专利名称：一种mems陀螺仪的精密安装基准体组件及其安装方法
技术领域：
本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别一种MEMS陀螺仪的精 密安装基准体组件及其安装方法，适用于各种敏感轴水平的低成本、微小型 MEMS振动陀螺仪。
背景技术：
惯性测量单元是导航、制导与控制系统中的一种非常重要的设备。它由 三只陀螺仪和三只加速度计组成，根据惯性导航原理的要求，需要三只陀螺 仪的壽文感轴在空间两两互相垂直并且分别与对应的三个载体坐标轴平行。惯 性测量单元工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰， 这一独特优点，使其成为运载体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的 一种广泛使用的主要导航方法。随着科学技术的发展，从工程角度看，更小 的器件、更小的部件、更小的结构单元甚至更小的分系统，在许多方面表现 出了独特的优势，能满足很多特殊场合和功能的要求，以航天、航空和航海 为代表的领域中出现了一大批小型化运载体，这些小型化运载体对微小型惯 性测量单元的要求变得非常迫切和突出，例如小型化飞机翼展往往不足一 米，有的甚至只有手掌般大，它内部的空间和能够承受的载荷非常有限，这 就要求它们的惯性测量单元体积很小、重量很轻。
随着微型制造技术和MEMS技术的发展，新一代微型MEMS陀螺仪迅 速发展起来，为微小型惯性测量单元的设计和研制提供了有力支持。但是微 型MEMS陀螺仪的工作原理、制造工艺和应用方式等决定了目前MEMS陀 螺仪的核心敏感元件通常都是集成在一个贴片封装的芯片里。为.了保证此芯
片能够工作在正常状态， 一般都需要配以必须的外围电路，应用肘需要将
MEMS陀螺芯片和需要配给的电子元件焊接在一块小型的电路板上。所以 这类微型MEMS振动陀螺仪本体的外观就是一块集成了各个元件的电路 板。在MEMS陀螺仪中，有一大类陀螺仪的敏感轴就平行于此电路板面， 称为敏感轴水平的MEMS陀螺仪，这种MEMS陀螺仪的本体电路板一般都 是由螺钉通过安装孔来安装。例如，BEI公司生产的石英MEMS陀螺仪 LCG50的本体外观如图1所示，它由螺钉1通过安装孔配合金属垫片2和 金属支撑圆筒3来安装，金属支撑圆筒3嵌入橡胶隔震垫4中，支撑焊接了 陀螺仪敏感元件5的陀螺仪处理电路板6,陀螺仪敏感元件5的敏感轴平行 于电路板6的板面。石英MEMS陀螺仪LCG50外观的正视图如图2所示， 其安装孔位于本体电路板的四个角上，陀螺仪敏感元件位于电路板中央，其 它外围电路元件散布在陀螺仪敏感元件周围。
输入轴失准角是陀螺仪真实敏感轴与理想敏感轴之间的夹角，MEMS 陀螺仪的输入轴失准角一般都很大，对陀螺精度的影响也很大，是最需要关 心的参数之一。为了描述问题的方便，定义微型MEMS陀螺仪的坐标系oxyz 如图3所示，理想状态下，ox坐标轴与陀螺仪敏感轴重合，平面oxy与MEMS 陀螺仪安装第一基准面平行，oz坐标轴与MEMS陀螺仪安装基准面垂直。 但是在实际应用过程中，陀螺仪的真实敏感轴oA轴与ox坐标轴不可能完 全重合，也不可能完全平行。定义陀螺仪实际敏感轴oA在平面oxz中的投 影与ox坐标轴之间的夹角为纵偏角，记为a,即陀螺仪实际敏感轴oA与安 装第一基准面之间的夹角；定义陀螺仪实际敏感轴oA在平面oxy中的投影 与ox坐标轴之间的夹角为横偏角，记为/5,即陀螺仪实际敏感轴oA与第二 安装基准面之间的夹角。
目前的MEMS陀螺仪的应用，都是将如图1、图2所示的敏感轴水平 的MEMS陀螺仪直接安装在惯性测量单元支架上，而且在导航解算中，其 数据处理方法仍然仿照输入轴失准角很小的传统高精度陀螺仪，在其测试、
标定、建模、以及导航解算等过程中，对陀螺仪输入轴失准角进行小角度线 性化处理，达到降低问题的难度，筒化算法，减小处理时间的目的。根据各
个陀螺仪测试标准结合图3分析可知，纵偏角《和横偏角-分别是微型 MEMS陀螺仪输入轴失准角在平面oxz和平面oxy中的投影。则目前MEMS 陀螺仪的安装方法，会引起很大的纵偏角"和横偏角-，很大的纵偏角《和 横偏角-决定了此时微型MEMS陀螺仪输入轴失准角很大，因此，导航解 算中，对MEMS陀螺仪的输入轴失准角采用线性化处理时，就会引入很大 的近似误差，牺牲大量的系统精度。而如果不进行小角度线性化处理，陀螺 仪的参数之间就会相互影响，相互耦合，参数模型严重非线性，使得传统的 器件测试、标定、补偿以及导航解算的模型复杂难解。
