依次设有各自呈平板状的底板、中间安装板和顶部安装板，底板的上表面四周各自设有一个支撑用凸柱，每个支撑用凸柱的上表面上凸设有一根螺纹连接柱；中间安装板四周竖向贯穿设置有与各个螺纹连接柱一一对应的连接孔；各个螺纹连接柱穿过中间安装板上各个对应的连接孔，并通过螺纹与一根双通螺柱下端的螺纹孔固定相连，各个螺纹连接柱的下端面抵紧中间安装板；顶部安装板的四周竖向贯穿设置有与双通螺柱的顶端上凸的螺纹柱一一对应的装配孔，各个螺纹柱贯穿装配孔并通过旋接的螺母抵紧固定顶部安装板；惯性传感器固定安装在中间安装板的上表面。

Description

一种微机电陀螺捷联惯导

技术领域

本实用新型属于惯性导航系统领域，具体涉及一种微机电陀螺捷联惯导。

背景技术

惯性导航系统（INS，以下简称惯导）是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

捷联式惯性导航系统(Strap-downInertialNavigationSystem，简写SINS)是将加速度计和陀螺仪直接安装在载体上，在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系，从而把载体坐标系的加速度计信息转换为导航坐标系下的信息，然后进行导航计算。由于其具有可靠性高、功能强、重量轻、成本低、精度高以及使用灵活等优点，使得SINS已经成为当今惯性导航系统发展的主流。捷联惯性测量组件(InertialMeasurementUnit，简写IMU)是惯导系统的核心组件，IMU的输出信息的精度在很大程度上决定了系统的精度。

MEMS惯性器件（微机电惯性传感器）具有成本低廉、可靠性高、体积重量轻、便于开发等特点，广泛应用在捷联惯导中，并能够帮助惯导实现小型化和低功耗的目标。

但是，现有已公开的微机电陀螺捷联惯导的技术研究方向集中在提高检测精度和对准方法领域，例如，公告号：CN108195400A捷联式微机电惯性导航系统的动基座对准方法，以及，公告号：CN103217174B一种基于低精度微机电系统的捷联惯导系统初始对准方法。现有技术很少提及如何设计一种结构简洁合理可靠，适于工程应用的微机电陀螺捷联惯导的硬件构造。

基于此，申请人考虑设计一种结构简洁，布局合理的微机电陀螺捷联惯导。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是：如何提供一种结构简洁，布局合理的微机电陀螺捷联惯导。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种微机电陀螺捷联惯导，包括惯性传感器和支撑框架；所述惯性传感器固定安装在所述支撑框架上；其特征在于：

所述支撑框架由下往上依次设有各自呈平板状的底板、中间安装板和顶部安装板，其中，所述底板的上表面四周各自设有一个支撑用凸柱，每个支撑用凸柱的上表面上凸设有一根螺纹连接柱；所述中间安装板四周竖向贯穿设置有与各个螺纹连接柱一一对应的连接孔；各个螺纹连接柱穿过中间安装板上各个对应的连接孔，并通过螺纹与一根双通螺柱下端的螺纹孔固定相连，各个螺纹连接柱的下端面抵紧所述中间安装板；所述顶部安装板的四周竖向贯穿设置有与所述双通螺柱的顶端上凸的螺纹柱一一对应的装配孔，各个螺纹柱贯穿所述装配孔并通过旋接的螺母抵紧固定顶部安装板；

所述惯性传感器固定安装在所述中间安装板的上表面。

本实用新型微机电陀螺捷联惯导具有的优点是：

1、结构简洁，布局合理。装配时，先将各个元件分别固定在中间安装板和顶部安装板上，装好后，采用双通螺柱和螺母即可将中间安装板和顶部安装板快速的固定在底板上。可见，也具有便于实现快速装配的优点。

2、采用将最为核心的惯性传感器固定安装中间安装板上表面的结构设计，不仅能够获得稳靠的固定效果；还能够通过底板和顶部安装板以及四周的双通螺柱围住，形成保护起核心元件的保护框架结构。

