高精度mems陀螺儀裝置及慣性導(dǎo)航裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高精度MEMS陀螺儀裝置，包括MEMS陀螺儀，用于獲得慣性導(dǎo)航裝置的角速度信號(hào)；高精度A/D模塊，用于對(duì)所述MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；處理器平臺(tái)，用于采用卡爾曼濾波算法對(duì)所述高精度A/D模塊采樣輸出的信號(hào)進(jìn)行處理得到角度信息并輸出。本發(fā)明同時(shí)還公開(kāi)了一種慣性導(dǎo)航裝置。本發(fā)明提高了MEMS陀螺儀的輸出角度信息的精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】高精度MEMS陀螺儀裝置及慣性導(dǎo)航裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及慣性導(dǎo)航定位領(lǐng)域，尤其涉及一種高精度MEMS陀螺儀裝置及慣性導(dǎo) 航裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)慣性傳感器是慣性導(dǎo)航領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用的一種傳感器，其具 有體積小、重量輕、低成本、大量程以及高可靠性等優(yōu)勢(shì)。MEMS陀螺儀被廣泛地應(yīng)用在移動(dòng) 機(jī)器人、汽車(chē)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)產(chǎn)品以及航天航海等領(lǐng)域。MEMS陀螺儀是利用Coriolis定理將旋 轉(zhuǎn)物體的角速度轉(zhuǎn)換成與其成一定比例的電壓信號(hào)，通過(guò)ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后經(jīng)過(guò)數(shù) 字積分處理獲得慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的角度。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的MEMS陀螺儀普遍存在著精度低、 噪聲大等缺點(diǎn)，無(wú)法滿(mǎn)足高精度系統(tǒng)的需求，影響其精度的因素主要是零漂點(diǎn)不穩(wěn)定，因此 需要采取必要的措施來(lái)提高M(jìn)EMS陀螺儀零漂點(diǎn)的穩(wěn)定性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的上述不足，提供一種高精度的MEMS 陀螺儀裝置及慣性導(dǎo)航裝置，其使得MEMS陀螺儀零漂點(diǎn)穩(wěn)定性好，陀螺儀輸出角度信息的 精度大大提1?。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種高精度MEMS陀螺儀裝 置，包括MEMS陀螺儀，用于獲得慣性導(dǎo)航裝置的角速度信號(hào)；高精度A/D模塊，用于對(duì)所述 MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；處理器平臺(tái)，用于采用卡爾曼濾波算法對(duì)所述高精 度A/D模塊采樣輸出的信號(hào)進(jìn)行處理得到角度信息并輸出。
[0005] 本發(fā)明對(duì)陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算處理，可以有效的抑制陀螺儀的 零點(diǎn)漂移，經(jīng)過(guò)上述處理之后得到低零漂高精度的零點(diǎn)輸出，提高了 MEMS陀螺儀的輸出角 度信息的精度。
[0006] 在一個(gè)示例中，該裝置還包括電源模塊，所述電源模塊為該裝置各單元提供穩(wěn)定 的8~24V直流電壓。
[0007] 在一個(gè)示例中，所述高精度A/D模塊為16位高精度A/D模塊。
[0008] 在一個(gè)示例中，該裝置還包括通信接口，與所述處理器平臺(tái)連接，用于輸出所述角 度信息。優(yōu)選串口通信接口，如RS232接口。
[0009] 在一個(gè)示例中，所述處理器平臺(tái)由STM32微處理器構(gòu)成。
[0010] 在一個(gè)示例中，所述MEMS陀螺儀采用單軸MEMS陀螺儀。
[0011] 優(yōu)選的，該裝置還包括外殼；所述MEMS陀螺儀、高精度A/D模塊集成在底層電路板 上，所述電源模塊、通信接口、STM32處理器平臺(tái)集成在頂層電路板上，所述底層電路板的高 精度A/D模塊和頂層電路板的STM32處理器平臺(tái)之間通過(guò)SPI通信協(xié)議交互數(shù)據(jù)，所述底 層電路板和頂層電路板電用所述外殼封裝起來(lái)，所外殼上分別設(shè)有與所述通信接口和電源 模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)口和電源接口。 進(jìn)一步的，所述外殼為鋁合金外殼。
[0012] 本發(fā)明還提供一種慣性導(dǎo)航裝置，包括上述各個(gè)示例之一的高精度MEMS陀螺儀 裝直。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明通過(guò)高精度的A/D模塊對(duì)MEMS陀螺 儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后將采集的數(shù)據(jù)傳給處理器平臺(tái)，由處理器平臺(tái)對(duì)陀螺儀 的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算處理，可以有效的抑制陀螺儀的零點(diǎn)漂移，經(jīng)過(guò)上述處理 之后得到低零漂高精度的零點(diǎn)輸出，抑制零點(diǎn)漂移對(duì)其精度的影響，提高了 MEMS陀螺儀的 輸出角度信息的精度。
