專利名稱:一種微型慣性檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本 用新型涉及捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù),尤其是涉及一種微型慣性檢測裝置。
背景技術(shù):
捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航是當(dāng)今迅速發(fā)展的一種先進導(dǎo)航技術(shù)。它利用直接固連在運載體上的陀螺儀、加速度計等慣性元件測量出運載體相對于慣性參考系的加速度,按照牛頓慣性原理進行積分運算,獲得導(dǎo)航坐標(biāo)系下的速度、姿態(tài)角和位置信息,引導(dǎo)運載體從起始點駛向目的地。捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)利用控制計算機將陀螺儀、加速度計測得的數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換、求解微分方程等數(shù)學(xué)運算,從姿態(tài)矩陣的元素中提取姿態(tài)和航向數(shù)據(jù),實現(xiàn)導(dǎo)航任務(wù)。 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)利用隨時更新的捷聯(lián)矩陣等數(shù)據(jù)建立“數(shù)學(xué)平臺”,取代傳統(tǒng)的機電式導(dǎo)航平臺,從而大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu),使系統(tǒng)的體積和成本大幅度降低,慣性元件便于安裝維護; 此外,捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)不依賴外部系統(tǒng)支持,自主獲得姿態(tài)、速度和位置信息,也不向外界輻射任何信息,具有實時自主,不受干擾,不受地域、時間、氣候條件限制,以及輸出參數(shù)全面等優(yōu)點,被廣泛于航空、航海、交通等多種領(lǐng)域。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)至少由一個慣性測量裝置、一個控制計算機、控制顯示器和相關(guān)支持部件構(gòu)成,其核心部件慣性測量裝置裝有陀螺儀和加速度計。慣性測量裝置的工作原理是陀螺儀檢測運載體三軸角速率,加速度計檢測航行器沿著三軸運動的線性加速度, 控制計算機將陀螺儀所測的角速率信號對時間積分運算,推算出瞬時航向、傾角等航行姿態(tài)信息,利用加速度計測得的加速度信號,對時間積分運算,推算出瞬時航行速度信息;進行二次積分,即可推算該時段內(nèi)航行的距離和位置。慣性測量裝置及其姿態(tài)解算技術(shù),是影響捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。這是因為慣性測量及其姿態(tài)解算,是對運載體實施軌跡控制的前提,它的精度和效率直接影響導(dǎo)航的時效和精度;第二,慣性測量裝置要在嚴(yán)酷的氣動環(huán)境中直接承受振動、沖擊和角運動,引發(fā)諸多的失穩(wěn)和誤差效應(yīng),成為捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)中薄弱環(huán)節(jié);第三,捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航系統(tǒng)面臨微型化、產(chǎn)業(yè)化方面的挑戰(zhàn),特別是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,要求采用中精度甚至低精度的微機電慣性元器件,到達(dá)低成本批量化生產(chǎn)捷聯(lián)慣導(dǎo)產(chǎn)品的目的。