專利名稱：一種輕小型慣性測量單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及基于MEMS技術(shù)的低成本微小型慣性測量單元的設(shè)計，適用于各種小型化運載體，如小飛機(jī)、小衛(wèi)星、小機(jī)器人等。
背景技術(shù)：
慣性測量單元是導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)中的一種非常重要的設(shè)備，由三只陀螺儀和三只加速度計組成，根據(jù)慣性導(dǎo)航原理的要求，三只加速度計在空間盡量靠攏、敏感軸兩兩垂直且三軸交于空間同一點，三只陀螺儀的敏感軸在空間兩兩垂直且與對應(yīng)加速度計敏感軸平行。由慣性測量單元輔以導(dǎo)航計算機(jī)組成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，依靠加速度計測量的載體加速度和陀螺儀測量的載體姿態(tài)，推導(dǎo)出載體的速度、姿態(tài)和位置，工作時不依賴外界信息，也不向外界輻射能量，不易受到干擾，這一獨特優(yōu)點，使其成為運載體，尤其是航天、航空和航海領(lǐng)域中運載體的一種廣泛使用的主要導(dǎo)航方法。
從工程角度看，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更小的器件、更小的部件、更小的結(jié)構(gòu)單元甚至更小的分系統(tǒng)，在許多方面表現(xiàn)出了非常獨特的優(yōu)勢，能使許多系統(tǒng)性能和系統(tǒng)功能大大增強(qiáng)，滿足很多特殊場合和功能的要求，以航天、航空和航海為代表的領(lǐng)域中出現(xiàn)了一大批小型化運載體，這些小型化運載體對微小型慣性測量單元的要求變得非常迫切和突出，例如小型化飛機(jī)翼展往往不足一米，有的甚至只有手掌般大，它內(nèi)部的空間和能夠承受的載荷非常有限，這就要求它們的慣性測量單元體積很小、重量很輕。
隨著微型制造技術(shù)和MEMS技術(shù)的發(fā)展，新一代微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計迅速發(fā)展起來，為微小型慣性測量單元的設(shè)計和研制提供了有力支持，現(xiàn)有的對微小型慣性測量單元的研究，主要集中在器件的選擇或研制以及電路的集成和開發(fā)上，而微小型慣性測量單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計卻還停留在傳統(tǒng)慣性測量單元的設(shè)計方法上傳統(tǒng)設(shè)計利用六塊加工精度很高的金屬板組成一個金屬六面體作為支撐架，在金屬六面體的六個金屬面上開孔或挖槽，安裝陀螺儀和加速度計；加速度計一般安裝在六面體的三個互相垂直面的中間，以保證三只加速度計敏感軸兩兩垂直且三軸交于空間同一點，陀螺儀的安裝保證三只陀螺儀的敏感軸在空間兩兩垂直且與對應(yīng)加速度計敏感軸平行。
傳統(tǒng)運載體如客機(jī)、車輛、貨船等，其載重能力很強(qiáng)、可利用空間很大，對傳統(tǒng)慣性測量單元的重量和體積沒有太大的限制，但是，微小型慣性測量單元主要應(yīng)用在承載能力很弱的小型化運載體上，例如手掌般大的小飛機(jī)、身高只有幾厘米的微小型機(jī)器人、質(zhì)量只有幾十公斤的小衛(wèi)星等，要求慣性測量單元必須具有輕重量和小體積，其所應(yīng)用的微型MEMS慣性器件外觀僅僅是一個芯片，體積一般在毫米級、重量一般不足一克，加上微型MEMS慣性器件的外圍處理電路及接插件，總重量也不過幾克到十幾克，而利用以上結(jié)構(gòu)設(shè)計方法設(shè)計出來的金屬六面體支撐架重量往往達(dá)到幾百克，占據(jù)了整個微小型慣性測量單元的主要重量和體積，嚴(yán)重制約了小型運載體進(jìn)一步小型化、輕型化的發(fā)展，這里傳統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實際要求了。
