專利名稱：一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于微機(jī)械陀螺和半導(dǎo)體微加速度計(jì)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，可以用于測量載體的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度，并可通過相應(yīng)的算法得到計(jì)算出載體的姿態(tài)和位置，特別是一種小體積、低成本的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)是一種自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。它是依靠測量載體(導(dǎo)彈、汽車、飛機(jī)等)本身的加速度和角速度來推算載體的瞬時(shí)速度、位置，以及載體的航向姿態(tài)的。所以，組成慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的慣性器件都被安裝在載體內(nèi)部，工作時(shí)不依靠任何外部信息，也不向外輻射能量。因此，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)隱蔽性好，自主性強(qiáng)、不易受到干擾、工作不受天氣條件的限制。隨著陀螺技術(shù)的發(fā)展，捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)因其相對于平臺式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有小體積、低成本的優(yōu)勢而得到迅速發(fā)展，也在航空航天、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前
旦
ο現(xiàn)代運(yùn)用越來越強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的低成本和小體積，這對慣性導(dǎo)航裝置提出了更高的要求，傳統(tǒng)的慣導(dǎo)裝置大多采用機(jī)械式慣性器件，其中平臺式慣性導(dǎo)航體積大、重量大、價(jià)格昂貴；現(xiàn)在相對成熟的機(jī)械陀螺捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航裝置，由于傳統(tǒng)機(jī)械陀螺的體積較大而不能滿足小型化要求；目前，國內(nèi)研究的激光陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置和光纖陀螺慣性導(dǎo)航裝置，也同樣存在著體積大、重量大的問題，不能滿足小型化需要。故以上傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航裝置和現(xiàn)有的激光陀螺、光纖陀螺慣性導(dǎo)航裝置不能滿足現(xiàn)代運(yùn)用對于產(chǎn)品低成本，小型化的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足和產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)一種重量輕、體積小、成本低、動態(tài)范圍大、穩(wěn)定性高的捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航裝置。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置由X軸微機(jī)械陀螺、Y軸微機(jī)械機(jī)陀螺和Z軸微機(jī)械陀螺、三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)、信號采集電路、數(shù)據(jù)處理電路組成。數(shù)據(jù)處理電路通過排針層疊固聯(lián)在信號采集電路之上，這也構(gòu)成了慣性導(dǎo)航裝置的基本機(jī)械骨架，數(shù)據(jù)處理電路通過信號線與信號采集電路的輸出端子相連。Z軸微機(jī)械陀螺固定安裝在信號采集電路上，Y軸和Z軸微機(jī)械陀螺通過排針垂直固定在信號采集電路上，三個(gè)陀螺的敏感軸相互正交，構(gòu)成了該慣性導(dǎo)航裝置的測量坐標(biāo)系。三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)固定安裝與信號采集電路。通過信號線，信號采集電路與陀螺、加速度計(jì)的輸出端子相連。所述的三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)能夠同時(shí)測量載體在X、Y、Z軸三個(gè)方向上的加速度，加速度計(jì)及其外圍電路焊接固定與信號采集電路上，通過導(dǎo)線輸出信號給信號采集電路。所述的信號采集電路主要完成對X軸微機(jī)械陀螺、Y軸微機(jī)械機(jī)陀螺和Z軸微機(jī)械陀螺以及三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)的輸出信號的采樣，采用單極輸入，增益放大處理，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，得到高精度采集數(shù)據(jù)。該電路共采集6路模擬信號，分別為三路陀螺信號、三路加速度計(jì)信號。所述的數(shù)據(jù)處理模塊主要完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制，以及的對采集的陀螺和加速度計(jì)的信號的處理和結(jié)算，從而得到導(dǎo)航信息。本發(fā)明所述的微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，采用小體積微機(jī)械陀螺和三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)作為慣性敏感元件，克服了傳統(tǒng)傳統(tǒng)陀螺慣性器件體積大，成本高的缺點(diǎn)；通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了數(shù)據(jù)處理電路和信號采集電路的層疊固聯(lián)設(shè)計(jì)思路，有效的利用了空間，進(jìn)一步減小了裝置的體積和質(zhì)量。