一种捷联式微机械惯性导航系统的制作方法

本发明属于惯性导航技术领域，尤其涉及一种捷联式微机械惯性导航系统。

背景技术：

现有的惯性导航系统内设陀螺仪和加速度计，依靠陀螺仪测量运载机角速度实现方向测量，加速度计测量比力实现距离测量，可以在全天候条件下，自主地、隐蔽地进行导航解算，这种同时具备自主性、隐蔽性和信息全面的独特优点是卫星导航、天文导航等导航系统无法比拟的，因此惯性导航系统是许多运载体不可缺少的导航设备。

陀螺仪是惯性导航系统的核心部件，传统的惯性导航系统通常采用激光陀螺、光纤陀螺等高精度的陀螺仪，这类陀螺精度高，但是基于这类高精度陀螺仪的惯性导航系统存在价格昂贵、体积大、功耗大等问题。在某些对体积、功耗以及成本有严格要求的领域，如单兵导航、小型舰艇等军用领域以及行人导航、小型无人机、无人汽车自动驾驶系统等民用领域，这类利用传统陀螺仪构成的惯性导航系统已不再适用。

随着惯性技术的迅速发展，微机械惯性导航系统已经成为国内外研究的热点。与传统的激光、光纤陀螺仪相比，微机械惯性器件(包括微机械陀螺仪和微机械加速度计)具有成本低、体积小、重量轻、抗冲击的优点，因此研制微机械惯性导航系统具有重要意义。另外，在惯性器件精度达到一定要求之后，采用旋转调制技术可以对惯性器件偏差进行调制，进一步提高纯惯性导航精度。

目前的旋转捷联惯性导航系统，包括安装工装、微机械加速度计和微机械陀螺的惯性测量单元(imu)，由测角元件和电机(一般采用径向永磁电机，如普通的直流力矩电机、无刷直流电机(bldc)等)构成的旋转机构，数据传输及处理模块等；其中，imu的安装工装一般采用立方体结构，微机械加速度计和微机械陀螺均布在该立方体的侧面上；惯性导航系统的旋转部分与非旋转部分(也即固定部分)的电气连接一般采用导电滑环连接或者导线直接连接，导电滑环连接增大了系统的体积，增加了系统的成本与功耗，而且导电滑环存在磨损，降低了系统的可靠性与使用寿命；而直接采用导线连接的旋转结构则需要设计机械限位机构，增加了系统体积及成本。

目前也有部分研究报告与本发明有关，例如：1、mems器件捷联惯导系统旋转调制技术，东北大学学报，2014,35(4)；2、专利申请号为201210102592.9，名称为“一种单轴旋转调制微机械惯导方法”

但是现有基于微机械惯性器件的捷联惯导系统，没有实现一体化集成设计，体积大、重量重、功耗大，不利于实现便携，适用性较差。

技术实现要素：

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一，提出一种捷联式微机械惯性导航系统。本发明通过采用轴向永磁电机、无线供电、无线数据传输的方案，减小系统硬件体积。通过单轴旋转实现对垂直于旋转轴方向的惯性器件零偏分量进行调制，提高惯性导航精度。

本发明提出的一种捷联式微机械惯性导航系统，包括由上、下圆壳闭合形成收容空间的外壳，位于所述外壳表面的外部接口，以及位于所述外壳收容空间内的惯性测量单元(imu)、转动控制部件、无线供电和无线数据传输及处理模块；imu包括安装工装、三个微机械加速度计和三个微机械陀螺；其中，

所述imu的安装工装呈六面台体结构，三个微机械加速度计、三个微机械陀螺间隔安装在该六面台体结构侧面；

所述无线供电和无线数据传输及处理模块，用于给所述微机械陀螺和所述微机械加速度计供电，并对微机械加速度计和微机械陀螺的数据进行处理；

所述转动控制部件，用于控制imu的旋转；

所述外部接口，用于将处理数据传输到外部设备，并为电源引入提供接口。

所述六面台体结构的上、下面均为正六边形，侧面均为等腰梯形且相隔侧面的法线相互垂直；所述微机械陀螺和微机械加速度计间隔安装在该六面台体结构的侧面。

所述无线供电和无线数据传输及处理模块包括均设有无线供电模块和无线数据传输模块的上、下电路板，上、下电路板还分别设有数据处理模块和数据采集模块；上、下电路板之间为无线供电；其中，所述下电路板与所述微机械加速度计、微机械陀螺为电气连接，该下电路板将采集的微机械加速度计、微机械陀螺数据通过所述无线数据传输模块传输到所述上电路板，由该上电路板进行数据处理。