現(xiàn)有的微小型慣性測量單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計沿用了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要存在以下缺點(1)金屬六面體支架過于笨重，大大增加微小型慣性測量單元的重量，不利于突破小型化運載體承載能力有限的約束，同時也嚴(yán)重限制了小型運載體的進(jìn)一步小型化、輕型化的發(fā)展；(2)微小型慣性測量單元的體積過大，不利于突破小型化運載體內(nèi)部空間有限的約束，嚴(yán)重限制了小型運載體的進(jìn)一步輕型化的發(fā)展；(3)加速度計分布不夠集中，相互之間距離較遠(yuǎn)，增大了桿臂效應(yīng)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有微小型慣性測量單元的不足，提供一種重量輕、體積小、加速度計集中分布、結(jié)構(gòu)優(yōu)化的微小型慣性測量單元。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種輕小型慣性測量單元包括支撐架、微MEMS慣性器件板、信號處理電路板，其中支撐架為“T”形空心架，微MEMS慣性器件板分為x向慣性器件板、y向慣性器件板和z向慣性器件板三塊，x向慣性器件板安裝在“T”形空心架的x向面上，y向慣性器件板安裝在“T”形空心架的y向面上，z向慣性器件板安裝在“T”形空心架的z向面上，信號處理電路板安裝在“T”形空心架的x負(fù)向面上，其中，x向慣性器件板和信號處理電路板由同一個長螺栓固定安裝。
“T”形空心架包括輔金屬框和主金屬框兩部分，輔金屬框固連在主金屬框的中線處，兩個金屬框互相垂直成“T”形，利用優(yōu)化理論進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證足夠剛度、強(qiáng)度和硬度的同時最大限度地去除了對實現(xiàn)功能不發(fā)揮作用的金屬部分；x向面、y向面、z向面的平面度加工要求很高，此三平面兩兩互相垂直，垂直度加工要求很高，最大限度地滿足慣性器件的安裝要求。
x向慣性器件板上的加速度計置于電路板的右上角，y向慣性器件板上的加速度計置于電路板的上邊中央，z向慣性器件板上的加速度計置于電路板的右邊中央，保證了加速度計分布集中，相互之間盡量靠攏，減小了桿臂效應(yīng)的影響。
信號處理電路板中包含信號轉(zhuǎn)換芯片，一般為高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，也可以是高精度V/F轉(zhuǎn)換芯片，將MEMS陀螺儀和MEMS加速度計的模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航計算機(jī)需要的數(shù)字信號。
本發(fā)明的原理是本發(fā)明中由“T”形空心架為三個MEMS陀螺儀和三個MEMS加速度計提供三個兩兩互相垂直的安裝面，“T”形空心架由一個輔金屬框連接在一個主金屬框的中線處組成，這樣，“T”形空心架的主金屬框右面、輔金屬框左面和輔金屬框右面，可以作為電路板的安裝面，但是，輔金屬框的左右兩個平面互相平行，只能取一個作為慣性器件板安裝面，為了滿足微小型慣性測量單元需要三個兩兩互相垂直安裝面的要求，根據(jù)三點確定一個平面的原理，取輔金屬框的頂端和主金屬框的頂端共同構(gòu)成第三個安裝平面。x向、y向、z向慣性器件板就分別安裝在這三個兩兩互相垂直的安裝面上，滿足慣性測量單元對慣性器件在空間分布結(jié)構(gòu)的要求。輔金屬框另一個平面可以安裝信號處理電路板，由于信號處理電路板沒有空間的方位安裝精度要求，所以可以根據(jù)要求在輔金屬框上安裝一塊或者多塊信號處理板。
根據(jù)安裝電路板的重量和大小，確定“T”形空心架所受的施加力和所受的尺寸約束，優(yōu)化各個參數(shù)，保證其足夠剛度、強(qiáng)度和硬度的同時最大限度地減少其尺寸、降低其重量。
x向、y向、z向慣性器件板分別是x向、y向、z向微型MEMS陀螺儀和加速度計的處理電路板，每個慣性器件板包括一個微型MEMS陀螺儀、一個微型MEMS加速度計、運算放大器、接插件和若干電阻、電容；其中加速度計的放置位置經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，x向慣性器件板上的加速度計置于電路板的右上角，y向慣性器件板上的加速度計置于電路板的上邊中央，z向慣性器件板上的加速度計置于電路板的右邊中央，從而保證了加速度計分布集中，相互之間盡量靠攏，減小了桿臂效應(yīng)的影響。
