JP6189409B2 - 無人航空機慣性計測モジュール - Google Patents

Description

本発明は、無人航空機制御分野に係り、特に無人航空機慣性計測モジュールに関する。

従来技術では、無人航空機慣性計測モジュールによる防振措置として、制御モジュールのハウジング外部に四つの防振パッドを敷き、四つの支点を形成して制御モジュール全体のアウターハウジングを支持する。無人航空機慣性計測モジュールの外部に防振パッドを設置するが、このような構造には以下の欠陥が存在する。（１）防振パッドをプラットフォームに取り付ける必要があるため、制御モジュール全体の体積と重量が大きくなり、さらに飛行機の無効負荷を増やしてしまい、しかも取り付けが容易ではない。（２）防振パッドが外部に露出するため、防振パッドが毀損する確率をもたらし、さらに無人航空機慣性計測モジュールの使用寿命に影響を与える。（３）メインコントロール接続線がシステムの防振効果に影響を与える。

本発明が解決しようとする課題は、従来技術の無人航空機慣性計測モジュールにおいて防振パッドの外部配置によって慣性計測モジュールの体積が莫大となり、防振効果が好ましくない欠陥に対して、無人航空機慣性計測モジュールを提供して上記問題を効果的に解決することである。

本発明は、その技術問題を解決するために採用する技術案として、
ハウジングアセンブリーと、前記ハウジングアセンブリーに内蔵されているセンサアセンブリーおよびダンパーを含む無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
前記ダンパーには、振動を緩衝するための第１防振パッドを含み、
前記センサアセンブリーには、前記ハウジングアセンブリーに固定される第１回路板と、慣性センサーが固設された第２回路板と、前記第１回路板と前記第２回路板を電気接続するフレキシブル信号線とを含み、
質量を増やすためのウェイトをさらに含み、前記第２回路板、前記ウェイト、前記第１防振パッド、前記第１回路板が順に粘着して形成した全体が前記ハウジングアセンブリー内に係合する。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、前記ダンパーには、前記第２回路板に粘着によって固定されて前記ハウジングアセンブリーの内壁に当接する第２防振パッドをさらに含む。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、前記第２防振パッドと前記第２回路板との間の粘着面積Ｓ_２の範囲は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２であることが好ましい。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、前記ウェイトの重さは、１ｇ〜３０ｇであることが好ましい。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、前記第１防振パッドと前記第２回路板との間の粘着面積Ｓ_１の範囲は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２であることが好ましい。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、詳しくは、前記ハウジングアセンブリーには、相互に係止する第１ハウジングと第２ハウジングとを含む。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、詳しくは、前記第２回路板は、前記ウェイトに粘着によって固定される支持片に固設される。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、前記慣性センサーには、角速度信号を検出するためのジャイロスコープおよび加速度信号を検出するための加速度計を含み、前記角速度信号と前記加速度信号が前記フレキシブル信号線を介して前記第１回路板に伝送されることが好ましい。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、詳しくは、前記第１回路板には、電源、メモリ、プロセッサおよび回路モジュールが固設されている。

本発明の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、詳しくは、前記センサアセンブリーには信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子をさらに含み、前記信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子がインタフェースを介して前記第１回路板に電気接続され、前記ハウジングアセンブリーは、両端に開口したインナーチャンバーを形成し、前記信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子が前記インナーチャンバーに内蔵されて前記インナーチャンバーの両端にそれぞれ係合する。

本発明によれば以下の有益な効果を達成することができる。慣性センサーなど振動性能への要求が高いデバイスを第２回路板に集成し、ダンパーを設置することによって慣性計測モジュールの振動特性を改善し、慣性計測モジュールの固有機械振動周波数を、航空機が発生する各種の運動に関連しない振動周波数よりはるかに低いものとする。第１防振パッドを設置することによって、無人航空機による慣性センサーへの振動を迅速に減衰させ、無人航空機が５０ＨＺ以上の周波数を生じたとき、ダンパー使用後に慣性センサーが受ける振動を、防振パッド未使用時の振動の３０％以下まで減衰させ、無人航空機の動作振動周波数による慣性センサーへの影響を極大に減少し、慣性センサーによる計測の安定性を向上させる。しかも、慣性計測モジュールの体積と重量を大幅に縮小させ、無人航空機の負荷空間を拡大させる。

