專利名稱：一種基于mems的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，用于提供被測載體的運(yùn)動參數(shù)(位置、速率、姿態(tài))，適用于微小飛行器、汽車、火車等要求體積小、重量輕、成本低慣性測量系統(tǒng)的運(yùn)動載體。
背景技術(shù)：
隨著基于MEMS的微陀螺、微加速度計等微慣性測量器件的出現(xiàn)，微慣性測量系統(tǒng)已經(jīng)逐漸深入到我們生活中。在生活中，司機(jī)可以根據(jù)微慣性測量系統(tǒng)來識別自己的位置和航向，防止迷路；車輛控制系統(tǒng)可以根據(jù)慣性測量系統(tǒng)提供的姿態(tài)、速度信息來判斷車輛是否打滑，是否需要減速，保證行駛安全。
慣性測量系統(tǒng)是一種不依賴任何外部信息，也不向外輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好，不易受外界干擾、數(shù)據(jù)更新率高、短期精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的慣性測量系統(tǒng)采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性器件，往往體積巨大，陀螺儀的內(nèi)部轉(zhuǎn)子往往采用機(jī)械支撐，抗沖擊能力差，使用壽命短；而且機(jī)械加工精度相當(dāng)高，造成成本居高不下，很難廣泛應(yīng)用于民用領(lǐng)域。
在慣性測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面，現(xiàn)有的慣性測量系統(tǒng)往往采用“六面體”或“T型”結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)都是立體結(jié)構(gòu)，不便于電路連接和安裝，因此可靠性差。在立體結(jié)構(gòu)中，三只加速度計的擺放受立體結(jié)構(gòu)尺寸的影響，擺放不如板式結(jié)構(gòu)緊湊，這就造成載體機(jī)動時加速度計會產(chǎn)生一個較大的額外誤差輸出，影響導(dǎo)航的精度(即尺寸效應(yīng))。而本系統(tǒng)中由于采用板式結(jié)構(gòu)，所有電路都在信號板上設(shè)計，提高了電路的可靠性，降低電路中引入的噪聲；三只加速度計平放在信號板上，它們之間距離可以設(shè)計的盡量短，最大限度地減小尺寸效應(yīng)帶來的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服了現(xiàn)有慣性測量系統(tǒng)體積大、功耗高、價錢昂貴等不足，提供了一種低成本、小體積、重量輕、功耗低的微慣性測量系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)由板式結(jié)構(gòu)體、信號板、陀螺模塊組成，板式結(jié)構(gòu)體主要由平面板、定位銷以及凸臺構(gòu)成，平面板主要起支撐作用，定位銷主要用于給信號板和陀螺模塊提供定位基準(zhǔn)，凸臺主要給系統(tǒng)提供基準(zhǔn)便于系統(tǒng)安裝和測試實(shí)驗(yàn)；信號板包含了加速度計模塊、信號采集處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊模塊。信號板通過螺栓按照定位銷確定的方位固定在平面板上，保證信號板四邊分別與平面板四邊平行，三只加速度計焊接在信號板上，加速度計位置盡量保證緊湊，最大限度減小尺寸效應(yīng)。陀螺模塊包括三只MEMS陀螺，陀螺模塊通過定位銷精確固定在平面板上，保證敏感軸在空間保持正交。
信號采集處理模塊主要完成對陀螺、加速度計和溫度信號的采集工作。陀螺、加速度計以及溫度信號先經(jīng)過比例放大器調(diào)節(jié)到ADC的輸入范圍內(nèi)，然后經(jīng)過低通濾波器濾除高頻噪聲，最后通過ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用參考電平與傳感器電源共源供電方式，降低由于電源波動及電路中引入的噪聲。
數(shù)據(jù)處理模塊，主要完成數(shù)據(jù)平滑、誤差補(bǔ)償、捷聯(lián)解算等工作。數(shù)據(jù)平滑時采用移動平均算法來提高系統(tǒng)的實(shí)時性。系統(tǒng)采用AT91RM9200類型的高性能處理器降低了系統(tǒng)的功耗，提高了數(shù)據(jù)處理能力，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
通訊模塊，主要完成系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊工作。捷聯(lián)解算后得到的運(yùn)動載體的運(yùn)動參數(shù)，通過數(shù)據(jù)打包方式發(fā)送給上位機(jī)。
