CN2800229Y - 数字式惯性测量单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于航空、海陆交通等领域中测量空间坐标系三个轴的角速率和线加速度的数字式惯性测量单元，由角速率传感器、线加速度传感器和信号处理单元组成，信号处理单元内含有模数转换电路、数字信号处理器、电源和看门狗电路，角速率和线加速度传感器的测量信号通过模数转换电路接至数字信号处理器，电源和看门狗电路的输出端接至数字信号处理器的电源、复位输入端。工作时角速率和线加速度传感器的测量数据经模数转换后进入数字信号处理器处理，然后直接数字输出或通过数模转换器输出。本实用新型的结构性能合理、操作方便、体积小，具有高可靠性和高封装坚固性，可准确测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度。

Description

数字式惯性测量单元

所属技术领域

本实用新型内容属于惯性测量器件技术领域，涉及一种用于测量空间坐标系中三个轴的角速率和线加速度的惯性测量单元，其产品可广泛用于航空、航天、地质勘探、工业测控、船舶、铁路、公路等领域。

背景技术

目前在上述各行业领域中普遍使用的惯性测量单元(IMU)，包括角速率传感器(角速率陀螺)和线加速度传感器，其产品绝大部分都是机械式的，如液浮或半液浮、挠性有旋转马达的角速率传感器、有质块的线加速度传感器等，这些老式惯性测量单元在实际应用中存在的突出缺点是体积大、价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低、寿命短、测量范围小(老式角速率传感器最大测量值仅500°/s，线加速度传感器最大测量值仅10g)、带宽低(最多为100HZ)、不适于数字用户使用以及多不具备自检测(Self-Test)功能等，即使是当今较先进的光纤或激光惯性测量单元，也由于其价格昂贵及体积大等原因而很难得到广泛的应用。

实用新型内容

本实用新型的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种结构性能实用合理、操作方便、体积小、重量轻、造价低、应用范围广的数字式惯性测量单元。

用于实现上述发明目的的技术解决方案是这样的：所提供的数字式惯性测量单元含有用于测量X、Y、Z空间轴角速率的三轴角速率传感器、用于测量X、Y、Z空间轴线加速度的三轴线加速度传感器和由16位模数转换电路、数字信号处理器(DSP)、电源电路和看门狗电路组成的信号处理单元，其中角速率传感器和线加速度传感器的信号输出端与模数转换电路的模拟输入端联接，模数转换电路的16位数字输出端与数字信号处理器的数字信号输入端联接，电源电路和看门狗电路的输出端分别接至数字信号处理器的电源、复位输入端。工作时角速率传感器和线加速度传感器的测量数据经过模数转换后进入数字信号处理器进行处理(包括滤波降噪、温度和非线性补偿、量程缩放、自动标定等)，然后直接通过数字输出或通过数模转换器输出。

本实用新型所述的数字式惯性测量单元是一种主要针对数字用户的三轴六自由度固态惯性传感器的组合，其中的三轴角速率传感器属于无旋转马达的固态角速率传感器，线加速度传感器属于无质块的传感器，它们的内部电路工作构件均采用微机械-电子系统(MEMS-Micro Electro-MechanicalSystems)技术的芯片，其制造采用双极型金属氧化物半导体(BIMOS)技术的生产工艺和球形网格排列的载流焊工艺技术，产品具有高可靠性和高封装坚固性，可准确测量空间坐标系中X、Y、Z三个轴的角速率和线加速度。该测量单元采用数字信号处理技术进行信号处理，其中硬件采用数字信号处理器(DSP)作为嵌入式系统的微处理器，利用其强大的数据处理功能进行传感器原始信号的校正、补偿、降噪等处理；配合数字信号处理器的运行，采用复杂可编程器件(CPLD)使硬件电路更加灵活、简洁，提高了系统的可维护性；通过实验建立噪声和温度的数学模型，软件采用FIR(有限冲击响应滤波器)、FFT(快速傅立叶变换)小波变换等数字信号理论和方法进行数字信号处理，降低了系统噪声。相对本领域现有技术而言，采用上述设计方案结构的产品具有精度高、结构紧凑、体积小、重量轻、价格低、耐冲击加速度高、可靠性高、寿命长、带宽宽、启动快、有自检等特点。