附图说明

图1为本实用新型微机电陀螺捷联惯导第一种实施方式的结构示意图。

图2为本实用新型微机电陀螺捷联惯导第二种实施方式的结构示意图。

图1和图2中标记为：

10惯性传感器；

支撑框架：20底板，21中间安装板，22顶部安装板，23支撑用凸柱，24双通螺柱，25螺母；

30罩体。

图3为本实用新型微机电陀螺捷联惯导中外部供电转换电路的电路原理图。

图4为本实用新型微机电陀螺捷联惯导中通讯隔离电源的电路原理图。

图5为本实用新型微机电陀螺捷联惯导中内部接口供电电路的电路原理图。

图6为本实用新型微机电陀螺捷联惯导中FPGA供电电路的电路原理图。

图7为本实用新型微机电陀螺捷联惯导中双电压供电电路的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

第一种实施例，如图1所示：

一种微机电陀螺捷联惯导，包括惯性传感器10和支撑框架；所述惯性传感器10固定安装在所述支撑框架上；

所述支撑框架由下往上依次设有各自呈平板状的底板20、中间安装板21和顶部安装板22，其中，所述底板20的上表面四周各自设有一个支撑用凸柱23，每个支撑用凸柱23的上表面上凸设有一根螺纹连接柱；所述中间安装板21四周竖向贯穿设置有与各个螺纹连接柱一一对应的连接孔；各个螺纹连接柱穿过中间安装板21上各个对应的连接孔，并通过螺纹与一根双通螺柱24下端的螺纹孔固定相连，各个螺纹连接柱的下端面抵紧所述中间安装板21；所述顶部安装板22的四周竖向贯穿设置有与所述双通螺柱24的顶端上凸的螺纹柱一一对应的装配孔，各个螺纹柱贯穿所述装配孔并通过旋接的螺母25抵紧固定顶部安装板22；

所述惯性传感器10固定安装在所述中间安装板21的上表面。

实施时，优选惯性传感器10采用ADI公司生产的型号为ADIS16488A的传感器，该传感器内置一个三轴陀螺仪、一个三轴加速度计、一个三轴磁力计和一个压力传感器。该传感器采用约为47mm*44mm*14mm的模块封装，配有标准连接器接口。ADIS16488A外形较小、供电简单、功耗较低，工作温度、角速度测量范围、加速度测量范围均满足微机电陀螺捷联惯导性能指标要求，在有其他速度辅助情况下俯仰角和横滚角测量精度能满足要求。

其中，所述底板20由金属材料制得。

优选底板20由不锈钢材料或铝合金材料制得。

采用金属材料制得的底板20具有结构牢固，导热性能优良的特点，能够吸收并传导各个元件在使用时发出的热量，形成更适宜电子元件持久可靠使用的温度条件。

其中，所述中间安装板21为印制电路板。

所述中间安装板21上安装有电源电路、通讯模块与接口和惯性传感器10，优选核心的惯性传感器10安装在上表面，其余元件安装在下表面。

其中，所述顶部安装板22为印制电路板。

顶部安装板22上安装导航解算组件（DSP、FPGA）并构成导航解算板。

这样一来，中间安装板21和顶部安装板22为微机电陀螺捷联惯导的两块核心电路板，不仅能够充分利用了空间，还能够完成丰富的导航测量和计算功能。

第二种实施例，如图2所示：

本实施与第一种实施例不同之处在于：微机电陀螺捷联惯导还包括一个罩体30；所述罩体30整体罩住所述中间安装板21和顶部安装板22，所述罩体30的下端面与所述底板20四周上表面边缘对接固定相连；所述罩体30的侧面设置有供所述底板20上固定安装的接插件的接口露出的露出孔。

实施时，优选所述接插件为35芯连接器。

上述罩体30的设置，能够罩护好中间安装板21和顶部安装板22以及在其上方安装的电子元器件，避免灰尘等进入，提升微机电陀螺捷联惯导持久使用的可靠性。

其中，所述罩体30由金属材料制得。

优选所述罩体30由不锈钢材料或铝合金材料制得。

这样一来，罩体30能够与底板20相配合来包裹住中间安装板21和顶部安装板22以及在其上方安装的电子元器件，并形成电磁屏蔽层，更好的屏蔽外界的电磁干扰，进一步提升微机电陀螺捷联惯导的使用可靠性。

与此同时，由金属材料制得的罩体30也能够更好的吸收和散发热量，帮助内部维持至适宜电子元件持久使用的温度。

其中，微机电陀螺捷联惯导还包括电源电路，所述电源电路包括电源用电路板，所述电源用电路板的四周通过螺钉固定安装在所述中间安装板21的下表面。

这样一来，电源电路板整体设于底板20和中间安装板21之间，故电源电路板发出的热量能够迅速传递至底板20进行散热，营造出更好的使用条件。

其中，所述电源电路还包括外部供电转换电路，所述外部供电转换电路包括电源芯片D1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、二极管V1、二极管V2、二极管V3、电阻R1、电阻R2和电感L1；