當(dāng)運載體趨于小型化、微型化時,其基礎(chǔ)質(zhì)量與常規(guī)運載體相比有大幅度減小,在航行動力環(huán)境中受到的激擾和隨機振動比常規(guī)載體更為劇烈,系統(tǒng)更不穩(wěn)定。慣性測量裝置必須在力學(xué)結(jié)構(gòu)、減振設(shè)計,以及微型化工藝等方面提出針對性技術(shù)措施,克服導(dǎo)航不穩(wěn),精度下降,甚至電子元器件使用壽命縮短的缺陷。附圖1是現(xiàn)有一種小型無人機捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)所用的慣性測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。采用緊固螺釘將傳感支架1. 1緊固在殼體1. 2內(nèi)部,再用由四個橡膠墊組成減振單元1. 3, 從底部將殼體固接在航行器上。傳感支架由三塊相互垂直的陀螺電路板1. 11、1. 12,1. 13 組成(參見附圖2),上面分別安裝三個單軸陀螺儀1. IlaU. 12a、l. 13a。其中水平放置的陀螺電路板1. 11為組合陀螺電路板,上面除了裝有陀螺1. Ila以外,還裝有三軸加速度計 1. lib。三個陀螺儀應(yīng)安裝于三個正交平面上,它們的敏感軸互相垂直,構(gòu)成測量正交坐標(biāo)系;組合陀螺電路板1. 11上三軸加速度計1. Ilb的測量軸與該電路板上的陀螺1. Ila測量軸平行放置。組合陀螺電路板1. 11通過接插件與調(diào)理電路板1. 14及主處理器電路板1. 15 直接連接。上述慣性測量裝置的減振結(jié)構(gòu)等效分析見附圖3,圖中質(zhì)量塊M代表慣性測量裝置,其質(zhì)心為m;減振單元用IKpci }表示,其中Ki表示剛度、Ci表示阻尼系數(shù),下標(biāo)i表示減振器中所包含的減振單元的數(shù)量,對于附圖1采用4個橡膠墊作為減振單元,則i = 1, 2,3,4 ;B代表航行運載體;P為減振器的彈性中心。當(dāng)運載體B航行運動時,對慣性測量裝置m產(chǎn)生基礎(chǔ)激勵,減振單元{K” cj吸收并消耗來自運載體B的強迫振動能量,以P點為中心,作上下彈性運動,以此減小運載體B振動對慣性測量裝置m造成的沖擊。上述慣性測量裝置存在的問題是傳感支架結(jié)構(gòu)是三塊相互分離的電路板,占用空間大,三個軸向剛度明顯差異;減振單元安裝在慣性測量裝置的外部,不僅額外占用空間,更重要的是當(dāng)慣性測量單元受迫振動的時,由于剛度不均衡,力學(xué)結(jié)構(gòu)不合理,受振時慣性測量裝置容易產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動;減振器的理想作用范圍限于單軸方向,即只能正常衰減來自鉛垂X方向的振動, 而對其他方向的減振不能有效抑制,使不同自由度上的線振、角振之間發(fā)生耦合,減振頻帶窄。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有慣性測量裝置的上述技術(shù)缺陷,本實用新型采取的技術(shù)措施是從改進慣性測量裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)入手,提供一個大幅度縮小體積、三向等剛度減振結(jié)構(gòu)的微型慣性檢測裝置,克服三向剛度不等、共振激勵、以及產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動等缺陷,對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)造成的不良影響。為了達(dá)到上述技術(shù)目的,本實用新型實行的技術(shù)手段是,構(gòu)造一種微型慣性檢測裝置,包括傳感組件、內(nèi)減振器、慣性檢測單元殼體以及下蓋,傳感組件由傳感支架、慣性傳感器、柔性測控電路板組成;傳感支架是各平面刻有凹槽,符合一定比重和剛度要求的正方體剛性支架;慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計;柔性測控電路板完整、平順地覆蓋傳感支架每一個平面;慣性檢測單元殼體與下蓋構(gòu)成了內(nèi)腔,以容納傳感支架與內(nèi)減振單元; 內(nèi)減振器由若干具有阻尼特性的內(nèi)減振單元組成,所述內(nèi)減振單元安裝在慣性檢測單元殼體內(nèi)壁S與傳感組件的6個平面之間,其數(shù)量為6個。