本発明の実施例が提供する無人航空機慣性計測モジュールの組み立て構造模式図である。 本発明の実施例が提供する無人航空機慣性計測モジュールのハウジングアセンブリーが取り除かれた構造模式図その１である。 本発明の実施例が提供する無人航空機慣性計測モジュールのハウジングアセンブリーが取り除かれた構造模式図その２である。 本発明の実施例が提供する無人航空機慣性計測モジュールの爆発構造模式図その１である。 本発明の実施例が提供する無人航空機慣性計測モジュールの爆発構造模式図その２である。

以下、図面および実施例を組み合わせて本発明についてさらに説明する。

本発明の技術的特徴、目的および効果についてより明確に理解するために、図面に照らし合わせて本発明の具体的な実施形態を詳細に説明する。

激烈な無作為振動は、ストラップダウン慣性航法モジュールが運行時に直面する主要な力学環境であり、振動により、慣性計測モジュールの性能の不安定または電子デバイスの損壊をもたらし、慣性計測モジュールの安定性への影響が極めて大きいものである。無人航空機の激烈な無作為振動による回路板上のデバイスの損壊または慣性センサーの性能の不安定を減少するには、ハウジングアセンブリー内の各部材の接続構造を変更して各部材同士の接続剛性を強化する一方、ダンパーをダンピング媒体として、慣性計測モジュールを弾性的に無人航空機に接続して、無人航空機の振動による慣性センサーへの影響を低減する。防振方式の選択は、慣性航法システムの防振性能のみならず、システムの計測精度にも影響を与える。本発明は、ダンパー改良と防振力学構造最適化の両面から着手し、小型慣性計測モジュールの性能向上を図る。

図１、図２、図３に示すように、本発明が提供する一実施例であり、無人航空機慣性計測モジュールにおいて、ハウジングアセンブリーと、センサアセンブリーと、ダンパーとを含む。図１、図４、図５に示すように、ハウジングアセンブリーは、両端に開口したインナーチャンバーを形成し、センサアセンブリーとダンパーが該インナーチャンバーに内蔵される。図４、図５に示すように、センサアセンブリーは、第１回路板１と、第２回路板６と、第１回路板１と第２回路板６を接続するフレキシブル信号線７とを含み、フレキシブル信号線７が第２回路板６上のセンサーによって検出した各種類の信号を第１回路板１に伝送する。第２回路板６には、慣性センサー、電源などのデバイスが固設されている。慣性センサーなど振動性能への要求が高いデバイスを第２回路板６に集成することは、第２回路板６に対して防振を行なうことによって慣性センサーの防振を行なうという目的の達成に寄与し、慣性センサーによる計測の安定性を向上させる。第２回路板６に防振を提供するのを便利にするには、第２回路板６がフレキシブルの回路板であることが好ましい。慣性センサーを保護し、無人航空機の振動による慣性センサーへの影響を低下するために、図４、図５に示すように、ダンパーには、振動を緩衝するための第１防振パッド３を含む。第１防振パッド３を介してセンサアセンブリーに対して緩衝防振を行なう。第１防振パッド３のサイズ、密度、材質およびセンサアセンブリーとの粘着面積は、いずれも防振性能に大きな影響を与える。第１回路板１は、係合、螺合、リベット接続、溶接または粘着によってハウジングアセンブリーに固定されることが好ましい。慣性計測モジュールにおいて、固有周波数ｆｎ＝（１／２π）・（Ｋ／Ｍ）^１／２（Ｋ：弾性係数、Ｍ：質量）から、質量Ｍが大きければ、固有周波数ｆｎが小さくなることが分かる。固有周波数を無人航空機の動作周波数の５０ＨＺ〜２００ＨＺから遠く離れさせるには、固有周波数ｆｎをなるべく小さくしなければならない。上記式から分かるように、質量Ｍを増やすか弾性係数Ｋを減らすべきである。弾性係数Ｋは、ダンパーの材料および粘着面積から影響を受け、一定値であるとき、質量Ｍを増やすことによって固有周波数ｆｎを減らす必要がある。質量Ｍを増やすには、図４、図５に示すように、本実施例において質量を増やすためのウェイト５をさらに含む。その役割として、慣性計測モジュールの固有周波数を減少できるとともに、第２回路板６の位置決めに支持を提供し、各部材の接続を堅固にする。図４、図５に示すように、第２回路板６は、ウェイト５の一側面に粘着によって固定されている。ウェイト５の相対面には、粘着剤層４を介して第１防振パッド３が粘着固定されている。第１防振パッド３は、粘着剤層２を介して第１回路板１に粘着して位置決めする。第１回路板１は、ハウジングアセンブリー内に係止する。すなわち、第２回路板６、ウェイト５、第１防振パッド３、第１回路板１が順に粘着して形成した全体がハウジングアセンブリー内に係合する。

