多組合角速率陀螺儀的製作方法

2023-12-11 04:40:57 2

專利名稱：多組合角速率陀螺儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及慣性測量系統技術領域，尤其是涉及一種用於測量平 面坐標系中一個軸的角速率的多組合角速率陀螺儀。
背景技術：
目前，在飛彈控制，地質勘測，工業控制，航空飛行器穩定控制，捷 聯慣導，汽車自動駕駛及機器人控制等行業領域中普遍使用的角速率陀螺 儀，其產品絕大部分都是機械式的，如液浮或半液浮，撓性有旋轉馬達的 角速率陀螺儀等。這些老式角速率陀螺儀在實際應用中存在的突出缺點
是體積大、價格昂貴、易損壞、耐衝擊加速度低，壽命短，測量範圍小 (老式角速率陀螺最大測量值僅500° /s),頻響低(最多為100Hz)以及 多不具備自檢測(self-Test)功能等，即使是當今較先進的光纖或雷射 陀螺儀，也是由於其價格昂貴及體積大等原因而很難得到廣泛的應用。

實用新型內容
本實用新型所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提 供一種多組合角速率陀螺儀，其結構簡單、體積小、重量輕、造價低且使 用操作簡便，並具備自檢測功能，可靠性高、使用壽命長且應用範圍廣。
為解決上述技術問題，本實用新型釆用的技術方案是 一種多組合角速 率陀螺儀，其特徵在於包括六個用於測量空間Z軸方向角速率的角速率 陀螺儀、分別對六個角速率陀螺儀所輸出模擬信號進行模數轉換的A/D採 樣電路以及對經A/D釆樣電路轉換所輸出的六路數位訊號進行融合處理並 輸出 一準確實時檢測信號的處理器。
所述處理器包括分別與A/D採樣電路相接且對A/D釆樣電路所輸出數
4字信號進行卡爾曼濾波的FPGA晶片，以及對FPGA晶片所輸出六路信號進 行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的DSP處理電路。
所述DSP處理電路的輸出信號經接口電路後輸出；所述DSP處理電路 由輸入迴路五、DSP處理器、時鐘電路和復位電路組成，輸入迴路五接DSP 處理器；所述DSP處理器的輸出信號分三路， 一路經時鐘電路接DSP處理 器的輸入端， 一路經復位電路接DSP處理器的輸入端，另一路接接口電路 的輸入端。
所述A/D釆樣電路由輸入迴路四、校準迴路四、運算器二、 A/D轉換 器和反饋迴路四組成，所述輸入迴路四接A/D轉換器；所述A/D轉換器的 輸出信號分三路，一路經運算器二和校準迴路四後接A/D轉換器的輸入端， 一路經反饋迴路四接A/D轉換器的輸入端，另 一路接FPGA晶片。
所述角速率陀螺儀為晶片ADXRS150,所述A/D轉換器為晶片ADS1251, 所述FPGA晶片為晶片EP2C20，所述DSP處理器為DSP晶片TMS320。
所述角速率陀螺儀包括依次串接的敏感電路、信號處理器和主放大 器；所述主放大器還接有分別對其進行控制的零偏置控制器、量程擴展器 和帶寬擴展器，所述零偏置控制器、量程擴展器和帶寬擴展器相併聯且三 者的共同輸出端均接主放大器的輸入端。
本實用新型與現有技術相比具有以下優點1、不僅結構簡單，加工 製作方便，而且使用操作方便，並具備自檢測功能，可準確測量平面坐標 系中的狀態；2、角速率陀螺儀屬於無旋轉馬達的固態角速率傳感器，其 內部電路工作構件釆用微機械-電子系統(MEMS)技術的晶片且均釆用雙 極型金屬氧化物半導體(BIMOS)技術的生產和球形網格排列的載流焊工 藝技術進行加工製造，因而產品具有高可靠性和高封裝堅固性；3、體積 小、重量輕、造價低且使用壽命長，同時，使用搡作簡便、便於推廣應用， 因而在實踐中的應用範圍十分廣泛，可廣泛用於飛彈控制，地質勘測，工 業控制，航空飛行器穩定控制，捷聯慣導，汽車自動駕駛及機器人控制等 行業領域；4、測量的準確度高，分別通過六個單軸角速率陀螺儀對空間坐標系中Z軸的角速率進行測量，六個角速率陀螺儀的輸出信號經A/D轉 換電路轉換後為數位訊號並且將六路數位訊號傳輸至處理器中進行處理， 處理器根據數據融合算法及卡爾曼濾波算法對所輸入的六路信號進行處 理，進而得到更為準確的角速率信號，然後通過通訊接口電路傳出；另夕卜， 本實用新型具有自檢測功能，因而能夠實現機內檢測(BIT) ; 5、本實用 新型還設置了零偏置控制器、量程擴展器和帶寬擴展器，使本產品具有零 漂置校準、較寬的測量範圍和帶寬功能，同時，也使本實用新型具有工作 溫度範圍寬、體積小、重量輕、啟動快、壽命長及耐衝擊加速度高等特點。 下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。


