專利名稱：基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及導航控制領(lǐng)域的運動測量儀器，特別涉及一種微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在一些小型運動測量設(shè)備中，由于被測量對象本身體積和重量很小，慣性測量器件的質(zhì)量和體積會直接影響被測物體的實際特性；例如小型無人駕駛飛行器由于執(zhí)行任務(wù)的特殊性，其本身的體積和重量都很小，因而要求飛行器導航系統(tǒng)上應(yīng)用的運動測量設(shè)備既要保證一定精度，又能盡量減小導航設(shè)備的體積和重量，以達到改善飛行器性能的目的。傳統(tǒng)導航系統(tǒng)所采用的是機械慣性測量設(shè)備，在檢測方面以機械裝置的角速度儀等部件為主流，這些測量設(shè)備的測量精度及動態(tài)響應(yīng)速度低，同時存在體積大、造價高、安裝維護條件要求苛刻等缺點，不能較好地減少對被測對象的影響，較難提高測量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種體積微小、質(zhì)量輕、響應(yīng)快、靈敏度高、成本低的基于微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。
本實用新型的目的通過下述方案實現(xiàn)本微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)包括角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機，所述角速度傳感器及加速度傳感器通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與單片機相連接，所述角速度傳感器為單軸MEMS角速度微傳感器，所述的加速度微傳感器為雙軸MEMS加速度微傳感器。
所述角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機安裝在三維立體結(jié)構(gòu)的電路板上并通過三維立體結(jié)構(gòu)的電路板相連接。
所述三維立體結(jié)構(gòu)的電路板包括三塊相互垂直連接的電路板，分別為XY板、XZ板、YZ板，在YZ板下設(shè)置有排針并通過所述排針與底座相連接；在底座上設(shè)置有輸出接口，如RS232串口；在底座上亦可設(shè)置有排針座，所述YZ板下的排針可通過排針座與底座相連接。
所述排針為極小間距排針，排針的間距約為2mm。
所述單軸MEMS角速度微傳感器包括X向角速度傳感器、Y向角速度傳感器、Z向角速度傳感器，分別測量X、Y、Z方向的角速度；所述雙軸MEMS加速度微傳感器包括XY向加速度傳感器和Z向加速度傳感器，分別測量X、Y、Z方向的直線速度(所述Z向加速度傳感器亦為雙軸MEMS加速度微傳感器，其中一軸不使用)。
所述X向角速度傳感器、Y向角速度傳感器及XY向加速度傳感器安裝在前述XY板上；所述Z向角速度傳感器及Z向加速度傳感器安裝在前述XZ板上，所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機分別安裝在前述YZ板上。
本實用新型的作用原理是本微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)采用了三個單軸MEMS角速度微傳感器及兩個雙軸MEMS加速度微傳感器測量空間直角坐標系內(nèi)運動物體的三維角運動直線運動和直線運動，傳感器各軸的模擬量輸出通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊進行采樣，并通過同步串行接口(SPI)與單片機進行通訊；單片機對這些采樣的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理后，可以按指定的頻率以RS232信號形式輸出，從而獲得飛行器的空間六自由度運動信息，其數(shù)據(jù)輸出頻率可達400Hz以上；通常導航控制系統(tǒng)采用嵌入式計算機作為主機，導航信號通過在其上運行的專用卡爾曼濾波軟件處理，可以獲得空間物體運動控制系統(tǒng)所需要的導航信息。使用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)器件構(gòu)成的導航系統(tǒng)，把信息的獲取、處理和執(zhí)行集成在一起，嵌入到各種導航控制系統(tǒng)中，完成了大尺寸機電系統(tǒng)所不能完成的任務(wù)。
本實用新型相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的下的優(yōu)點及效果(1)由于MEMS器件具有體積小、重量輕、耗能低、慣性小、諧振頻率高、響應(yīng)時間短等特點，使得基于MEMS器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)同樣具有上述優(yōu)點，數(shù)據(jù)傳輸速率高，可達400Hz，內(nèi)部采樣頻率大于1KHz；精度高，刻度因子誤差小于1％，運行時額定溫度范圍內(nèi)漂移誤差小于0.5％。(2)本系統(tǒng)利用排針搭建三維立體結(jié)構(gòu)的電路板，并使用排針實現(xiàn)電路板之間的信號傳輸，可以最大程度減小所必須的垂直固定安裝的外形輪廓并提高固定強度，本系統(tǒng)的外形尺寸可縮小至2.5cm×2.5cm×2.0cm，重量可減小至30g。(3)本系統(tǒng)解決了配備到小型設(shè)備時角度和方向的限制，確保了設(shè)備內(nèi)的使用空間，同時減小了各子系統(tǒng)之間的信號連接線路，增加了信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，從而使本系統(tǒng)在嵌入設(shè)備時不會受到角度及方向的限制，因而更易于配備在小型設(shè)備上。(4)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、制造成本及安裝維護費用較低。


圖1是本實用新型微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是圖1所示微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的外觀示意圖。
圖3是圖1所示微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)另一角度的外觀示意圖。
圖4是圖1所示微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的電路圖。
圖5是圖1所示微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)測量空間坐標系X、Y方向上的直線運動與角運動并將模擬信號輸出的電路圖。
