[實用新型]微機械慣性導航裝置

有效

• 申請號: 200720138103.X
• 申請日: 2007-11-26
• 公開（公告）號: CN201116875Y
• 公開（公告）日: 2008-09-17
• 發明（設計）人: 劉國忠;高松山;鄧海棠;孫耀康
• 申請（專利權）人: 山西科泰微技術有限公司
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/18
• 代理公司: 山西五維專利事務所（有限公司）
• 代理人: 李毅

技術領域

本實用新型涉及一種微機械慣性導航裝置，該裝置可用于飛行器等載體在無參照物情況下的加速度、角速度變量測量，解算并判斷飛行器的速度、姿態及所在空間位置。

背景技術

慣性導航系統(INS，以下簡稱慣導)是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導航系統。其工作環境不僅包括空中、地面，還可以在水下。慣導的基本工作原理是以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分，且把它變換到導航坐標系中，就能夠得到在導航坐標系中的速度、偏航角和位置等信息。

慣性導航系統通常由慣性測量裝置、計算機、控制顯示器等組成。慣性測量裝置包括加速度傳感器和陀螺儀，又稱慣性導航組合。慣性導航組合一般采用3個加速度傳感器和3個陀螺儀，3個自由度陀螺儀用來測量飛行器的三個轉動運動參數，3個加速度傳感器用來測量3個平移運動的加速度參數。計算機根據測得的加速度信號計算出飛行器的速度和位置數據，控制顯示器顯示各種導航參數。

傳統慣性測量裝置一般采用撓性加速度傳感器和激光陀螺、光纖陀螺或撓性陀螺，這類器件體積較大、造價昂貴，從而使組合后的慣性導航裝置的應用領域受到局限。

微電子機械系統(MEMS)是60年代后誕生的一種新興技術，它繼承了集成電路的制造技術，在硅片上制造出各種機械結構，可以像集成電路一樣進行大規模生產。由于其具有體積小、重量輕、功耗低、批次一致性好等特點，已經廣泛應用在傳感器領域。

微機械慣性組合測量系統與傳統的慣性組合測量系統的本質區別是利用了MEMS技術、傳感器技術和微電子技術，從根本上改變了傳統慣性組合測量系統的設計思想和制造方法，實現了微機械加速度計與信號獲取、處理電路的一體化集成，具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高、能承受惡劣氣候環境和機械環境、精度適中、便于大批量生產等優點。但由于MEMS類傳感器的溫度漂移通常高于傳統的高精度傳感器，故而在導航領域少有應用。

發明內容

本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可用于測量運動物體在空間的姿態、位置、速度的微機械慣性導航裝置。

本實用新型的微機械慣性導航裝置包括設在殼體內的數據處理模塊、DC/DC電源模塊、3個加速度傳感器、3個陀螺以及設置在殼體中部的腔體，其中腔體由3個相互隔離的腔室組成，3個腔室呈軸向分布，且3個腔室內的安裝平面相互垂直，在腔體內各腔室的安裝平面上各安裝有一個加速度傳感器和陀螺，用于測量飛行系統在飛行時產生的各方向的加速度，角速度在傳感器敏感方向產生的分量。加速度傳感器與陀螺相鄰安裝，以保證加速度傳感器和陀螺的工作溫度一致。上述加速度傳感器和陀螺與數據處理模塊和DC/DC電源模塊之間以電纜線連接在一起，并連接到接插件，通過接插件與外部連接。

本實用新型還在微機械慣性導航裝置的殼體內設置有加熱板和一個溫控模塊，加熱板包覆在腔體的周圍，通過電纜線與溫控模塊及DC/DC電源模塊電路連接。同時，在陀螺內還集成有溫度傳感器，并與溫控模塊連接，可分別測量三個軸向的加速度傳感器和陀螺的工作溫度，由溫控模塊控制加熱板為加速度傳感器和陀螺提供相對恒定的工作溫度。

本實用新型的工作過程是：通過3個加速度傳感器和3個陀螺來測量裝置的加速度和角速度值，由數據處理模塊采集加速度傳感器及陀螺的信號輸出值并進行解算后得出坐標信息。在陀螺內集成有溫度傳感器，由溫控模塊為加速度傳感器和陀螺提供相對恒定的工作溫度，從而減小了傳感器的溫度漂移，提高了導航測試精度。

所述的3個加速度傳感器和3個陀螺安裝的敏感方向成空間XYZ坐標，用于測量被測裝置在飛行時產生的XYZ方向的加速度和角速度。

在數據處理模塊中包括有信號調理電路和A/D精度轉換電路，信號調理電路對加速度傳感器和陀螺輸出的信號進行放大調理、降噪以及濾波，使其靈敏度保持一致，A/D精度轉換電路運用高精度的外部A/D轉換電路進行加速度傳感器和陀螺采集信號的處理。所述的數據處理模塊對輸入的加速度傳感器、陀螺的輸出信號值進行在A/D變換后進行角速度、加速度、速度的矩陣解算，從而計算出所測裝置當前的坐標位置及姿態、角度等所關心的特性。

所述的DC/DC電源模塊為開關型電源模塊，它將慣性測量裝置的外部輸入電壓轉換為數據處理模塊、陀螺及加速度傳感器所需的5V電壓。