[0014]

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】： 圖1為高精度MEMS陀螺儀裝置的電路框圖； 圖2為高精度MEMS陀螺儀裝置封裝示意圖； 圖3為圖2中的底層電路板結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為圖2中的頂層電路板結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5高精度MEMS陀螺儀的信號(hào)處理流程圖； 附圖標(biāo)記：1、上殼體，2、下殼體，3、MEMS陀螺儀，4、A/D模塊，5、底層電路板，6、串口通 信模塊，7、STM32處理器平臺(tái)，8、電源模塊，9、頂層電路板。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明 上述主題的范圍僅限于以下的實(shí)施例，凡基于本
【發(fā)明內(nèi)容】
所實(shí)現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范 圍。
[0016] 參看圖1，本發(fā)明高精度MEMS陀螺儀裝置包括MEMS陀螺儀，用于獲得慣性導(dǎo)航裝 置的角速度信號(hào)；高精度A/D模塊，用于對(duì)所述MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；處 理器平臺(tái)，用于采用卡爾曼濾波算法對(duì)所述高精度A/D模塊采樣輸出的信號(hào)進(jìn)行處理得到 角度信息并輸出。本發(fā)明對(duì)陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算處理，可以有效的抑制 陀螺儀的零點(diǎn)漂移，經(jīng)過(guò)上述處理之后得到低零漂高精度的零點(diǎn)輸出，提高了 MEMS陀螺儀 的輸出角度信息的精度。
[0017] 下面結(jié)合附圖具體說(shuō)明，本發(fā)明實(shí)施例示出的高精度MEMS陀螺儀裝置主要由以 下單元組成：MEMS陀螺儀，本實(shí)施例中MEMS陀螺儀優(yōu)選采用單軸MEMS陀螺儀，16位高精 度A/D模塊，STM32微處理器平臺(tái)，串口通信接口（如RS232串口），外殼，電源模塊。本發(fā)明 選用微處理器為STM32系列，該處理器為ARM-CortexM4內(nèi)核。
[0018] 具體的，參看圖2，所述MEMS陀螺儀3、高精度A/D模塊4集成在底層電路板5上 (參看圖3 )，所述電源模塊8、STM32處理器平臺(tái)7和串口通信模塊6集成在頂層電路板9上 (參看圖4)，所述底層電路板5的高精度A/D模塊4和頂層電路板9的STM32處理器平臺(tái)7 之間通過(guò)SPI通信協(xié)議交互數(shù)據(jù)，具體通過(guò)SPI排線（圖未示)連接，所述底層電路板5和頂 層電路板9用所述外殼封裝起來(lái)，所外殼上分別設(shè)有與所述串口通信接口 6和電源模塊8 對(duì)應(yīng)的開(kāi)口和電源接口。所述串口通信接口與外殼上的開(kāi)口適配，電源模塊8與所述電源 接口連接。采用外殼封裝內(nèi)部電路，外殼上僅設(shè)置通信接口和電源接口，這樣可將該裝置設(shè) 置成為一個(gè)獨(dú)立的慣性導(dǎo)航測(cè)量裝置，可安裝在移動(dòng)機(jī)器人、汽車(chē)系統(tǒng)等使用慣性導(dǎo)航的 設(shè)備上，易于安裝、控制方便。
[0019] 所述外殼優(yōu)選米用錯(cuò)合金外殼，重量輕。所述外殼包括上殼體1和下殼體2,上殼 體1具有容置槽，優(yōu)選為矩形容置槽，所述容置槽對(duì)稱(chēng)兩側(cè)面下邊沿向外延伸彎折形成連 接翼邊11，下殼體2與該連接翼邊11連接將內(nèi)部電路封裝。所述下殼體2與連接翼邊11 對(duì)應(yīng)位置設(shè)有螺紋孔12,通過(guò)螺釘連接固定，這樣可以方便地安裝下殼體2和上殼體1。底 層電路板5的四個(gè)角落位置設(shè)有等高的支撐件10,上層電路板9通過(guò)支撐件10與底層電路 板5連接固定，支撐件10與上層電路板9粘接或者在上層電路板9開(kāi)設(shè)相應(yīng)的通孔將支撐 件10伸入固定。這樣留出底層電路板5與上層電路板的空間，保護(hù)了底層電路板5上的電 子器件。
[0020] 工作時(shí)，MEMS陀螺儀采集得到角速度值，經(jīng)高精度A/D模塊ADC采樣轉(zhuǎn)換得到數(shù) 字信號(hào)，接著將得到的數(shù)字信號(hào)傳給STM32處理器平臺(tái)，STM32處理器平臺(tái)經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波 計(jì)算處理，通過(guò)串口通信接口輸出高精度的角度信息。所述電源模塊提供8-24V穩(wěn)定的直 流電壓，STM32處理器平臺(tái)用于控制采樣頻率以及對(duì)A/D模塊采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)處理，串 口通信模塊用于輸出高精度的角度信息。