所述转动控制部件包括轴向永磁电机、测角元件和转动控制模块；其中，所述轴向永磁电机的转子与所述imu的安装工装固定，轴向永磁电机的定子与所述下圆壳固定且与所述上电路板为有电连接；所述测角元件的转子与imu的安装工装固定，测角元件的定子与所述下圆壳固定；所述转动控制模块集成在所述上电路板上。

本发明的优点如下:

(1)本发明提出的捷联式微机械惯性导航系统，采用了无线供电、无线数据传输的技术方案。相对于现有技术，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了惯性导航系统的体积及成本。

(2)本发明采用轴向永磁电机带动imu旋转，imu同电机转子直接固连，实现单轴旋转。采用轴向永磁电机直驱方式具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点，同时轴向永磁电机的使用极大的降低了系统的高度，减小了系统体积。

(3)本发明将imu安装工装设计成特殊的六面台体结构，微机械加速度计和微机械陀螺交替安装在六面台体的侧面，其中安装微机械陀螺的三个侧面法线相互垂直，安装微机械加速度计的三个侧面垂线相互垂直。一方面这种六面台体结构降低了imu高度，有利于缩小系统体积；另一方面微机械陀螺或微机械加速度计的安装面法线相互垂直，可以保证惯性器件输出数据之间最简单的解算关系。

(4)本发明采用单轴旋转方案，可以调制垂直于旋转轴方向的惯性器件零偏分量，可以提高惯性导航系统的导航精度。

(5)本发明采用一体化集成设计，缩小系统体积，重量轻、功耗低，利于便携，可以在小型无人机、小型舰艇、行人导航等领域应用。

附图说明

本发明最好参考下文中的描述和附图来理解，该说明和附图用于举例说明本发明的实施例而非限制。

图1是本发明的爆炸图；

图2是本发明在上下圆壳闭合后的剖视图；

图3(a)是本发明的六面台体结构imu的俯视图，图3(b)为imu中各坐标轴系示意图；

图4是imu采用单轴正反转方案的示意图；

图5是本发明的硬件设计原理框图；

图6是未采用单轴旋转方案的姿态角误差传播图；

图7是本发明采用单轴往复连续旋转方案的姿态角误差传播图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述，参照附图。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明实施例提供的一种捷联式微机械惯性导航系统10的爆炸图如图1所示，组装后的剖面图如图2所示，该导航系统10包括：

外壳，包括上圆壳101、下圆壳102、定位安装螺钉103及外部接口111，所述上圆壳101和下圆壳102通过定位安装螺钉103固定后闭合形成一收容空间。

无线供电和无线数据传输及处理模块，包括上电路板104及下电路板105，在两块电路板104和105上均设有无线供电模块和无线数据传输模块，上电路板104和下电路板105之间为无线供电，上电路板104还包括数据处理模块，下电路板105还包括数据采集模块，下电路板105与六面台体上的微机械加速度计107和微机械陀螺108为电气连接，用于给微机械加速度计107和微机械陀螺108供电，以及采集所述微机械加速度计107和微机械陀螺108的数据并通过该下电路板105上的无线数据传输模块传输到上电路板104进行数据处理。优选地，本实施例的无线供电模块可采用idt公司的芯片idtp9035a；无线数据传输模块可采用idt公司的芯片idtp9020；数据采集模块可以由单片fpga芯片作为数据采集的核心处理器，型号可采用altera公司的ep2c35f484c6n；数据处理模块可以采用ti公司的dsp芯片，型号为tms320c6747。以上芯片仅作为备选，本发明也可采用具有同样功能的其他芯片。

惯性测量单元(imu)，该imu的安装工装呈六面台体结构，如图1所示的六面台体106，用于安装微机械加速度计107和微机械陀螺108；所述微机械加速度计107和微机械陀螺108均通过各自电路板上的三个安装孔定位在六面台体106上，所述六面台体106上下面均为正六边形，侧面均为等腰梯形且相隔侧面的法线相互垂直，如图3(a)及3(b)所示。所述微机械加速度计107和微机械陀螺108间隔安装在六面台体106的侧面，如图3(a)所示。三个微机械陀螺的敏感轴相互正交，三个微机械加速度计的敏感轴相互正交，如图3(b)所示，x0,y0,z0是三个微机械陀螺或三个微机械加速度计敏感轴的方向矢量，相互正交。优选地，本实施例的微机械陀螺为清华大学导航中心研发的硅微机械陀螺仪，微机械加速度计为colibrys公司的ms8002型微机械加速度计。