信號處理電路板把微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計模擬輸出信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航計算機(jī)需要的數(shù)字輸入信號，根據(jù)需要的數(shù)據(jù)精度、轉(zhuǎn)換速度、電路復(fù)雜程度等選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片或者V/F轉(zhuǎn)換芯片。如果出于功能、接口、可靠性等方面的考慮，要求的信號處理電路過于復(fù)雜，而使得信號處理電路板尺寸太大，超過了“T”形空心架輔金屬框前后面面積范圍，可以由兩塊或多塊較簡單的電路板組合，用同一個螺栓配合多個螺母串在一起，聯(lián)合實現(xiàn)全部信號轉(zhuǎn)換功能，安裝在“T”形空心架上，相對于一塊大面積電路板，小面積電路板組可以使結(jié)構(gòu)緊湊，減少微小型慣性測量單元的體積。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于本發(fā)明多角度、多方面優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計，與現(xiàn)有的微小型慣性測量單元結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，主要有以下優(yōu)點(1)采用由兩個金屬框構(gòu)成的“T”形空心架作為支撐，為微型MEMS慣性器件提供三個兩兩互相垂直的安裝面，較現(xiàn)有由六塊金屬板構(gòu)成支撐的微小型慣性測量單元而言，本發(fā)明的重量可以減輕一個數(shù)量級左右；(2)利用“T”形空心架的結(jié)構(gòu)特點，安裝微型MEMS慣性器件，充分利用了空間，較現(xiàn)有微小型慣性測量單元而言，可以大大減少本發(fā)明的體積；(3)對慣性器件板上的微型MEMS加速度計合理安排分布位置，使加速度計分布集中，相互之間盡量靠攏，減小了桿臂效應(yīng)的影響；(4)將微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計進(jìn)行結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，共用一塊電路板作為外圍處理電路，節(jié)省了一套電路板和接插件，間接的節(jié)省了空間和體積。


圖1為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)的右前俯視圖以及坐標(biāo)系方向的規(guī)定；圖2為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)右后俯視圖及其對應(yīng)坐標(biāo)系的方向；圖3為本發(fā)明x向慣性器件板的主、左、右前俯及俯視圖，其中圖3a為主視圖，圖3b為左視圖，3c為右前俯視圖，3d為俯視圖；圖4為本發(fā)明y向慣性器件板的右、主、右前俯、俯、及左前俯視圖；，其中圖4a為右視圖，圖4b為主視圖，4c為右前俯視圖，4d為俯視圖，4e為左前俯視圖；圖5為本發(fā)明z向慣性器件板的右前仰、主、左、右前俯及俯視圖，其中圖5a為主視圖，圖5b為左視圖，5c為俯視圖，5d為左前俯視圖，5e為左前仰視圖；
圖6為本發(fā)明信號處理電路的主、左、俯及左前俯視圖，其中圖6a為主視圖，圖6b為左視圖，6c為俯視圖，6d為左前俯視圖；圖7為本發(fā)明“T”形空心架的右、主、左、左前仰、俯及左前俯視圖，其中圖7a為右視圖，圖7b為主視圖，7c為左視圖，7d為左前仰視圖，7e俯視圖，7f為左前俯視圖；圖8為本發(fā)明x向慣性器件板的安裝示意圖；圖9為本發(fā)明y向慣性器件板的安裝示意圖；圖10為本發(fā)明z向慣性器件板的安裝示意圖；圖11為本發(fā)明信號處理電路板的安裝示意圖；圖12為本發(fā)明有多塊信號處理板時的右后俯視圖。
上述各圖中1、x向慣性器件板，2、y向慣性器件板，3、z向慣性器件，4、信號處理電路板，5、“T”形空心架，6、主金屬框，7、輔金屬框，8、x向微MEMS加速度計，9、y向微MEMS加速度計，10、z向微MEMS加速度計，11、微MEMS陀螺儀，12、運算放大器，13、標(biāo)準(zhǔn)接插件，14、信號轉(zhuǎn)換芯片。
具體實施例方式
本發(fā)明實施例選用的微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計，其敏感軸均垂直于器件的安裝平面。如圖1所示，左圖為本發(fā)明典型實施例的整體結(jié)構(gòu)圖，按圖中所示的微小型慣性測量單元方向，規(guī)定各坐標(biāo)系軸向如右圖所示，規(guī)定x軸正向為前、x軸負(fù)向為后、y軸正向為右、y軸負(fù)向為左、z軸正向為上、z軸負(fù)向為下；同時，如圖7所示，規(guī)定“T”形空心架5右端與y軸垂直的金屬框為主金屬框6，“T”形空心架左邊與x軸垂直的金屬框為輔金屬框7。如圖1所示，x向慣性器件板1安裝在“T”形空心架5中輔金屬框7的前平面上，即安裝在“T”形空心架的x向面上，y向慣性器件板2安裝在“T”形空心架5中主金屬框6右平面上，即安裝在“T”形空心架的y向面上，z向慣性器件板3安裝于由“T”形空心架5中主金屬框6和輔金屬框7的兩個窄長形端面共同組成的“T”形上平面，即安裝在“T”形空心架的z向面上。如圖2所示，信號處理板4安裝在“T”形空心架5中輔金屬框7的后平面上，即安裝在“T”形空心架的x負(fù)向面上。
