專利名稱：一種微型慣性檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本 用新型涉及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，尤其是涉及一種微型慣性檢測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是當(dāng)今迅速發(fā)展的一種先進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)。它利用直接固連在運(yùn)載體上的陀螺儀、加速度計(jì)等慣性元件測(cè)量出運(yùn)載體相對(duì)于慣性參考系的加速度，按照牛頓慣性原理進(jìn)行積分運(yùn)算，獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度、姿態(tài)角和位置信息，引導(dǎo)運(yùn)載體從起始點(diǎn)駛向目的地。捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)利用控制計(jì)算機(jī)將陀螺儀、加速度計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換、求解微分方程等數(shù)學(xué)運(yùn)算，從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)。 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)利用隨時(shí)更新的捷聯(lián)矩陣等數(shù)據(jù)建立“數(shù)學(xué)平臺(tái)”，取代傳統(tǒng)的機(jī)電式導(dǎo)航平臺(tái)，從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)的體積和成本大幅度降低，慣性元件便于安裝維護(hù)； 此外，捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不依賴外部系統(tǒng)支持，自主獲得姿態(tài)、速度和位置信息，也不向外界輻射任何信息，具有實(shí)時(shí)自主，不受干擾，不受地域、時(shí)間、氣候條件限制，以及輸出參數(shù)全面等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛于航空、航海、交通等多種領(lǐng)域。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)至少由一個(gè)慣性測(cè)量裝置、一個(gè)控制計(jì)算機(jī)、控制顯示器和相關(guān)支持部件構(gòu)成，其核心部件慣性測(cè)量裝置裝有陀螺儀和加速度計(jì)。慣性測(cè)量裝置的工作原理是陀螺儀檢測(cè)運(yùn)載體三軸角速率，加速度計(jì)檢測(cè)航行器沿著三軸運(yùn)動(dòng)的線性加速度， 控制計(jì)算機(jī)將陀螺儀所測(cè)的角速率信號(hào)對(duì)時(shí)間積分運(yùn)算，推算出瞬時(shí)航向、傾角等航行姿態(tài)信息，利用加速度計(jì)測(cè)得的加速度信號(hào)，對(duì)時(shí)間積分運(yùn)算，推算出瞬時(shí)航行速度信息；進(jìn)行二次積分，即可推算該時(shí)段內(nèi)航行的距離和位置。慣性測(cè)量裝置及其姿態(tài)解算技術(shù)，是影響捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。這是因?yàn)閼T性測(cè)量及其姿態(tài)解算，是對(duì)運(yùn)載體實(shí)施軌跡控制的前提，它的精度和效率直接影響導(dǎo)航的時(shí)效和精度；第二，慣性測(cè)量裝置要在嚴(yán)酷的氣動(dòng)環(huán)境中直接承受振動(dòng)、沖擊和角運(yùn)動(dòng)，引發(fā)諸多的失穩(wěn)和誤差效應(yīng)，成為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)；第三，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)面臨微型化、產(chǎn)業(yè)化方面的挑戰(zhàn)，特別是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，要求采用中精度甚至低精度的微機(jī)電慣性元器件，到達(dá)低成本批量化生產(chǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)產(chǎn)品的目的。當(dāng)運(yùn)載體趨于小型化、微型化時(shí)，其基礎(chǔ)質(zhì)量與常規(guī)運(yùn)載體相比有大幅度減小，在航行動(dòng)力環(huán)境中受到的激擾和隨機(jī)振動(dòng)比常規(guī)載體更為劇烈，系統(tǒng)更不穩(wěn)定。