一種微型慣性測量系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】-種微型慣性測量系統(tǒng)
[000。 本申請(qǐng)為在先申請(qǐng)（申請(qǐng)日：2010年12月6日，【申請(qǐng)?zhí)枴?01080068428.X，發(fā)明名 稱；一種微型慣性測量系統(tǒng)）的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] 本發(fā)明設(shè)及用于無人機(jī)等運(yùn)載體中的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，尤其是設(shè)及一種用于捷 聯(lián)慣性導(dǎo)航中的微型慣性測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0003] 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 體上的巧螺儀、加速度計(jì)等慣性元件測量出運(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)慣性導(dǎo)航技術(shù)利用控制計(jì)算機(jī)將巧螺儀、加速度計(jì)測得的數(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)慣性導(dǎo)航系統(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)慣性導(dǎo)航系統(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 不向外界福射任何信息，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，W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。
[0004] 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)通常由一個(gè)慣性測量系統(tǒng)、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。其核屯、部件慣性測量系統(tǒng)裝有巧螺儀和加速度計(jì)。慣性測量系統(tǒng)的工作 原理是；巧螺儀檢測運(yùn)載體=軸角速率，加速度計(jì)檢測航行器沿著=軸運(yùn)動(dòng)的線性加速度， 控制計(jì)算機(jī)將巧螺儀所測的角速率信號(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。
[0005] 慣性測量系統(tǒng)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)。該是因?yàn)閼T性測量及其姿態(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，慣性測量系統(tǒng)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)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié)；第S，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)慣性導(dǎo)航產(chǎn)品的目的。
[0006] 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。慣性測量系 統(tǒng)必須在力學(xué)結(jié)構(gòu)、減振設(shè)計(jì)，W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。
[0007] 圖1是現(xiàn)有一種小型無人機(jī)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中所用的慣性測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意 圖。其中采用緊固螺釘將傳感支架11緊固在殼體12內(nèi)部，再用由四個(gè)橡膠墊組成減振單元 13,從底部將殼體固接在航行器上。傳感支架由=塊相互垂直的巧螺電路板111、112、113 組成(參見圖2)，上面分別安裝S個(gè)單軸巧螺儀llla、112a、113a。其中水平放置的巧螺電 路板111為組合巧螺電路板，上面除了裝有巧螺IllaW外，還裝有=軸加速度計(jì)11化。= 個(gè)巧螺儀應(yīng)安裝于=個(gè)正交平面上，它們的敏感軸互相垂直，構(gòu)成測量正交坐標(biāo)系；組合巧 螺電路板111上S軸加速度計(jì)11化的測量軸與該電路板上的巧螺Illa測量軸平行放置。 組合巧螺電路板111通過接插件與調(diào)理電路板114及主處理器電路板115直接連接。
[0008] 上述慣性測量系統(tǒng)的減振結(jié)構(gòu)等效分析見圖3,圖中質(zhì)量塊M代表慣性測量系統(tǒng)， 其質(zhì)屯、為m;減振單元用A]表示，其中Z'i表示剛度、Cj表示阻巧系數(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)于圖1采用4個(gè)橡膠墊作為減振單元，則i= 1，2,3,4巧 代表航行運(yùn)載體；P為減振器的彈性中屯、。當(dāng)運(yùn)載體B航行運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)慣性測量系統(tǒng)m產(chǎn)生 基礎(chǔ)激勵(lì)，減振單元Cj吸收并消耗來自運(yùn)載體B的強(qiáng)迫振動(dòng)能量，WP點(diǎn)為中屯、，作上下彈 性運(yùn)動(dòng)，W此減小運(yùn)載體B振動(dòng)對(duì)慣性測量系統(tǒng)m造成的沖擊。
[0009] 上述慣性測量系統(tǒng)存在的問題是： (1) 傳感支架結(jié)構(gòu)是=塊相互分離的電路板，占用空間大，立個(gè)軸向剛度明顯差異； (2) 減振單元安裝在慣性測量系統(tǒng)的外部，不僅額外占用空間，更重要的是當(dāng)慣性測量 單元受迫振動(dòng)時(shí)，由于剛度不均衡，力學(xué)結(jié)構(gòu)不合理，受振時(shí)慣性測量系統(tǒng)容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振 動(dòng)； (3) 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)生禪合，減振頻帶 窄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明要解決傳統(tǒng)慣性測量系統(tǒng)中存在的占用空間較 大、容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、減振頻帶窄等問題。