如圖3所示，為x向慣性器件板1，它是x向微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計的處理電路板，包括一個x向微型MEMS加速度計8、一個微型MEMS陀螺儀11、運算放大器12、接插件13和若干電阻、電容，其中x向加速度計8置于x向慣性器件板1的右上角。
如圖4所示為y向慣性器件板2，它是y向微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計的處理電路板，包括一個y向微型M EMS加速度計9、一個微型MEMS陀螺儀11、運算放大器12、接插件13和若干電阻、電容，其中y向加速度計9置于y向慣性器件板2的上邊中央。
如圖5所示為z向慣性器件板3，它是z向微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計的處理電路板，包括一個z向微型MEMS加速度計10、一個微型MEMS陀螺儀11、運算放大器12、接插件13和若干電阻、電容，其中z向加速度計10置于z向慣性器件板3的右邊中央。
如圖6所示為信號處理電路板4，它包括信號轉(zhuǎn)換芯片14、接插件13和若干電阻、電容，其中信號轉(zhuǎn)換芯片14一般為A/D轉(zhuǎn)換芯片，也可以是V/F轉(zhuǎn)換芯片。信號處理電路板把微型MEMS陀螺儀和微型MEMS加速度計輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為導(dǎo)航計算機(jī)需要的數(shù)字輸入信號，根據(jù)需要的數(shù)據(jù)精度、轉(zhuǎn)換速度、電路復(fù)雜程度等合理選擇A/D轉(zhuǎn)換芯片或者V/F轉(zhuǎn)換芯片。
如圖7所示為“T”形空心架5，包括輔金屬框7和主金屬框6兩部分，輔金屬框7固連在主金屬框6的中線處，兩個金屬框互相垂直成“T”形。取輔金屬框7的前平面，作為x向安裝平面，安裝x向慣性器件板1；取主金屬框6的右平面作為y向安裝平面，安裝y向慣性器件板2；為了滿足微小型慣性測量單元需要三個兩兩互相垂直安裝面的要求，將主金屬框和輔金屬框的頂面處理成如圖中所示的上表面，作為z向安裝平面，安裝z向慣性器件板3。
在輔金屬框7的后平面上安裝信號處理電路板4。
根據(jù)安裝電路板的重量和大小，確定“T”形空心架5所受的施加力和尺寸約束，在保證具有足夠的剛度、強(qiáng)度和硬度條件下，優(yōu)化“T”形空心架5，選擇合適的參數(shù)，最大限度地減少尺寸、降低重量，使其滿足實際工作環(huán)境的要求?！癟”形空心架5采用低密度、高強(qiáng)度的材料，如鋁合金、或鈦合金制成。
如圖8所示，為x向慣性器件板1安裝在“T”形空心架5中輔金屬框7前平面上的情況，電路板上開有三個安裝孔，安裝時，x向加速度計8向里靠近“T”形空心架y向面與z向面的交線。
如圖9所示，為y向慣性器件板2安裝在“T”形空心架5中主金屬框6右平面上的情況，電路板上開有四個安裝孔，安裝時，y向加速度計9向上靠近“T”形空心架y向面與z向面的交線。
如圖10所示，為z向慣性器件板3安裝在“T”形空心架5中z向平面上的情況，電路板上開有三個安裝孔如圖所示，安裝時，z向加速度計10向右靠近“T”形空心架y向面與z向面的交線。
如圖8、圖9、圖10所示，在慣性測量單元中，三只加速度計8～10的敏感軸兩兩垂直且三軸需要交于空間同一點。
如圖11所示，為信號處理板4安裝在“T”形空心架5中輔金屬框7的后平面上的情況，電路板上開有三個安裝孔，安裝時精度與方位不作要求。
如果出于功能、接口、可靠性等方面的考慮，要求的信號處理電路過于復(fù)雜，而使得信號處理電路板尺寸太大，超過了“T”形空心架輔金屬框中正方形的面積范圍，可以由兩塊或多塊較簡單的電路板組合，用同一個螺栓配合多個螺母串在一起，聯(lián)合實現(xiàn)全部信號轉(zhuǎn)換功能，安裝在“T”形空心架上，相對于一塊大面積電路板，小面積電路板組可以使結(jié)構(gòu)緊湊，減少微小型慣性測量單元的體積；例如，可以如圖12所示，由三塊較簡單的電路板組合，聯(lián)合實現(xiàn)信號處理電路板4的功能，用同一套螺栓配合多個螺母串在一起，信號處理電路板安裝孔兩邊均有螺母緊固，安裝在“T”形空心架上，可以使結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少微小型慣性測量單元的體積，此時如果其他電路板上的接插件與信號電路板干涉，可以改變插針方向，也可以換為小接插件，還可以換為焊線連接。
