CN211527422U

CN211527422U - 一种微惯性测量单元

Info

Publication number: CN211527422U
Application number: CN201921737223.0U
Authority: CN
Inventors: 安晓鹏
Original assignee: Beijing Kaikai Hangyu Navigation Control Technology Co ltd
Current assignee: Kaifeng Navigation Control Technology Co ltd
Priority date: 2019-10-16
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-09-18
Anticipated expiration: 2029-10-16

Abstract

本实用新型公开了一种微惯性测量单元，包括MEMS IMU产品安装壳体、含有MEMS传感器的电路板组件、MEMS IMU产品盖板；电路板组件安装在MEMS IMU产品安装壳体内，电路板组件和MEMS IMU产品安装壳体之间具有定位台面；电路板组件包括电源管理模块、嵌入式数字处理模块、时钟管理模块、MEMS角速率传感器模块A、MEMS角速率传感器模块B、MEMS加速度传感器、对外串行总线接口模块，电源管理模块、嵌入式数字处理模块、时钟管理模块、MEMS角速率传感器模块A、MEMS角速率传感器模块B、MEMS加速度传感器、对外串行总线接口模块均锡焊在电路板上。本实用新型从根本上消除低频过载对MEMS角速率传感器的影响，并解决MEMS IMU产品在高频冲击适应性差的问题。

Description

一种微惯性测量单元

技术领域

本实用新型涉及惯性测量技术领域，具体为一种微惯性测量单元。

背景技术

IMU(惯性测量单元，Inertial Measurement Unit)是一种实时测量载体相对于惯性空间的运动参数(包含沿载体三个轴向的线加速度和绕载体三个轴向转动的角速率)的产品。目前IMU产品分成两类：一种是基于光纤陀螺或机械陀螺、石英挠性加表等高精度惯性传感器的IMU，面向于战略或战术级惯性导航应用；另外一种基于MEMS(微机电系统，Micro-Electro Mechanical Systems)惯性传感器的IMU，主要是针对消费娱乐级应用。

近年来随着半导体技术的发展，MEMS IMU的性能有了很大提升，角速率测量精度能达到0.1°/h，加速度测量精度能达到0.1mg，完全能满足战术级和工业级应用。特别是物联网、人工智能、信息化战争的发展，使具有小体积、低功耗、低成本、批量化生产方便、环境适应性强等优点的MEMS IMU 有了更广泛的应用，使其从娱乐级消费电子产品领域，迅速扩张到工业机器人、汽车自动驾驶、无人飞行器、精细化农业、铁路轨道检测、电力线路巡查、森林植被监控等工业应用，及智能弹药、精确制导等军事领域。

市场上MEMS IMU产品大多采用如下描述的架构，首先将MEMS传感器焊接至电路板制作传感器组件，其次将传感器组件采用螺钉或粘胶形式固定在IMU产品基体上，最后通过柔性线缆或焊线的方式将各个组件连接至一起，组成产品。

一般MEMS IMU产品使用环境复杂，会比较恶劣，特别是无人飞行器、精确制导弹药等应用。一些过载、冲击、振动等外部干扰会影响MEMS传感器工作，从而导致产品测量精度变差。一般工程上都会采用减震设计，但是减震器只是会对一定频段内的振动有抑制效果，并不能解决低频过载和高频冲击对产品的影响。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微惯性测量单元，从根本上消除低频过载对MEMS角速率传感器模块的影响，并解决MEMS IMU产品在高频冲击适应性差的问题，可以解决现有技术中的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种微惯性测量单元，包括MEMS IMU产品安装壳体、含有MEMS传感器的电路板组件、MEMS IMU产品盖板；所述电路板组件安装在MEMS IMU产品安装壳体内，电路板组件和MEMS IMU产品安装壳体之间具有定位台面，MEMS IMU产品安装壳体扣合安装MEMS IMU产品盖板；所述电路板组件包括电源管理模块、嵌入式数字处理模块、时钟管理模块、MEMS角速率传感器模块A、MEMS角速率传感器模块B、MEMS加速度传感器、对外串行总线接口模块，电源管理模块、嵌入式数字处理模块、时钟管理模块、 MEMS角速率传感器模块A、MEMS角速率传感器模块B、MEMS加速度传感器、对外串行总线接口模块均锡焊在电路板上。

