CN2767963Y - 基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，包括角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机，所述角速度传感器及加速度传感器通过高速模数转换模块与单片机相连接，所述角速度传感器为单轴MEMS角速度微传感器，所述的加速度微传感器为双轴MEMS加速度微传感器；所述角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机安装在三维立体结构的电路板上并通过三维立体结构的电路板相连接。本实用新型采用MEMS器件通过排针搭建三维立体结构的电路板构成，具有体积小、重量轻、数据传输速率高、精度高的优点，可以较好地配备在小型设备上进行运动测量。

Description

基于微电子机械系统器件的微型 六自由度捷联惯导系统
                        技术领域
本实用新型涉及导航控制领域的运动测量仪器，特别涉及一种微型六自由度捷联惯导系统。
                        背景技术
在一些小型运动测量设备中，由于被测量对象本身体积和重量很小，惯性测量器件的质量和体积会直接影响被测物体的实际特性；例如小型无人驾驶飞行器由于执行任务的特殊性，其本身的体积和重量都很小，因而要求飞行器导航系统上应用的运动测量设备既要保证一定精度，又能尽量减小导航设备的体积和重量，以达到改善飞行器性能的目的。传统导航系统所采用的是机械惯性测量设备，在检测方面以机械装置的角速度仪等部件为主流，这些测量设备的测量精度及动态响应速度低，同时存在体积大、造价高、安装维护条件要求苛刻等缺点，不能较好地减少对被测对象的影响，较难提高测量精度。
                        发明内容
本实用新型的目的在于提供一种体积微小、质量轻、响应快、灵敏度高、成本低的基于微电子机械系统(MEMS)器件的微型六自由度捷联惯导系统。
本实用新型的目的通过下述方案实现：本微型六自由度捷联惯导系统包括角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机，所述角速度传感器及加速度传感器通过高速模数转换模块与单片机相连接，所述角速度传感器为单轴MEMS角速度微传感器，所述的加速度微传感器为双轴MEMS加速度微传感器。
所述角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机安装在三维立体结构的电路板上并通过三维立体结构的电路板相连接。
所述三维立体结构的电路板包括三块相互垂直连接的电路板，分别为XY板、XZ板、YZ板，在YZ板下设置有排针并通过所述排针与底座相连接；在底座上设置有输出接口，如RS232串口；在底座上亦可设置有排针座，所述YZ板下的排针可通过排针座与底座相连接。
所述排针为极小间距排针，排针的间距约为2mm。
所述单轴MEMS角速度微传感器包括X向角速度传感器、Y向角速度传感器、Z向角速度传感器，分别测量X、Y、Z方向的角速度；所述双轴MEMS加速度微传感器包括XY向加速度传感器和Z向加速度传感器，分别测量X、Y、Z方向的直线速度(所述Z向加速度传感器亦为双轴MEMS加速度微传感器，其中一轴不使用)。
所述X向角速度传感器、Y向角速度传感器及XY向加速度传感器安装在前述XY板上；所述Z向角速度传感器及Z向加速度传感器安装在前述XZ板上，所述高速模数转换模块及单片机分别安装在前述YZ板上。
本实用新型的作用原理是：本微型六自由度捷联惯导系统采用了三个单轴MEMS角速度微传感器及两个双轴MEMS加速度微传感器测量空间直角坐标系内运动物体的三维角运动直线运动和直线运动，传感器各轴的模拟量输出通过高速模数转换模块进行采样，并通过同步串行接口(SPI)与单片机进行通讯；单片机对这些采样的原始数据进行数字滤波处理后，可以按指定的频率以RS232信号形式输出，从而获得飞行器的空间六自由度运动信息，其数据输出频率可达400Hz以上；通常导航控制系统采用嵌入式计算机作为主机，导航信号通过在其上运行的专用卡尔曼滤波软件处理，可以获得空间物体运动控制系统所需要的导航信息。使用微电子机械系统(MEMS)器件构成的导航系统，把信息的获取、处理和执行集成在一起，嵌入到各种导航控制系统中，完成了大尺寸机电系统所不能完成的任务。
本实用新型相对于现有技术具有如下的下的优点及效果：(1)由于MEMS器件具有体积小、重量轻、耗能低、惯性小、谐振频率高、响应时间短等特点，使得基于MEMS器件的微型六自由度捷联惯导系统同样具有上述优点，数据传输速率高，可达400Hz，内部采样频率大于1KHz；精度高，刻度因子误差小于1％，运行时额定温度范围内漂移误差小于0.5％。(2)本系统利用排针搭建三维立体结构的电路板，并使用排针实现电路板之间的信号传输，可以最大程度减小所必须的垂直固定安装的外形轮廓并提高固定强度，本系统的外形尺寸可缩小至2.5cm×2.5cm×2.0cm，重量可减小至30g。(3)本系统解决了配备到小型设备时角度和方向的限制，确保了设备内的使用空间，同时减小了各子系统之间的信号连接线路，增加了信号传输的稳定性，从而使本系统在嵌入设备时不会受到角度及方向的限制，因而更易于配备在小型设备上。(4)本系统结构简单、制造成本及安装维护费用较低。
                        附图说明
