微機械慣性導航裝置的製作方法

2024-03-19 22:28:05

專利名稱：微機械慣性導航裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種微機械慣性導航裝置，該裝置可用於飛行器等載體在 無參照物情況下的加速度、角速度變量測量，解算並判斷飛行器的速度、姿態 及所在空間位置。
技術背景慣性導航系統(INS，以下簡稱慣導)是一種不依賴於外部信息、也不向外 部輻射能量的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水 下。慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考 系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到 在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測 量裝置包括加速度傳感器和陀螺儀，又稱慣性導航組合。慣性導航組合一般釆 用3個加速度傳感器和3個陀螺儀，3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個轉 動運動參數，3個加速度傳感器用來測量3個平移運動的加速度參數。計算機根 據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據，控制顯示器顯示各種導 航參數。傳統慣性測量裝置一般釆用撓性加速度傳感器和雷射陀螺、光纖陀螺或撓 性陀螺，這類器件體積較大、造價昂貴，從而使組合後的慣性導航裝置的應用 領域受到局限。微電子機械系統(MEMS)是60年代後誕生的一種新興技術，它繼承了集成 電路的製造技術，在矽片上製造出各種機械結構，可以像集成電路一樣進行大 規模生產。由於其具有體積小、重量輕、功耗低、批次一致性好等特點，已經 廣泛應用在傳感器領域。微機械慣性組合測量系統與傳統的慣性組合測量系統的本質區別是利用了MEMS技術、傳感器技術和微電子技術，從根本上改變了傳統慣性組合測量系統 的設計思想和製造方法，實現了微機械加速度計與信號獲取、處理電路的一體 化集成，具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、能承受惡劣氣候環境和機 械環境、精度適中、便於大批量生產等優點。但由於MEMS類傳感器的溫度漂移 通常高於傳統的高精度傳感器，故而在導航領域少有應用。 發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種可用於測量運動物 體在空間的姿態、位置、速度的微機械慣性導航裝置。本實用新型的微機械慣性導航裝置包括設在殼體內的數據處理模塊、DC/DC 電源模塊、3個加速度傳感器、3個陀螺以及設置在殼體中部的腔體，其中腔體 由3個相互隔離的腔室組成，3個腔室呈軸向分布，且3個腔室內的安裝平面相 互垂直，在腔體內各腔室的安裝平面上各安裝有一個加速度傳感器和陀螺，用 於測量飛行系統在飛行時產生的各方向的加速度，角速度在傳感器敏感方向產 生的分量。加速度傳感器與陀螺相鄰安裝，以保證加速度傳感器和陀螺的工作 溫度一致。上述加速度傳感器和陀螺與數據處理模塊和DC/DC電源模塊之間以 電纜線連接在一起，並連接到接插件，通過接插件與外部連接。本實用新型還在微機械慣性導航裝置的殼體內設置有加熱板和一個溫控模 塊，加熱板包覆在腔體的周圍，通過電纜線與溫控模塊及DC/DC電源模塊電路 連接。同時，在陀螺內還集成有溫度傳感器，並與溫控模塊連接，可分別測量 三個軸向的加速度傳感器和陀螺的工作溫度，由溫控模塊控制加熱板為加速度 傳感器和陀螺提供相對恆定的工作溫度。本實用新型的工作過程是通過3個加速度傳感器和3個陀螺來測量裝置 的加速度和角速度值，由數據處理模塊釆集加速度傳感器及陀螺的信號輸出值 並進行解算後得出坐標信息。在陀螺內集成有溫度傳感器，由溫控模塊為加速 度傳感器和陀螺提供相對恆定的工作溫度，從而減小了傳感器的溫度漂移，提高了導航測試精度。所述的3個加速度傳感器和3個陀螺安裝的敏感方向成空間XYZ坐標，用 於測量被測裝置在飛行時產生的XYZ方向的加速度和角速度。在數據處理模塊中包括有信號調理電路和A/D精度轉換電路，信號調理電 路對加速度傳感器和陀螺輸出的信號進行放大調理、降噪以及濾波，使其靈敏 度保持一致，A/D精度轉換電路運用高精度的外部A/D轉換電路進行加速度傳感 器和陀螺採集信號的處理。所述的數據處理模塊對輸入的加速度傳感器、陀螺 的輸出信號值進行在A/D變換後進行角速度、加速度、速度的矩陣解算，從而 計算出所測裝置當前的坐標位置及姿態、角度等所關心的特性。所述的DC/DC電源模塊為開關型電源模塊，它將慣性測量裝置的外部輸入 電壓轉換為數據處理模塊、陀螺及加速度傳感器所需的5V電壓。所述的溫控模塊通過陀螺內置的溫度傳感器對陀螺和加速度傳感器的工作 溫度進行實時檢測，當溫度低於55。C時，溫控模塊通過分布在陀螺和加速度傳 感器安裝平面外側的加熱板對陀螺和加速度傳感器固定面進行加熱，溫度高於 55'C時，停止加熱，從而使陀螺和加速度傳感器的工作溫度穩定在55'C。所述的加熱板為薄板型電熱器件，溫控模塊在測得陀螺和加速度傳感器的 工作溫度低於55'C時，加熱板電路導通，加熱板開始發熱，使陀螺和加速度傳 感器的工作溫度升高，工作溫度達到55'C時，加熱板電路關斷，停止加熱。所述的接插件位於慣性測量裝置外殼上，該慣性測量裝置的接插件包括供 電接插件及信號接插件。本實用新型的微機械慣性導航裝置利用MEMS技術、傳感器技術和微電子技 術進行組合，實現了微型慣性組合測量系統中的微機械陀螺、微機械加速度傳 感器及系統信號獲取、處理電路的一體化集成安裝，具有體積小、重量輕、可 靠性高、能承受惡劣氣候環境和機械環境、精度適中等優點，成本低，便於批 量生產。本實用新型的微機械慣性導航裝置在加速度傳感器和陀螺的靈敏度不變的 情況下，可以提高裝置的空間位置測量精確性。本實用新型的微機械慣性導航裝置可以達到如下性能指標三軸角速度滾動± 200。 /s，其它>±100° /s; 角速度帶寬>50Hz; 三軸加速度> ±15g; 加速度帶寬>100Hz。