圖1為本實用新型的總體電路原理框圖。
圖2為本實用新型角速率陀螺儀的電路原理框圖。
圖3為圖2中敏感電路、信號處理器和主放大器的電路原理圖
圖4為本實用新型零偏置控制器的電路原理框圖。
圖5為圖4的電路原理圖。
圖6為本實用新型量程擴展器的電路原理框圖。
圖7為圖6的電路原理圖。
圖8為本實用新型帶寬擴展器的電路原理框圖。 圖9為圖8的電路原理圖。
圖10為本實用新型A/D釆樣電路的電路原理框圖。 圖11為本實用新型DSP處理電路的電路原理框圖。 附圖標記說明
2—A/D釆樣電路；
2- 3—運算器二；
3- FPGA晶片；
4- 2 — ST接口電路；
l一角速率陀螺儀 2-2—校準迴路四 2-5—反饋迴路四 4-l一離散控制器
2-l —輸入迴路四； 2-4—A/D轉換器； 4一敏感電路； 4-3 —敏感器；4-4一諧振器 6 —主放大器 9一運算器一
7 —輸入迴路一； IO—校準迴路一； 13 —放大器二； 16—輸入迴路三； 19一反饋迴路三； 23 —帶寬擴展器； 26-l—輸入迴路五 26-4 —復位電路；
4-5 —激勵器;
5—信號處理器； 8—放大器一； ll一反饋迴路一； 14一量程擴展迴路; 17—放大器三； 21—零偏置控制器; 24 —處理器； 26-2—DSP處理器； 27 —接口電路。
12 —輸入迴路
15—反饋迴路二； 18 —帶寬擴展電路 22 —量程擴展器； 26—DSP處理電路; 26-3 —時鐘電路;
具體實施方式
如圖1所示，本實用新型包括包括六個用於測量空間Z軸方向角速率 的角速率陀螺儀1、分別對六個角速率陀螺儀1所輸出模擬信號進行模數 轉換的A/D採樣電路2以及對經A/D釆樣電路2轉換所輸出的六路數字信 號進行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的處理器24。所述處理器24 包括分別與A/D釆樣電路2相接且對A/D釆樣電路2所輸出數位訊號進行 卡爾曼濾波的FPGA晶片3(即現場可編程門陣列系列晶片)，以及對FPGA 晶片3所輸出六路信號進行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的DSP處 理電路26。另外，通過一塊適配轉接線路板使角速率陀螺儀1的輸入端以 及經卡爾曼濾波和DSP處理電路26處理後的信號輸出端與引出電纜連接。 其中，所述角速率陀螺儀l包括依次串接的敏感電路4、信號處理器5和 主放大器6;所述主放大器6還接有分別對其進行控制的零偏置控制器21、 量程擴展器22和帶寬擴展器23,所述零偏置控制器21、量程擴展器22 和帶寬擴展器23相併聯且三者的共同輸出端均接主放大器6的輸入端。 本實施例中，所述角速率陀螺儀1為晶片ADXRS150，所述A/D轉換電路2 為晶片ADS1251,所述FPGA晶片3為晶片EP2C20。如圖2所示，所述敏感電路4為由離散控制器4-l、 ST接口電路4-2、 敏感器4-3、諧振器4-4和激勵器4-5組成的敏感電路，所述離散控制器 4-1和激勵器4-5分別經ST接口電路4_2和諧振器4-4後均接敏感器4-3， 所述敏感器4-3接信號處理器5。結合圖3,所述敏感器4-3為晶片PO-XRS 即晶片U1，其輸入端Ui。接角速率輸入信號；諧振器4-4由兩個運算放大 器A1和AZ相串聯組成，所述運算放大器Al和A2均為晶片LTC2053,其 中，運算放大器Al和A2的正相輸入端均接UR，運算放大器A2的反相輸 入端接晶片PO-XRS的輸出端U。