[發明專利]一種捷聯式微機械慣性導航系統

在審

• 申請號: 201710379392.0
• 申請日: 2017-05-25
• 公開（公告）號: CN107246869A
• 公開（公告）日: 2017-10-13
• 發明（設計）人: 郭美鳳;張嶸;邢海峰;張永健;周斌
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01C21/18
• 分類號: G01C21/18
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙)11201
• 代理人: 廖元秋

技術領域

本發明屬于慣性導航技術領域，尤其涉及一種捷聯式微機械慣性導航系統。

背景技術

現有的慣性導航系統內設陀螺儀和加速度計，依靠陀螺儀測量運載機角速度實現方向測量，加速度計測量比力實現距離測量，可以在全天候條件下，自主地、隱蔽地進行導航解算，這種同時具備自主性、隱蔽性和信息全面的獨特優點是衛星導航、天文導航等導航系統無法比擬的，因此慣性導航系統是許多運載體不可缺少的導航設備。

陀螺儀是慣性導航系統的核心部件，傳統的慣性導航系統通常采用激光陀螺、光纖陀螺等高精度的陀螺儀，這類陀螺精度高，但是基于這類高精度陀螺儀的慣性導航系統存在價格昂貴、體積大、功耗大等問題。在某些對體積、功耗以及成本有嚴格要求的領域，如單兵導航、小型艦艇等軍用領域以及行人導航、小型無人機、無人汽車自動駕駛系統等民用領域，這類利用傳統陀螺儀構成的慣性導航系統已不再適用。

隨著慣性技術的迅速發展，微機械慣性導航系統已經成為國內外研究的熱點。與傳統的激光、光纖陀螺儀相比，微機械慣性器件(包括微機械陀螺儀和微機械加速度計)具有成本低、體積小、重量輕、抗沖擊的優點，因此研制微機械慣性導航系統具有重要意義。另外，在慣性器件精度達到一定要求之后，采用旋轉調制技術可以對慣性器件偏差進行調制，進一步提高純慣性導航精度。

目前的旋轉捷聯慣性導航系統，包括安裝工裝、微機械加速度計和微機械陀螺的慣性測量單元(IMU)，由測角元件和電機(一般采用徑向永磁電機，如普通的直流力矩電機、無刷直流電機(BLDC)等)構成的旋轉機構，數據傳輸及處理模塊等；其中，IMU的安裝工裝一般采用立方體結構，微機械加速度計和微機械陀螺均布在該立方體的側面上；慣性導航系統的旋轉部分與非旋轉部分(也即固定部分)的電氣連接一般采用導電滑環連接或者導線直接連接，導電滑環連接增大了系統的體積，增加了系統的成本與功耗，而且導電滑環存在磨損，降低了系統的可靠性與使用壽命；而直接采用導線連接的旋轉結構則需要設計機械限位機構，增加了系統體積及成本。

目前也有部分研究報告與本發明有關，例如：1、MEMS器件捷聯慣導系統旋轉調制技術，東北大學學報，2014,35(4)；2、專利申請號為201210102592.9，名稱為“一種單軸旋轉調制微機械慣導方法”

但是現有基于微機械慣性器件的捷聯慣導系統，沒有實現一體化集成設計，體積大、重量重、功耗大，不利于實現便攜，適用性較差。

發明內容

本發明的目的旨在至少解決上述的技術缺陷之一，提出一種捷聯式微機械慣性導航系統。本發明通過采用軸向永磁電機、無線供電、無線數據傳輸的方案，減小系統硬件體積。通過單軸旋轉實現對垂直于旋轉軸方向的慣性器件零偏分量進行調制，提高慣性導航精度。

本發明提出的一種捷聯式微機械慣性導航系統，包括由上、下圓殼閉合形成收容空間的外殼，位于所述外殼表面的外部接口，以及位于所述外殼收容空間內的慣性測量單元(IMU)、轉動控制部件、無線供電和無線數據傳輸及處理模塊；IMU包括安裝工裝、三個微機械加速度計和三個微機械陀螺；其中，

所述IMU的安裝工裝呈六面臺體結構，三個微機械加速度計、三個微機械陀螺間隔安裝在該六面臺體結構側面；

所述無線供電和無線數據傳輸及處理模塊，用于給所述微機械陀螺和所述微機械加速度計供電，并對微機械加速度計和微機械陀螺的數據進行處理；

所述轉動控制部件，用于控制IMU的旋轉；

所述外部接口，用于將處理數據傳輸到外部設備，并為電源引入提供接口。

所述六面臺體結構的上、下面均為正六邊形，側面均為等腰梯形且相隔側面的法線相互垂直；所述微機械陀螺和微機械加速度計間隔安裝在該六面臺體結構的側面。

所述無線供電和無線數據傳輸及處理模塊包括均設有無線供電模塊和無線數據傳輸模塊的上、下電路板，上、下電路板還分別設有數據處理模塊和數據采集模塊；上、下電路板之間為無線供電；其中，所述下電路板與所述微機械加速度計、微機械陀螺為電氣連接，該下電路板將采集的微機械加速度計、微機械陀螺數據通過所述無線數據傳輸模塊傳輸到所述上電路板，由該上電路板進行數據處理。

所述轉動控制部件包括軸向永磁電機、測角元件和轉動控制模塊；其中，所述軸向永磁電機的轉子與所述IMU的安裝工裝固定，軸向永磁電機的定子與所述下圓殼固定且與所述上電路板為有電連接；所述測角元件的轉子與IMU的安裝工裝固定，測角元件的定子與所述下圓殼固定；所述轉動控制模塊集成在所述上電路板上。