进一步地，所述MEMS角速率传感器模块A和MEMS角速率传感器模块B采用偶数阵列的MEMS角速率传感器实现。

进一步地，所述MEMS角速率传感器模块A、MEMS角速率传感器模块 B偶数阵列采用对称布局。

进一步地，所述MEMS IMU产品安装壳体和电路板组件采用三个定位台面实现精确装配。

进一步地，所述MEMS IMU产品安装壳体和电路板组件之间采用双组份有机硅胶灌封。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

1.本实用新型采用偶数组MEMS角速率传感器阵列对称布置，通过实时角速率测量值的相减运算，能够消除过载对角速率测量的影响。

2.本实用新型的这种偶数组MEMS传感器阵列对称布置，通过实时的角速率测量值相减运算，在一定程度上也能够消除由于温度变化导致的角速率陀螺漂移。

3.本实用新型的这种偶数阵列对称布置，通过不同传感器数据相减之后的除法运算，能够减小产品的输出噪声。

4.本实用新型的电路板组件与产品结构采用一体化设计。二者之间通过三个定位台面的匹配，在保证一定安装间隙的条件下实现精确装配。电路板组件装配到产品壳体内，装配位置满足电路板组件上表面与定位台面平齐，即通过三点定位保证电路板上MEMS传感器组件的安装精度。所采用的定位方案，易于加工、简化生产过程，能有效提高装配效率，并保证装配精度。

5.本实用新型的电路板组件与产品结构完成装配后，通过预设的配合孔位，用一定配比的双组份有机硅胶进行灌封。在产品遭受高频冲击时，填充在电路板组件与产品结构之间的硅胶，通过胶的形变吸收冲击能量，能够有效的降低高频冲击对产品MEMS传感器的影响，提高产品抗高频冲击适应能力。

附图说明

图1为本实用新型电路板组件的正面示意图；

图2为本实用新型电路板组件的背面示意图；

图3为本实用新型MEMS IMU产品盖板的正面示意图；

图4为本实用新型微惯性测量单元组装结构示意图。

图中：1、MEMS IMU产品安装壳体；2、电路板组件；3、MEMS IMU 产品盖板；4、定位台面；21、电源管理模块；22、嵌入式数字处理模块；23、时钟管理模块；24、MEMS角速率传感器模块A；25、MEMS角速率传感器模块B；26、MEMS加速度传感器；27、对外串行总线接口模块。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参阅图1-4，一种微惯性测量单元，包括MEMS IMU产品安装壳体1、含有MEMS传感器的电路板组件2、MEMS IMU产品盖板3；电路板组件2 安装在MEMS IMU产品安装壳体1内，电路板组件2和MEMS IMU产品安装壳体1之间具有定位台面4，MEMS IMU产品安装壳体1扣合安装MEMS IMU产品盖板3；电路板组件2包括电源管理模块21(U1及其相关外围电路)、嵌入式数字处理模块22(U2及其相关外围电路)、时钟管理模块23(G1及其相关外围电路)、MEMS角速率传感器模块A24(U5及其相关外围电路)、 MEMS角速率传感器模块B25(U6及其相关外围电路)、MEMS加速度传感器26(U4及其相关外围电路)、对外串行总线接口模块27(U3及其相关外围电路)，电源管理模块21、嵌入式数字处理模块22、时钟管理模块23、MEMS 角速率传感器模块A24、MEMS角速率传感器模块B25、MEMS加速度传感器26、对外串行总线接口模块27均锡焊在电路板上。

