具有接口適配器的緊湊型慣性測量單元的制作方法
【專利說明】具有接口適配器的緊湊型慣性測量單元
[0001]相關(guān)串請的交叉引用
[0002]本申請要求于2014年8月20日提交的美國臨時專利申請序號62/039，755的權(quán)益，其由此以引用方式并入于此。
【背景技術(shù)】
[0003]常規(guī)的慣性測量單元(MU)是三個部分的系統(tǒng)。第一部分是慣性傳感器，其通常包括三個陀螺儀和三個加速計。六個傳感器的輸出被發(fā)送到頂U的第二部分，該部分是板載處理器。IMU的第三部分是機械式外殼，其不僅覆蓋慣性傳感器和板載處理器，而且還提供了一組外部參考數(shù)據(jù)，通常以定位銷(alignment pin)形式，其用于將頂U附著到車輛，同時保持IMU準(zhǔn)直性校準(zhǔn)(alignment calibrat1n)。
[0004]因為足夠的物理容積可用于容納三個部分的系統(tǒng)，這個方法對于mu的終端用戶通常是可接受的。然而，隨著較小終端用戶平臺的發(fā)展，例如無人機(UAV)，容納包含慣性傳感器、板載處理器和機械式外殼的IMU的物理容積正變得更少的可用。
[0005]由于上述原因和下述的基于閱讀和理解本說明書對于本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的原因，在現(xiàn)有技術(shù)中存在對減少IMU尺寸的改進的系統(tǒng)和方法的需求，因此它們能夠更好地被容納于具有有限空間的車輛或設(shè)備中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開的實施例提供了用于減少頂U尺寸的系統(tǒng)和方法，并將通過閱讀和學(xué)習(xí)下面的說明書理解。
[0007]在一個實施例中，慣性測量單元組件包括:配置為輸出未補償?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)的至少一個慣性傳感器；配置為隔離至少一個慣性傳感器的慣性隔離器；接口適配器，其中接口適配器具有至少一個校準(zhǔn)定位銷，其被用作為在至少一個慣性傳感器、慣性接口適配器和慣性接口適配器所附著到的車輛之間的參考點；并且其中慣性測量單元被配置為把未補償?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)輸出到位于慣性測量單元外部的處理裝置。
【附圖說明】
[0008]應(yīng)理解的是附圖僅描繪了典型實施例，并且因而不認為局限范圍，典型實施例將通過使用附圖以額外特征和細節(jié)來描述，其中:
[0009]圖1是并入緊湊型慣性測量單元組件的示例性車輛的框圖，緊湊型慣性測量單元組件具有接口適配器和慣性隔離器。
[0010]圖2是具有接口適配器和慣性隔離器的示例性緊湊型慣性測量單元組件的圖；
[0011]圖3是用于實現(xiàn)具有接口適配器和慣性隔離器的緊湊型慣性測量單元組件的示例方法的流程圖。
[0012]根據(jù)通常的實踐，各種描述的特征并不是成比例繪制，而是被繪制用于強調(diào)相關(guān)于典型實施例的特定特征。
【具體實施方式】
[0013]在以下詳細的描述中，對形成其部分的附圖進行參考，并且其中通過說明示出特定說明性的實施例。然而，應(yīng)理解的是，可以使用其他實施例并且可以進行邏輯的、機械的和電子的改變。而且，附圖和說明書并中所展示的方法不解釋為限制可以執(zhí)行各個步驟的順序。因此，以下的詳細描述并不在限制意義上來獲取。
[0014]如上所陳述的，在現(xiàn)有技術(shù)中存在對減少頂U尺寸的改進的系統(tǒng)和方法的需求，因此具有有限空間的車輛能夠容納IMIL在此的實施例提供了“緊湊型頂U組件”作為解決方案。如這里所使用的，術(shù)語車輛指在其上面實現(xiàn)緊湊型MU組件的任何裝置。例如，車輛可包含飛行器、汽車、導(dǎo)彈、手持設(shè)備等。
