CN212363230U - 一种小型化mems-imu惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小型化MEMS‑IMU惯性导航系统，包括微控制器和三个MEMS陀螺仪；所述微控制器设置于第一印制板上，三个所述MEMS陀螺仪正交安装在第二印制板上以分别探测各自轴向上的角速度和加速度信息；所述第一印制板、第二印制板之间通过柔性印制板相连，实现MEMS陀螺仪与微控制器之间的电连接；第一印制板、第二印制板层叠放置于微型模块提供的空腔中；本实用新型将惯性导航系统缩小到印制板级，具有结构紧凑、体积小的优点，真正实现了惯性导航系统的微型化。

Description

一种小型化MEMS-IMU惯性导航系统

技术领域

本实用新型属于惯性导航技术领域，更具体地，涉及一种小型化MEMS-IMU惯性导航系统。

背景技术

随着MEMS微机电技术和现代导航技术的快速发展，基于MEMS器件的惯性导航系统已经逐步趋显其优越的性能。惯性导航由于工作完全自主性、输出信息连续、不受外界干扰、无时间地域环境限制以及所提供信息的多样性(位置、速度及姿态)，已经成为当前各种航行体上应用的主要导航设备，如智能炮弹、制导炸弹、无人机、民用车载导航、机器人、飞船等军民应用领域。

MEMS技术、半导体技术、集成技术的飞速发展，使我国军用武器装备及民用产品设备逐步向微型化、智能化、低成本发展；然而，目前的惯性导航系统大多采用分立器件设计，导致结构复杂、产品体积庞大、成本高，无法满足军民应用领域对MEMS-IMU惯性导航系统微型化、高实时性、低成本的迫切需求。

实用新型内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其目的在于解决目前的惯性导航系统存在的结构复杂、产品体积庞大、成本高的问题。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种小型化MEMS-IMU惯性导航系统，包括微控制器和三个MEMS陀螺仪；

所述微控制器设置于第一印制板上，三个所述MEMS陀螺仪正交安装在第二印制板上以分别探测各自轴向上的角速度和加速度信息；所述第一印制板、第二印制板之间通过柔性印制板相连，实现MEMS陀螺仪与微控制器之间的电连接。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，每个所述MEMS陀螺仪包括单轴陀螺和三轴加速度计，输出12自由度的导航数据。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，所述微控制器采用双核DSP处理器，一个内核用于导航数据处理，一个内核用于运行主流程及通信。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统还包括微型模块；第一印制板、第二印制板层叠放置于所述微型模块提供的空腔中。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，通过灌胶将第一印制板、第二印制板固定在微型模块内部。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，还包括电源模块；所述电源模块用于为微控制器和MEMS陀螺仪提供工作电压。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，还包括无线通信模块，所述无线通信模块与微控制器电连接。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，所述微型模块上开设有通讯接口，所述通讯接口与第一印制板电连接。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，所述通讯接口为SPI接口。

优选的，上述小型化MEMS-IMU惯性导航系统，所述MEMS陀螺仪选用SCC2130传感器和SCC2230传感器，在X轴、Y轴分别安装1个SCC2130传感器，在Z轴安装1个SCC2230传感器，构成正交安装的三个敏感轴。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本实用新型提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，微控制器设置于第一印制板上，三个MEMS陀螺仪正交安装在第二印制板上，第一印制板3、第二印制板之间通过柔性印制板进行电连接，替代传统的连接器及线材连接，大大节省内部空间，且提高了信号传输可靠性；本方案将惯性导航系统缩小到印制板级，将第一印制板、第二印制板层叠后封装在微型模块中后，该微型模块的体积仅有47mm×44mm×14mm，结构紧凑、体积小，真正实现了惯性导航系统的微型化。

