一種姿態航向參考系統的製作方法
2023-07-10 21:48:31
一種姿態航向參考系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種姿態航向參考系統，包括數據採集模塊和數據處理模塊；其中，所述數據採集模塊由角速度檢測模塊、線加速度檢測模塊和地磁強度檢測模塊組成，角速度檢測模塊由三軸陀螺儀及其輔助元件組成，線加速度檢測模塊由三軸加速度計及其輔助元件組成，地磁強度檢測模塊由三軸磁傳感器及其輔助元件組成；數據處理模塊由微處理器及其輔助元件組成，對數據採集模塊採集到的信號進行處理；數據採集模塊和數據處理模塊裝配在一塊印製電路板上，其中所述輔助元件為電阻或電容。本發明的姿態航向參考系統無需正交框架或基座、製作安裝工序簡單、精度高、重量輕。
【專利說明】一種姿態航向參考系統
【技術領域】
[0001]本發明屬於導航、制導與控制【技術領域】，更具體地，涉及一種姿態航向參考系統。【背景技術】
[0002]姿態航向參考系統(Attitudeand Heading Reference System, AHRS),主要由三軸角速度傳感器、三軸線加速度傳感器、三軸磁傳感器和微處理器組成，微處理器對所有傳感器件採集到的數據進行解算和融合，得到所附運載體的空間姿態和航向信息，即俯仰角、橫滾角和航向角。姿態和航向信息是導航和控制過程中的關鍵信息，在載入姿態航向參考系統所附運載體的俯仰角、橫滾角和航向角後，可以進而推導出運載體的速度、位置和運動軌跡。因此，姿態航向參考系統在太空飛行器、飛彈、車輛的導航以及衛星、機器人、平臺的姿態控制等領域有著廣泛的應用。
[0003]根據慣性導航系統技術，為了保證姿態航向參考系統處理得到的姿態和航向信息的準確性，上述三類傳感器件的敏感軸X、Y、Z軸必須分別平行且相互之間必須正交，為了滿足此條件，一般需要特定的裝置來安裝固定角速度傳感器、線加速度傳感器及磁傳感器。在現有技術中，通常是先加工製作一個具有正交結構的框架或基座，再將角速度傳感器、線加速度傳感器及磁傳感器安裝固定在框架或基座的不同面上。
[0004]如專利號為CN200610011562.1的中國發明申請專利《一種輕小型慣性測量單元》:採用微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)慣性器件,配合必要元器件構成X向、y向、z向三塊慣性器件板，由信號處理電路板進行信號轉換，所有電路板安裝在「T」形空心架上；「T」形空心架是一個由主金屬框和輔金屬框結合形成的具有正交結構的框架，採用低密度、高強度材料的鋁合金或鈦合金製成；三塊不同的慣性器件板上均有微型陀螺儀、微型加速度計和接插件，且三塊板上的微型加速度計的位置分布各不相同；當一塊信號處理電路板無法實現全部信號轉換功能時，需要增加額外的信號處理電路板。這種方法需要使用多塊不同的印製電路板，增加了整個系統的製作成本和周期；所有的印製電路板均通過螺栓配合螺母的方式安裝固定在「Τ」形金屬框架上，安裝工序多，且易引入較大的安裝誤差；使用輔助裝置「Τ」形金屬框架來提供正交結構，增加了系統的加工製作成本，同時增加了系統的重量，不利於系統輕型化的發展。
[0005]再如專利號為CN200710063635.6的中國發明申請專利《一種隱式結構微型慣性測量單元》:按照一定垂直度、平面度和光潔度的要求，採用合成陶瓷材料加工一正方體基座；利用具有一定光潔度的合成陶瓷材料表面可電鍍電路的特點，根據加速度計和陀螺的封裝、電路原理圖及安裝要求，在基座表面電鍍電路並附著焊盤；把加速度計和陀螺直接焊接在基座互相垂直的面上，以保證三個敏感方向的加速度計和陀螺相互垂直。這種方法需要進行多次電鍍工序將電路和焊盤電鍍在正方體陶瓷基座的不同表面上，製作工序複雜、周期長；使用正方體陶瓷基座來提供正交結構，不利於系統輕型化的發展，而且基座表面可利用的空間有限，當增加器件數量的時候，需要增大正方體基座的體積；此外，使用合成陶瓷材料加工正方體基座，成本較高。[0006]再如專利號為CN201110299117.0的中國發明申請專利《一種基於三維立體封裝技術的微型姿態航向參考系統》:包括有位於內核的三維空間集成基座，且該三維空間集成基座為六面體；三維空間集成基座外表面緊覆有多層剛柔結合板；多層剛柔結合板一面內配有微處理器，另外五面分別配裝有三個單軸陀螺儀、一個三軸加速度計和一個三軸磁傳感器；三維空間集成基座一面制有主器件槽，且微處理器嵌入於該主器件槽內；三維空間集成基座每面四角處均插配有定位螺釘，且定位螺釘還與多層剛柔結合板對應處穿插緊配。這種方法使用剛柔結合板，在六塊剛性印製電路板之間進行多次柔性連接，製作工序複雜、周期長、成本高；剛柔結合板通過定位螺釘安裝固定在三維空間集成基座上，安裝工序多，且易引入安裝誤差；使用三維空間集成基座提供正交結構，同樣不利於系統輕型化的發展。
[0007]綜上所述，由於使用了具有正交結構的框架或基座，現有技術主要存在以下缺
佔-
^ \\\.[0008](I)使用框架或基座來提供正交結構，增加了姿態航向參考系統的重量，不利於系統輕型化的發展；
[0009](2)加工製作具有正交結構的框架或基座，增加了姿態航向參考系統的製作成本；
[0010](3)需要設計製作不同的印製電路板、或不同的電鍍電路、或結構特殊的剛柔結合板，從而使傳感器件位於正交框架或基座的不同面上，製作工序複雜、周期長、成本高；
[0011](4)將傳感器件安裝固定在正交框架或基座的不同面上時，需要進行多次安裝工序，容易引入安裝誤差 ，降低了姿態航向參考系統的測量精度。
【發明內容】
[0012]本發明所要解決的技術問題是克服現有技術中使用正交框架或基座的缺陷，提供一種無需正交框架或基座、製作安裝工序簡單、精度高、重量輕的姿態航向參考系統。
[0013]本發明的技術解決方案是:一種姿態航向參考系統，包括數據採集模塊和數據處理模塊；數據採集模塊由三個子模塊:角速度檢測模塊、線加速度檢測模塊和地磁強度檢測模塊組成，角速度檢測模塊由三軸陀螺儀及其輔助元件組成，線加速度檢測模塊由三軸加速度計及其輔助元件組成，地磁強度檢測模塊由三軸磁傳感器及其輔助元件組成；數據處理模塊由微處理器及其輔助元件組成，對數據採集模塊採集到的信號進行處理；數據採集模塊和數據處理模塊裝配在一塊印製電路板上，其中所述輔助元件為電阻或電容。