慣性測(cè)量裝置必須在力學(xué)結(jié)構(gòu)、減振設(shè)計(jì)，以及微型化工藝等方面提出針對(duì)性技術(shù)措施，克服導(dǎo)航不穩(wěn)，精度下降，甚至電子元器件使用壽命縮短的缺陷。附圖1是現(xiàn)有一種小型無人機(jī)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)所用的慣性測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。采用緊固螺釘將傳感支架1. 1緊固在殼體1. 2內(nèi)部，再用由四個(gè)橡膠墊組成減振單元1. 3， 從底部將殼體固接在航行器上。傳感支架由三塊相互垂直的陀螺電路板1. 11、1. 12,1. 13 組成(參見附圖2)，上面分別安裝三個(gè)單軸陀螺儀1. IlaU. 12a、l. 13a。其中水平放置的陀螺電路板1. 11為組合陀螺電路板，上面除了裝有陀螺1. Ila以外，還裝有三軸加速度計(jì) 1. lib。三個(gè)陀螺儀應(yīng)安裝于三個(gè)正交平面上，它們的敏感軸互相垂直，構(gòu)成測(cè)量正交坐標(biāo)系；組合陀螺電路板1. 11上三軸加速度計(jì)1. Ilb的測(cè)量軸與該電路板上的陀螺1. Ila測(cè)量軸平行放置。組合陀螺電路板1. 11通過接插件與調(diào)理電路板1. 14及主處理器電路板1. 15 直接連接。上述慣性測(cè)量裝置的減振結(jié)構(gòu)等效分析見附圖3，圖中質(zhì)量塊M代表慣性測(cè)量裝置，其質(zhì)心為m;減振單元用IKpci }表示，其中Ki表示剛度、Ci表示阻尼系數(shù)，下標(biāo)i表示減振器中所包含的減振單元的數(shù)量，對(duì)于附圖1采用4個(gè)橡膠墊作為減振單元，則i = 1， 2,3,4 ；B代表航行運(yùn)載體；P為減振器的彈性中心。當(dāng)運(yùn)載體B航行運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)慣性測(cè)量裝置m產(chǎn)生基礎(chǔ)激勵(lì)，減振單元{K” cj吸收并消耗來自運(yùn)載體B的強(qiáng)迫振動(dòng)能量，以P點(diǎn)為中心，作上下彈性運(yùn)動(dòng)，以此減小運(yùn)載體B振動(dòng)對(duì)慣性測(cè)量裝置m造成的沖擊。上述慣性測(cè)量裝置存在的問題是傳感支架結(jié)構(gòu)是三塊相互分離的電路板，占用空間大，三個(gè)軸向剛度明顯差異；減振單元安裝在慣性測(cè)量裝置的外部，不僅額外占用空間，更重要的是當(dāng)慣性測(cè)量單元受迫振動(dòng)的時(shí)，由于剛度不均衡，力學(xué)結(jié)構(gòu)不合理，受振時(shí)慣性測(cè)量裝置容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)；減振器的理想作用范圍限于單軸方向，即只能正常衰減來自鉛垂X方向的振動(dòng)， 而對(duì)其他方向的減振不能有效抑制，使不同自由度上的線振、角振之間發(fā)生耦合，減振頻帶窄。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有慣性測(cè)量裝置的上述技術(shù)缺陷，本實(shí)用新型采取的技術(shù)措施是從改進(jìn)慣性測(cè)量裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)入手，提供一個(gè)大幅度縮小體積、三向等剛度減振結(jié)構(gòu)的微型慣性檢測(cè)裝置，克服三向剛度不等、共振激勵(lì)、以及產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等缺陷，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)造成的不良影響。為了達(dá)到上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型實(shí)行的技術(shù)手段是，構(gòu)造一種微型慣性檢測(cè)裝置，包括傳感組件、內(nèi)減振器、慣性檢測(cè)單元?dú)んw以及下蓋，傳感組件由傳感支架、慣性傳感器、柔性測(cè)控電路板組成；傳感支架是各平面刻有凹槽，符合一定比重和剛度要求的正方體剛性支架；慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)；柔性測(cè)控電路板完整、平順地覆蓋傳感支架每一個(gè)平面；慣性檢測(cè)單元?dú)んw與下蓋構(gòu)成了內(nèi)腔，以容納傳感支架與內(nèi)減振單元； 內(nèi)減振器由若干具有阻尼特性的內(nèi)減振單元組成，所述內(nèi)減振單元安裝在慣性檢測(cè)單元?dú)んw內(nèi)壁S與傳感組件的6個(gè)平面之間，其數(shù)量為6個(gè)。本實(shí)用新型一種微型慣性檢測(cè)裝置，優(yōu)選的，所述陀螺儀和所述加速度計(jì)焊接在柔性測(cè)控電路板上，憑借電路板的柔性，各慣性傳感器逐一被嵌入傳感支架各平面的凹槽中，且各慣性傳感器的測(cè)量軸相互正交。