目前直接将敏感轴水平的MEMS陀螺仪本体安装在惯性测量单元支架 上的传统安装方式，存在着如下缺陷
(1 )微型MEMS陀螺仪依靠电路板保证水平敏感轴的指向，而电路板 一般是塑料基底，其刚度、强度、硬度等指标很低，容易变形，稳定性差， 振动模态低，很容易受到外界环境的影响，抗干扰能力差，这些都大大降低 了微型MEMS陀螺仪本体与其他部件的装配精度。
(2) 电路板表面的平面度、光洁度等指标远远低于一般的金属安装面， 如果将带有核心敏感元件的电路板直接安装在惯性测量单元的支架上，这些 因素将直接影响微型MEMS陀螺仪水平敏感轴纵偏角的大小，使微型 MEMS陀螺仪水平敏感轴的纵偏角a安装误差大、精度难以控制。
(3) 电路板由螺钉通过安装孔来固定，而安装孔与螺钉之间一般是过 盈配合，在螺钉紧固之前，陀螺仪在安装基准面中不受约束，无法控制微型 MEMS陀螺仪水平敏感轴横偏角的安装精度，螺钉紧固后，会使微型MEMS 陀螺仪水平敏感轴的横偏角-的安装误差大、精度难以控制。
发明内容
本发咏的牧术解决问题克服现有敏感轴水平的微型MEMS、振动陀螺 仪安装误差大、精度难以控制的不足，提供一种高精度、可修正的MEMS 陀螺仪的精密安装基准体组件及其安装方法。
本发明的技术解决方案是 一种MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件， 其特点在于包括精密安装基准体和敏感轴水平的微型MEMS振动陀螺仪 本体，安装基准体的主体为内部凹陷的长方体，包括第一基准面、第二基准 面和内部凹陷空间，内部凹陷空间的形状根据陀螺仪本体的外形尺寸设计而 成，以使陀螺仪本体嵌入到精密安装基准体的内部凹陷空间里，与MEMS 陀螺仪本体安装面平行的底面作为第一基准面，与MEMS陀螺仪水平敏感 轴垂直的基准体侧面作为第二基准面；凹陷空间内部有两种安装孔， 一种为 螺紋孔，其位置由将陀螺仪本体固定在安装基准体内的安装形式决定，另一 种为通孔，其位置由将安装基准体安装到载体上的安装形式决定。在不作为 基准面的侧面开孔，作为陀螺仪本体的走线孔。
所述的精密安装基准体的材料采用硬铝合金，或铜及铜合金、或钢及钢 合金、或钛合金、或镁合金、或镁铝合金、或镁锂合金、或结构陶瓷、或微 米陶瓷、或金属基复合材料、或陶瓷基复合材料。
所述的第一基准面和第二基准面的表面粗糙度及。优于1.6。
利用权利要求1所述的MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件的安装方 法，其特征在于包括以下步骤
(1) 通过机械加工初步加工制作出安装基准体后，将敏感轴水平的微 型MEMS振动陀螺仪本体安装在其内部；
(2) 按照陀螺仪测试标准，测试出微型MEMS振动陀螺仪的输入轴失 准角的大小和方向，并计算出纵偏角a和横偏角/ 的大小和方向；
(3) 根据纵偏角a的大小和方向，对安装基准体的第一基准面加工修 正，使修正后的第一基准面相对陀螺仪坐标系oxyz偏转-a角，从而使纵偏 角"趋向于零;同样，根据横偏角p,修正第二基泉面,.使修正后的.第二基
准面相对陀螺仪坐标系oxyz偏转-z 角，从而使横偏角-趋向于零;
(4)再次按照陀螺仪测试标准，测试出微型MEMS振动陀螺仪的输入 轴失准角，并计算出纵偏角a和横偏角/8的大小和方向，如果纵偏角"和横 偏角/ 的误差精度不在要求范围内，则重复步骤(3)和(4);如果纵偏角 a和横偏角/ 的大小满足要求，则MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件即可 正常使用。