(2)本实用新型提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，微控制器1采用高性能的双核DSP处理器，一个内核用于导航数据处理，一个内核用于运行主流程及通信，提高导航系统整体性能；IMU通过12自由度传感器数据融合，提高算法精度和导航精度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统的内部结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的三个MEMS陀螺仪的轴向安装示意图；

图3是本实用新型实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统的三维结构示意图；

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-微控制器；2-MEMS陀螺仪；3-第一印制板；4-第二印制板；5-柔性印制板；6-微型模块；7-通讯接口。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统的结构示意图，参见图1，该惯性导航系统包括微控制器1和三个MEMS陀螺仪2；

其中，微控制器1设置于第一印制板3上，三个MEMS陀螺仪2正交安装在第二印制板4上，每个MEMS陀螺仪2分别用于探测各自轴向上的角速度和加速度信息；第一印制板3、第二印制板4之间通过柔性印制板5相连，实现MEMS陀螺仪2与微控制器1之间的电连接。

图2是本实施例提供的三个MEMS陀螺仪的轴向安装示意图，参见图2，X轴、Y轴、Z轴每个方向各安装一个MEMS陀螺仪2；作为一个具体的示例，MEMS陀螺仪选用SCC2130传感器和SCC2230传感器，在X轴、Y轴分别安装1个SCC2130传感器，在Z轴安装1个SCC2230传感器，构成正交安装的三个敏感轴。每个MEMS陀螺仪2内置一个单轴陀螺和三轴加速度计，作为一个具体示例，该单轴陀螺和三轴加速度计均通过SPI接口与微控制器1连接。

系统工作时，单轴陀螺主要用于测量运动载体的角速度，三轴加速度计主要用于测量载体的加速度，通过一次积分和二次积分提供运动载体的速度和位移信息。三个MEMS陀螺仪2共输出12自由度的传感器数据给微控制器1。相比目前的10自由度传感器数据，基于本实施例提供的12自由度的传感器数据进行导航解算，能够提高导航精度。

微控制器1主要用于数据融合计算及导航姿态解算，首先对12自由度的传感器数据进行融合，然后采用四元数方法进行姿态解算，得到导航信息后输出至外部的智能终端设备。本实施例中，微控制器1采用扩展式自适应卡尔曼滤波器进行数据融合，卡尔曼滤波器是一种数学算法，通过持续进行多次测量(12自由度的传感数据)并结合预测状态估计器，对嘈杂、可变过程的给定状态进行评估，同时卡尔曼滤波器可以帮助系统感知哪些数据“值得信赖”，让滤波器自动调整，从而适应各类苛刻的环境条件。数据融合的具体过程为：选择3个单轴角速度、3个三轴的加速度数据作为系统的状态参数(4×3＝12自由度)，构成系统的状态向量并建立状态方程；采用3个三轴的加速度之差作为观测量构建观测方程，根据状态方程和观测方程进行系统最优估计；此外，为了控制状态异常的干扰，本方案引入自适应因子，自适应因子起着调节观测信息的功能，有利于提高数据融合的算法精度。

本实施例中，微控制器1采用高性能的双核DSP处理器，一个内核用于导航数据处理，一个内核用于运行主流程及通信。

微控制器1作为核心处理器，需进行大量的数据融合计算及导航姿态解算，本实施例选用型号为TMS320F28377D双核微处理器，主频为200MHZ，实时性强，性能高，外设资源丰富，且体积小，有利于惯性导航系统的低成本、微型化实现。

图3是本实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统的三维结构示意图，参见图3，该惯性导航系统还包括微型模块6，该微型模块6为封闭的长方体结构，第一印制板3、第二印制板4层叠后封装在微型模块6提供的空腔中。本实施例中，微型模块6的形状不做具体限制，其主要作用是提供一个封闭空间来容置第一印制板3、第二印制板4。将第一印制板3、第二印制板4叠层放置在微型模块6中之后，通过灌胶将第一印制板3、第二印制板4与微型模块6进行刚性固定。