[0011] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是，構(gòu)造一種微型慣性測量系統(tǒng)，包括殼 體、傳感組件W及減振器；其特征在于，所述傳感組件包括剛性傳感支架、裝于所述傳感支 架表面的測控電路板、W及設(shè)于所述測控電路板上的慣性傳感器，所述慣性傳感器包括巧 螺儀和加速度計(jì)；所述傳感組件裝于所述殼體內(nèi)；所述減振器裝于所述殼體內(nèi)并設(shè)于所述 傳感組件與殼體內(nèi)壁之間的空隙中。
[0012] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述傳感支架是正方體剛性支架，在它的至少一個(gè)表面刻 有凹槽；所述測控電路板是柔性測控電路板；所述柔性測控電路板上至少有一部分電路元 件嵌于所述至少一個(gè)表面的凹槽中。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，在所述傳感支架的六個(gè)表面均刻有凹槽；所述柔性測控電 路板共有六塊、并分別覆蓋于所述傳感支架的六個(gè)表面；每一塊所述柔性測控電路板上的 電路元件分別嵌裝于其所在傳感支架表面的凹槽中，使得所述柔性測控電路板平順地覆蓋 于所述傳感支架的每一個(gè)表面。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述傳感組件中還包括設(shè)于所述柔性測控電路板上的抗混 疊電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；所述慣性傳感器包括=個(gè)巧螺儀和一個(gè)加速度計(jì)；所述共六個(gè)電 路模塊分別設(shè)于所述六塊柔性測控電路板上。
[0015] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述六塊柔性測控電路板為一體結(jié)構(gòu)，并沿所述傳感支架 的棱邊作90°彎折后完整覆蓋于傳感支架的各個(gè)表面。
[0016] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述減振器中包括至少兩個(gè)減振單元，分別設(shè)于所述傳感 組件的其中一個(gè)表面與所述殼體內(nèi)壁之間的空隙中。其中，所述減振器中最好包括六個(gè)減 振單元。
[0017] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述傳感組件被所述六個(gè)減振單元懸掛于所述殼體的內(nèi)腔 中屯、，且所述減振器的彈性中屯、點(diǎn)P與所述傳感組件的質(zhì)屯、m重合。
[0018] 本發(fā)明的優(yōu)選方案中，所述殼體包括下部開口的上殼、W及裝于所述開口處的下 主rmO
[0019] 由于采取了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有W下優(yōu)點(diǎn)；（1)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 =向等剛度減振，使慣性測量系統(tǒng)的抗噪能力大幅度提高；（2) 改善了慣性測量系統(tǒng)振動(dòng)特性，使其固有頻率遠(yuǎn)離巧螺儀抖動(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?。唬?)大幅度縮小慣性測量單元體積和重量，擴(kuò) 大了運(yùn)載體的載荷空間。
【附圖說明】
[0020] 圖1現(xiàn)有小型無人機(jī)捷聯(lián)慣性測量系統(tǒng)示意圖。
[0021] 圖2是圖1中所示慣性測量系統(tǒng)中的傳感支架結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022] 圖3是圖1所示慣性測量系統(tǒng)中的減振系等效模型示意圖。
[0023] 圖4是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中減振器所屬內(nèi)減振單元分布示意圖，圖中S為殼體上 下、左右四個(gè)內(nèi)壁。
[0024] 圖5是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例的傳感支架示意圖。
[0025] 圖6是與圖5配合的柔性測控電路板的外形和元器件布置示意圖。
[0026] 圖7是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中傳感組件構(gòu)成示意圖。
[0027] 圖8是與圖7配合的殼體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖9是本發(fā)明一個(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。
[0029] 圖10是本發(fā)明一個(gè)較佳實(shí)施例中微型慣性測量系統(tǒng)的完整裝配示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 劇烈的隨機(jī)振動(dòng)是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(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W外，還要W減振器為阻巧介質(zhì)，將慣性測量單元彈性聯(lián)結(jié)到運(yùn)載體上，W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)。本發(fā)明從改良傳感支架設(shè)計(jì)和合理化減振力學(xué)結(jié)構(gòu) 兩個(gè)方面著手，提高微型慣性測量系統(tǒng)的性能。
[0031] 傳感支架是安裝巧螺儀和測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)，其中支架上巧螺儀安裝面的相對(duì)振幅最大，其結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能將影響到巧螺儀工作 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)的剛度和阻巧特性，使結(jié)構(gòu)固有頻率 必須遠(yuǎn)離巧螺儀抖動(dòng)器工作振動(dòng)頻率