專利名稱：基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于九個單軸加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的敏感單元的結構與原理，特別是一種可用于獲取六維加速度的九個單軸加速度敏感單元的布局結構及對應的六維加速度求解方法。

背景技術：
加速度傳感是一種重要的慣性測量，被廣泛應用于工業(yè)自動化控制、交通運輸監(jiān)測、地震預測、機器人控制、導航制導、武器技術、攝影攝像設備等領域。傳統(tǒng)的加速度傳感器主要用于獲取小姿態(tài)變化情況下被測載體的單軸加速度信息，為了準確獲取被測運動載體的位置、姿態(tài)以及運動趨勢等信息，必須對被測載體沿空間正交軸的三維線加速度和三維角加速度進行測量，因此多維加速度傳感理論與技術是近年來的一個研究熱點。
實現(xiàn)多維加速度傳感有三種方式 一種是利用微機電系統(tǒng)(Micro Electronic Mechanical System，MEMS)技術開發(fā)基于電容式、壓阻式、壓電式和諧振式原理的多軸硅微機械加速度傳感器。在一塊基片上集成多個單軸加速度敏感單元和微陀螺單元，甚至包括相應的信號處理電路。由于結構和原理方面的限制，從目前硅微機械加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀來看，開發(fā)三軸以上的硅微加速度傳感器成本較高、難以實現(xiàn)，而微陀螺由于受到微尺度下的原理限制難以實現(xiàn)高靈敏度的角速度測量，仍處于研究階段。
另一種是采用一些新的原理和分析方法設計的基于單一慣性質量的多維加速度傳感器，如靜電懸浮、超導和彈性膜片應變實現(xiàn)多維加速度的測量。Josselin等人在采用靜電懸浮的原理實現(xiàn)加速度傳感方面做了較具有開拓性的工作(Sensors and Actuators，Vol 78，92-98，1999)，唐富榮與薛大同也采用靜電懸浮原理分別設計了三軸與六軸加速度傳感器(傳感技術學報，Vol 15，287-292，2002)。靜電懸浮式加速度傳感器是通過測量電容的變化來測量加速度的，具有測量精度高的優(yōu)點，但是容易發(fā)生高壓擊穿，不能承受較大的加速度輸入，因此測量的量程小，頻帶窄，只適用于特殊環(huán)境中的加速度測量(如空間微重力環(huán)境等)。通過有限元分析方法研究特定結構的應變材料不同位置上的應變，可以進行多維加速度傳感器的設計。但該方法的求解原理相對復雜，相關的研究工作在進一步的深入中。
第三種方式是通過復合固定在被測載體上的多個單軸加速度敏感單元的信號，得到被測載體的三維的角加速度和三維的線加速度，該思路的提出源于無陀螺捷聯(lián)慣性導航技術的研究。由于單軸加速度敏感單元的輸出方程中包含被測載體六維加速度的成分，從理論上講通過合理配置至少六個單軸加速度敏感單元在一剛體基座上的位置和姿態(tài)，利用其輸出構成的方程組即可求解得到剛體基座的六維加速度。根據(jù)該原理，將多個單軸加速度敏感單元按照特定的布局結構固定在一起構成敏感單元，可以實現(xiàn)對被測載體的六維加速度測量。目前關于六維加速度敏感單元的布局結構有多種方案，但均無法避免在求解加速度過程中出現(xiàn)積分環(huán)節(jié)。如專利《一種六軸加速度傳感器的敏感元件的布局方法》(專利號2006100950283)給出了一種基于六個單軸加速度敏感單元實現(xiàn)六軸加速度傳感器的敏感單元布局方法，該方法能夠有效獲取六維加速度，但是其角加速度的求解過程中涉及到了積分環(huán)節(jié)，會引起一定誤差。
綜上所述，各種不同形式的六維加速度傳感方式均處于研究階段，其中通過多個單軸加速度敏感單元輸出信號復合的方式較為易于實現(xiàn)，且由于單軸加速度敏感單元的微型化技術已經(jīng)成熟，因此有利于采用MEMS工藝進行微型化。但其關鍵問題在于目前所出現(xiàn)的布局結構均存在積分環(huán)節(jié)，不能滿足高精度六維加速度求解的要求。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種采用九個單軸加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的敏感單元的布局方法，從而構成一種六軸加速度傳感器，實現(xiàn)被測載體六維加速度信息的獲取，包括三個直線運動加速度和與之對應的三個角加速度。
本發(fā)明的技術方案如下 本發(fā)明中所述六軸加速度傳感器的敏感單元布局方法，采用至少九個單軸加速度敏感單元按照特定的位置姿態(tài)固定在剛體基座、剛體框架或被測載體上構成。單軸加速度敏感單元可以是單軸加速度傳感器，也可以是構成單軸加速度傳感器的敏感元件，其作用是感受在其所在位置處沿其敏感軸線的加速度。其中三對分別沿三個正交軸線布置，且其敏感軸線與所在的正交軸線重合；其余三個分別布置在三個正交軸兩兩之間的中線上，且其敏感軸線在其所在中線對應的兩正交軸構成的平面上，與其所在中線垂直。
本發(fā)明具有下述優(yōu)點 1.本發(fā)明中的敏感元件的布局結構采用九個單軸加速度敏感單元構成，可以通過對其輸出的線性解算得到被測載體包括三個正交的線加速度和對應的三個角加速度的六維加速度信息。相比存在積分環(huán)節(jié)的六軸加速度傳感器的敏感元件的布局方法而言，其角加速度求解精度更高。
2.可以從九個單軸敏感單元的輸出方程直接解算出被測載體的三維角速度信息。
3.對制造的工藝要求低，可降低生產(chǎn)成本。只需保證各單軸敏感單元的敏感質心在對應直線方向上，除避免相互不出現(xiàn)空間干涉外對位置無特別要求。
4.易于實現(xiàn)。各單軸加速度敏感單元布置的姿態(tài)為沿正交軸向，或在兩正交軸構成的平面上與正交軸成45度角。