詳しくは、本発明の一実施例として、ダンパーの材料は、特殊な防振材料であり、非常に優れた弾性性能を有し、以下の有益な効果を達成することができる。該ダンパーを設置することによって、無人航空機による慣性センサーへの振動を迅速に減衰させ、無人航空機が５０ＨＺ以上の周波数を生じたとき、ダンパー使用後に慣性センサーが受ける振動を、防振パッド未使用時の振動の３０％以下まで減衰させ、無人航空機の動作振動周波数による慣性センサーへの影響を極大に減少し、慣性センサーによる計測の安定性を向上させる。

上記技術案を元に、慣性センサーに対してさらに防振を行なうには、フレキシブルの第２回路板６の二つの相対面がともに緩衝防振できるようにする。図４、図５に示すように、ダンパーには、第２回路板６に粘着によって固定されてハウジングアセンブリーの内壁に当接する第２防振パッド９をさらに含む。第２防振パッド９と第１防振パッド３は、それぞれ第２回路板６の両側に位置する。二つの防振パッドは、無人航空機による強制振動を異なる方向から均衡に吸収することができる。無人航空機が空中でひっくり返ったり、曲がったり、上昇または下落するときに、第２回路板６上の慣性センサーが効果的に保護され、防振効果がより好ましいものである。

さらに、図４に示すように、第２防振パッド９は、中空の方形体である。方形体は、長さの範囲が１３〜２０ｍｍであり、幅の範囲が１３〜２０ｍｍであり、厚さの範囲が３〜４ｍｍである。第２防振パッド９の中空部の形状は、図４に示す方形に限定されず、円形、楕円形、角柱形、五点形またはその他の規則的形状であっても良いことが理解されよう。該中空部の形状が数１に示す形状であることが好ましい。
このような形状は、第２防振パッド９の弾性向上と防振効果強化に有利である。ただし、第２防振パッド９の外形についても、方形体に限定されず、その他の規則的または規則的でない形状であっても良い。取り付けを便利にするには、第２防振パッド９が片状体であることが好ましい。

弾性材料には複数のサイズの小さい孔が分布する。孔のサイズの大きさと数は、弾性材料の性能に影響を与える。第２防振パッド９と第２回路板６とは、粘着剤層８によって粘着固定する。粘着の堅固さを保証するには、理論上、粘着剤層８の粘着面積Ｓ_２をなるべく大きくするが、粘着面積Ｓ_２が大き過ぎると、粘着剤層８が弾性材料における孔を塞ぐことになる。弾性材料における孔がいったん大面積で塞がれると、その弾性性能に極大に影響を与え、すなわち弾性係数Ｋを増やし、ｆｎ＝（１／２π）・（Ｋ／Ｍ）^１／２がそれに伴い大きくなる。したがって、粘着剤層８の面積の大きさを適切にしなければならない。第２防振パッド９と第２回路板６との粘着面積Ｓ_２は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２の範囲が好ましい。粘着面積Ｓ_２は、２８．３ｍｍ^２がより好ましい。

上記技術案を元に、固有周波数ｆｎ＝（１／２π）・（Ｋ／Ｍ）^１／２をなるべく小さくするには、ウェイト５の重さは、１ｇ〜３０ｇであり、１５ｇ、１７．５ｇ、２０ｇまたは２５ｇがより好ましい。

さらに、ウェイト５の材質は、密度の大きい金属材料であり、その形状が方形体である。方形体という形状は、スペースを節約することができ、その長さの範囲が１３〜１５ｍｍであり、幅の範囲が１３〜１５ｍｍであり、厚さの範囲が３〜５ｍｍである。良好な安定性を保証するには、ウェイト５の長さが１５ｍｍ、幅が１５ｍｍ、高さが４ｍｍであることが好ましい。ただし、ウェイト５の形状は、方形体に限定されず、その他の規則的または規則的でない形状であっても良い。第２回路板６との緊密な取り付けを便利にするには、ウェイト５は、片状体またはブロック状体であることが好ましい。