[0021] 其中所述卡爾曼濾波計(jì)算處理流程圖如圖5所示，由圖可以看出，卡爾曼濾 波計(jì)算中有兩個(gè)更新過(guò)程以及兩個(gè)計(jì)算回路，一個(gè)更新過(guò)程是時(shí)間更新，另一個(gè)是測(cè) 量更新；一個(gè)計(jì)算回路是濾波計(jì)算回路，另一個(gè)是增益計(jì)算回路，式 = 為時(shí)間更新方程，式矣爲(wèi)， 唇二./^_#『(/^1/^+.4.)~1，4=(/-化％.)_^_1為測(cè)量更新方程。時(shí)間更新方程負(fù)責(zé) 及時(shí)向前推算當(dāng)前狀態(tài)變量(角速度）以及誤差協(xié)方差的估計(jì)值，從而為下一個(gè)時(shí)間狀態(tài)構(gòu) 造先驗(yàn)估計(jì)，測(cè)量更新方程負(fù)責(zé)反饋，它將先驗(yàn)估計(jì)與新的量測(cè)變量結(jié)合在一起，從而構(gòu)造 改進(jìn)的后驗(yàn)估計(jì)。只要確定了其初始值尤和荇，接著根據(jù)々時(shí)刻的量測(cè)值Λ，就可推算出 左時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)值尤，經(jīng)過(guò)卡爾曼濾波處理之后，就可得到陀螺儀高精度的零點(diǎn)輸出角 度信息，k為正整數(shù)。卡爾曼濾波為現(xiàn)有成熟技術(shù)，此處不再詳述。
[0022] 本發(fā)明另一實(shí)施例提供一種慣性導(dǎo)航裝置，包括上述的高精度MEMS陀螺儀裝置， 高精度MEMS陀螺儀裝置參考前述描述，在此不再贅述。
[0023] 本發(fā)明通過(guò)高精度的A/D模塊對(duì)MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，然后將采 集的數(shù)據(jù)傳給處理器平臺(tái)，由處理器平臺(tái)對(duì)陀螺儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算處理， 可以有效的抑制陀螺儀的零點(diǎn)漂移，經(jīng)過(guò)上述處理之后得到低零漂高精度的零點(diǎn)輸出，抑 制零點(diǎn)漂移對(duì)其精度的影響，提高了 MEMS陀螺儀的輸出角度信息的精度。
[0024] 上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明并不限制于上 述實(shí)施方式，在不脫離本申請(qǐng)的權(quán)利要求的精神和范圍情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以作 出各種修改或改型。
【權(quán)利要求】
1. 一種高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于，包括： MEMS陀螺儀，用于獲得慣性導(dǎo)航裝置的角速度信號(hào)； 高精度A/D模塊，用于對(duì)所述MEMS陀螺儀的輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣； 處理器平臺(tái)，用于采用卡爾曼濾波算法對(duì)所述高精度A/D模塊采樣輸出的信號(hào)進(jìn)行處 理得到角度信息并輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于，還包括電源模塊，所述 電源模塊為該裝置各單元提供穩(wěn)定的8~24V直流電壓。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于，所述高精度A/D 模塊為16位高精度A/D模塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于，還包括通信接口，與所 述處理器平臺(tái)連接，用于輸出所述角度信息。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于：所述處理器平臺(tái)由 STM32微處理器構(gòu)成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于：所述MEMS陀螺儀采 用單軸MEMS陀螺儀。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于：該裝置還包括外殼； 所述MEMS陀螺儀、高精度A/D模塊集成在底層電路板上，所述電源模塊、通信接口、STM32處 理器平臺(tái)集成在頂層電路板上，所述底層電路板的高精度A/D模塊和頂層電路板的STM32 處理器平臺(tái)之間通過(guò)SPI通信協(xié)議交互數(shù)據(jù)，所述底層電路板和頂層電路板電用所述外殼 封裝起來(lái)，所外殼上分別設(shè)有與所述通信接口和電源模塊對(duì)應(yīng)的開(kāi)口和電源接口。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高精度MEMS陀螺儀裝置，其特征在于，所述外殼為鋁合金外 殼。
9. 一種慣性導(dǎo)航裝置，其特征在于，包括權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的高精度MEMS陀螺 儀裝置。
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK104316054SQ201410649830
【公開(kāi)日】2015年1月28日 申請(qǐng)日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】駱德淵, 王朝文, 伍功宇, 董繼波, 杜浩然 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)