本實用新型一種微型慣性檢測裝置,優(yōu)選的,所述陀螺儀和所述加速度計焊接在柔性測控電路板上,憑借電路板的柔性,各慣性傳感器逐一被嵌入傳感支架各平面的凹槽中,且各慣性傳感器的測量軸相互正交。本實用新型一種微型慣性檢測裝置,優(yōu)選的,包含抗混疊電路和A/D轉(zhuǎn)換電路;電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì),以耐受彎折;柔性測控電路板的外形應(yīng)當(dāng)與傳感支架的平面展開圖形全等,使之沿著傳感支架棱邊作90°彎折后,完整覆蓋傳感支架。本實用新型一種微型慣性檢測裝置,優(yōu)選的,傳感組件被若干內(nèi)減振單元懸掛在慣性檢測單元殼體內(nèi)腔中心,各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交,內(nèi)減振器的彈性中心點P 與傳感組件質(zhì)心m重合。[0017]有益的效果本實用新型不僅增強了支架剛性,還改進了系統(tǒng)力學(xué)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了三向等剛度減振,使慣性測量系統(tǒng)的抗噪能力大幅度提高;改善了慣性測量裝置振動特性,使其固有頻率遠(yuǎn)離陀螺儀抖動器等敏感器件的工作頻率,慣性傳感器安裝面的相對振幅降低到最??;
大幅度縮小慣性測量單元體積和重量,擴大了運載體的載荷空間。
附圖1現(xiàn)有小型無人機捷聯(lián)慣性測量裝置示意圖。附圖2現(xiàn)有小型無人機捷聯(lián)慣性測量裝置中的傳感支架結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3現(xiàn)有小型無人機捷聯(lián)式慣性測量裝置減振系等效模型。附圖4本實用新型的內(nèi)減振器所屬內(nèi)減振單元分布示意圖,圖中S為慣性檢測單元殼體上下、左右四個內(nèi)壁。附圖5本實用新型一個較佳實施例的傳感支架示意圖。附圖6本實用新型一個較佳實施例中柔性測控電路板的外形和元器件布置示意圖。附圖7本實用新型一個較佳實施例中傳感組件構(gòu)成示意圖。附圖8本實用新型一個較佳實施例所采用的慣性檢測單元殼體,它與下蓋構(gòu)成正方形的內(nèi)腔。附圖9本實用新型一個較佳實施例中采用的內(nèi)減振單元與傳感組件的位置關(guān)系示意圖。附圖10本實用新型一個較佳實施例中微型慣性檢測裝置的完整裝配示意圖。
具體實施方式
劇烈的隨機振動是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)在運行中面臨的主要力學(xué)環(huán)境,振動引起系統(tǒng)性能不穩(wěn)定或電子元器件損壞,對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響極大。為了減小運載體劇烈隨機震動引起電子元器件損壞或慣性測量單元性能不穩(wěn)定,除了強化各傳感器電路板之間的連接剛度以夕卜,還要以減振器為阻尼介質(zhì),將慣性測量單元彈性聯(lián)結(jié)到運載體上,以獲得滿意的減震效果。減振模式的選取不僅影響著慣導(dǎo)系統(tǒng)的減振性能,而且也影響著系統(tǒng)的測量精度,歷來是慣導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本實用新型從改良傳感支架設(shè)計和合理化減振力學(xué)結(jié)構(gòu)兩個方面著手,提高微型慣性檢測裝置的性能。傳感支架是安裝陀螺儀和測控電路板及連接線的關(guān)鍵部件,工作時經(jīng)受各種劇烈振動,其中支架上陀螺儀安裝面的相對振幅最大,其結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能將影響到陀螺儀工作的可靠性和精確性,需要具備一定的靜強度、抗振強度和和疲勞壽命。