[0014]具體地，當所述三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁傳感器分別由三個單軸MEMS陀螺儀、兩個雙軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器組成時，X軸MEMS陀螺儀和Y軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，Z軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，YZ軸MEMS加速度計採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，XY軸MEMS加速度計採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸磁阻傳感器採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝。
[0015]具體地，當所述三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁傳感器分別由三個單軸MEMS陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器組成時，X軸MEMS陀螺儀和Y軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，Z軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸MEMS加速度計採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸磁阻傳感器採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝。
[0016]本發明採用具有特定封裝結構的陀螺儀、加速度計和磁傳感器，使數據採集模塊和數據處理模塊可以裝配在一塊印製電路板上，無需使用具有正交結構的框架或基座，與現有技術相比，主要有以下優點:
[0017](I)減輕了姿態航向參考系統的重量，利於系統輕型化的發展；
[0018](2)不需要加工製作額外的框架或基座，降低了姿態航向參考系統的製作成本；
[0019](3)不需要設計製作不同的印製電路板、或不同的電鍍電路、或結構特殊的剛柔結合板，減少了系統的製作工序，縮短了系統的製作周期，並進一步降低了系統的製作成本；
[0020](4)傳感器件可以通過自動貼片裝配在印製電路板上，工序簡單，且裝配精度高，提高了姿態航向參考系統的測量精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的一種航向姿態參考系統採用三個單軸MEMS陀螺儀、兩個雙軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器情況下的整體結構圖，其中圖1a為俯視圖，圖1b為右前俯視圖及坐標系方向的規定，圖1c為主視圖，圖1d為右視圖，圖1e為仰視圖，圖1f為右前仰視圖及其對應坐標系的方向；
[0022]圖2為本發明的一種航向姿態參考系統採用三個單軸MEMS陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器情況下的整體結構圖，其中圖2a為俯視圖，圖2b為右前俯視圖及坐標系方向的規定，圖2c為主視圖，圖2d為右視圖，圖2e為仰視圖，圖2f為右前仰視圖及其對應坐標系的方向；
[0023]圖3為垂直表面貼裝封裝單軸MEMS陀螺儀的封裝結構圖；
[0024]圖4為水平表面貼裝封裝單軸MEMS陀螺儀的封裝結構圖；
[0025]圖5為垂直表面貼裝封裝雙軸MEMS加速度計的封裝結構圖；
[0026]圖6為水平表面貼裝封裝雙軸MEMS加速度計的封裝結構圖；
[0027]圖7為水平表面貼裝封裝三軸磁阻傳感器的封裝結構圖；
[0028]圖8為水平表面貼裝封裝三軸MEMS加速度計的封裝結構圖。
【具體實施方式】
[0029]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0030]圖1和圖2分別顯示了按照本發明的姿態航向參考系統的第一實施方式和第二實施方式的整體結構圖。
[0031]按照本發明第一實施方式的姿態航向參考系統採用三個單軸MEMS陀螺儀、兩個雙軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器，如圖1中所示，角速度檢測模塊由X軸MEMS陀螺儀101、Y軸MEMS陀螺儀102、Z軸MEMS陀螺儀103及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的角速度；線加速度檢測模塊由XY軸MEMS加速度計104、YZ軸MEMS加速度計105及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的線加速度；地磁強度檢測模塊由一個三軸磁阻傳感器106及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的地磁強度；角速度檢測模塊、線加速度檢測模塊和地磁強度檢測模塊共同組成了數據採集模塊。數據處理模塊由微處理器107及相應的電阻、電容等輔助元件組成，可以對數據採集模塊採集到的三軸角速度、三軸線加速度和三軸地磁強度信號進行解算和融合，得到本發明所附運載體的空間姿態和航向信息。數據採集模塊和數據處理模塊可以通過一次自動貼片工藝裝配在一塊剛性印製電路板108上，裝配後的效果如圖1所示。三個單軸MEMS陀螺儀的信號輸出方式均為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信。其中，X軸MEMS陀螺儀101和Y軸MEMS陀螺儀102採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，其封裝結構如圖3所示；Z軸MEMS陀螺儀103採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，其封裝結構如圖4所示。兩個雙軸MEMS加速度計的信號輸出方式均為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信。其中，YZ軸MEMS加速度計105採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，其封裝結構如圖5所示；XY軸MEMS加速度計104採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，其封裝結構如圖6所示。三軸磁阻傳感器106的信號輸出方式為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信，其採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，封裝結構如圖7所示。