本實(shí)用新型一種微型慣性檢測(cè)裝置，優(yōu)選的，包含抗混疊電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì)，以耐受彎折；柔性測(cè)控電路板的外形應(yīng)當(dāng)與傳感支架的平面展開圖形全等，使之沿著傳感支架棱邊作90°彎折后，完整覆蓋傳感支架。本實(shí)用新型一種微型慣性檢測(cè)裝置，優(yōu)選的，傳感組件被若干內(nèi)減振單元懸掛在慣性檢測(cè)單元?dú)んw內(nèi)腔中心，各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交，內(nèi)減振器的彈性中心點(diǎn)P 與傳感組件質(zhì)心m重合。[0017]有益的效果本實(shí)用新型不僅增強(qiáng)了支架剛性，還改進(jìn)了系統(tǒng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三向等剛度減振，使慣性測(cè)量系統(tǒng)的抗噪能力大幅度提高；改善了慣性測(cè)量裝置振動(dòng)特性，使其固有頻率遠(yuǎn)離陀螺儀抖動(dòng)器等敏感器件的工作頻率，慣性傳感器安裝面的相對(duì)振幅降低到最小；
大幅度縮小慣性測(cè)量單元體積和重量，擴(kuò)大了運(yùn)載體的載荷空間。

附圖1現(xiàn)有小型無人機(jī)捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置示意圖。附圖2現(xiàn)有小型無人機(jī)捷聯(lián)慣性測(cè)量裝置中的傳感支架結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3現(xiàn)有小型無人機(jī)捷聯(lián)式慣性測(cè)量裝置減振系等效模型。附圖4本實(shí)用新型的內(nèi)減振器所屬內(nèi)減振單元分布示意圖，圖中S為慣性檢測(cè)單元?dú)んw上下、左右四個(gè)內(nèi)壁。附圖5本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例的傳感支架示意圖。附圖6本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中柔性測(cè)控電路板的外形和元器件布置示意圖。附圖7本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中傳感組件構(gòu)成示意圖。附圖8本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例所采用的慣性檢測(cè)單元?dú)んw，它與下蓋構(gòu)成正方形的內(nèi)腔。附圖9本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中采用的內(nèi)減振單元與傳感組件的位置關(guān)系示意圖。附圖10本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中微型慣性檢測(cè)裝置的完整裝配示意圖。
具體實(shí)施方式
劇烈的隨機(jī)振動(dòng)是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在運(yùn)行中面臨的主要力學(xué)環(huán)境，振動(dòng)引起系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或電子元器件損壞，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響極大。為了減小運(yùn)載體劇烈隨機(jī)震動(dòng)引起電子元器件損壞或慣性測(cè)量單元性能不穩(wěn)定，除了強(qiáng)化各傳感器電路板之間的連接剛度以夕卜，還要以減振器為阻尼介質(zhì)，將慣性測(cè)量單元彈性聯(lián)結(jié)到運(yùn)載體上，以獲得滿意的減震效果。減振模式的選取不僅影響著慣導(dǎo)系統(tǒng)的減振性能，而且也影響著系統(tǒng)的測(cè)量精度，歷來是慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。本實(shí)用新型從改良傳感支架設(shè)計(jì)和合理化減振力學(xué)結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面著手，提高微型慣性檢測(cè)裝置的性能。傳感支架是安裝陀螺儀和測(cè)控電路板及連接線的關(guān)鍵部件，工作時(shí)經(jīng)受各種劇烈振動(dòng)，其中支架上陀螺儀安裝面的相對(duì)振幅最大，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能將影響到陀螺儀工作的可靠性和精確性，需要具備一定的靜強(qiáng)度、抗振強(qiáng)度和和疲勞壽命。工藝方面，要求支架安裝方便，便于加工制造。