其中，所述电源芯片D1的芯片型号为TPS5430；

所述电源芯片D1的VIN脚和GND脚之间并联接有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和二极管V2；GND脚接地；

所述电源芯片D1的BOOT脚与VSNS脚之间依次串联有电容C5、电感L1、电容C8和电阻R2，且电容C8和电阻R2之间的线路与接地端相连；所述电源芯片D1的PH脚与电感L1和电容C5之间的线路相连接并构成第一连接点，第一连接点与接地端之间串联有二极管V3；

电感L1和电容C8之间的线路与接地端之间并联有电容C7和二极管V1；

电阻R1串联在电感L1和电容C8的连接线路与电阻R2和VSNS脚的连接线路之间，电感L1和电容C8之间的连接线路上具有供电接点。

上述外部供电转换电路选取电源芯片：TPS5430DDA和其它电子元件，可使得二次电源电路具有结构紧凑，体积小，宽输入（输入+12V～+36V），恒定输出电压+5V，输出最大电流为4000mA，工作温度范围：-40℃～+125℃，输入设计过压过流保护，输出稳压保护。有效确保电源电路可靠性。

其中，所述电源电路还包括通讯隔离电源，所述通讯隔离电源包括直流转换器D2、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和二极管V4；

直流转换器D2的芯片型号为DCP010505BP；直流转换器D2的VS+脚与所述供电接点相连接，直流转换器D2的VS+脚和VS-脚之间并联有电容C9和电容C10，且VS-脚接地；

直流转换器D2的VO+脚和VOG脚之间并联有电容C11、电容C12和二极管V4。

上述通讯隔离电源能够去除外部供电转换电路的供电接点与通讯回路之间的接地环路，可切断共模、浪涌等干扰信号的传播路径，有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响，能提高共模干扰抑制性能和抗干扰能力，从而提升整个电源电路的可靠性。

其中，所述电源电路还包括内部接口供电电路，所述内部接口供电电路包括直流转换器D3、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17和电阻R3；

直流转换器D3的芯片型号为PTH04070WAH；

直流转换器D3的VIN脚与所述供电接点相连接；直流转换器D3的VIN脚和GND脚之间并联有电容C15和电容C17；

直流转换器D3的VOUT脚和GND脚之间并联有电容C13、电容C14和电容C16；

直流转换器D3的ADJ脚与GND脚之间串联有电阻R3。

上述内部接口供电电路能够稳定输出3.3V电源，满足接口电路的供电需求。

实施时，所述电源电路还包括FPGA供电电路，所述FPGA供电电路包括电源芯片D4、电容C18、电容C19、电容C20、电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25、电容C26、二极管V5、电感L2、电感L3、电阻R4、电阻R5和电阻R6；

电源芯片D4的芯片型号为TPS54331；电源芯片D4的VIN脚与与所述供电接点相连接；且VIN脚与接地之间串联有电容C23；电源芯片D4的SS脚与接地之间串联有电容C26；电源芯片D4的EN脚与VIN脚相连接；

电源芯片D4的BOOT脚与PH脚之间串联有电容C18，且BOOT脚与GND脚之间串联有二极管V5；PH脚与VSENSE脚之间依次串联有电感L2和电阻R4，且VSENSE脚与接地之间还串连接有电阻R5；

电感L2和电阻R4之间的连接线路与接地之间并联有电容C20和电容C21；

电感L2和电阻R4之间的连接线路与接地之间还串联有电感L3、并联有电容C19和电容C22。

上述FPGA供电电路能够为FPGA（现场可编程门阵列）提供稳定1.2V的电源。

实施时，所述电源电路还包括双电压供电电路，所述双电压供电电路包括电源芯片D5、电容C27、电容C28、电容C29、电容C30、电容C31、电容C32、电容C33、电阻R7和电阻R8；

电源芯片D5的芯片信号为TPS71219DRCR；

电源芯片D5的IN脚与直流转换器D3的VOUT脚相连接；

电源芯片D5的IN脚与接地之间串联有电容C29；

电源芯片D5的EN1脚和EN2脚与IN脚相连接；

电源芯片D5的NR脚与接地之间串联有电容C32；

电源芯片D5的OUT1脚与接地之间并联有电容C27和电容C2，且OUT1脚构成1.8V输出端；

电源芯片D5的OUT2脚与接地之间并联有电容C30和电容C33，且OUT2脚构成2.5V输出端；OUT2脚与接地之间与电源芯片D5的FB2/NC脚之间串联有电阻R7，且电阻R7的两端并联有电容C31；