其中电源管理模块U1负责给其它所有模块供电；时钟管理模块G1负责给嵌入式系统产生一个合适的工作时钟；MEMS传感器模块U4、U5、U6实时测量载体运动，并将相应的物理量转换为电信号量；对外串行总线接口模块U3负责产品与外部的信息通讯，实现标准的RS422电平通讯接口；嵌入式数字处理模块U2协调各个外设模块的工作时序，通过内部串行总线接口获取传感器数值，并进行补偿滤波处理，最终通过外部串行总线接口按照固定通讯协议实时输出满足指标要求的载体运动信息。

电路板组件2实现电源管理功能、信号处理及补偿功能、时钟管理功能、载体运动信息测量功能、对外通讯功能。电路板组件电源管理功能，通过内部二次电源模块实现电路板组件2中各模块的供电管理。电路板组件2信号处理及补偿功能，通过嵌入式处理器实现各个模块的时序管理，并对获取的载体运动信息进行补偿修正处理，最终按照商定好的通讯协议输出给上位机。电路板组件2时钟管理功能，通过MEMS有源晶振，给嵌入式处理器提供高精度时钟，以满足后续时序精度要求。

MEMS IMU产品的电路板组件2载体运动信息测量功能，通过多个 MEMS传感器组件实现载体运动物理量的实时测量，并按照要求传输给嵌入式处理器。

MEMS IMU产品的电路板组件2对外通讯功能，将嵌入式处理器输出的串行电平信号转换为标准的RS422电平。

MEMS IMU产品的电路板组件载体运动信息测量功能采用偶数组MEMS 传感器阵列实现，并采用位置布置，以后续通过数据运算处理，消除低频过载对角速率测量的影响。本实施例中采用两组MEMS角速率传感器模块A24、 MEMS角速率传感器模块B25对称布置。

MEMS IMU产品的电路板组件2与MEMS IMU产品安装壳体1采用同步仿真设计，以确保二者实现精确装配。

MEMS IMU产品安装壳体1和电路板组件2之间采用双组份有机硅胶灌封，采用灌封工艺，以提高MEMS IMU产品的高频冲击适应能力。

本实用新型MEMS IMU产品整体呈长方体型，通过四个直径为Φ2.3mm的通孔实现安装。产品壳体内装有多个MEMS传感器模块，能够实现载体相对惯性空间角速率和加速度运动信息的实时测量。

MEMS IMU产品安装壳体1和电路板组件2采用三个定位台面4实现精确装配。

偶数组MEMS传感器阵列模块由图1和图2中MEMS角速率传感器模块 A24(U5及其相关外围电路)、MEMS角速率传感器模块B25(U6及其相关外围电路)组成.采用对称的电路板布局，从设计上保证本MEMS IMU产品敏感同一轴向角速率的传感器完全对称。本实施例中采用两组MEMS角速率传感器对称布置。

当产品X轴向存在量级为a_x的低频过载时，产品内部1#MEMS角速率传感器U5输出满足如下公式：ω_x1＝ω’_x+ε_xx*a_x，ω_y1＝ω’_y+ε_xy*a_x，ω_z1＝ω’_z+ε_xz*a_x；

当产品X轴向存在量级为a_x的低频过载时，产品内部2#MEMS角速率传感器U6输出满足如下公式：ω_x2＝-ω’_y+ε_xy*a_x，ω_y2＝-ω’_x+ε_xx*a_x，ω_z2＝-ω’_z+ε_xz*a_x；

当产品X轴向存在量级为a_x的低频过载时，综合产品的实测角速率输出满足如下公式：ω_x＝(ω_x1-ω_y2)/2，ω_y＝(ω_y1-ω_x2)/2，ω_z＝(ω_z1-ω_z2)/2；

上公式中，ω’_x，ω’_y，ω’_z为MEMS IMU产品实际敏感到的载体角速率真值；ε_xx，ε_xy，ε_xz为过载对角速率测量的影响因子。由于U5和U6采用相同的MEMS 角速率传感器，过载对角速率测量的影响因子可以认为相同的。