附图说明

图1为本实用新型的总电气设计原理框图。

图2为角速率传感器的设计原理框图。

图3为角速率传感器的一个具体实施例的电路原理图。

图4为线加速度传感器的设计原理框图。

图5为线加速度传感器的一个具体实施例的电路原理图。

图6为数字信号处理器(DSP)的一个具体实施例的电路原理图。

图7为16位模数转换电路的一个具体实施例的电路原理图。

图8为看门狗电路的一个具体实施例的电路原理图。

图9为电源电路的一个具体实施例的电路原理图。

具体实施方式

参见附图，本实用新型所述的数字式惯性测量单元的总电气原理结构如图1所示，它主要由三轴角速率传感器1、三轴线加速度传感器2和信号处理单元I三部分组成。三轴角速率传感器1包括三个分别用于测量X、Y、Z空间轴角速率的传感器，每一个空间轴角速率传感器的工作原理结构如图2所示，它们均由采用微机电系统(MEMS)技术的芯片构成的敏感元件电路12、ST自检测接口电路11、电荷泵升压电路13、解调滤波电路14和输出放大电路15组成，ST自检测接口电路11和电荷泵升压电路13的输出端分别接至敏感元件电路12的输入端，敏感元件电路12的输出端通过解调滤波电路14与输出放大电路15的输入端联接。在图3所示的角速率传感器的实际电路中，敏感元件电路12由型号为PO-XRS的敏感元件芯片和型号为LTC2053的集成芯片构成，PO-XRS的输入端接角速率输入信号，解调滤波电路14由型号为LB8207的芯片构成，输出放大电路15由型号为LTC2053的集成芯片构成，电荷泵升压电路13则由两只LTC2053集成芯片和一只型号为REG711-5的集成芯片构成。三轴线加速度传感器2包括三个用于测量X、Y、Z空间轴线加速度的传感器，每一个空间轴线加速度传感器的工作原理结构如图4所示，它们均由采用微机电系统(MEMS)技术的芯片构成的敏感元件电路21、ST自检测接口电路22、解调滤波电路23和输出放大电路24组成，ST自检测接口电路22的输出端与敏感元件电路21的输入端联接，敏感元件电路21的输出端通过解调滤波电路23与输出放大电路24的输入端联接。在图5所示的线加速度传感器的实际电路中，敏感元件22由型号为PO-XL的敏感元件芯片构成，PO-XL的输入端接线加速度输入信号，解调滤波电路23由型号为LB8207的芯片构成，输出放大电路24由型号为LTC2053的集成芯片构成。信号处理单元I用于对来自三轴角速率传感器1和三轴线加速度传感器2的信号进行数字处理，其结构如图1所示，它由16位模数转换电路3、非易失性存储器4、数字信号处理器(DSP)5、DSP的电源电路6和看门狗电路7组成的信号处理单元，角速率传感器1和线加速度传感器2的信号输出端与16位模数转换电路3的模拟输入端联接，模数转换电路3的16位数字输出端与数字信号处理器5的32位数据信号输入端联接，电源电路6和看门狗电路7的输出端分别接至数字信号处理器5的电源、复位输入端，非易失性存储器4的输出端接至数字信号处理器5的存储器输入端。具体实施例中，数字信号处理器5可采用图6所示的TI公司的TMS320VC33器件，该处理器是TI公司推出的性能价格比最高的浮点DSP产品，当主频率为150MHz时，可达150MPLOPS(每秒执行百万次浮点操作)或MIPS(每秒执行百万条指令)的数据处理速度，可在单周期内对定点和浮点数据实现并执行乘法运算和算逻操作；模数转换电路3可采用图7所示的ADS8364器件，保证数字信号处理器正常工作的看门狗电路7可采用图8所示的型号为MAX6864的集成芯片，DSP的电源电路6由图9所示的型号为TPS7670325的集成芯片构成；非易失性存储器4采用SST39VF400A集成电路芯片。