上記技術案を元に、慣性計測モジュールの体積を減らすには、計測モジュールの高さを低くする。ウェイト５に溝を凹設することが好ましい。該溝は、第２回路板６の形状に合わせる。第２回路板６は、該溝に嵌め込み、粘着によってウェイト５への固定を実現する。第２回路板６がウェイト５の溝に嵌め込んで固定することは、スペースを節約できるほか、金属のウェイト５との貼り合わせによって第２回路板６の放熱の迅速かつ均一な分布に有利であり、第２回路板６の一部表面熱過大現象の出現を効果的に回避し、第２回路板６上のデバイスの使用寿命を増大する。

同様、図４に示すように、第１防振パッド３は、第２防振パッド９と形状が同一である。第１防振パッド３は、中空の方形体である。方形体は、長さの範囲が１３〜２０ｍｍであり、幅の範囲が１３〜２０ｍｍであり、厚さの範囲が３〜４ｍｍである。第１防振パッド３の中空部の形状は、図４に示す方形に限定されず、円形、楕円形、角柱形、五点形またはその他の規則的形状であっても良いことが理解されよう。該中空部の形状が数１に示す形状であることが好ましい。このような形状は、第１防振パッド３の弾性向上と防振効果強化に有利である。同様、第１防振パッド３の形状は、方形体に限定されず、その他の規則的または規則的でない形状であっても良い。ウェイト５に緊密に貼り合せて取り付けることを便利にするには、第１防振パッド３が片状体であることが好ましい。さらに、弾性材料には複数のサイズの小さいハニカム状の孔が分布する。孔のサイズの大きさと数は、弾性材料の性能に影響を与える。第１防振パッド３と第２回路板６とは、粘着剤層２によって粘着固定する。粘着の堅固さを保証するには、理論上、粘着剤層２の粘着面積Ｓ_１をなるべく大きくするが、粘着面積Ｓ_１が大き過ぎると、粘着剤層２が弾性材料における孔を塞ぐことになる。弾性材料における孔がいったん大面積で塞がれると、その弾性性能に極大に影響を与え、すなわち弾性係数Ｋを増やし、ｆｎ＝（１／２π）・（Ｋ／Ｍ）^１／２がそれに伴い大きくなる。したがって、粘着剤層２の面積の大きさを適切にしなければならない。第１防振パッド３と第２回路板６との粘着面積Ｓ_１は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２の範囲が好ましい。粘着面積Ｓ_１は、２８．３ｍｍ^２がより好ましい。

上記技術案を元に、本発明の一好ましい実施例として、図１、図４、図５に示すように、ハウジングアセンブリーには、相互に係止する第１ハウジング１３と第２ハウジング１４とを含む。第１ハウジング１３と第２ハウジング１４とは合わせるとインナーチャンバーを形成する。このような構造は、着脱することが容易であり、ハウジングアセンブリー内部の各部材をいちはやくメンテナンスすることができる。

第１ハウジング１３と第２ハウジング１４とは、ねじで締め付けられて固定されることが好ましい。第１ハウジング１３と第２ハウジング１４とは、リベット接続、係止または挿通であっても良いことが理解されよう。

上記技術案を元に、フレキシブルの第２回路板６が支持片に固設されることが好ましい。図５に示すように、支持片とウェイト５とは、粘着剤層１０を介して粘着固定する。支持片の役割は、第２回路板６とウェイト５との緊密な粘着固定に寄与することである。

上記技術案を元に、粘着剤層１０、粘着剤層２、粘着剤層８、粘着剤層４の材質は、同種の特殊な材質を採用し、良好な粘着力と耐排他力を有し、加工性が良好である。該種類の粘着剤層の厚さは、０．１５ｍｍ以内にコントロールすることができ、粘着力が１４〜１７Ｎ／２０ｍｍである。理解できることとして、上記粘着剤層は、片状体であってもよく、すなわち面粘着であり、複数の部分から合わせて形成してもよく、すなわち多箇所粘着であってもよい。

詳しくは、第１回路板１には、電源、メモリ、プロセッサおよび回路モジュールが固設されている。慣性センサーには、角速度信号を検出するためのジャイロスコープおよび加速度信号を検出するための加速度計を含む。角速度信号と加速度信号は、フレキシブル信号線７を介して第１回路板１に伝送される。メモリとプロセッサは、信号の処理を行なう。処理後に出力される信号は、無人航空機の操舵機の制御に用いられる。

