CN216925602U - 惯性测量单元、导航系统及移动装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种惯性测量单元、导航系统及移动装置，惯性测量单元包括一轴光纤陀螺、两轴MEMS陀螺和三轴光纤加速度计，三轴光纤加速度计包括窄带光源,第一耦合器、三个第二耦合器、三个第一相位调制器、三个第一探测器、六个顺变体，顺变体中每两个同轴设置，每个绕制有光纤，光纤端部设置有高反射结构；窄带光源发出的光线进入第一耦合器，分为三路光束，分别进入第二耦合器，分为两路光束，其中一路经由第一相位调制器进入同轴的一个顺变体，另一路直接进入同轴的另一个顺变体；光束被高反射结构反射以原路返回至第二耦合器，生成第一干涉信号，进入第一探测器，以确定三轴光纤加速度计的加速度状态。本申请惯性测量单元精度高、体积小。

Description

惯性测量单元、导航系统及移动装置

技术领域

本申请属于检测技术领域，特别涉及一种惯性测量单元、导航系统及移动装置。

背景技术

惯性测量单元是测量物体三轴角速度和线加速度的装置，主要包括陀螺仪和加速度计，现有惯性测量单元一般采用三个MEMS陀螺仪和三个加速度计，精度较低，并且整体结构较复杂，体积较大。

现有的惯性测量单元具体可参阅中国专利“基于高集成度加速度计的惯性测量系统”(公开号CN102305629A)，其中惯性测量系统包括X轴光纤惯性测量单元、Y轴光纤惯性测量单元和Z轴光纤惯性测量单元，每个光纤惯性测量单元都是由加速度计和闭环光纤陀螺组合而成，其中惯性测量系统的加速度计和光纤陀螺均为独立设置的元件，结构复杂。另外，中国专利“基于四芯光纤的集成式二维光纤微加速度计”(公开号CN101858926A)中公开的则是单个光纤加速度计结构，没有公开如何设计三轴光纤加速度计的结构，以简化结构。

发明内容

本申请提供一种惯性测量单元、导航系统、移动装置，以解决现有技术的惯性测量单元结构复杂，体积较大的问题。

为解决上述技术问题，本申请提出一种惯性测量单元，包括一轴光纤陀螺、两轴MEMS陀螺和三轴光纤加速度计，所述三轴光纤加速度计包括窄带光源,第一耦合器、三个第二耦合器、三个第一相位调制器、三个第一探测器、六个顺变体，所述六个顺变体中每两个同轴设置，每个顺变体上均绕制有光纤，所述光纤端部设置有高反射结构；所述窄带光源发出的光线进入所述第一耦合器，由所述第一耦合器分为三路光束，所述三路光束分别进入所述三个第二耦合器，分别由所述第二耦合器分为两路光束，两路光束中的一路经由所述第一相位调制器进入同轴的一个顺变体上的光纤，另一路直接进入同轴的另一个顺变体上的光纤；进入所述顺变体上光纤的光束被所述高反射结构反射以原路返回至所述第二耦合器，在所述第二耦合器中生成第一干涉信号，由所述第二耦合器发出的第一干涉信号进入所述第一探测器，以确定所述三轴光纤加速度计在三个轴的加速度状态所述三轴光纤加速度计还包括立方体形状的质量块，所述六个顺变体对称设置在所述质量块的六个表面。

在一个实施例中，所述一轴光纤陀螺包括宽带光源、第二探测器、第三耦合器、第二相位调制器和光纤环；所述宽带光源发出的光线进入所述第三耦合器，由所述第三耦合器分为两路光束，一路经由所述第二相位调制器进入所述光纤环，另一路直接进入所述光纤环；所述两路光束在所述光纤环中分别以顺时针和逆时针传播后输出，分别原路返回至所述第三耦合器，在所述第三耦合器中产生第二干涉信号；由所述第三耦合器发出的第二干涉信号进入所述第二探测器，以确定所述一轴光纤陀螺的旋转状态。