[0032]按照本發明第二實施方式的姿態航向參考系統採用三個單軸MEMS陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器，如圖2中所示，角速度檢測模塊由X軸MEMS陀螺儀201、Υ軸MEMS陀螺儀202、Ζ軸MEMS陀螺儀203及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的角速度；線加速度檢測模塊由一個三軸MEMS加速度計204及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的線加速度；地磁強度檢測模塊由一個三軸磁阻傳感器205及相應的電阻、電容等輔助元件組成，用於檢測X軸、Y軸和Z軸方向上的地磁強度；角速度檢測模塊、線加速度檢測模塊和地磁強度檢測模塊共同組成了數據採集模塊。數據處理模塊由微處理器206及相應的電阻、電容等輔助元件組成，可以對數據採集模塊採集到的三軸角速度、三軸線加速度和三軸地磁強度信號進行解算和融合，得到本發明所附運載體的空間姿態和航向信息。數據採集模塊和數據處理模塊可以通過一次自動貼片工藝裝配在一塊剛性印製電路板207上，裝配後的效果如圖2所示。三個單軸MEMS陀螺儀的信號輸出方式均為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信。其中，X軸MEMS陀螺儀201和Y軸MEMS陀螺儀202採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，其封裝結構如圖3所示；Ζ軸MEMS陀螺儀203採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，其封裝結構如圖4所示。三軸MEMS加速度計204的信號輸出方式為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信，其採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，封裝結構如圖8所示。三軸磁阻傳感器205的信號輸出方式為數字輸出，通過SPI或I2C等數字接口與微處理器相連，進行數據傳輸和通信，其採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，封裝結構如圖7所示。
[0033]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種姿態航向參考系統，其特徵在於，包括數據採集模塊和數據處理模塊；其中，所述數據採集模塊由角速度檢測模塊、線加速度檢測模塊和地磁強度檢測模塊組成，角速度檢測模塊由三軸陀螺儀及其輔助元件組成，線加速度檢測模塊由三軸加速度計及其輔助元件組成，地磁強度檢測模塊由三軸磁傳感器及其輔助元件組成；數據處理模塊由微處理器及其輔助元件組成，對數據採集模塊採集到的信號進行處理；數據採集模塊和數據處理模塊裝配在一塊印製電路板上，其中所述輔助元件為電阻或電容。
2.如權利要求1所述的姿態航向參考系統，其特徵在於，當所述三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁傳感器分別由三個單軸MEMS陀螺儀、兩個雙軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器組成時，X軸MEMS陀螺儀和Y軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，Z軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，YZ軸MEMS加速度計採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，XY軸MEMS加速度計採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸磁阻傳感器採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝。
3.如權利要求1所述的姿態航向參考系統，其特徵在於，當所述三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁傳感器分別由三個單軸MEMS陀螺儀、一個三軸MEMS加速度計和一個三軸磁阻傳感器組成時，X軸MEMS陀螺儀和Y軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為垂直表面貼裝封裝，Z軸MEMS陀螺儀採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸MEMS加速度計採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝，三軸磁阻傳感器採用的封裝形式為水平表面貼裝封裝。
【文檔編號】G01C21/16GK103776448SQ201410052409
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年2月17日 優先權日:2014年2月17日
【發明者】劉超軍, 餘帥, 張生志, 袁學兵 申請人:劉超軍