圖1(a)為本發(fā)明中布局結構的立體圖。
圖1(b)為本發(fā)明中布局結構的主視圖(Oayaza平面投影視圖)。
圖1(c)為本發(fā)明中布局結構的左視圖(Oaxaza平面投影視圖)。
圖1(d)為本發(fā)明中布局結構的俯視圖(Oaxaya平面投影視圖)。
圖2為本發(fā)明的一種具體實施例，即一種三棱錐形的結構布局示意圖。
圖3為本發(fā)明的另一種具體實施例，即一種立方體的結構布局示意圖。

具體實施例方式 以下結合實施例和附圖具體說明本發(fā)明的結構 圖1所示為本發(fā)明中涉及的布局結構的基本形式。如圖1所示，坐標系Oaxayaza為一正交的右手系，第一、第二個單軸加速度敏感單元1、2沿xa軸正向布置，它們的敏感軸線與xa軸重合、方向一致；第三、第四個單軸加速度敏感單元3、4沿ya軸正向布置，它們的敏感軸線與ya軸重合、方向一致；第五、第六個單軸加速度敏感單元5、6沿za軸正向布置，它們的敏感軸線與za軸重合、方向一致，第七個單軸加速度敏感單元7位于Oaxaya平面上xa軸和ya軸的中線上(與xa軸夾角α·π/4(α＝1或-1))，敏感軸線在Oaxaya平面上與Oa到7的敏感質心連線垂直、指向xa軸。第八個單軸加速度敏感單元8位于Oayaza平面上ya軸和za軸的中線上(與ya軸夾角β·π/4(β＝1或-1))，敏感軸線在Oayaza平面上與Oa到8的敏感質心連線垂直、指向ya軸。第九個單軸加速度敏感單元9位于Oazaxa平面上軸za和xa軸的中線上(與za軸夾角γ·π/4(γ＝1或-1))，敏感軸線在Oazaxa平面上與Oa到9的敏感質心連線垂直、指向za軸。第一至九個單軸加速度敏感單元1-9到Oa的距離分別為l1，l2，…l9，在保證各單軸加速度敏感單元不產(chǎn)生空間干涉的前提下可以任意取值，包括負值。
因此，第一至九個單軸加速度敏感單元1-9的敏感質心在Oaxayaza下的坐標可以用位置矩陣Ua表示為 其中ua1，ua2，ua3，…，ua9分別為第一到九個單軸加速度敏感單元的位置向量在Oaxayaza下的坐標。
第一至九單軸加速度敏感單元1-9的敏感軸向向量在Oaxayaza下的坐標可以用姿態(tài)矩陣Ja表示為 其中θa1，θa2，θa3，…，θa9分別為第一到九個單軸加速度敏感單元的敏感軸向向量在Oaxayaza下的坐標。
根據(jù)六軸加速度傳感器的求解原理，可以通過下式得到Oaxayaza在慣性坐標系下三維角加速度、三維線加速度和角速度平方項在Oaxayaza下的坐標表示。
其中，