2，運算放大器A2的輸出端接運算放大器 Al的反相輸入端。離散控制器4-1的輸出端分別經ST1、 ST2接口電路後 接至晶片P0-XRS的兩個輸入端ST1、ST2。而激勵器4-5為由晶片REG711-5 (即晶片U3)構成的充電泵調節器，所述晶片REG711-5的輸出端接晶片 PO-XRS的輸入端UI3。所述信號處理器5由晶片LTC2053 (即運算放大器 A3-l)和晶片LB8207 (即晶片U4-1 )串接組成，具體是，晶片P0-XRS的 兩個輸出端l^+和1^-分別接運算放大器A3-l的正相和負相輸入端。另夕卜， 角速率陀螺儀1的主放大器6為晶片LTC205 3 (即運算放大器A4-1 )。芯 片U4-1的輸出端U。經電阻Rl-l、電阻R2-1後接運算放大器A4-1的反相 輸入端，運算放大器A4-1的輸出端和其反相輸入端之間並接有電阻R3-l 和電容C5-l。
如圖4所示，所述零偏置控制器21由輸入迴路一 7、放大器一 8、運 算器9、校準迴路10和反饋迴路一 11組成；放大器一8的輸出信號分三 路， 一路經運算器一 9和校準迴路10後接放大器一 8的輸入端， 一路經 所述反饋迴路一 11後接放大器一 8的輸入端，另一路接主放大器6的輸 入端。結合圖5,放大器一 8為晶片LTC2053 (即運算放大器A5 )，運算 器一 9為晶片LM339 (即晶片A6)，校準迴路10由 一 電阻R6和 一 電子開 關K4串接組成。輸入迴路一7由電阻R4、 R5和電容C7組成，反饋迴路 一11由電阻IH組成。也就是說，輸入迴路一 7的輸出端接放大器一 8的 輸入端，而放大器一 8的輸出信號一路分流至反饋迴路一 11並回接到放大器一 8的輸入端。零偏置控制器21的設置可以使本實用新型內的每個 軸的零偏一致，達到2.5士0. IV,以便於用戶的使用。
如圖6所示，所述量程擴展器22由輸入迴路二 12、放大器二13、量 程擴展迴路14和反饋迴路二 15組成；放大器二 13的輸出信號分三路， 一路經所述量程擴展迴路14後接放大器二 13的輸入端， 一路經所述反饋 迴路二 15後接放大器二 13的輸入端，另一路接主放大器6的輸入端。結 合圖7,所述放大器二 13為晶片LTC2053 (即運算放大器A7 ),輸入迴路 二12由電阻R9、 R11和電容C9組成，量程擴展迴路14由電阻Rx構成， 反饋迴路二 15由電阻R10組成。實際應用過程中，依據巿場客戶對量程 的要求，通過量程擴展器可以設置本實用新型中各軸向的量程，以滿足用 戶不同測量範圍的要求。
如圖8所示，所述帶寬擴展器23由輸入迴路三16、放大器三17、帶 寬擴展電路18和反饋迴路三19組成；輸入迴路三16的輸出信號分三路， 一路經帶寬擴展電路18後接放大器三17的輸入端， 一路經反饋迴路三19 後接放大器三17的輸入端，另一路接主放大器6的輸入端。結合圖9，所 述放大器三17由為晶片LTC205 3 (即運算放大器A8 ),帶寬擴展電路18 由電容"和C12並聯組成，反饋迴路三19由電阻Rx和R14並聯組成，輸 入迴路三16由電阻R12、 R13和電容Cil組成。也就是說，輸入迴路三16 的輸出端接放大器三17的輸入端，放大器三17的輸出信號分別分流至帶 寬擴展電路18和反饋迴路三19的輸入端且二者的輸出端均回接至放大器 三17的輸入端。
如圖10所示，所述A/D採樣電路2由輸入迴路四2-1、校準迴路四 2-2、運算器二2-3、 A/D轉換器2-4和反饋迴路四2-5組成，所述輸入回 路四2-1接A/D轉換器2-4;所述A/D轉換器2-4的輸出信號分三路，一 路經運算器二 2-3和校準迴路四2-2後接A/D轉換器2-4的輸入端， 一路 經反饋迴路四2-5接A/D轉換器2-4的輸入端，另一路接FPGA晶片3。本 實施例中，A/D轉換器2-4為晶片ADS1251。如圖ll所示，所述DSP處理電路26由輸入迴路五26-1、 DSP處理器 26-2、時鐘電路26-3和復位電路26-4組成，輸入迴路五26-1接DSP處 理器26-2;所述DSP處理器26-2的輸出信號分三路， 一路經時鐘電路26-3 接DSP處理器26-2的輸入端， 一路經復位電路26-4接DSP處理器26-2 的輸入端，另一路接接口電路27的輸入端。結合圖13，本實施例中，所 述DSP處理器26-2為DSP晶片TMS320。