圖l是本實用新型微機械慣性導航裝置的工作原理示意圖； 圖2是本實用新型微機械慣性導航裝置的結構示意圖。
具體實施方式
微機械慣性導航裝置的工作原理如圖1所示，加速度傳感器和陀螺測得的 加速度和角速度信號值輸出到數據處理模塊，數據處理模塊對輸入的加速度和 角速度信號值進行解算，得出坐標位置、速度、姿態等信息，通過接插件輸出 到外圍設備。溫控模塊通過陀螺內置的溫度傳感器檢測加速度傳感器和陀螺的 工作溫度，如低於55°C，加熱板電路導通，使陀螺和加速度傳感器的工作溫度 升高，最終使工作溫度穩定在55°C,從而降低傳感器輸出值的溫度漂移，使加 速度傳感器和陀螺的輸出值更穩定。DC/DC電源模塊通過接插件將外部輸入電壓 轉換為+5V電壓，提供給數據處理模塊、陀螺及加速度傳感器使用。微機械慣性導航裝置的結構如圖2所示，裝置殼體1內的6個傳感器(3個 加速度傳感器5和3個陀螺6)分別安裝在腔體4內X、 Y、 Z三個相互隔離的腔 室中的安裝平面上，三個安裝平面互相垂直，每個安裝平面上分別安裝有1個 加速度傳感器和1個陀螺，且每個加速度傳感器和陀螺成對相鄰安裝。由於釆 用了軟體校正方式，6個傳感器的安裝並不需要像許多傳統慣性導航產品那樣要求傳感器的敏感質心垂直並相交，而是由產品內嵌軟體自動檢測並修正初始誤差。溫控模塊10和數據處理模塊2位於殼體1內腔體4的上部，加熱板9包覆 在腔體4的周圍，腔體4下面的空間安裝有DC/DC電源模塊7,接插件8固定在 殼體1上。陀螺6內集成有溫度傳感器，並與溫控模塊10連接。電纜線3將加 速度傳感器5、陀螺6、數據處理模塊2、 DC/DC電源模塊7、溫控模塊10和加 熱板9連接在一起，並通過接插件8與外部連接。外部供電通過接插件連接到溫控模塊和DC/DC電源模塊，由DC/DC電源模 塊將外部供電電壓轉換為+5V以提供傳感器(加速度傳感器、陀螺及陀螺內置的 溫度傳感器)以及數據處理模塊進行工作，陀螺內置的溫度傳感器測得傳感器 的工作溫度後，將溫度信號傳輸至溫控模塊，當溫度低於55。C時，溫控模塊通 過分布在陀螺和加速度傳感器安裝面外側的加熱板對陀螺和加速度傳感器固定 面進行加熱，溫度高於55'C時，停止加熱，從而使陀螺和加速度傳感器的工作 溫度穩定在55°C。加速度傳感器和陀螺在較為穩定的工作溫度下，將測得的加 速度和角速度信號值傳輸至數據處理模塊，數據處理模塊對其進行解算後，將 得出的位置、姿態、速度等信息輸出至外圍設備。
權利要求1、微機械慣性導航裝置，包括設在殼體(1)內的數據處理模塊(2)、DC/DC電源模塊(7)、3個加速度傳感器(5)、3個陀螺(6)以及殼體(1)中部的腔體(4)，其中腔體(4)由3個相互隔離的腔室組成，3個腔室呈軸向分布，且3個腔室內的安裝平面相互垂直，在腔體(4)內各腔室的安裝平面上各安裝有一個加速度傳感器(5)和陀螺(6)，上述加速度傳感器(5)和陀螺(6)與數據處理模塊(2)和DC/DC電源模塊(7)之間以電纜線(3)連接在一起，並連接到接插件(8)，通過接插件(8)與外部連接。
2、 根據權利要求1所述的微機械慣性導航裝置，其特徵是在殼體(1)內 設有溫控模塊(10)和加熱板(9)，加熱板(9)包覆在腔體(4)的周圍，通 過電纜線(3)與溫控模塊(10)和DC/DC電源模塊電路連接。
3、 根據權利要求1所述的微機械慣性導航裝置，其特徵是在陀螺(6)內 集成有溫度傳感器。
4、 根據權利要求l所述的微機械慣性導航裝置，其特徵是所述的加速度傳 感器(5)與陀螺(6)相鄰安裝。
專利摘要一種微機械慣性導航裝置，由加速度傳感器、陀螺、數據處理模塊、DC/DC電源模塊、溫控模塊和加熱板組成，加速度傳感器和陀螺分別安裝在殼體內3個相互隔離的腔室中，且安裝平面相互垂直，加熱板包覆在腔體的周圍，加速度傳感器和陀螺與數據處理模塊、DC/DC電源模塊和溫控模塊之間以電纜線連接，並通過接插件與外部連接。該裝置可用於飛行器等載體在無參照物情況下的加速度、角速度變量測量，具有體積小、重量輕、可靠性高、能承受惡劣氣候環境和機械環境、精度適中等優點。
文檔編號G01C21/16GK201116875SQ20072013810
公開日2008年9月17日 申請日期2007年11月26日 優先權日2007年11月26日
發明者劉國忠, 孫耀康, 鄧海棠, 高松山 申請人:山西科泰微技術有限公司