為三維的角加速度，[Lx，Ly，Lz]T為三維的線加速度，

為三維的角速度平方項。[A1，A2，…，A9]T為九個單軸加速度敏感單元所測得的加速度。
此外，該結構中各單軸加速度敏感單元均可反向布置。當反向布置時，只需在(3)中該敏感單元對應的加速度輸出項前乘以-1即可，而不影響六維加速度和角速度的求解。
根據(jù)l1，l2，…l9和α，β，γ取值的不同，本發(fā)明涉及的布局結構可以有多種變形，將其代入(1)和(2)中即可得到對應的位置、姿態(tài)矩陣。
如圖2所示為一種三棱錐形的結構布局方案。第一、三和五個單軸加速度敏感單元1、3、5分別沿正交右手系Obxbybzb的xb，yb，zb軸線固定在離原點2d處，其敏感軸線與對應的坐標系軸線重合、方向相反。第二、四和六個單軸加速度敏感單元2、4、6分別沿xb，yb，zb軸線固定在離原點d處，其敏感軸線與對應的坐標系軸線重合、方向一致。第七、八、九個單軸加速度敏感單元7、8、9分別布置在單軸加速度敏感單元1、3的連線、3、5的連線和5、1的連線的中點，且敏感軸線與對應連線方向一致。顯然此構型相當于基本構型取值l1＝l2＝…＝l6＝2d、l7＝l8＝l9＝d、α＝β＝γ＝1的情況，其對應的位置和姿態(tài)矩陣Ub和Jb在Obxbybzb下的坐標表示分別為 圖3為本發(fā)明涉及的結構布局的另一種結構變形。該布局基于一種立方體的結構，坐標系的原點Oc定義在邊長為e立方體ABCDEFGH的中心，xc，yc，zc軸分別垂直于面ABCD、EADH和HDCG。第一到五個單軸加速度敏感單元1、2、3、4、5分別固定在面ABCD、FEHG、EADH、BFGC和HDCG的中心，其敏感軸線分別垂直對應的表面向外；第六個單軸加速度敏感單元6固定在原點Oc處，敏感軸向沿zc軸反方向；第七、八和九個單軸加速度敏感單元7、8和9分別布置在邊EH、CG和CD的中點，敏感軸線分別位于面Ocxcyc、Ocyczc和Oczcxc上且與其敏感質心到Oc的連線分別垂直。此構型相當于基本構型取值l1＝l3＝l5＝l9＝e、l2＝l4＝l7＝l8＝-e、l6＝0、α＝β＝-1、γ＝1的情況，其對應的位置和姿態(tài)矩陣Uc和Jc在Ocxcyczc下的坐標表示分別為
權利要求
1、一種基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，采用至少九個單軸加速度敏感單元按照一定的空間相互關系布置在一起構成，其特征在于其中六個單軸加速度敏感單元分為三組分別沿坐標系的三個正交軸向布置，其各自的敏感質心位于對應正交軸上、敏感軸向與其所在正交軸軸向一致；另外三個單軸加速度敏感單元的敏感質心分別位于三個正交軸兩兩之間的中線上，敏感軸線在各自對應兩正交軸構成的平面上，與所在的中線垂直。在各單軸加速度敏感單元不發(fā)生空間干涉的前提下敏感質心到原點距離可以任意選擇。
2、根據(jù)權利要求1所述的基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，其特征在于所述單軸加速度敏感單元是單軸的加速度傳感器，或者是構成單軸加速度傳感器的敏感元件。
3、根據(jù)權利要求1或2所述的基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，其特征在于各單軸加速度敏感單元安裝方式采用正向安裝或反向安裝，即各單軸加速度敏感單元的敏感軸向與對應的坐標系軸線方向一致或相反。
4、根據(jù)權利要求3所述的基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，其特征在于在所述九個單軸加速度敏感單元外，可以在其他任意位置增加額外的單軸加速度敏感單元作為冗余。
5、根據(jù)權利要求4所述的基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，其特征在于所述單軸加速度敏感單元安裝在剛體基座或剛體框架上，整體構成的一個六軸加速度傳感器。
6、根據(jù)權利要求4所述的基于九加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的布局方法，其特征在于所述單軸加速度敏感單元安裝在被測載體上，與被測載體組合構成六軸加速度傳感器。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種可用于獲取六維加速度的基于九個單軸加速度敏感單元的六軸加速度傳感器的敏感單元布局結構及其相應的六維加速度求解方法。該結構由至少九個單軸加速度敏感單元構成，其中三對分別沿三個正交軸向布置，且各自敏感軸線與所在的正交軸線重合，其余三個分別布置在三個正交軸兩兩之間的中線上，且其敏感軸線在對應兩正交軸構成的平面上與所在中線垂直。利用該結構，通過對各單軸加速度敏感單元輸出的線性疊加，可以在避免積分的情況下獲取被測載體六維加速度信息，包括三個直線運動加速度和與之相應的三個角加速度，同時還可以獲得三維角速度。
文檔編號G01P15/18GK101464472SQ20081023702
公開日2009年6月24日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權日2008年12月31日
發(fā)明者王代華, 剛 袁 申請人:重慶大學