在一个实施例中，所述光纤环和所述光纤均由单模单偏振光子晶体光纤绕制而成。

在一个实施例中，所述光纤环内径为15mm-20mm，外径为15mm-35mm。

在一个实施例中，所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为保偏光纤耦合器。

在一个实施例中，所述第一相位调制器、第二相位调制器均为压电陶瓷型相位调制器。

在一个实施例中，惯性测量单元还包括：内腔体和内盖体，所述内盖体盖设于所述内腔体上，形成立方体，所形成立方体的六个表面均设置有开口；所述质量块设置于所述内腔体中，连接于所述质量块的顺变体均对应所述开口设置；外腔体和外盖体，所述外盖体盖设于所述外腔体上，所述外盖体侧面形成有开槽；所述内腔体和光纤环并排设置于所述外腔体中；光源电路板，包括所述宽带光源和窄带光源；设置于所述外腔体和外盖体内；主板，设置于所述外腔体和外盖体内，连接所述光源电路板；用于承载所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一探测器和第二探测器；信号板，设置于所述外腔体和外盖体内，连接所述主板。

在一个实施例中，所述信号板连接通信接口，所述通信接口显露于所述开槽。

为解决上述技术问题，本申请提出一种导航系统，所述导航系统包括上述惯性测量单元。

为解决上述技术问题，本申请提出一种移动装置，所述移动装置包括上述导航系统。

区别于现有技术，本申请惯性测量单元包括一轴光纤陀螺、两轴MEMS陀螺和三轴光纤加速度计，三轴光纤加速度计包括窄带光源,第一耦合器、三个第二耦合器、三个第一相位调制器、三个第一探测器、六个顺变体，六个顺变体中每两个同轴设置，每个顺变体上均绕制有光纤，光纤端部设置有高反射结构；窄带光源发出的光线进入第一耦合器，由第一耦合器分为三路光束，三路光束分别进入三个第二耦合器，分别由第二耦合器分为两路光束，两路光束中的一路经由第一相位调制器进入同轴的一个顺变体上的光纤，另一路直接进入同轴的另一个顺变体上的光纤；进入顺变体上光纤的光束被高反射结构反射以原路返回至第二耦合器，在第二耦合器中生成第一干涉信号，由第二耦合器发出的第一干涉信号进入第一探测器，以确定三轴光纤加速度计在三个轴的加速度状态。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本公开的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：

图1是本申请惯性测量单元中光纤陀螺的光路结构示意图；

图2是本申请惯性测量单元中光纤加速度计的光路结构示意图；

图3是本申请惯性测量单元的机械结构整体立体示意图；

图4是本申请惯性测量单元的机械结构分解立体示意图；

图5是本申请惯性测量单元的电路结构示意图；

图6是本申请惯性测量单元中光纤的结构示意。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域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，都属于本公开保护的范围。

下面结合附图图1-图6来描述本申请。本实施例惯性测量单元400包括一轴光纤陀螺100、二轴MEMS陀螺300和三轴光纤加速度计200，光纤陀螺100负责一个轴的旋转角度判断，二轴MEMS陀螺300负责两个轴的旋转角度判断，三轴光纤加速度计200负责三个轴的线性加速度判断，如图5所示为一轴光纤陀螺100、二轴MEMS陀螺300和三轴光纤加速度计200的连接原理示意图。

首先参阅图1，图1为本申请惯性测量单元中光纤陀螺的光路结构示意图。本实施例光纤陀螺100包括宽带光源11、探测器12、耦合器13、相位调制器14和单偏振光纤环15。

其中，宽带光源11可以为超辐射发光二极管光源(SLD光源)或放大自发辐射光源(ASE光源)，SLD光源提供与激光二极管等效的输出功率和与LED(发光二极管)等效的宽振荡光谱宽度，以及低相干度。由于它发射的光具有相当于激光二极管的窄有源层，因此非常适合进入光纤，并且具有介于SLD和LED之间的特性。ASE光源则是专为生产和实验室实验设计的。光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器。独特的atc和apc电路通过控制泵浦激光器的输出保证了输出功率的稳定。通过调节apc，可在一定范围内调节输出功率。简便和智能的操作与远程控制。

探测器12为光电探测器，光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。光电探测器能把光信号转换为电信号。

耦合器13为保偏光纤耦合器，保偏光纤耦合器是实现线偏振光耦合、分光以及复用的关键器件。它的最大特点在于能稳定地传输两个正交的线偏振光，并能保持各自的偏振态不变，具体可以保持两个与轴平行的正交线偏振光偏振态基本。

