專利名稱：數(shù)字式慣性測量單元的制作方法
技術領域：
本實用新型內(nèi)容屬于慣性測量器件技術領域，涉及一種用于測量空間坐標系中三個軸的角速率和線加速度的慣性測量單元，其產(chǎn)品可廣泛用于航空、航天、地質(zhì)勘探、工業(yè)測控、船舶、鐵路、公路等領域。
背景技術：
目前在上述各行業(yè)領域中普遍使用的慣性測量單元(IMU)，包括角速率傳感器(角速率陀螺)和線加速度傳感器，其產(chǎn)品絕大部分都是機械式的，如液浮或半液浮、撓性有旋轉(zhuǎn)馬達的角速率傳感器、有質(zhì)塊的線加速度傳感器等，這些老式慣性測量單元在實際應用中存在的突出缺點是體積大、價格昂貴、易損壞、耐沖擊加速度低、壽命短、測量范圍小(老式角速率傳感器最大測量值僅500°/s，線加速度傳感器最大測量值僅10g)、帶寬低(最多為100HZ)、不適于數(shù)字用戶使用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激光慣性測量單元，也由于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(nèi)容本實用新型的目的在于對現(xiàn)有技術存在的問題加以解決，進而提供一種結(jié)構(gòu)性能實用合理、操作方便、體積小、重量輕、造價低、應用范圍廣的數(shù)字式慣性測量單元。
用于實現(xiàn)上述發(fā)明目的的技術解決方案是這樣的所提供的數(shù)字式慣性測量單元含有用于測量X、Y、Z空間軸角速率的三軸角速率傳感器、用于測量X、Y、Z空間軸線加速度的三軸線加速度傳感器和由16位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器(DSP)、電源電路和看門狗電路組成的信號處理單元，其中角速率傳感器和線加速度傳感器的信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的模擬輸入端聯(lián)接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的16位數(shù)字輸出端與數(shù)字信號處理器的數(shù)字信號輸入端聯(lián)接，電源電路和看門狗電路的輸出端分別接至數(shù)字信號處理器的電源、復位輸入端。工作時角速率傳感器和線加速度傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入數(shù)字信號處理器進行處理(包括濾波降噪、溫度和非線性補償、量程縮放、自動標定等)，然后直接通過數(shù)字輸出或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出。
本實用新型所述的數(shù)字式慣性測量單元是一種主要針對數(shù)字用戶的三軸六自由度固態(tài)慣性傳感器的組合，其中的三軸角速率傳感器屬于無旋轉(zhuǎn)馬達的固態(tài)角速率傳感器，線加速度傳感器屬于無質(zhì)塊的傳感器，它們的內(nèi)部電路工作構(gòu)件均采用微機械-電子系統(tǒng)(MEMS-Micro Electro-MechanicalSystems)技術的芯片，其制造采用雙極型金屬氧化物半導體(BIMOS)技術的生產(chǎn)工藝和球形網(wǎng)格排列的載流焊工藝技術，產(chǎn)品具有高可靠性和高封裝堅固性，可準確測量空間坐標系中X、Y、Z三個軸的角速率和線加速度。該測量單元采用數(shù)字信號處理技術進行信號處理，其中硬件采用數(shù)字信號處理器(DSP)作為嵌入式系統(tǒng)的微處理器，利用其強大的數(shù)據(jù)處理功能進行傳感器原始信號的校正、補償、降噪等處理；配合數(shù)字信號處理器的運行，采用復雜可編程器件(CPLD)使硬件電路更加靈活、簡潔，提高了系統(tǒng)的可維護性；通過實驗建立噪聲和溫度的數(shù)學模型，軟件采用FIR(有限沖擊響應濾波器)、FFT(快速傅立葉變換)小波變換等數(shù)字信號理論和方法進行數(shù)字信號處理，降低了系統(tǒng)噪聲。相對本領域現(xiàn)有技術而言，采用上述設計方案結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、價格低、耐沖擊加速度高、可靠性高、壽命長、帶寬寬、啟動快、有自檢等特點。


圖1為本實用新型的總電氣設計原理框圖。
圖2為角速率傳感器的設計原理框圖。
圖3為角速率傳感器的一個具體實施例的電路原理圖。
圖4為線加速度傳感器的設計原理框圖。
圖5為線加速度傳感器的一個具體實施例的電路原理圖。
圖6為數(shù)字信號處理器(DSP)的一個具體實施例的電路原理圖。
圖7為16位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的一個具體實施例的電路原理圖。
圖8為看門狗電路的一個具體實施例的電路原理圖。
圖9為電源電路的一個具體實施例的電路原理圖。
具體實施方式