本發(fā)明的有益效果(1)采用小體積的微機(jī)械陀螺和三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)作為慣性敏感元件，既減小了慣性導(dǎo)航裝置的體積，保證了測量精度和設(shè)計(jì)的簡潔性；⑵通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了數(shù)據(jù)處理電路和信號采集電路的層疊固聯(lián)設(shè)計(jì)思路，有效的利用了空間，進(jìn)一步減小了裝置的體積和質(zhì)量；C3)采用了三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)，有效的保證了系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的簡潔性和穩(wěn)定性；(4)采用Ti公司成產(chǎn)的M位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256作為數(shù)據(jù)采集芯片，該芯片由四階Δ- Σ調(diào)制器和一個(gè)可編程數(shù)字濾波器組成，具有高達(dá)23 比特?zé)o噪聲精度，數(shù)據(jù)采樣率最高可達(dá)30ksps (30000次采樣每秒)，可配置為8路單極輸入或4路差動輸入或單極差動混合輸入方式，正常模式下僅有38mW微功耗，易得到高精度慣性器件數(shù)據(jù)，同時(shí)保證了系統(tǒng)的低功耗控制。(4)電路中留用擴(kuò)展接口，供GPS和電子羅盤等模塊的擴(kuò)展，系統(tǒng)可升級為組合導(dǎo)航系統(tǒng)。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1是本發(fā)明的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集和處理結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的信號采集電路原理圖。圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理電路原理圖。圖中1.信號采集電路，2.鏈接排針，31. X軸微機(jī)械陀螺，32. Y軸微機(jī)械陀螺，33. Z 軸微機(jī)械陀螺，4.三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)，5.信號采集芯片，6.數(shù)據(jù)處理電路，7.數(shù)據(jù)處理
-H-· I I心片。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明為一種基于微機(jī)械陀螺和三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)的小體積捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置。以下結(jié)合

本發(fā)明體的具體實(shí)施方式
。參見圖1所示，本發(fā)明由信號采集電路1、鏈接排針2、X軸微機(jī)械陀螺31、Y軸微機(jī)械陀螺32、Z軸微機(jī)械陀螺33、三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)4、信號采集芯片5、數(shù)據(jù)處理電路 6、數(shù)據(jù)處理芯片7組成。信號采集電路1和數(shù)據(jù)處理電路6通過排針層疊固聯(lián)，組成了該捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本機(jī)械骨架。X軸微機(jī)械陀螺31固定在信號采集電路1上，Y軸微機(jī)械陀螺32和Z軸微機(jī)械陀螺33通過接插件垂直固定于信號采集電路1上，三個(gè)微機(jī)械陀螺成兩兩正交排列。數(shù)據(jù)處理芯片7固定于數(shù)據(jù)處理電路6上，三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)4和信號采集芯片5均固定于信號采集電路1上。信號采集電路通過導(dǎo)線與微機(jī)械陀螺和加速度計(jì)的輸出端子相連。參見圖2所示，本發(fā)明采集微機(jī)械陀螺、半導(dǎo)體微加速度計(jì)信號后傳給ARM處理器，在通過接口電路傳輸給其他設(shè)備。其中信號采集電路1原理圖如圖3所示，主要由信號采集芯片ADS1256及其外圍電路組成，本發(fā)明的信號采集電路主要完成對三個(gè)微機(jī)械陀螺 31、32、33和三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)4的輸出信號的采樣，增益放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，得到高精度采集數(shù)據(jù)。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用的是TI公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的ADS1256。該芯片具有四階Σ調(diào)制器和一個(gè)可編程數(shù)字濾波器組成，具有高達(dá)23比特?zé)o噪聲精度，數(shù)據(jù)采樣率最高可達(dá)30ksps (30000次采樣每秒)，可配置為8路單極輸入或4路差動輸入或單極差動混合輸入方式，正常模式下僅有38mW微功耗。該芯片具有與ARM處理器兼容的同步串行接口，可以以較小的軟件開銷實(shí)現(xiàn)與ARM處理器的無縫連接，操作簡單。圖3為數(shù)據(jù)處理電路的原理圖。本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理電路6完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADS1256的控制，以及對采集的陀螺和加速度計(jì)的信號進(jìn)行處理和結(jié)算，并將計(jì)算得到的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)通過通信模塊向?qū)Ш接?jì)算機(jī)輸出。