相位调制器14为压电陶瓷型相位调制器(PZT型相位调制器)，具体即光纤缠绕在压电陶瓷(PZT)上，利用PZT压电效应所构成的相位调制器，具体采用特定的多层缠绕方法，使得香味调制器具有高稳定性、高速调制特性。

单偏振光纤环15则由单模单偏光子晶体光纤绕制而成，本实施例中的光纤环只保留了单一偏振模式在光纤中传输，从根本上可解决偏振串扰、偏振模色散等问题，减小光纤陀螺的零位漂移和信号衰落。

本实施例光纤陀螺100不需要起偏器和Y波导，宽带光源11发出的光线进入耦合器13，由耦合器13分为第一光束和第二光束，第一光束经由相位调制器14进入单偏振光纤环15，第二光束直接进入单偏振光纤环15；第一光束和第二光束在单偏振光纤环15中分别以顺时针和逆时针传播后输出，第一光束返回相位调制器14，进入耦合器13；第二光速直接返回耦合器13；第一光束和第二光束在耦合器13中产生干涉信号；由耦合器13发出的干涉信号进入探测器12，以确定光纤陀螺的旋转状态。

具体来说，本实施例光纤陀螺100基于单模单偏振光子晶体光纤。SLD光源11发出的光通过其单模尾纤输出，通过保偏光纤耦合器13的保偏尾纤，将光分为两束，一束光通过光学相位调制器(PZT)14后输出至单偏振光纤环15一端，另一束光输出至单偏振光纤环15的另一端；单偏振光纤环15采用单模单偏振光子晶体光纤绕制，两束光在单偏振光纤环15内分别顺时针、逆时针进行传播，输出的光返回进入保偏光纤耦合器13，得到干涉信号，光探测器(PD)12探测干涉信号，得到测量系统的旋转速率。

单偏振光纤环15的内径为15mm-20mm，外径为15-35mm，具体由光纤绕环层数决定。采用抗弯光子晶体光纤，由专用拉丝塔生产，具有良好的单偏振效果，预期精度0.1度/小时，整体精度高。

请参阅图2，图2为本申请惯性测量单元中光纤加速度计的光路结构示意图。光纤加速度计200包括窄带光源21、第一耦合器22、第二耦合器23、第一相位调制器24、第一探测器25、顺变体26。

其中，第二耦合器23有三个，第一相位调制器24有三个，第一探测器25有三个，顺变体26有六个。六个顺变体26中两个同轴设置，每个顺变体26上均绕制有光纤，光纤端部均设置有高反射结构。

窄带光源21发出的光线进入第一耦合器22，由第一耦合器22分为三路光束，三路光束分别进入三个第二耦合器23，分别由第二耦合器23分为两路光束，两路光束中的一路经由第一相位调制器24进入同轴的一个顺变体26上的光纤，另一路直接进入同轴的另一个顺变体26上的光纤；

进入顺变体26上光纤的光束被高反射结构反射以原路返回至第二耦合器23，在第二耦合器23中生成第一干涉信号，由第二耦合器23发出的第一干涉信号进入第一探测器25，以确定三轴光纤加速度计200在三个轴的加速度状态。

三轴光纤加速度计200还包括立方体形状的质量块27，六个顺变体26对称设置在质量块27的六个表面。

顺变体26为弹性变形体，当该结构具有某个方向的加速度时,顺变体受质量块惯性力的作用发生弹性形变，继而缠绕在顺变体26上的光纤发生变化，从而通过对光纤信号的解调可实现对加速度的检测。缠绕的光纤与上述光纤环中的光纤类似，具体也不再赘述。本结构可尽可能的在小体积上实现三个轴向的加速度探测。

高反射结构则位于光纤尾端，可以是在光纤尾端的端面镀上的高反射薄膜，例如金、银、铝；也可以是在光纤尾端连接的反射镜、法拉第旋镜等反射器件。

本实施例中第一相位调制器(PZT)24和第一探测器(PD)25与光纤陀螺100中的相位调制器和探测器类似，具体不再赘述。

对于惯性测量单元400的机械结构，具体请参阅图3和图4，其中，惯性测量单元400还包括外腔体411和外盖体412，内腔体421和内盖体422，光源电路板43，主板44和信号板45，连接信号板45的通信接口46。