工藝方面,要求支架安裝方便,便于加工制造。合理設(shè)計支架結(jié)構(gòu),改善結(jié)構(gòu)的剛度和阻尼特性,使結(jié)構(gòu)固有頻率必須遠(yuǎn)離陀螺儀抖動器工作振動頻率,使陀螺儀安裝面的相對振幅為最小。改進支架設(shè)計不能宥于傳統(tǒng)思維,采用大幅度增加壁厚的方法來提高剛度和提高結(jié)構(gòu)固有頻率;而應(yīng)通過改善結(jié)構(gòu)的材料、外形、結(jié)合面等結(jié)構(gòu)設(shè)計,提高支架的結(jié)構(gòu)剛度和阻尼。而且,還要從整體出發(fā),處理好支架和減振裝置相互制約關(guān)系,還要考慮測控電路板在支架上的安裝位置和線路走向。 本實用新型在一個較佳的實施例中,傳感支架選用具有較大比重和剛度的材料, 整體加工成一個正方形的傳感支架1. 21,整體加工而非組裝是為保證支架本身具有足夠的剛性,以降低剛性不足和各向異性的測量誤差參見附圖5 ;附圖6是本實用新型一個較佳實施例中柔性測控電路板1. 23平面展開和元器件布置示意圖。柔性測控電路板1. 23的電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì),可以耐受90°的彎折;其外形設(shè)計成與傳感支架外平面展開圖全等的形狀,因而具有6個展開平面。傳感器和其它電子元件焊接在6個展開平面正面的適當(dāng)位置上。附圖7是本實用新型一個較佳實施例中傳感組件構(gòu)成示意圖。柔性測控電路板 1. 23正面焊有慣性傳感器1. 22和其它電子元件。用柔性測控電路板的正面貼附傳感支架 1. 21,沿著傳感支架棱邊作90°彎折,將各傳感器或電子元件嵌入傳感支架各平面的凹槽之內(nèi)以后,整張柔性測控電路板背面朝外,將傳感支架連同傳感、電子元件包絡(luò)起來,并且完整、平順地覆蓋傳感支架每一個平面。本實用新型在設(shè)計捷聯(lián)慣導(dǎo)減振系統(tǒng)時,把避免或減小振動耦合作為首要考慮因素。如果系統(tǒng)力學(xué)結(jié)構(gòu)安排不合理,系統(tǒng)六自由度上的振動互相耦合,產(chǎn)生線振動與角振動交叉激振,致使慣性測量系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)內(nèi)含有強烈的自身交叉激振信息,將給系統(tǒng)引入偽運動信號,嚴(yán)重影響慣導(dǎo)系統(tǒng)的測量精度。為了減小減振器對系統(tǒng)角運動測量的干擾,減振系統(tǒng)的角振動頻率應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離慣導(dǎo)系統(tǒng)的測量帶寬。在寬帶隨機振動條件下,減振頻率越低減振效率越高。附圖8是本實用新型一個較佳實施例所采用的慣性檢測單元殼體1. 6設(shè)計,它與下蓋1. 8構(gòu)成正方形的內(nèi)腔為示意清楚圖中省略下蓋,是容納傳感組件1. 2與減振單元1. 4 的場所。慣性檢測單元殼體1. 6與下蓋1. 8構(gòu)成的殼體內(nèi)腔的形狀,被設(shè)計成與傳感組件 1. 2外形相同的正方形,且比傳感組件外形略大。這樣設(shè)計使得慣性檢測單元殼體1. 6與下蓋1. 8構(gòu)成的6個殼體內(nèi)壁,與所對應(yīng)的傳感組件6個外平面之間,留有形狀和大小基本相同的空間;當(dāng)把外形基本相同內(nèi)減振單元1.4全部安裝其中,形成內(nèi)減振器總成之后,產(chǎn)生了比較好的減振效果。附圖9是本實用新型一個較佳實施例中采用的全部內(nèi)減振單元1.4構(gòu)成內(nèi)減振器總成后,與傳感組件的位置關(guān)系示意圖。為了有效衰減或完全吸收對于來自前后、左右、上下6個自由度的對傳感組件1. 2的強迫振動,本實施例采用6個內(nèi)減振單元1. 4,即6個形狀相同的減振墊,安裝在慣性檢測單元殼體1. 6內(nèi)壁與傳感組件1. 