合理設(shè)計(jì)支架結(jié)構(gòu)，改善結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼特性，使結(jié)構(gòu)固有頻率必須遠(yuǎn)離陀螺儀抖動(dòng)器工作振動(dòng)頻率，使陀螺儀安裝面的相對(duì)振幅為最小。改進(jìn)支架設(shè)計(jì)不能宥于傳統(tǒng)思維，采用大幅度增加壁厚的方法來提高剛度和提高結(jié)構(gòu)固有頻率；而應(yīng)通過改善結(jié)構(gòu)的材料、外形、結(jié)合面等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高支架的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼。而且，還要從整體出發(fā)，處理好支架和減振裝置相互制約關(guān)系，還要考慮測(cè)控電路板在支架上的安裝位置和線路走向。 本實(shí)用新型在一個(gè)較佳的實(shí)施例中，傳感支架選用具有較大比重和剛度的材料， 整體加工成一個(gè)正方形的傳感支架1. 21，整體加工而非組裝是為保證支架本身具有足夠的剛性，以降低剛性不足和各向異性的測(cè)量誤差參見附圖5 ；附圖6是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中柔性測(cè)控電路板1. 23平面展開和元器件布置示意圖。柔性測(cè)控電路板1. 23的電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì)，可以耐受90°的彎折；其外形設(shè)計(jì)成與傳感支架外平面展開圖全等的形狀，因而具有6個(gè)展開平面。傳感器和其它電子元件焊接在6個(gè)展開平面正面的適當(dāng)位置上。附圖7是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中傳感組件構(gòu)成示意圖。柔性測(cè)控電路板 1. 23正面焊有慣性傳感器1. 22和其它電子元件。用柔性測(cè)控電路板的正面貼附傳感支架 1. 21，沿著傳感支架棱邊作90°彎折，將各傳感器或電子元件嵌入傳感支架各平面的凹槽之內(nèi)以后，整張柔性測(cè)控電路板背面朝外，將傳感支架連同傳感、電子元件包絡(luò)起來，并且完整、平順地覆蓋傳感支架每一個(gè)平面。本實(shí)用新型在設(shè)計(jì)捷聯(lián)慣導(dǎo)減振系統(tǒng)時(shí)，把避免或減小振動(dòng)耦合作為首要考慮因素。如果系統(tǒng)力學(xué)結(jié)構(gòu)安排不合理，系統(tǒng)六自由度上的振動(dòng)互相耦合，產(chǎn)生線振動(dòng)與角振動(dòng)交叉激振，致使慣性測(cè)量系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)含有強(qiáng)烈的自身交叉激振信息，將給系統(tǒng)引入偽運(yùn)動(dòng)信號(hào)，嚴(yán)重影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量精度。為了減小減振器對(duì)系統(tǒng)角運(yùn)動(dòng)測(cè)量的干擾，減振系統(tǒng)的角振動(dòng)頻率應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離慣導(dǎo)系統(tǒng)的測(cè)量帶寬。在寬帶隨機(jī)振動(dòng)條件下，減振頻率越低減振效率越高。附圖8是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例所采用的慣性檢測(cè)單元?dú)んw1. 6設(shè)計(jì)，它與下蓋1. 8構(gòu)成正方形的內(nèi)腔為示意清楚圖中省略下蓋，是容納傳感組件1. 2與減振單元1. 4 的場(chǎng)所。慣性檢測(cè)單元?dú)んw1. 6與下蓋1. 8構(gòu)成的殼體內(nèi)腔的形狀，被設(shè)計(jì)成與傳感組件 1. 2外形相同的正方形，且比傳感組件外形略大。這樣設(shè)計(jì)使得慣性檢測(cè)單元?dú)んw1. 6與下蓋1. 8構(gòu)成的6個(gè)殼體內(nèi)壁，與所對(duì)應(yīng)的傳感組件6個(gè)外平面之間，留有形狀和大小基本相同的空間；當(dāng)把外形基本相同內(nèi)減振單元1.4全部安裝其中，形成內(nèi)減振器總成之后，產(chǎn)生了比較好的減振效果。附圖9是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中采用的全部?jī)?nèi)減振單元1.4構(gòu)成內(nèi)減振器總成后，與傳感組件的位置關(guān)系示意圖。為了有效衰減或完全吸收對(duì)于來自前后、左右、上下6個(gè)自由度的對(duì)傳感組件1. 2的強(qiáng)迫振動(dòng)，本實(shí)施例采用6個(gè)內(nèi)減振單元1. 4，即6個(gè)形狀相同的減振墊，安裝在慣性檢測(cè)單元?dú)んw1. 6內(nèi)壁與傳感組件1. 