内盖体422盖设于内腔体421，形成立方体，所形成立方体的六个表面均设置有开口；质量块27设置于内腔体421中，连接于质量块27的顺变体26均对应开口设置，在开口处设置有盖体263。顺变体26可以是硅胶帽261和硅胶垫262，当硅胶帽受质量块27惯性力的作用发生弹性形变时光信号随即发生改变。

外腔体411和外盖体412，外盖体412盖设于外腔体411上，外盖体412侧面形成有开槽；内腔体421和单偏振光纤环15并排设置于外腔体411中。

光源电路板43，包括宽带光源和窄带光源；设置于外腔体411和外盖体412内。

主板44，设置于外腔体411和外盖体412内，连接光源电路板43；用于承载光纤加速度计200中的第一耦合器、第二耦合器、第一相位调制器、第一探测器，以及光纤陀螺100中的第三耦合器、第二相位调制器和第二探测器。

信号板45，设置于外腔体411和外盖体412内，连接主板44。信号板45所连接的通信接口46显露于开槽。

本实施例单模单偏振光子晶体光纤的结构可以参阅图6，首先本实施例中单偏振光子晶体光纤采用纯石英材料制成，构成光子晶体光纤。单偏振光子晶体光纤内形成有轴向贯穿单偏振光子晶体光纤的多个圆形空气孔，多个圆形空气孔包括两个大圆形空气孔、多个中圆形空气孔和多个小圆形空气孔。

单偏振光子晶体光纤的横截面为圆形，在横截面上，两个大圆形空气孔依据横截面的圆心左右对称分布；多个小圆形空气孔围绕两个大圆形空气孔设置，由内向外构成尺寸递增的多层多边形气孔环；多个中圆形空气分布在多层多边形气孔环的最外层。

多个小圆形空气孔依据正六边形阵列排布，两相邻小圆形空气孔和两相邻中圆形空气孔圆心间距均为固定的节距，两个大圆形空气孔圆心间距为节距的两倍。

两个大圆形空气孔的圆心与其左右的中圆形空气孔的圆心在同一水平线上。

最外层的中圆形空气孔所构成的正六边形，在正六边形的六个角不设置中圆形空气孔。

两个大圆形空气孔的直径d₁均为5.5um±0.5um，多个中圆形空气孔的直径d₂均为3.0um±0.5um。多个小圆形空气孔d₃的直径为2.2um±0.5um。中孔间距L为4.4um±0.5um。

其中，小圆形空气孔d₃和中孔间距L的大小决定了本实施例单偏振光子晶体光纤的单模特性和低限制损耗。大圆形空气孔d₁的设计则决定了光纤的保偏特性，其既影响单偏振的效果又影响其弯曲时的单偏振性能。中圆形空气孔d₂的大小决定了本实施例光纤的低弯曲限制损耗。当d₁，d₂，d₃处在本实施例参数范围内时能实现在弯曲直径15mm-30mm的范围内具有良好的单偏振效果。

本实施例中中圆形空气孔仅设置了一层，在能够通过参数设计实现光纤抗弯单偏振的基础上，最大程度简化了结构，减小了制造工艺的难度，对多个中孔的参数控制技术较成熟，生产成品率较高。其他诸如椭圆形空气孔、三角形空气孔、多个纳米级空气孔等单偏振光子晶体光纤结构目前的技术难以实现。

本实施例中的圆形空气孔的排布结构适用于横截面直径D为60um、80um或125um的单偏振光子晶体光纤。

本申请惯性测量单元包括一轴光纤陀螺、两轴MEMS陀螺和三轴光纤加速度计，三轴光纤加速度计包括窄带光源,第一耦合器、三个第二耦合器、三个第一相位调制器、三个第一探测器、六个顺变体，六个顺变体中每两个同轴设置，每个顺变体上均绕制有光纤，光纤端部设置有高反射结构；窄带光源发出的光线进入第一耦合器，由第一耦合器分为三路光束，三路光束分别进入三个第二耦合器，分别由第二耦合器分为两路光束，两路光束中的一路经由第一相位调制器进入同轴的一个顺变体上的光纤，另一路直接进入同轴的另一个顺变体上的光纤；进入顺变体上光纤的光束被高反射结构反射以原路返回至第二耦合器，在第二耦合器中生成第一干涉信号，由第二耦合器发出的第一干涉信号进入第一探测器，以确定三轴光纤加速度计在三个轴的加速度状态。