參見附圖，本實用新型所述的數(shù)字式慣性測量單元的總電氣原理結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由三軸角速率傳感器1、三軸線加速度傳感器2和信號處理單元I三部分組成。三軸角速率傳感器1包括三個分別用于測量X、Y、Z空間軸角速率的傳感器，每一個空間軸角速率傳感器的工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示，它們均由采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的芯片構(gòu)成的敏感元件電路12、ST自檢測接口電路11、電荷泵升壓電路13、解調(diào)濾波電路14和輸出放大電路15組成，ST自檢測接口電路11和電荷泵升壓電路13的輸出端分別接至敏感元件電路12的輸入端，敏感元件電路12的輸出端通過解調(diào)濾波電路14與輸出放大電路15的輸入端聯(lián)接。在圖3所示的角速率傳感器的實際電路中，敏感元件電路12由型號為PO-XRS的敏感元件芯片和型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成，PO-XRS的輸入端接角速率輸入信號，解調(diào)濾波電路14由型號為LB8207的芯片構(gòu)成，輸出放大電路15由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成，電荷泵升壓電路13則由兩只LTC2053集成芯片和一只型號為REG711-5的集成芯片構(gòu)成。三軸線加速度傳感器2包括三個用于測量X、Y、Z空間軸線加速度的傳感器，每一個空間軸線加速度傳感器的工作原理結(jié)構(gòu)如圖4所示，它們均由采用微機電系統(tǒng)(MEMS)技術的芯片構(gòu)成的敏感元件電路21、ST自檢測接口電路22、解調(diào)濾波電路23和輸出放大電路24組成，ST自檢測接口電路22的輸出端與敏感元件電路21的輸入端聯(lián)接，敏感元件電路21的輸出端通過解調(diào)濾波電路23與輸出放大電路24的輸入端聯(lián)接。在圖5所示的線加速度傳感器的實際電路中，敏感元件22由型號為PO-XL的敏感元件芯片構(gòu)成，PO-XL的輸入端接線加速度輸入信號，解調(diào)濾波電路23由型號為LB8207的芯片構(gòu)成，輸出放大電路24由型號為LTC2053的集成芯片構(gòu)成。信號處理單元I用于對來自三軸角速率傳感器1和三軸線加速度傳感器2的信號進行數(shù)字處理，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由16位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3、非易失性存儲器4、數(shù)字信號處理器(DSP)5、DSP的電源電路6和看門狗電路7組成的信號處理單元，角速率傳感器1和線加速度傳感器2的信號輸出端與16位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3的模擬輸入端聯(lián)接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3的16位數(shù)字輸出端與數(shù)字信號處理器5的32位數(shù)據(jù)信號輸入端聯(lián)接，電源電路6和看門狗電路7的輸出端分別接至數(shù)字信號處理器5的電源、復位輸入端，非易失性存儲器4的輸出端接至數(shù)字信號處理器5的存儲器輸入端。具體實施例中，數(shù)字信號處理器5可采用圖6所示的TI公司的TMS320VC33器件，該處理器是TI公司推出的性能價格比最高的浮點DSP產(chǎn)品，當主頻率為150MHz時，可達150MPLOPS(每秒執(zhí)行百萬次浮點操作)或MIPS(每秒執(zhí)行百萬條指令)的數(shù)據(jù)處理速度，可在單周期內(nèi)對定點和浮點數(shù)據(jù)實現(xiàn)并執(zhí)行乘法運算和算邏操作；模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3可采用圖7所示的ADS8364器件，保證數(shù)字信號處理器正常工作的看門狗電路7可采用圖8所示的型號為MAX6864的集成芯片，DSP的電源電路6由圖9所示的型號為TPS7670325的集成芯片構(gòu)成；非易失性存儲器4采用SST39VF400A集成電路芯片。
本實用新型產(chǎn)品的外形尺寸為76×63×56mm3，三軸六自由度的慣性傳感器包括三個軸的角速率陀螺和三個軸的線加速度傳感器。該慣性測量單元的重量僅為100克，是目前國內(nèi)外體積最小、重量最輕的三軸六自由度IMU產(chǎn)品。此外，該慣性測量單元的任何軸在不供電、沖擊時間為0.5ms的情況下，可承受1000g的沖擊加速度，在供電、沖擊時間為0.5ms條件下，可承受500g的沖擊加速度，耐沖擊加速度指標大大優(yōu)于本領域已有的同類技術產(chǎn)品。