2之間，將傳感組件懸掛在慣性檢測(cè)單元?dú)んw內(nèi)腔中心位置，且各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交，以均衡吸收并消耗來自運(yùn)載體的強(qiáng)迫振動(dòng)。附圖10是本實(shí)用新型一個(gè)較佳實(shí)施例中關(guān)于微型慣性檢測(cè)裝置2. 1的完整裝配示意圖。由于實(shí)行了上述一系列技術(shù)措施，保證了減振器的固有頻率、減振系數(shù)、減振效率、 機(jī)械強(qiáng)度等符合系統(tǒng)的抗沖擊及振動(dòng)要求；使得該微型慣性檢測(cè)裝置的彈性坐標(biāo)系、慣性坐標(biāo)系、和求解坐標(biāo)系三個(gè)坐標(biāo)系，處于各對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸相互平行、系統(tǒng)質(zhì)心與減振裝置的彈性中心重合的最佳狀態(tài)，達(dá)到各自由度振動(dòng)間具有較高的去耦效應(yīng)，以及各固有頻率相互接近，獲得較窄頻率分布的技術(shù)效果。除了以上實(shí)施例以外，本實(shí)用新型還可以有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換何等效變換形成的技術(shù)方案 ，均落在本實(shí)用新型要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種微型慣性檢測(cè)裝置，包括傳感組件、內(nèi)減振器、慣性檢測(cè)單元?dú)んw以及下蓋，其特征在于1)傳感組件由傳感支架、慣性傳感器、柔性測(cè)控電路板組成；傳感支架是各平面刻有凹槽，符合一定比重和剛度要求的正方體剛性支架；慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計(jì)； 柔性測(cè)控電路板完整、平順地覆蓋傳感支架每一個(gè)平面；2)慣性檢測(cè)單元?dú)んw與下蓋構(gòu)成了內(nèi)腔，以容納傳感支架與內(nèi)減振單元；3)內(nèi)減振器由若干具有阻尼特性的內(nèi)減振單元組成，所述內(nèi)減振單元安裝在慣性檢測(cè)單元?dú)んw內(nèi)壁S與傳感組件的6個(gè)平面之間，其數(shù)量為6個(gè)。
2.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測(cè)裝置，其特征是，所述陀螺儀和所述加速度計(jì)焊接在柔性測(cè)控電路板上，憑借電路板的柔性，各慣性傳感器逐一被嵌入傳感支架各平面的凹槽中，且各慣性傳感器的測(cè)量軸相互正交。
3.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測(cè)裝置，其特征是，包含抗混疊電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì)，以耐受彎折；柔性測(cè)控電路板的外形應(yīng)當(dāng)與傳感支架的平面展開圖形全等，使之沿著傳感支架棱邊作90°彎折后，完整覆蓋傳感支架。
4.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測(cè)裝置，其特征是，傳感組件被若干內(nèi)減振單元懸掛在慣性檢測(cè)單元?dú)んw內(nèi)腔中心，各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交，內(nèi)減振器的彈性中心點(diǎn)P與傳感組件質(zhì)心m重合。
專利摘要一種微型慣性檢測(cè)裝置，涉及捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)。本實(shí)用新型從改進(jìn)慣性測(cè)量裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)入手，提供一個(gè)大幅度縮小慣性測(cè)量系統(tǒng)體積、三向等剛度減振結(jié)構(gòu)的微型慣性測(cè)量系統(tǒng)，克服三向剛度不等、共振激勵(lì)、以及產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)等缺陷，對(duì)捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)造成的不良影響。系統(tǒng)包括傳感組件1.2、內(nèi)減振減震器、慣性檢測(cè)單元?dú)んw1.6、下蓋1.8等部件，內(nèi)減振器由若干具有適當(dāng)阻尼特性的內(nèi)減振單元構(gòu)成單元1.4組成，它們安裝在慣性檢測(cè)單元?dú)んw1.6內(nèi)壁S與傳感組件1.2的6個(gè)平面之間，內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交，以均衡吸收并消耗來自運(yùn)載體的強(qiáng)迫振動(dòng)。
文檔編號(hào)G01C21/18GK202074979SQ20102028872
公開日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者汪滔 申請(qǐng)人:汪滔