由上可得，当偶数组MEMS角速率传感器阵列对称布置时，通过实时角速率测量值的相减运算，能够消除过载对角速率测量的影响。

同时这种偶数组MEMS传感器阵列对称布置，通过实时的角速率测量值相减运算，在一定程度上也能够消除由于温度变化导致的角速率陀螺漂移。

同时这种偶数阵列对称布置，通过不同传感器数据相减之后的除法运算，能够减小产品的输出噪声。

电路板组件与产品结构采用一体化设计。二者之间通过三个定位台面4 的匹配，在保证一定安装间隙的条件下实现精确装配。本产品的实施例中电路板组件2装配到产品壳体内，装配位置满足电路板组件2上表面与定位台面4平齐，即通过三点定位保证电路板上MEMS传感器组件的安装精度。所采用的定位方案，易于加工、简化生产过程，能有效提高装配效率，并保证装配精度。

电路板组件2与产品结构完成装配后，通过预设的配合孔位，用一定配比的双组份有机硅胶进行灌封。在产品遭受高频冲击时，填充在电路板组件与产品结构之间的硅胶，通过胶的形变吸收冲击能量，能够有效的降低高频冲击对产品MEMS传感器的影响，提高产品抗高频冲击适应能力。

本实用新型中MEMS IMU产品的一个具体实施例中，电源管理模块U1 选用TPS70933；嵌入式数字处理模块U2选用STM32F103CBU6；时钟管理模块G1选用SIT8008；MEMS角速率传感器模块U5选用BMG250；MEMS 角速率传感器模块U6选用BMG250；MEMS角速率传感器模块U4选用 ADXL357；对外串行总线接口模块U3选用SN65HVD1474。

本实用新型的优选实施例中，经试验得出，微惯性测量单元能够实现工业级全温[-40℃～65℃]范围下，最大±2000°/s的载体角速率范围测量，最大±40g 的载体加速度范围测量；并且角速率零偏稳定性(1s平滑，1σ条件)可以达到30°/h,加速度零偏稳定性(1s平滑，1σ条件)可以达到0.5mg。

本实用新型的优选实施例中，经试验得出，微惯性测量单元在10g的低频过载条件下，能够实现高精度的载体角速率测量；并能在12000g，10ms的高频冲击条件下存活，冲击前后均能实现预设的载体运动信息测量。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种微惯性测量单元，包括MEMSIMU产品安装壳体(1)、含有MEMS传感器的电路板组件(2)、MEMSIMU产品盖板(3)；其特征在于：所述电路板组件(2)安装在MEMSIMU产品安装壳体(1)内，电路板组件(2)和MEMSIMU产品安装壳体(1)之间具有定位台面(4)，MEMSIMU产品安装壳体(1)扣合安装MEMSIMU产品盖板(3)；所述电路板组件(2)包括电源管理模块(21)、嵌入式数字处理模块(22)、时钟管理模块(23)、MEMS角速率传感器模块A(24)、MEMS角速率传感器模块B(25)、MEMS加速度传感器(26)、对外串行总线接口模块(27)，电源管理模块(21)、嵌入式数字处理模块(22)、时钟管理模块(23)、MEMS角速率传感器模块A(24)、MEMS角速率传感器模块B(25)、MEMS加速度传感器(26)、对外串行总线接口模块(27)均锡焊在电路板上。

2.根据权利要求1所述的一种微惯性测量单元，其特征在于：所述MEMS角速率传感器模块A(24)和MEMS角速率传感器模块B(25)采用偶数阵列的MEMS角速率传感器实现。

3.根据权利要求1所述的一种微惯性测量单元，其特征在于：所述MEMS角速率传感器模块A(24)、MEMS角速率传感器模块B(25)偶数阵列采用对称布局。

4.根据权利要求1所述的一种微惯性测量单元，其特征在于：所述MEMS IMU产品安装壳体(1)和电路板组件(2)采用三个定位台面(4)实现精确装配。

5.根据权利要求1所述的一种微惯性测量单元，其特征在于：所述MEMS IMU产品安装壳体(1)和电路板组件(2)之间采用双组份有机硅胶灌封。