本系統(tǒng)選用是數(shù)據(jù)處理芯片7是有ATMEL公司生產(chǎn)的32位ARM7處理器AT91SAM7S256，這是一款基于ARM7TDMI的高性能32位RISC 微控制器，集成了 Thumb擴(kuò)展指令集，完全可編程的擴(kuò)展總線接口，高達(dá)64MB的尋址空間， 64KB內(nèi)部RAM，256KB片內(nèi)flash，豐富的外設(shè)資源，包括一個(gè)USB2. 0設(shè)備。與外部的通信采用異步串行通訊，通過擴(kuò)展異步通信芯片實(shí)現(xiàn)RS232的高速串行通信。本發(fā)明說明書中未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于它由由信號采集電路(1)、鏈接排針O)、X軸微機(jī)械陀螺(31)、Y軸微機(jī)械陀螺(3 、Ζ軸微機(jī)械陀螺(33)、三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)G)、信號采集芯片(5)、數(shù)據(jù)處理電路(6)、數(shù)據(jù)處理芯片(7)組成。信號采集電路(1)和數(shù)據(jù)處理電路(6)通過排針層疊固聯(lián)，組成了該捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本機(jī)械骨架。X軸微機(jī)械陀螺(31)固定在信號采集電路(1)上，Y軸微機(jī)械陀螺(3 和Z軸微機(jī)械陀螺(3 通過接插件垂直固定于信號采集電路(1)上，三個(gè)微機(jī)械陀螺成兩兩正交排列。數(shù)據(jù)處理芯片(7)焊接與數(shù)據(jù)處理電路(6)上，三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)和信號采集芯片均焊接于信號采集電路(1)上。信號采集電路通過導(dǎo)線與微機(jī)械陀螺和加速度計(jì)的輸出端子相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了數(shù)據(jù)處理電路(6)和信號采集電路⑴的層疊固聯(lián)設(shè)計(jì)思路，有效的利用了空間，進(jìn)一步減小了裝置的體積和質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的信號采集電路(1)主要完成對三個(gè)微機(jī)械陀螺(31)、(3 、(3 和三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)(4)的輸出信號的采樣，增益放大處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，得到高精度采集數(shù)據(jù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理電路(6)完成對模數(shù)轉(zhuǎn)換器的控制，以及對采集的陀螺和加速度計(jì)的信號進(jìn)行處理和結(jié)算，并將計(jì)算得到的導(dǎo)航信息數(shù)據(jù)通過通信模塊向?qū)Ш接?jì)算機(jī)輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理電路(6)中留用擴(kuò)展電路，可以擴(kuò)展GPS，電子羅盤等導(dǎo)航模塊，供捷聯(lián)導(dǎo)航裝置系統(tǒng)升級之用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的信號采集芯片(5)采用TI公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADS1256。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理芯片(7)采用ATMEL公司生產(chǎn)的32位ARM7處理器AT91SAM7S256。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的X軸微機(jī)械陀螺(31)、Y軸微機(jī)械陀螺(32)、Z軸微機(jī)械陀螺(33)均采用小體積的微機(jī)械陀螺 AD)(RS300。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于所述的三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)(4)采用MMA7260QT。
全文摘要
一種基于微機(jī)械陀螺捷聯(lián)慣性導(dǎo)航裝置，包含三個(gè)微機(jī)械陀螺，一個(gè)三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)，信號采集芯片，信號采集電路，數(shù)據(jù)處理芯片和數(shù)據(jù)處理電路。信號采集電路和數(shù)據(jù)處理電路基本機(jī)械骨架。X軸微機(jī)械陀螺固定在信號采集電路上，Y軸微機(jī)械陀螺和Z軸微機(jī)械陀螺通過垂直固定于信號采集電路。數(shù)據(jù)處理芯片固定于數(shù)據(jù)處理電路上，三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)和信號采集芯片均固定于信號采集電路上。該裝置采用三個(gè)小體積微機(jī)械陀螺和一個(gè)三軸半導(dǎo)體微加速度計(jì)作為慣性敏感元件，既減小了慣性測量裝置體積，又保證了測量精度，降低了成本；通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效利用了空間，進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的體積和質(zhì)量。本發(fā)明具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、抗沖擊和成本低等特點(diǎn)，可應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。
文檔編號G01C21/16GK102235862SQ20101015970
公開日2011年11月9日 申請日期2010年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月23日
發(fā)明者丁俐, 丁文武, 丑武勝 申請人:北京航空航天大學(xué)