以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例，並非對本實用新型作任何限
以及等效結構變化，均仍屬於本實用新型技術方案的保護範圍內。
權利要求1.一種多組合角速率陀螺儀，其特徵在於包括六個用於測量空間Z軸方向角速率的角速率陀螺儀(1)、分別對六個角速率陀螺儀(1)所輸出模擬信號進行模數轉換的A/D採樣電路(2)以及對經A/D採樣電路(2)轉換所輸出的六路數位訊號進行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的處理器(24)。
2. 按照權利要求1所述的多組合角速率陀螺儀，其特徵在於所述處 理器(24)包括分別與A/D釆樣電路(2)相接且對A/D採樣電路(2)所 輸出數位訊號進行卡爾曼濾波的FPGA晶片(3),以及對FPGA晶片(3) 所輸出六路信號進行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的DSP處理電路(26)。
3. 按照權利要求2所述的多組合角速率陀螺儀，其特徵在於所述D S P 處理電路(26)的輸出信號經接口電路(27)後輸出；所述DSP處理電路(26)由輸入迴路五(26-1) 、 DSP處理器(26-2)、時鐘電路(26-3) 和復位電路(26-4)組成，輸入迴路五(26-1)接DSP處理器(26-2); 所述DSP處理器(26-2)的輸出信號分三路， 一路經時鐘電路(26-3)接 DSP處理器(26_2 )的輸入端， 一路經復位電路(26-4 )接DSP處理器(26-2 ) 的輸入端，另一路接接口電路(27)的輸入端。
4. 按照權利要求2或3所述的多組合角速率陀螺儀，其特徵在於所 述A/D釆樣電路(2)由輸入迴路四(2-1)、校準迴路四(2-2)、運算 器二 (2-3) 、 A/D轉換器(2-4)和反饋迴路四(2-5)組成，所述輸入回 路四(2-1)接A/D轉換器(2-4);所述A/D轉換器(2-4)的輸出信號 分三路， 一路經運算器二( 2-3 )和校準迴路四(2-2 )後接A/D轉換器(2-4 ) 的輸入端， 一路經反饋迴路四(2-5)接A/D轉換器(2-4)的輸入端，另 一路接FPGA晶片(3)。
5. 按照權利要求4所述的多組合角速率陀螺儀，其特徵在於所述角 速率陀螺儀(1 )為晶片ADXRS150,所述A/D轉換器(2-4)為晶片ADS1251，所述FPGA晶片(3)為晶片EP2C20,所述DSP處理器(26-2)為DSP晶片 TMS320。
6.按照權利要求1、 2或3所述的多組合角速率陀螺儀，其特徵在於 所述角速率陀螺儀(1)包括依次串接的敏感電路(4)、信號處理器(5) 和主放大器(6);所述主放大器(6)還接有分別對其進行控制的零偏置 控制器(21)、量程擴展器(22)和帶寬擴展器(23),所述零偏置控制 器(21)、量程擴展器(22)和帶寬擴展器(23)相併聯且三者的共同輸 出端均接主放大器(6)的輸入端。
專利摘要本實用新型公開了一種多組合角速率陀螺儀，包括六個用於測量空間Z軸方向角速率的角速率陀螺儀、分別對六個角速率陀螺儀所輸出模擬信號進行模數轉換的A/D採樣電路以及對經A/D採樣電路轉換所輸出的六路數位訊號進行融合處理並輸出一準確實時檢測信號的處理器。本實用新型結構簡單、體積小、重量輕、造價低且使用操作簡便，並具備自檢測功能，可靠性高、使用壽命長且應用範圍廣。
文檔編號G01C19/00GK201293646SQ20082022272
公開日2009年8月19日 申請日期2008年12月2日 優先權日2008年12月2日
發明者董紅娟, 谷榮祥 申請人:西安中星測控有限公司