本發(fā)明的原理是現(xiàn)有的慣性測量系統(tǒng)采用的是機(jī)械結(jié)構(gòu)的慣性器件，往往體積巨大，抗沖擊能力差，使用壽命短，成本極高；而采用基于MEMS的微慣性器件集成的微慣性測量系統(tǒng)雖然在精度上比現(xiàn)有的慣性測量系統(tǒng)差，但可以滿足民用領(lǐng)域的諸多需要，同時微慣性測量系統(tǒng)還具有體積小、功耗低、抗沖擊范圍大、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有的慣性測量系統(tǒng)多采用“六面體”或“T型”結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)都屬于立體結(jié)構(gòu)，慣性器件往往擺放在立體結(jié)構(gòu)的三個正交面上，因此電路分布在多塊信號板上，這就造成了電路連接的不可靠性以及噪聲較大；此外慣性器件在安裝時受立體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，擺放不夠緊湊，這就造成載體在作機(jī)動時，加速度計會產(chǎn)生一個較大的額外誤差輸出，影響導(dǎo)航的精度(即尺寸效應(yīng))。而板式結(jié)構(gòu)的微慣性測量系統(tǒng)，電路連接都在一塊信號板上實(shí)現(xiàn)，增加了電路的可靠性，能有效地降低電路中的噪聲；在慣性器件的選擇方面，采用水平敏感軸向和垂直敏感軸向的微慣性器件組成慣性測量系統(tǒng)，這樣慣性器件就可以安裝在一個平面內(nèi)，同時敏感三個軸向的加速度和角速度。三只加速度計水平擺放在信號板上，位于板式慣性測量系統(tǒng)的中心位置，同時安裝的盡量緊湊，保證三個敏感軸正交。三只陀螺儀平放在平面板上，保證陀螺儀的敏感軸與相應(yīng)的加速度計敏感軸平行。由于所有的慣性器件都安裝在一個平面內(nèi)，所以可以擺放的更加緊湊，可以最大程度上減小尺寸效應(yīng)帶來的誤差。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)采用MEMS微慣性器件減小了系統(tǒng)的體積、功耗，提高了抗過載能力，極大的降低了生產(chǎn)成本，易于集成和批量生產(chǎn)；(2)“平板式”結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有的“立方體”結(jié)構(gòu)和“T型”結(jié)構(gòu)相比可以最大限度的減小體積，最大限度的降低尺寸效應(yīng)，方便了電路的連接；(3)采用移動平均算法來對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。


圖1為本發(fā)明的立體示意圖；圖2為本發(fā)明的俯視圖；圖3為本發(fā)明的平板結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的信號板示意圖；
圖5為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的系統(tǒng)程序流程圖；圖7為本發(fā)明的信號采集處理模塊電路原理圖；圖8為本發(fā)明的信號采集流程圖；圖9為本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊示意圖；圖10為本發(fā)明的處理器與ADC連接圖；圖11為本發(fā)明的通訊模塊電路原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，本發(fā)明由板式結(jié)構(gòu)體1、信號板2、陀螺模塊3組成，信號板2通過螺栓按照定位銷14確定的方位固定在平面板11上，保證信號板2四邊與平面板11四邊平行，安裝時以三相水平儀為基準(zhǔn)調(diào)節(jié)四角上的螺栓來保證信號板2上表面與平面板11上表面保持平行。陀螺模塊3包括X向MEMS陀螺31、Y向MEMS陀螺32、Z向MEMS陀螺33，X向MEMS陀螺31和Y向MEMS陀螺32的敏感軸如虛線箭頭所示，Z向MEMS陀螺33敏感軸垂直于平面板11，陀螺模塊3通過陀螺定位銷13確定的方位固定在平面板11上，保證三個敏感軸在空間正交。
如圖3所示，平面板結(jié)構(gòu)體1由平面板11、固連凸臺結(jié)構(gòu)12、陀螺定位銷13、信號板定位銷14組成，平面板11采用硬質(zhì)鋁加工而成，要求板體相鄰側(cè)面垂直，相對側(cè)面平行，平面板11主要起系統(tǒng)的支撐作用。4個凸臺12固連在平面板11的四角上，四個凸臺12的底面要求與平面板11的上表面平行，凸臺12外側(cè)面分別與平面板11的四個側(cè)面平行，四個凸臺12主要是為安裝提供方便和基準(zhǔn)；陀螺定位銷13主要是對安裝在平面板11上的三個陀螺起定位作用，同樣信號板定位銷14起對信號板2的定位作用。每2個定位銷共同起作用，要求成對的定位銷與相應(yīng)的板體側(cè)面平行。采用此結(jié)構(gòu)可以方便電路連接，最大限度地減小體積，降低由于安裝不準(zhǔn)帶來的誤差，為安裝與標(biāo)定試驗(yàn)提供了基準(zhǔn)。