さらに、図１、図２、図３に示すように、センサアセンブリーには、信号入力インタフェース端子１１および信号出力インタフェース端子１２をさらに含む。信号入力インタフェース端子１１および信号出力インタフェース端子１２は、インタフェースを介して第１回路板１に電気接続される。本実施例における信号入力インタフェース端子１１および信号出力インタフェース端子１２と第１回路板１との接続方式は、ともに非同期シリアルポート接続であることが好ましい。図１に示すように、ハウジングアセンブリーは、両端に開口したインナーチャンバーを形成する。信号入力インタフェース端子１１および信号出力インタフェース端子１２は、インナーチャンバーに内蔵されてインナーチャンバーの両端にそれぞれ係合し、構造がコンパクトであり、占めるスペースが小さい。

以上、図面を組み合わせて本発明の実施例を記載したが、本発明は、上記の具体的な実施形態に制限されない。上記の具体的な実施形態は、例示的なものであり、限定するものではない。本分野の一般技術者は、本発明の啓示を受けて、本発明の趣旨と特許請求の範囲を逸脱せずに、多くの形態を為すことができる。それらも本発明の保護内に属するものとする。

１：第１回路板
２：粘着剤層
３：第１防振パッド
４：粘着剤層
５：ウェイト
６：第２回路板
７：フレキシブル信号線
８：粘着剤層
９：第２防振パッド
１０：粘着剤層
１１：信号入力インタフェース端子
１２：信号出力インタフェース端子
１３：第１ハウジング
１４：第２ハウジング

Claims (10)

1. ハウジングアセンブリーと、前記ハウジングアセンブリーに内蔵されているセンサアセンブリーおよびダンパーを含む無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記ダンパーには、振動を緩衝するための第１防振パッドと第２防振パッドを含み、
   前記センサアセンブリーには、前記ハウジングアセンブリーに固定される第１回路板と、慣性センサーが固設された第２回路板と、前記第１回路板と前記第２回路板を電気接続するフレキシブル信号線とを含み、
   慣性計測モジュールの固有周波数を減少させるためのウェイトをさらに含み、
   前記ウェイトの一つの側面には前記第２回路板の一つの側面が粘着によって固定されており、前記ウェイトの他の側面には前記第１防振パッドの一つの側面が粘着によって固定されており、前記第２回路板の他の側面には前記第２防振パッドが粘着によって固定されており、前記第１防振パッドの他の側面には前記第１回路板が粘着によって固定されることで、
   前記第２防振パッド、前記第２回路板、前記ウェイト、前記第１防振パッド、前記第１回路板が順に粘着によって固定されて形成された全体が前記ハウジングアセンブリー内に係合し、
   前記第１防振パッドと前記第２防振パッドのうち少なくとも一つは中空部を有することを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
2. 請求項１に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記ウェイトに設けられた溝に前記第２回路板が嵌め込まれ、
   前記ウェイトは、前記第２回路板からの熱を放熱することを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
3. 請求項１または２に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記第２防振パッドは、前記第２回路板に粘着によって固定されて前記ハウジングアセンブリーの内壁に当接することを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
4. 請求項３に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記第２防振パッドと前記第２回路板との間の粘着面積Ｓ_２の範囲は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２ であることを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記第１防振パッドと前記第２回路板との間の粘着面積Ｓ_１の範囲は、１２．６〜５０．２ｍｍ^２ であることを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記ハウジングアセンブリーには、相互に係止する第１ハウジングと第２ハウジングとを含むことを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記第２回路板は、前記ウェイトに粘着によって固定される支持片に固設されることを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記慣性センサーには、角速度信号を検出するためのジャイロスコープおよび加速度信号を検出するための加速度計を含み、
   前記角速度信号と前記加速度信号が前記フレキシブル信号線を介して前記第１回路板に伝送されることを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
9. 請求項１乃至８の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
   前記第１回路板には、電源、メモリ、プロセッサおよび回路モジュールが固設されていることを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の無人航空機慣性計測モジュールにおいて、
    前記センサアセンブリーには、信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子をさらに含み、
    前記信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子がインタフェースを介して前記第１回路板に電気接続され、
    前記ハウジングアセンブリーは、両端に開口したインナーチャンバーを形成し、
    前記信号入力インタフェース端子および信号出力インタフェース端子が前記インナーチャンバーに内蔵されて前記インナーチャンバーの両端にそれぞれ係合することを特徴とする無人航空機慣性計測モジュール。