本实用新型产品的外形尺寸为76×63×56mm³，三轴六自由度的惯性传感器包括三个轴的角速率陀螺和三个轴的线加速度传感器。该惯性测量单元的重量仅为100克，是目前国内外体积最小、重量最轻的三轴六自由度IMU产品。此外，该惯性测量单元的任何轴在不供电、冲击时间为0.5ms的情况下，可承受1000g的冲击加速度，在供电、冲击时间为0.5ms条件下，可承受500g的冲击加速度，耐冲击加速度指标大大优于本领域已有的同类技术产品。

本实用新型所述的数字式惯性测量单元主要可用于以下技术领域：

导弹控制技术领域：导弹控制系统利用惯性测量单元的六自由度信号作为控制系统的主控信号加以稳定并取得适宜的阻尼，从而提高导弹的命中率；

工业测控技术领域：凡是有角速率和线加速度的设备或目标，为了进行稳定和精确的控制都需要测定角速率和线加速度，并作为主控信号引入控制系统，用于快速稳定控制系统，从而对控制对象进行准确有效地控制；

飞行器控制技术领域：在运输机、轰炸机、歼击机、多用途的无人机及火箭飞船等各种飞行器中，本产品作为飞行器自动控制系统的敏感部件测量飞行器三轴的角速率和三轴线加速度，作为反馈信号引入自动飞行控制系统实现增稳和自动驾驶功能，并改善飞行器的机动性和操纵性，使飞行器获得良好的操纵与稳定品质；

捷联惯导技术领域：该产品作为捷联惯导系统必不可少的配套部件，用于捷联惯导系统进行位置和航姿解算，可取代现有捷联惯导系统使用的机械式挠性角速率陀螺和线加速度计产品；

汽车自动驾驶技术领域：该产品用于测量多种汽车车体转弯、上下俯仰、左右颠簸的三轴角速率和三轴线加速度，引入汽车稳定控制和自动驾驶系统，从而有效地控制和稳定汽车的驾驶，特别是对高性能的汽车已经逐渐成为不可缺少的配套部件；

机器人技术领域：使用该产品用于测量机器人各关节部位及转动部分的角速率、可移动部分的线加速度，作为反馈信号进入机器人的自动控制系统，使机器人准确、灵活、稳定地动作。

Claims (3)

1、一种数字式惯性测量单元，其特征在于它含有用于测量X、Y、Z空间轴角速率的三轴角速率传感器(1)、用于测量X、Y、Z空间轴线加速度的三轴线加速度传感器(2)和由16位模数转换电路(3)、数字信号处理器(5)、电源电路(6)和看门狗电路(7)组成的信号处理单元(I)，其中角速率传感器(1)和线加速度传感器(2)的信号输出端与模数转换电路(3)的模拟输入端联接，模数转换电路(3)的16位数字输出端与数字信号处理器(5)的数字信号输入端联接，电源电路(6)和看门狗电路(7)的输出端分别接至数字信号处理器(5)的电源、复位输入端。

2、根据权利要求1所述的数字式惯性测量单元，其特征在于三轴角速率传感器(1)由ST自检测接口电路(11)、敏感元件电路(12)、电荷泵升压电路(13)、解调滤波电路(14)和输出放大电路(15)组成，ST自检测接口电路(11)和电荷泵升压电路(13)的输出端分别接至敏感元件电路(12)的输入端，敏感元件电路(12)的输出端通过解调滤波电路(14)与输出放大电路(15)的输入端联接。

3、根据权利要求1所述的数字式惯性测量单元，其特征在于三轴线加速度传感器(2)由ST自检测接口电路(22)、敏感元件电路(21)、解调滤波电路(23)和输出放大电路(24)组成，ST自检测接口电路(22)的输出端与敏感元件电路(21)的输入端联接，敏感元件电路(21)的输出端通过解调滤波电路(23)与输出放大电路(24)的输入端联接。

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