转动控制部件，包括：轴向永磁电机109、测角元件110及集成在上电路板104上的转动控制模块。所述轴向永磁电机109由电机转子和电机定子组成，电机转子与imu安装工装106固定，电机定子与下圆壳102固定、且与上电路板104为电连接。测角元件110的转子与imu安装工装106固定，用于测量imu转动的角度大小，测角元件110的定子与下圆壳102固连。该测角元件为一角度传感器，优选清华大学导航中心研制的电容式旋变角位移传感器，比常用的圆光栅等角度传感器体积小，能够实现转动角度的精确测量。所述转动控制模块集成在上电路板104，用于接收测角元件110的测角信息，并控制轴向永磁电机109的转动；轴向永磁电机在不同的应用背景和需求下，受所述转动控制模块的控制实现不同的单轴旋转模式，包括单轴连续旋转、单轴正反转、多位置转停方案等；图4所示，为采用单轴正反转的示意图，在转动控制模块的控制下，轴向永磁电机带动imu的安装工装106绕旋转轴r正向旋转一圈(即箭头1所指方向)、反向旋转一圈(即箭头2所指方向)间隔旋转。

外部接口111，用于将所述捷联式微机械惯性导航系统10的处理数据传输到外部设备，并为所述捷联式微机械惯性导航系统10的电源引入提供接口。具体地，所述上电路板104通过外部接口111直接与外部设备电气连接。

本发明的总体硬件设计原理框图如图5所示，工作过程如下：该导航系统10上电之后，轴向永磁电机109按照转动控制模块的指令带动imu旋转，同时测角元件110测量电机转子转动的角度，并反馈给转动控制模块。无线供电模块给imu的微机械陀螺108、微机械加速度计107供电及电路板105供电，电路板105的数据采集模块采集微机械陀螺108、微机械加速度计107的数据后，通过无线数据传输模块传给电路板104进行数据处理；处理后的数据及转动控制模块的数据通过外部接口传输到外部设备。

本发明提出的捷联式微机械惯性导航系统，采用了无线供电、无线数据传输的技术方案，相对于现有技术，省去了导电滑环与机械限位机构，大大减小了惯性导航系统的体积及成本。

轴向永磁电机具有反应快、灵敏度高、随动性好及结构简单等优点，imu与电机转子固定，可以实现单轴旋转调制。

本发明的imu虽然采用六面台体结构，但是x，y，z轴的定义并不受到影响，如图3(b)所示，为了解算便利，将旋转轴方向作为z轴(即方向与旋转轴r的方向相同)，在与旋转轴垂直的平面内(可以为六面台体结构的imu底面)定义x，y轴，坐标轴的选取符合右手定则。图3(b)中，x0,y0,z0是三个微机械陀螺或三个微机械加速度计敏感轴的方向矢量，微机械陀螺或微机械加速度计敏感轴与底面的夹角是θ，根据几何关系可以得到则六面台体106的侧面与底面的夹角为54.74°。

本发明六面台体结构的imu的标定过程与传统的立方体结构imu的标定过程相同，即将imu进行整体标定，但六面台体结构的imu高度低，可以进一步减小捷联式微机械惯性导航系统体积。

本发明采用单轴旋转方案，可以实现对垂直于旋转轴方向的惯性器件零偏分量的调制，提高系统导航精度。试验仿真条件：假设载体静止，载体坐标系与东北天地理坐标系重合，载体所在地理位置为北纬40°，东经120°，三个微机械陀螺在x，y，z轴的等效零偏为0.5°/h，单轴正反转的角速度为6°/s，分析在未采用旋转与采用单轴正反转方案下，捷联式微机械惯性导航系统姿态角误差的变化情况。

从图6、图7的对比中可以看出，采用单轴旋转调制使得载体的俯仰角误差和横滚角误差峰峰值减小了一个数量级，可见系统采用单轴旋转方案可以提高导航精度。

本发明采用一体化集成设计，体积小，重量轻，利于便携，并且采用单轴旋转方案提高系统导航精度，可以应用于小型无人机、小型舰艇、行人导航等领域。

本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。