FB2/NC脚与接地之间串联有电阻R8。

本实施方式的微机电陀螺捷联惯导将电源转换、数字信号处理（数字信号处理拟采用DSP＋FPGA的架构）、接口电路进行一体化设计，并采用以上电源电路来提供丰富可靠的电源输出，通过对整个系统的全局优化在两块电路板上（分别固定安装在中间安装板21和顶部安装板22）实现了常规设计方法中的数字信号处理＋接口＋二次电源等功能。这样不仅大大简化了设计，减小惯导体积，节省了可观的采购成本，同时降低了系统功耗，提高了产品的可靠性。

以上仅是本实用新型优选的实施方式，需指出的是，对于本领域技术人员在不脱离本技术方案的前提下，作出的若干变形和改进的技术方案应同样视为落入本权利要求书要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种微机电陀螺捷联惯导，包括惯性传感器和支撑框架；所述惯性传感器固定安装在所述支撑框架上；其特征在于：

所述支撑框架由下往上依次设有各自呈平板状的底板、中间安装板和顶部安装板，其中，所述底板的上表面四周各自设有一个支撑用凸柱，每个支撑用凸柱的上表面上凸设有一根螺纹连接柱；所述中间安装板四周竖向贯穿设置有与各个螺纹连接柱一一对应的连接孔；各个螺纹连接柱穿过中间安装板上各个对应的连接孔，并通过螺纹与一根双通螺柱下端的螺纹孔固定相连，各个螺纹连接柱的下端面抵紧所述中间安装板；所述顶部安装板的四周竖向贯穿设置有与所述双通螺柱的顶端上凸的螺纹柱一一对应的装配孔，各个螺纹柱贯穿所述装配孔并通过旋接的螺母抵紧固定顶部安装板；

所述惯性传感器固定安装在所述中间安装板的上表面。

2.根据权利要求1所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述底板由金属材料制得。

3.根据权利要求1所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述中间安装板为电路板。

4.根据权利要求1所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述顶部安装板为电路板。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：还包括一个罩体；所述罩体整体罩住所述中间安装板和顶部安装板，所述罩体的下端面与所述底板四周上表面边缘对接固定相连；所述罩体的侧面设置有供所述底板上固定安装的接插件的接口露出的露出孔。

6.根据权利要求5所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述罩体由金属材料制得。

7.根据权利要求6所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：还包括电源电路，所述电源电路包括电源用电路板，所述电源用电路板的四周通过螺钉固定安装在所述中间安装板的下表面。

8.根据权利要求7所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述电源电路还包括外部供电转换电路，所述外部供电转换电路包括电源芯片D1、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、二极管V1、二极管V2、二极管V3、电阻R1、电阻R2和电感L1；

其中，所述电源芯片D1的芯片型号为TPS5430；

所述电源芯片D1的VIN脚和GND脚之间并联接有电容C1、电容C2、电容C3、电容C4和二极管V2；GND脚接地；

所述电源芯片D1的BOOT脚与VSNS脚之间依次串联有电容C5、电感L1、电容C8和电阻R2，且电容C8和电阻R2之间的线路与接地端相连；所述电源芯片D1的PH脚与电感L1和电容C5之间的线路相连接并构成第一连接点，第一连接点与接地端之间串联有二极管V3；

电感L1和电容C8之间的线路与接地端之间并联有电容C7和二极管V1；

电阻R1串联在电感L1和电容C8的连接线路与电阻R2和VSNS脚的连接线路之间，电感L1和电容C8之间的连接线路上具有供电接点。

9.根据权利要求8所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述电源电路还包括通讯隔离电源，所述通讯隔离电源包括直流转换器D2、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12和二极管V4；

直流转换器D2的芯片型号为DCP010505BP；直流转换器D2的VS+脚与所述供电接点相连接，直流转换器D2的VS+脚和VS-脚之间并联有电容C9和电容C10，且VS-脚接地；

直流转换器D2的VO+脚和VOG脚之间并联有电容C11、电容C12和二极管V4。

10.根据权利要求8或9所述的微机电陀螺捷联惯导，其特征在于：所述电源电路还包括内部接口供电电路，所述内部接口供电电路包括直流转换器D3、电容C13、电容C14、电容C15、电容C16、电容C17和电阻R3；

直流转换器D3的芯片型号为PTH04070WAH；

直流转换器D3的VIN脚与所述供电接点相连接；直流转换器D3的VIN脚和GND脚之间并联有电容C15和电容C17；

直流转换器D3的VOUT脚和GND脚之间并联有电容C13、电容C14和电容C16；

直流转换器D3的ADJ脚与GND脚之间串联有电阻R3。