如圖4所示，信號板2包括加速度計模塊4、信號采集處理模塊5、數(shù)據(jù)處理模塊6以及通訊模塊7。加速度計模塊4主要由X向MEMS加速度計41、Y向MEMS加速度計42、Z向MEMS加速度計43組成，MEMS加速度計41、42敏感軸如虛線箭頭所示，MEMS加速度計43敏感軸垂直于平面板11，三只加速度計焊在電路板上，通過精確設(shè)計加速度計在電路板上的安裝位置，可以保證三只加速度計的敏感軸在空間正交；同時由于是板式結(jié)構(gòu)，所以三只加速度計可以擺放的更加緊湊，最大限度的減小尺寸效應(yīng)帶來的影響。
如圖5所示，本發(fā)明的電路部分主要由信號采集處理模塊5、數(shù)據(jù)處理模塊6以及通訊模塊7構(gòu)成。信號采集處理模塊5主要實(shí)現(xiàn)微慣性器件輸出信號的硬件濾波、比例調(diào)節(jié)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，數(shù)據(jù)處理模塊6主要完成對處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，運(yùn)行誤差補(bǔ)償算法和捷聯(lián)算法，計算出運(yùn)動載體的位置、速度和姿態(tài)信息。通訊模塊7主要完成將載體信息傳送給上位機(jī)功能。具體流程如圖6所示，系統(tǒng)上電后開始自檢，ARM處理器完成寄存器以及外設(shè)的初始化，然后控制ADC采集微慣性器件的輸出信號，對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，利用平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行捷聯(lián)解算，并將解算結(jié)果傳送給上位機(jī)進(jìn)行顯示。
如圖7所示，本發(fā)明的信號采集處理模塊5主要包括低通濾波器、比例放大器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換。陀螺、加速度計以及溫度信號經(jīng)過低通濾波器濾除高頻噪聲，通過比例放大器將信號調(diào)節(jié)到ADC的輸入范圍0～+5V內(nèi)，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本發(fā)明采用ADS8345芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，精度16bit，采樣速率100k，8路串行采樣。由于ADC的參考電平對采樣精度有很大影響，所以在本發(fā)明中采用傳感器與ADC參考電平共源供電方式，可以極大的消除電源波動以及電路中帶來的噪聲。
如圖8所示，本發(fā)明信號采集采用中斷方式，處理器1ms產(chǎn)生一次定時中斷，輸出脈沖控制ADC切換通道進(jìn)行一次7路的循環(huán)采樣。每路采樣20個數(shù)據(jù)進(jìn)行一次平滑處理，處理后數(shù)據(jù)用于誤差補(bǔ)償。
如圖9所示，本發(fā)明的數(shù)據(jù)處理模塊6采用ATMEL公司的AT91RM9200處理器，主要完成控制ADC采樣，平滑數(shù)據(jù)，運(yùn)行標(biāo)定補(bǔ)償算法和捷聯(lián)算法等任務(wù)。AT91RM9200處理器主頻180MHz，工作時功耗＜0.3w，是一款高性能，低功耗的處理器，非常適合要求小體積、低功耗、高速數(shù)據(jù)處理能力的系統(tǒng)。此外AT91RM9200處理器還集成I2C、USART、SPI、USB、Timer等外設(shè)接口，方便擴(kuò)展。如圖10所示為ARM9處理器與ADC采用SPI口連接方式示意圖。系統(tǒng)為滿足大數(shù)據(jù)量的處理，還擴(kuò)展了32MbitSRAM和16Mbit的FLASH。采用ARM處理器的另外一個優(yōu)勢在于可以嵌入操作系統(tǒng)，方便用戶編程和提高系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)入ARM處理器進(jìn)行平滑處理，在本發(fā)明中采用移動平均算法，在保證平滑精度的情況下提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差補(bǔ)償處理，然后運(yùn)行捷聯(lián)算法，得出運(yùn)載體的運(yùn)動參數(shù)。
如圖11所示，本發(fā)明的通訊模塊7主要完成系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊功能，捷聯(lián)解算后得到的運(yùn)動參數(shù)通過處理器的串口發(fā)送給上位機(jī)。在本發(fā)明中，運(yùn)動參數(shù)的傳輸采用打包方式，每一組運(yùn)動參數(shù)作為一個結(jié)構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)體前加如“@@@@”的符號作為包頭，一起發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)在接收數(shù)據(jù)的時候先判斷包頭然后接收數(shù)據(jù)，這樣提高了數(shù)據(jù)的可靠性。