本实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统的结构示意图，微控制器1设置于第一印制板3上，三个MEMS陀螺仪2正交安装在第二印制板4上，第一印制板3、第二印制板4之间通过柔性印制板5进行电连接，替代传统的连接器及线材连接，大大节省内部空间，且提高了信号传输可靠性；本方案将惯性导航系统缩小到印制板级，将第一印制板3、第二印制板4层叠后封装在微型模块6中后，该微型模块6的体积仅有47mm×44mm×14mm，结构紧凑、体积小，真正实现了惯性导航系统的微型化。

作为其中一个具体的示例，微型模块6上开设有通讯接口7，该通讯接口7与第一印制板7电连接；通讯接口7的类型不做具体限制，本实施例中，该通讯接口采用了SPI接口，该SPI接口作为惯性导航系统的对外接口，微控制器1通过SPI接口将导航信息发送给外部的智能终端设备。

作为另外一个具体的示例，惯性导航系统与外部的智能终端设备之间采用无线方式进行交互，为此，本实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统包括无线通信模块，该无线通信模块与微控制器1电连接，用于将微控制器1产生的数据无线发送给其他智能终端设备，或者接收其他智能终端设备下发的控制指令；如将微控制器1产生的导航轨迹、姿态等惯性导航信息通过无线通信模块传送给智能终端设备，如上位机，通过上位机可对获得的惯性导航数据进行进一步分析。该无线通信模块可采用蓝牙、WIFI、ZigBee中的任意一种。

进一步的，本实施例提供的小型化MEMS-IMU惯性导航系统还包括电源模块，该电源模块主要用于为微控制器1和MEMS陀螺仪2提供工作电压；电源模块可以安装在第一印制板3上，也可以安装在微型模块6的内壁上，不做具体限制。

本实用新型提供的一种微型化MEMS-IMU惯性导航系统，是一种实现载体惯性运动的定位定姿的小体积、低成本及高性能的MEMS-IMU惯性导航系统。该系统将高性能微控制器、三轴MEMS陀螺及三轴加速计正交集成在一个47×44×14mm的微型模块内，组成12自由度的MEMS-IMU，通过12自由度多传感器数据融合提高导航精度，最后微型模块将导航信息(位置、速度及姿态)通过通讯接口或者无线通信模块输出给外部智能终端设备，具有结构简单、器件种类少、体积小的优点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，包括微控制器和三个MEMS陀螺仪；

所述微控制器设置于第一印制板上，三个所述MEMS陀螺仪正交安装在第二印制板上以分别探测各自轴向上的角速度和加速度信息；所述第一印制板、第二印制板之间通过柔性印制板相连，实现MEMS陀螺仪与微控制器之间的电连接。

2.如权利要求1所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，每个所述MEMS陀螺仪包括单轴陀螺和三轴加速度计，输出12自由度的导航数据。

3.如权利要求1所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，所述微控制器采用双核DSP处理器，一个内核用于导航数据处理，一个内核用于运行主流程及通信。

4.如权利要求1所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，还包括微型模块；第一印制板、第二印制板层叠放置于所述微型模块提供的空腔中。

5.如权利要求4所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，通过灌胶将第一印制板、第二印制板固定在微型模块内部。

6.如权利要求1所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，还包括电源模块；所述电源模块用于为微控制器和MEMS陀螺仪提供工作电压。

7.如权利要求1所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，还包括无线通信模块，所述无线通信模块与微控制器电连接。

8.如权利要求4所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，所述微型模块上开设有通讯接口，所述通讯接口与第一印制板电连接。

9.如权利要求8所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，所述通讯接口为SPI接口。

10.如权利要求2所述的小型化MEMS-IMU惯性导航系统，其特征在于，所述MEMS陀螺仪选用SCC2130传感器和SCC2230传感器，在X轴、Y轴分别安装1个SCC2130传感器，在Z轴安装1个SCC2230传感器，构成正交安装的三个敏感轴。

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