图1是本实用新型微型六自由度捷联惯导系统的结构原理图。
图2是图1所示微型六自由度捷联惯导系统的外观示意图。
图3是图1所示微型六自由度捷联惯导系统另一角度的外观示意图。
图4是图1所示微型六自由度捷联惯导系统的电路图。
图5是图1所示微型六自由度捷联惯导系统测量空间坐标系X、Y方向上的直线运动与角运动并将模拟信号输出的电路图。
图6是图1所示微型六自由度捷联惯导系统测量空间坐标系Z方向上的直线运动与角运动并将模拟信号输出的电路图。
                      具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细说明，但本发明的
实施方式不限于此。
实施例
图1～图3示出了本基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统的结构组成，其中图1中的虚线框部分构成本系统，由图1可见，本系统包括角速度传感器1、2、3、加速度传感器4、5、高速模数转换模块6、单片机7，所述角速度传感器1、2、3及加速度传感器4、5与高速模数转换模块6相连接进行信号采样，高速模数转换模块6通过同步串行接口(SPI)与单片机7相连接进行通讯；所述角速度微传感器1、2、3包括X向角速度传感器1、Y向角速度传感器2、Z向角速度传感器3，分别测量X、Y、Z方向的角速度；所述加速度微传感器4、5包括XY向加速度传感器4和Z向加速度传感器5，分别测量X、Y、Z方向的直线速度；前述各构件安装在三维立体结构的电路板上并通过三维立体结构的电路板相连接，具体结构如图2和图3所示，由图2和图3可见，所述三维立体结构的电路板包括三块相互垂直连接的电路板8、9、10，分别为XY板8、XZ板9、YZ板10，在YZ板10下设置有排针11并通过在底座13上设置的排针座12与底座13相连接，在底座13上设置有RS232串口14与外置的嵌入式计算机相连接；所述X向角速度传感器1、Y向角速度传感器2与XY向加速度传感器4分别安装在XY板8的两侧，所述Z向角速度传感器3及Z向加速度传感器5安装在XZ板9的一侧，所述高速模数转换模块6及单片机7分别安装在YZ板10的两侧。其中，X、Y、Z向角速度传感器1、2、3可采用型号为53B0AC4114的单轴MEMS角速度微传感器，XY向加速度传感器4和Z向加速度传感器5可采用型号为7336003b2的双轴MEMS加速度微传感器，所述高速模数转换模块6可采用型号为TLC2543C的模数转换芯片，所述单片机7可采用型号为ATMEGA16L的微处理器。
图4～图6示出了本系统的具体电路结构，由图4可见，ATMEGA16L单片机获得TLC2543模数转换模块输出的各个轴的传感器原始数据，并将这些数据进行数字滤波处理，处理后即得到空间运动物体的三维角运动和直线运动数据信息，这些信息按指定的频率以RS232信号形式通过RS232串口输出至导航控制系统采用的嵌入式计算机通过其上运行的专用卡尔曼滤波软件处理；由图5可见，测量空间坐标系X、Y方向上的直线运动与角运动的双轴加速度传感器U1及两个角速度仪U2、U3输出的模拟信号通过集成运算放大器OPA4340、OPA2340进行RC滤波并放大后输出到主控板模块(主要包括高速模数转换模块及单片机)；由图6可见，测量空间坐标系Z方向上的直线运动与角运动的加速度传感器U1及角速度仪U2输出的模拟信号经集成运算放大器OPA4340进行RC滤波并放大后输出到主控板模块。

Claims (6)

1、一种基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：包括角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机，所述角速度传感器及加速度传感器通过高速模数转换模块与单片机相连接，所述角速度传感器为单轴MEMS角速度微传感器，所述的加速度微传感器为双轴MEMS加速度微传感器。
2、根据权利要求1所述的基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：所述角速度传感器、加速度传感器、高速模数转换模块、单片机安装在三维立体结构的电路板上并通过三维立体结构的电路板相连接。
3、根据权利要求2所述的基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：所述三维立体结构的电路板包括三块相互垂直连接的电路板，分别为XY板、XZ板、YZ板，在YZ板下设置有排针并通过所述排针与底座相连接，在底座上设置有输出接口。
4、根据权利要求3所述的基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：在底座上亦设置有排针座，所述YZ板下的排针通过排针座与底座相连接。
5、根据权利要求3所述的基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：所述排针为极小间距排针，排针的间距约为2mm。
6、根据权利要求1所述的基于微电子机械系统器件的微型六自由度捷联惯导系统，其特征在于：所述单轴MEMS角速度微传感器数量为三个，包括X向角速度传感器、Y向角速度传感器、Z向角速度传感器；所述双轴MEMS加速度微传感器数量为两个，包括XY向加速度传感器和Z向加速度传感器。
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