2之間,將傳感組件懸掛在慣性檢測單元殼體內(nèi)腔中心位置,且各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交,以均衡吸收并消耗來自運載體的強迫振動。附圖10是本實用新型一個較佳實施例中關(guān)于微型慣性檢測裝置2. 1的完整裝配示意圖。由于實行了上述一系列技術(shù)措施,保證了減振器的固有頻率、減振系數(shù)、減振效率、 機械強度等符合系統(tǒng)的抗沖擊及振動要求;使得該微型慣性檢測裝置的彈性坐標(biāo)系、慣性坐標(biāo)系、和求解坐標(biāo)系三個坐標(biāo)系,處于各對應(yīng)坐標(biāo)軸相互平行、系統(tǒng)質(zhì)心與減振裝置的彈性中心重合的最佳狀態(tài),達(dá)到各自由度振動間具有較高的去耦效應(yīng),以及各固有頻率相互接近,獲得較窄頻率分布的技術(shù)效果。除了以上實施例以外,本實用新型還可以有其他實施方式,凡采用等同替換何等效變換形成的技術(shù)方案 ,均落在本實用新型要求的保護范圍。
權(quán)利要求1.一種微型慣性檢測裝置,包括傳感組件、內(nèi)減振器、慣性檢測單元殼體以及下蓋,其特征在于1)傳感組件由傳感支架、慣性傳感器、柔性測控電路板組成;傳感支架是各平面刻有凹槽,符合一定比重和剛度要求的正方體剛性支架;慣性傳感器包括陀螺儀和加速度計; 柔性測控電路板完整、平順地覆蓋傳感支架每一個平面;2)慣性檢測單元殼體與下蓋構(gòu)成了內(nèi)腔,以容納傳感支架與內(nèi)減振單元;3)內(nèi)減振器由若干具有阻尼特性的內(nèi)減振單元組成,所述內(nèi)減振單元安裝在慣性檢測單元殼體內(nèi)壁S與傳感組件的6個平面之間,其數(shù)量為6個。
2.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測裝置,其特征是,所述陀螺儀和所述加速度計焊接在柔性測控電路板上,憑借電路板的柔性,各慣性傳感器逐一被嵌入傳感支架各平面的凹槽中,且各慣性傳感器的測量軸相互正交。
3.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測裝置,其特征是,包含抗混疊電路和A/D轉(zhuǎn)換電路;電路板基和連接導(dǎo)線采用柔韌材質(zhì),以耐受彎折;柔性測控電路板的外形應(yīng)當(dāng)與傳感支架的平面展開圖形全等,使之沿著傳感支架棱邊作90°彎折后,完整覆蓋傳感支架。
4.如權(quán)利要求1所述的微型慣性檢測裝置,其特征是,傳感組件被若干內(nèi)減振單元懸掛在慣性檢測單元殼體內(nèi)腔中心,各內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交,內(nèi)減振器的彈性中心點P與傳感組件質(zhì)心m重合。
專利摘要一種微型慣性檢測裝置,涉及捷聯(lián)慣導(dǎo)技術(shù)。本實用新型從改進慣性測量裝置的力學(xué)結(jié)構(gòu)入手,提供一個大幅度縮小慣性測量系統(tǒng)體積、三向等剛度減振結(jié)構(gòu)的微型慣性測量系統(tǒng),克服三向剛度不等、共振激勵、以及產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動等缺陷,對捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)造成的不良影響。系統(tǒng)包括傳感組件1.2、內(nèi)減振減震器、慣性檢測單元殼體1.6、下蓋1.8等部件,內(nèi)減振器由若干具有適當(dāng)阻尼特性的內(nèi)減振單元構(gòu)成單元1.4組成,它們安裝在慣性檢測單元殼體1.6內(nèi)壁S與傳感組件1.2的6個平面之間,內(nèi)減振單元的形變力軸相互正交,以均衡吸收并消耗來自運載體的強迫振動。
文檔編號G01C21/18GK202074979SQ20102028872
公開日2011年12月14日 申請日期2010年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月9日
發(fā)明者汪滔 申請人:汪滔