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MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于由板式結(jié)構(gòu)體(1)、信號板(2)和陀螺模塊(3)組成，板式結(jié)構(gòu)體(1)包括平面板(11)、四個凸臺(12)、三對陀螺定位銷(13)、一對信號板定位銷(14)，平面板(11)主要起支撐作用，四個凸臺(12)位于平面板(11)的四個角上，并且與平面板(11)固連，每個凸臺(12)的外側(cè)面與相應(yīng)的平面板(11)的側(cè)面平行，凸臺(12)可以用來確定系統(tǒng)的安裝基準(zhǔn)，以及標(biāo)定試驗(yàn)的定位基準(zhǔn)；每2個陀螺定位銷(13)和信號板定位銷(14)成對使用，三對陀螺定位銷(13)提供三只MEMS陀螺的安裝基準(zhǔn)，信號板定位銷(14)為信號板(2)提供基準(zhǔn)，使信號板(2)安裝在板式結(jié)構(gòu)體(1)上，保證信號板(2)各側(cè)面與平面板(11)各側(cè)面相互平行；信號板(2)從左至右依次放置數(shù)據(jù)處理模塊(6)、加速度計模塊(4)、信號采集處理模塊(5)和通訊模塊(7)，加速度計模塊(4)放置在整個系統(tǒng)的中間位置，包括X向MEMS加速度計(41)、Y向MEMS加速度計(42)、Z向MEMS加速度計(43)，三個加速度計模塊(4)焊接在信號板(2)上，通過信號板定位銷(14)定位保證敏感軸正交，且同時分別與對應(yīng)的陀螺敏感軸平行；陀螺模塊(3)主要包括X向MEMS陀螺(31)、Y向MEMS陀螺(32)、Z向MEMS陀螺(33)，三只MEMS陀螺通過陀螺定位銷(13)安裝在平面板(11)上，保證三個敏感軸在空間正交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的信號采集處理模塊(5)主要包括信號比例放大器、硬件低通濾波器、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換部分，陀螺儀、加速度計及溫度計輸出的模擬信號首先經(jīng)過放大器，將信號調(diào)節(jié)到ADC的輸入范圍內(nèi)，然后通過低通濾波器濾除信號中的高頻噪聲，經(jīng)過處理的模擬信號通過ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理模塊(6)主要包括微處理器及其外圍電路，完成控制ADC進(jìn)行采集，對采集后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑處理，對平滑后的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定補(bǔ)償，然后進(jìn)行捷聯(lián)解算。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑時，采用移動平均算法，這樣就可以在保證平滑精度的情況下，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的通訊模塊(7)主要包括串口及其外圍電路，完成與上位機(jī)通訊功能，捷聯(lián)解算后得到的運(yùn)動參數(shù)通過處理器的串口發(fā)送給上位機(jī)，運(yùn)動參數(shù)的傳輸采用打包方式，提高了參數(shù)的可靠性。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，其特征在于所述的平面板(11)加工成標(biāo)準(zhǔn)長方體形狀，主要起支撐作用。
全文摘要
一種基于MEMS的低成本、小體積板式微慣性測量系統(tǒng)，包括三只硅微陀螺、三只硅微加速度計、信號采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊和板式結(jié)構(gòu)體。板式結(jié)構(gòu)體由平面板、定位銷和凸臺構(gòu)成，三只陀螺通過定位銷精確安裝在平面板上，保證三個敏感軸正交，三只加速度計通過設(shè)計信號板精確定位保證敏感軸正交，凸臺利于標(biāo)定試驗(yàn)的定位。該系統(tǒng)通過使用微慣性器件和板式結(jié)構(gòu)，減小了體積，降低了成本，提高抗過載能力，降低了桿臂效應(yīng)帶來的影響。采用移動平均算法，在保證精度的同時，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。本發(fā)明具有體積小、重量輕、功耗低、動態(tài)范圍大、抗過載能力強(qiáng)、實(shí)時性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合在車輛導(dǎo)航等民用領(lǐng)域。
文檔編號G01C21/18GK1912545SQ20061011260
公開日2007年2月14日 申請日期2006年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月25日
發(fā)明者房建成, 孫宏偉, 盛蔚, 李建利, 張霄, 張海鵬 申請人:北京航空航天大學(xué)