圖6是圖1所示微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)測量空間坐標系Z方向上的直線運動與角運動并將模擬信號輸出的電路圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例及附圖對本實用新型作進一步詳細說明，但本發(fā)明的實施例圖1～圖3示出了本基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，其中圖1中的虛線框部分構(gòu)成本系統(tǒng)，由圖1可見，本系統(tǒng)包括角速度傳感器1、2、3、加速度傳感器4、5、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6、單片機7，所述角速度傳感器1、2、3及加速度傳感器4、5與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6相連接進行信號采樣，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6通過同步串行接口(SPI)與單片機7相連接進行通訊；所述角速度微傳感器1、2、3包括X向角速度傳感器1、Y向角速度傳感器2、Z向角速度傳感器3，分別測量X、Y、Z方向的角速度；所述加速度微傳感器4、5包括XY向加速度傳感器4和Z向加速度傳感器5，分別測量X、Y、Z方向的直線速度；前述各構(gòu)件安裝在三維立體結(jié)構(gòu)的電路板上并通過三維立體結(jié)構(gòu)的電路板相連接，具體結(jié)構(gòu)如圖2和圖3所示，由圖2和圖3可見，所述三維立體結(jié)構(gòu)的電路板包括三塊相互垂直連接的電路板8、9、10，分別為XY板8、XZ板9、YZ板10，在YZ板10下設(shè)置有排針11并通過在底座13上設(shè)置的排針座12與底座13相連接，在底座13上設(shè)置有RS232串口14與外置的嵌入式計算機相連接；所述X向角速度傳感器1、Y向角速度傳感器2與XY向加速度傳感器4分別安裝在XY板8的兩側(cè)，所述Z向角速度傳感器3及Z向加速度傳感器5安裝在XZ板9的一側(cè)，所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6及單片機7分別安裝在YZ板10的兩側(cè)。其中，X、Y、Z向角速度傳感器1、2、3可采用型號為53B0AC4114的單軸MEMS角速度微傳感器，XY向加速度傳感器4和Z向加速度傳感器5可采用型號為7336003b2的雙軸MEMS加速度微傳感器，所述高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊6可采用型號為TLC2543C的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，所述單片機7可采用型號為ATMEGA16L的微處理器。
圖4～圖6示出了本系統(tǒng)的具體電路結(jié)構(gòu)，由圖4可見，ATMEGA16L單片機獲得TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出的各個軸的傳感器原始數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波處理，處理后即得到空間運動物體的三維角運動和直線運動數(shù)據(jù)信息，這些信息按指定的頻率以RS232信號形式通過RS232串口輸出至導航控制系統(tǒng)采用的嵌入式計算機通過其上運行的專用卡爾曼濾波軟件處理；由圖5可見，測量空間坐標系X、Y方向上的直線運動與角運動的雙軸加速度傳感器U1及兩個角速度儀U2、U3輸出的模擬信號通過集成運算放大器OPA4340、OPA2340進行RC濾波并放大后輸出到主控板模塊(主要包括高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊及單片機)；由圖6可見，測量空間坐標系Z方向上的直線運動與角運動的加速度傳感器U1及角速度儀U2輸出的模擬信號經(jīng)集成運算放大器OPA4340進行RC濾波并放大后輸出到主控板模塊。
權(quán)利要求1.一種基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于包括角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機，所述角速度傳感器及加速度傳感器通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與單片機相連接，所述角速度傳感器為單軸MEMS角速度微傳感器，所述的加速度微傳感器為雙軸MEMS加速度微傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于所述角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機安裝在三維立體結(jié)構(gòu)的電路板上并通過三維立體結(jié)構(gòu)的電路板相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于所述三維立體結(jié)構(gòu)的電路板包括三塊相互垂直連接的電路板，分別為XY板、XZ板、YZ板，在YZ板下設(shè)置有排針并通過所述排針與底座相連接，在底座上設(shè)置有輸出接口。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于在底座上亦設(shè)置有排針座，所述YZ板下的排針通過排針座與底座相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于所述排針為極小間距排針，排針的間距約為2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，其特征在于所述單軸MEMS角速度微傳感器數(shù)量為三個，包括X向角速度傳感器、Y向角速度傳感器、Z向角速度傳感器；所述雙軸MEMS加速度微傳感器數(shù)量為兩個，包括XY向加速度傳感器和Z向加速度傳感器。
專利摘要本實用新型提供一種基于微電子機械系統(tǒng)器件的微型六自由度捷聯(lián)慣導系統(tǒng)，包括角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機，所述角速度傳感器及加速度傳感器通過高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與單片機相連接，所述角速度傳感器為單軸MEMS角速度微傳感器，所述的加速度微傳感器為雙軸MEMS加速度微傳感器；所述角速度傳感器、加速度傳感器、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、單片機安裝在三維立體結(jié)構(gòu)的電路板上并通過三維立體結(jié)構(gòu)的電路板相連接。本實用新型采用MEMS器件通過排針搭建三維立體結(jié)構(gòu)的電路板構(gòu)成，具有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)傳輸速率高、精度高的優(yōu)點，可以較好地配備在小型設(shè)備上進行運動測量。
文檔編號G01C21/10GK2767963SQ20042008287
公開日2006年3月29日 申請日期2004年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月16日
發(fā)明者裴海龍, 張謙 申請人:華南理工大學