本申请还提出一种导航系统，利用上述惯性测量单元实现惯性测量的同时，还可以融合激光雷达、视觉传感、高精地图等，实现环境信息的测量。可应用于移动装置，例如汽车，飞行器等的导航。相应的，本申请还提出一种移动装置，包括上述导航系统。

在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”、“中心”、“纵向”、“横向”、“顺时针”或“逆时针”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本申请的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本申请方案的限制。

另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。

虽然本说明书已经示出和描述了本申请的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本申请思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本申请的过程中，可以采用对本文所描述的本申请实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本申请的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。

Claims (10)

1.一种惯性测量单元，其特征在于，所述惯性测量单元包括一轴光纤陀螺、两轴MEMS陀螺和三轴光纤加速度计，

所述三轴光纤加速度计包括窄带光源,第一耦合器、三个第二耦合器、三个第一相位调制器、三个第一探测器、六个顺变体，所述六个顺变体中每两个同轴设置，每个顺变体上均绕制有光纤，所述光纤端部设置有高反射结构；

所述窄带光源发出的光线进入所述第一耦合器，由所述第一耦合器分为三路光束，所述三路光束分别进入所述三个第二耦合器，分别由所述第二耦合器分为两路光束，两路光束中的一路经由所述第一相位调制器进入同轴的一个顺变体上的光纤，另一路直接进入同轴的另一个顺变体上的光纤；

进入所述顺变体上光纤的光束被所述高反射结构反射以原路返回至所述第二耦合器，在所述第二耦合器中生成第一干涉信号，由所述第二耦合器发出的第一干涉信号进入所述第一探测器，以确定所述三轴光纤加速度计在三个轴的加速度状态；

所述三轴光纤加速度计还包括立方体形状的质量块，所述六个顺变体对称设置在所述质量块的六个表面。

2.根据权利要求1所述的惯性测量单元，其特征在于，所述一轴光纤陀螺包括宽带光源、第二探测器、第三耦合器、第二相位调制器和光纤环；

所述宽带光源发出的光线进入所述第三耦合器，由所述第三耦合器分为两路光束，一路经由所述第二相位调制器进入所述光纤环，另一路直接进入所述光纤环；

所述两路光束在所述光纤环中分别以顺时针和逆时针传播后输出，分别原路返回至所述第三耦合器，在所述第三耦合器中产生第二干涉信号；由所述第三耦合器发出的第二干涉信号进入所述第二探测器，以确定所述一轴光纤陀螺的旋转状态。

3.根据权利要求2所述的惯性测量单元，其特征在于，所述光纤环和所述光纤均由单模单偏振光子晶体光纤绕制而成。

4.根据权利要求3所述的惯性测量单元，其特征在于，所述光纤环内径为15mm-20mm，外径为15mm-35mm。

5.根据权利要求2所述的惯性测量单元，其特征在于，所述第一耦合器、第二耦合器和第三耦合器均为保偏光纤耦合器。

6.根据权利要求2所述的惯性测量单元，其特征在于，所述第一相位调制器、第二相位调制器均为压电陶瓷型相位调制器。

7.根据权利要求2所述的惯性测量单元，其特征在于，惯性测量单元还包括：

内腔体和内盖体，所述内盖体盖设于所述内腔体上，形成立方体，所形成立方体的六个表面均设置有开口；所述质量块设置于所述内腔体中，连接于所述质量块的顺变体均对应所述开口设置；

外腔体和外盖体，所述外盖体盖设于所述外腔体上，所述外盖体侧面形成有开槽；所述内腔体和光纤环并排设置于所述外腔体中；

光源电路板，包括所述宽带光源和窄带光源；设置于所述外腔体和外盖体内；

主板，设置于所述外腔体和外盖体内，连接所述光源电路板；用于承载所述第一耦合器、第二耦合器、第三耦合器、第一相位调制器、第二相位调制器、第一探测器和第二探测器；

信号板，设置于所述外腔体和外盖体内，连接所述主板。

8.根据权利要求7所述的惯性测量单元，其特征在于，所述信号板连接通信接口，所述通信接口显露于所述开槽。

9.一种导航系统，其特征在于，所述导航系统包括权利要求1-8中任一项所述的惯性测量单元。

10.一种移动装置，其特征在于，所述移动装置包括权利要求9所述的导航系统。

Images