[0015]圖1是示例性車輛100的框圖，該示例性車輛100包含緊湊型IMU組件102。緊湊型IMU組件102包括一個或多個慣性傳感器104、接口適配器106和慣性隔離器111。如下面更為詳細討論的，接口適配器106將緊湊型IMU組件102機械地耦合到車輛100，并且慣性隔離器111隔離至少一個慣性傳感器104。而且，緊湊型頂U組件102電子地連接到車輛100。緊湊型IMU組件102還與處理裝置114通信地耦合。處理裝置114位于緊湊型IMU組件102的外部。位于緊湊型IMU組件102外部的外部處理裝置114在此也被稱為外部處理裝置114。在一些實施例中，外部處理裝置114包含在車輛100中。在其他的實施例中，外部處理裝置114不包含在車輛100中。由緊湊型IMU組件102產(chǎn)生的未補償?shù)臄?shù)據(jù)105可經(jīng)由數(shù)據(jù)流112發(fā)送至外部處理裝置114。而且，校準(zhǔn)系數(shù)110可被加載到外部處理裝置114，該外部處理裝置114可利用該校準(zhǔn)系數(shù)110根據(jù)未補償?shù)臄?shù)據(jù)105計算補償?shù)臄?shù)據(jù)116。補償?shù)臄?shù)據(jù)116可用于確定車輛100的姿態(tài)參考數(shù)據(jù)，例如加速度、速度、旋轉(zhuǎn)和位置?目息。
[0016]在一些實施例中，一個或多個慣性傳感器104包含旋轉(zhuǎn)傳感器和加速度傳感器。在示例的實施例中，一個或多個慣性傳感器104包含三個旋轉(zhuǎn)傳感器和三個加速度傳感器，其中旋轉(zhuǎn)傳感器的每個相互正交，并且三個加速度傳感器的每個相互正交。旋轉(zhuǎn)傳感器這里也指的是陀螺儀。陀螺儀可以是任何類型的，包括但不限于環(huán)形激光陀螺儀、光纖陀螺儀和紡紗質(zhì)量陀螺儀(spinning mass gyros)。加速度傳感器可以是本領(lǐng)域中已知的任意加速計。
[0017]一個或多個慣性傳感器104被配置產(chǎn)生通過該一個或多個慣性傳感器104測量的未補償?shù)臄?shù)據(jù)105。使用校準(zhǔn)系數(shù)110，可使用未補償?shù)臄?shù)據(jù)105導(dǎo)出補償?shù)臄?shù)據(jù)116。如上所陳述的，補償?shù)臄?shù)據(jù)116接著可被用于確定其上安裝有緊湊型頂U組件102的車輛100的姿態(tài)。
[0018]在組裝傳感器到緊湊型頂U組件102期間，校準(zhǔn)一個或多個慣性傳感器104。在傳統(tǒng)的IMU中，從一個或多個慣性傳感器104的校準(zhǔn)導(dǎo)出的系數(shù)(在此稱為校準(zhǔn)系數(shù)110)被加載到傳統(tǒng)IMU中所包含的處理裝置中。接著，在傳統(tǒng)MU上的處理裝置使用校準(zhǔn)系數(shù)補償由慣性傳感器獲取的原始測量。補償?shù)臄?shù)據(jù)然后經(jīng)由同步數(shù)據(jù)流被傳送到車輛的處理單元，其中車輛的姿態(tài)被確定。同步數(shù)據(jù)流通常通過不同的接口，例如RS-485協(xié)議被發(fā)送。
[0019]相反，在此處描述的實施例中，緊湊型頂U組件102不包含處理裝置。替代地，緊湊型IMU組件102通信地耦合到位于緊湊型IMU組件102外部的處理裝置114。校準(zhǔn)系數(shù)110被加載到外部處理裝置114上并且緊湊型mu組件102被配置為經(jīng)由數(shù)據(jù)流112發(fā)送未補償?shù)臄?shù)據(jù)105到外部處理裝置114。在一些實施例中，數(shù)據(jù)流是異步的串行數(shù)據(jù)流112。在其他實施例中，可以采用其他類型的數(shù)據(jù)流112，例如通用串行總線(USB)、以太網(wǎng)和/或無線傳輸。結(jié)果，緊湊型MU組件102可以比傳統(tǒng)IMU占用更少的容積，因為其不包含處理器。
[0020]在一些實施例中，當(dāng)緊湊型IMU組件102被交付時，由緊湊型IMU組件102的制造商確定的校準(zhǔn)系數(shù)110可被交付給緊湊型IMU組件102的購買者。緊湊型IMU組件102的購買者然后將校準(zhǔn)系數(shù)110加載到外部處理裝置114上。在其他實施例中，校準(zhǔn)系數(shù)110能夠被存儲在緊湊型IMU組件102中所包含的存儲器108上。校準(zhǔn)系數(shù)110然后能夠經(jīng)由數(shù)據(jù)流113被發(fā)送到外部處理裝置114。在一些實施例中，包含校準(zhǔn)系數(shù)110的數(shù)據(jù)流113是通過與包含未補償?shù)臄?shù)據(jù)105的數(shù)據(jù)流112相同的接口和物理媒介被發(fā)送。在其他實施例中，校準(zhǔn)系數(shù)110是通過與用于未補償?shù)臄?shù)據(jù)105的數(shù)據(jù)流112不同的接口來發(fā)送。在一些實施例中，包含校準(zhǔn)系數(shù)110的數(shù)據(jù)流113可以是同步數(shù)據(jù)流。