本發(fā)明可以作為一種通用的微小型慣性測量單元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計形式，應(yīng)用者可以根據(jù)其特殊的微慣性器件的特點，通過修改尺寸或局部結(jié)構(gòu)來靈活方便地實現(xiàn)其功能。
權(quán)利要求
1.一種輕小型慣性測量單元，包括支撐架、慣性器件板、信號處理電路板，其特征在于支撐架為“T”形空心架(5)，慣性器件板包括x向慣性器件板(1)、y向慣性器件板(2)和z向慣性器件板(3)，x向慣性器件板(1)安裝在“T”形空心架(5)的x向面上，y向慣性器件板(2)安裝在“T”形空心架(5)的y向面上，z向慣性器件板(3)安裝在“T”形空心架(5)的z向面上，信號處理電路板(4)安裝在“T”形空心架(5)的x負(fù)向面上，其中，x向慣性器件板(1)和信號處理電路板(4)由同一個長螺栓固定安裝。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的“T”形空心架(5)包括主金屬框(6)和輔金屬框(7)兩部分，輔金屬框(7)固連在主金屬框(6)的中線處，兩個金屬框互相垂直成“T”形，在輔金屬框(7)的前平面上安裝x向慣性器件板(1)，在主金屬框(6)的右平面上安裝y向慣性器件板(2)，在由主金屬框(6)的頂端和輔金屬框(7)的頂端共同確定的平面上安裝z向慣性器件板(3)，在輔金屬框(7)的后平面上安裝信號處理板(4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的“T”形空心架(5)采用低密度、高強(qiáng)度材料的鋁合金、或鈦合金制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的x向慣性器件板(1)上的x向加速度計(8)置于電路板的右上角，所述的y向慣性器件板(2)上的y向加速度計(9)置于電路板的上邊中央，所述的z向慣性器件板(3)上的z向加速度計(10)置于電路板的右邊中央，使得三個加速度計(8～10)敏感軸兩兩垂直且交于空間同一點，同時分布盡量集中，減少桿臂效應(yīng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的信號處理電路板(4)包括接插件(13)和信號轉(zhuǎn)換芯片(14)及其外圍電路，信號處理電路板(4)可以是一塊復(fù)雜的電路板實現(xiàn)全部信號轉(zhuǎn)換功能，還可以是兩塊或多塊較簡單的電路板，用同一個螺栓配合多個螺母串在一起，聯(lián)合實現(xiàn)全部信號轉(zhuǎn)換功能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的慣性器件板上均有微型陀螺儀芯片、微型加速度計芯片和接插件，其中接插件(13)的插針方向，可以朝向“T”形空心架(5)的內(nèi)部，也可以朝向“T”形空心架(5)的外部，接插件(13)還可以由軟導(dǎo)線代替，實現(xiàn)信號傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種輕小型慣性測量單元，其特征在于所述的輔金屬框(7)連接在主金屬框(6)上，可以是輔金屬框(7)連接在主金屬框(6)的中線處，構(gòu)成正“T”形空心架，也可以是輔金屬框(7)偏向主金屬框(6)的一側(cè)，構(gòu)成側(cè)“T”形空心架。
全文摘要
一種輕小型慣性測量單元，采用微型MEMS慣性器件，配合必要元器件構(gòu)成x向、y向、z向三塊慣性器件板，由信號處理電路板進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換，所有電路板安裝在“T”形空心架上；三個慣性器件板上的微型加速度計分布各不相同，相互距離在空間減少到最大程度，信號處理電路合理安裝，不會增大微小型慣性測量單元的體積；本發(fā)明充分利用了空間、減少了質(zhì)量、縮小了體積、減少了桿臂效應(yīng)；本發(fā)明適用于運載體速度、位置、姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)的測量，尤其適用于各種小型化運載體如微小型飛行器、納型衛(wèi)星、微小型機(jī)器人等。
文檔編號G01C21/18GK1821717SQ20061001156
公開日2006年8月23日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者房建成, 張海鵬, 張延順, 孫宏偉, 李建利, 陳曉光 申請人:北京航空航天大學(xué)