本實用新型所述的數(shù)字式慣性測量單元主要可用于以下技術領域?qū)椏刂萍夹g領域?qū)椏刂葡到y(tǒng)利用慣性測量單元的六自由度信號作為控制系統(tǒng)的主控信號加以穩(wěn)定并取得適宜的阻尼，從而提高導彈的命中率；工業(yè)測控技術領域凡是有角速率和線加速度的設備或目標，為了進行穩(wěn)定和精確的控制都需要測定角速率和線加速度，并作為主控信號引入控制系統(tǒng)，用于快速穩(wěn)定控制系統(tǒng)，從而對控制對象進行準確有效地控制；飛行器控制技術領域在運輸機、轟炸機、殲擊機、多用途的無人機及火箭飛船等各種飛行器中，本產(chǎn)品作為飛行器自動控制系統(tǒng)的敏感部件測量飛行器三軸的角速率和三軸線加速度，作為反饋信號引入自動飛行控制系統(tǒng)實現(xiàn)增穩(wěn)和自動駕駛功能，并改善飛行器的機動性和操縱性，使飛行器獲得良好的操縱與穩(wěn)定品質(zhì)；捷聯(lián)慣導技術領域該產(chǎn)品作為捷聯(lián)慣導系統(tǒng)必不可少的配套部件，用于捷聯(lián)慣導系統(tǒng)進行位置和航姿解算，可取代現(xiàn)有捷聯(lián)慣導系統(tǒng)使用的機械式撓性角速率陀螺和線加速度計產(chǎn)品；汽車自動駕駛技術領域該產(chǎn)品用于測量多種汽車車體轉(zhuǎn)彎、上下俯仰、左右顛簸的三軸角速率和三軸線加速度，引入汽車穩(wěn)定控制和自動駕駛系統(tǒng)，從而有效地控制和穩(wěn)定汽車的駕駛，特別是對高性能的汽車已經(jīng)逐漸成為不可缺少的配套部件；機器人技術領域使用該產(chǎn)品用于測量機器人各關節(jié)部位及轉(zhuǎn)動部分的角速率、可移動部分的線加速度，作為反饋信號進入機器人的自動控制系統(tǒng)，使機器人準確、靈活、穩(wěn)定地動作。
權利要求1.一種數(shù)字式慣性測量單元，其特征在于它含有用于測量X、Y、Z空間軸角速率的三軸角速率傳感器(1)、用于測量X、Y、Z空間軸線加速度的三軸線加速度傳感器(2)和由16位模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(3)、數(shù)字信號處理器(5)、電源電路(6)和看門狗電路(7)組成的信號處理單元(I)，其中角速率傳感器(1)和線加速度傳感器(2)的信號輸出端與模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(3)的模擬輸入端聯(lián)接，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(3)的16位數(shù)字輸出端與數(shù)字信號處理器(5)的數(shù)字信號輸入端聯(lián)接，電源電路(6)和看門狗電路(7)的輸出端分別接至數(shù)字信號處理器(5)的電源、復位輸入端。
2.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式慣性測量單元，其特征在于三軸角速率傳感器(1)由ST自檢測接口電路(11)、敏感元件電路(12)、電荷泵升壓電路(13)、解調(diào)濾波電路(14)和輸出放大電路(15)組成，ST自檢測接口電路(11)和電荷泵升壓電路(13)的輸出端分別接至敏感元件電路(12)的輸入端，敏感元件電路(12)的輸出端通過解調(diào)濾波電路(14)與輸出放大電路(15)的輸入端聯(lián)接。
3.根據(jù)權利要求1所述的數(shù)字式慣性測量單元，其特征在于三軸線加速度傳感器(2)由ST自檢測接口電路(22)、敏感元件電路(21)、解調(diào)濾波電路(23)和輸出放大電路(24)組成，ST自檢測接口電路(22)的輸出端與敏感元件電路(21)的輸入端聯(lián)接，敏感元件電路(21)的輸出端通過解調(diào)濾波電路(23)與輸出放大電路(24)的輸入端聯(lián)接。
專利摘要本實用新型涉及一種用于航空、海陸交通等領域中測量空間坐標系三個軸的角速率和線加速度的數(shù)字式慣性測量單元，由角速率傳感器、線加速度傳感器和信號處理單元組成，信號處理單元內(nèi)含有模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號處理器、電源和看門狗電路，角速率和線加速度傳感器的測量信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路接至數(shù)字信號處理器，電源和看門狗電路的輸出端接至數(shù)字信號處理器的電源、復位輸入端。工作時角速率和線加速度傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入數(shù)字信號處理器處理，然后直接數(shù)字輸出或通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出。本實用新型的結(jié)構(gòu)性能合理、操作方便、體積小，具有高可靠性和高封裝堅固性，可準確測量空間坐標系中三個軸的角速率和線加速度。
文檔編號G01P1/00GK2800229SQ20052007890
公開日2006年7月26日 申請日期2005年6月10日 優(yōu)先權日2005年6月10日
發(fā)明者孫東, 邢顯國, 張養(yǎng)魚, 曲國福, 董紅娟, 王幼澄 申請人:西安中星測控有限公司