[0021]為了對于緊湊型頂U組件102來說產(chǎn)生有用的補償數(shù)據(jù)116，必須獲知一個或多個慣性傳感器104相對于緊湊型IMU組件102的定向。在一些實施例中，接口適配器106和定位銷109被用于此目的。特別地，慣性傳感器104相對于慣性接口適配器106的位置和定向被包含在校準(zhǔn)系數(shù)110內(nèi)，其被外部處理裝置114使用以根據(jù)未補償?shù)臄?shù)據(jù)105生成補償?shù)臄?shù)據(jù)116。
[0022]圖2是示例性的緊湊型IMU組件102的圖，該緊湊型IMU組件102包括接口適配器106和慣性隔離器111。如上所陳述的，接口適配器106用于以一種方式定向一個或多個慣性傳感器104從而獲知一個或多個慣性傳感器104相對于接口適配器106的位置和定向。而且，接口適配器106相對于其上安放接口適配器106的車輛100的位置和定向被已知。緊湊型IMU組件102還包括用于鎖定一個或多個慣性傳感器104到接口適配器106的扳手螺母107。
[0023]頂U組件102也包含慣性隔離器111。在美國申請序號13/538，235中詳細描述了可并入在頂U組件102中的慣性隔離器111的示例，其以引用方式并入于此。如美國申請序號13/538，235所陳述的，慣性隔離器111由彈性體組成，該彈性體設(shè)置在慣性傳感器104和接口適配器106之間并將慣性傳感器104機械地耦合至接口適配器106。慣性隔離器111允許在慣性傳感器104和接口適配器106之間的位移(即，相對移動)。而且，慣性隔離器111充當(dāng)被動隔離系統(tǒng)以吸收來自接口適配器106的移動相關(guān)的能量以便減少從接口適配器106至慣性傳感器104的能量轉(zhuǎn)移。
[0024]在一些實施例中，慣性隔離器111具有通常的環(huán)形形狀，慣性傳感器104與環(huán)形形狀的內(nèi)側(cè)相連接并且接口適配器106與環(huán)形形狀的外側(cè)相連接。在一些實施例中，慣性隔離器111是整體結(jié)構(gòu)，其具有上面討論的期望特征(例如，吸收相關(guān)能量并允許位移)和形狀(例如，環(huán)形)。在其他實施例中，慣性隔離器111由設(shè)置在接口適配器106和慣性傳感器104之間的多個部分組成?？梢栽O(shè)置隔離器的多個部分以便多個部分(例如，離散和不連續(xù)元件)共同地形成隔離器的期望形狀(例如，通常的環(huán)形形狀)。
[0025]接口適配器106也包含一個或多個定位銷109。定位銷109被配置成充當(dāng)在慣性傳感器104、接口適配器106和其上安裝緊湊型IMU組件102的車輛100之間的共同已知參考點。定位銷109的共同已知參考點可存儲在校準(zhǔn)系數(shù)110中，該校準(zhǔn)系數(shù)110然后可被外部處理裝置114使用以根據(jù)由慣性傳感器104生成的未補償?shù)臄?shù)據(jù)105計算補償?shù)臄?shù)據(jù)116。補償?shù)臄?shù)據(jù)116然后可用于計算用于車輛100的精確姿態(tài)數(shù)據(jù)，如上面所討論的。
[0026]在此的實施例中，由于在此所述的緊湊型頂U組件102不包含處理裝置，因此接口適配器106可使得比用于常規(guī)頂U實現(xiàn)的外殼更小。因此，本公開中的緊湊型頂U組件102具有比常規(guī)IMU更小的容積。在一些示例性實施例中，緊湊型IMU組件102可以大約是包括處理裝置的常規(guī)IMU容積的一半或五分之三。
[0027]圖3是示例方法300的流程圖，該方法用于實現(xiàn)包含緊湊型IMU組件的慣性測量單元，其中緊湊型MU組件包含接口適配器和慣性隔離器。該方法300包括從至少一個包含在緊湊型慣性測量單元(MU)組件中的慣性傳感器輸出未補償?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)至與緊湊型IMU組件通信地耦合的并位于緊湊型IMU組件外部的處理裝置，(方框302)，其中緊湊型慣性測量單元