本发明的原理是本发明采用精密安装基准体和敏感轴水平的微型 MEMS振动陀螺仪本体，组装结构形式如图4所示，精密安装基准体的外 形图如图5所示，精密安装基准体优于微型MEMS陀螺仪电路板的特性是 便于二次加工，如果某平面相对陀螺仪的夹角不能满足要求，可以根据夹角 的大小和方向，对安装基准体上的这个平面重新切削、加工、修正，使修正 后的平面偏转，从而可以使夹角趋向于零。而且，MEMS陀螺仪的精密安 装基准体内部有安装孔，如图5所示，其中， 一类为螺紋孔，用来将微型 MEMS陀螺仪固定在安装基准体内， 一旦固定就轻易不再拆卸；另一类为 通孔，用来将安装基准体安装在其他设备上。MEMS陀螺仪的精密安装基 准体内部凹陷空间，留有空间以安装MEMS陀螺仪本体，本体电路板上有 陀螺仪的一面向下安装，使陀螺仪恰好完全嵌入安装基准体底部设计的凹槽 中，如图6所示。当本体完全嵌入MEMS陀螺仪的精密安装基准体内部后， 利用螺钉与内凹空间对角的两个螺紋孔配合如图4所示，使本体固定其中， 这样安装精度大大提高。
另外，安装基准体的底面作为第一基准面，通过对第一基准面的修正， 可以使微型MEMS陀螺仪水平敏感轴的纵偏角a趋向于零；开有扁形通孔 的侧面，用来走电子线路，不能作为安装基准；没有开扁形通孔的側面作为 第二基准面，通过对第二基准面的修正，可以使微型MEMS陀螺仪水平敏 感轴的横偏角-趋向于零，这样通过可修改，也使安装精度提高。
此外，制作材料首选金属材料，在一些对绝缘性、稳定性有特殊要求的
场合下，也可以逸择某些特珠的陶t:'材料。这些材料具有足够'的刚度、强度、 硬度，与微型MEMS陀螺仪的电路板相比，不易变形，稳定性好。而且其 可塑性较高，可以加工出满足要求的平面度、光洁度、垂直度等装配指标， 有利于提高微型MEMS陀螺仪与其他部件装配的精度。
本发明与现有技术相比的优点在于本发明能够提高MEMS陀螺仪的 安装精度，使惯性测量单元中三只陀螺仪敏感轴在空间两两互相之间的垂直 度和陀螺敏感轴与对应载体坐标轴之间的平行度达到很高的精度，且可修 改，具体表现在以下三点
(1 )本发明设计的MEMS陀螺仪的精密安装基准体内部凹陷空间，留 有空间以安装MEMS陀螺仪本体，本体电路板上有陀螺仪的一面向下安装， 使陀螺仪恰好完全嵌入安装基准体底部设计的凹槽中，如图6所示。当本体 完全嵌入MEMS陀螺仪的精密安装基准体内部后，利用螺钉与内凹空间对 角的两个螺紋孔配合如图4所示，使本体固定其中，使安装精度大大提高。
(2 )此外，通过采用的材料具有很好的刚度、强度、硬度，与微型MEMS 陀螺仪的电路板相比，不易变形，稳定性好，也可以大大提高微型MEMS 陀螺仪与其他部件装配的精度。
(3) 以微型MEMS陀螺仪精密安装基准体组件的第一基准面作为安装 面，由于安装基准体加工材料的可塑性较高，可以对第一基准面加工出满足 很高的平面度、光洁度等装配指标，通过对第一基准面的修正，可以使微型 MEMS陀螺仪水平敏感轴的纵偏角a趋向于零，通过可修改，使安装精度大 大提高。
(4) 以微型MEMS陀螺仪精密安装基准体组件的第二基准面作为陀螺 仪的安装基准，同样由于安装基准体加工材料的可塑性凝高，可以对第二基 准面加工出满足很高的平面度、光洁度等装配指标，通过对第二基准面的修 正，可以保证将微型MEMS陀螺仪的水平敏感轴安装在一定精度内，使微 型MEMS陀螺仪水平敏感轴的横偏角/ 趋向于零，这样通过可修改，使安
装精度大大提高。
图1为石英MEMS陀螺仪LCG50陀螺本体的外观及安装示意图，图中 1、紧固螺钉，2、金属垫片，3、金属支撑圆筒，4、橡胶隔震垫，5、陀螺 核心敏感元件、6、陀螺仪电路板；
图2为石英MEMS陀螺仪LCG50的正视图，图中7、第一安装基准 面，8、第二安装基准面；
图3为本发明的微型MEMS陀螺仪示意图中的坐标和偏角定义说明图4为本发明的精密安装基准体和MEMS陀螺仪的装配图，其中图4a 为左前俯视图，图4b为俯视图5为本发明MEMS陀螺仪的精密安装基准体的外形图，其中图5a 为左前俯视图，图5b为俯视图6为本发明的精密安装基准体和MEMS陀螺仪装配的爆炸图，其中 图6a为左前俯视图，图6b为右前仰视图。
具体实施例方式
本发明以微型MEMS陀螺仪以BEI公司生产的石英MEMS陀螺仪 LCG50为实例，设计精密安装基准体组件。
LCG50的^r密安装基准体组件装配图如图4所示，包括精密安装基准 体和敏感轴水平的微型MEMS振动陀螺仪本体。其精密安装基准体如图5 所示，主体为一个外表面光滑的长方体，包括第一基准面、第二基准面和内 部凹陷空间。内部凹陷空间由上表面向内部'凹膝,形状根据LGG50陀螺仪 本体的外形尺寸设计而成，以使LCG50陀螺仪本体嵌入到精密安装基准体 的内部凹陷空间里，LCG50陀螺仪本体与精密安装基准体的配合关系如图6 所示。与LCG50陀螺仪安装面平行的底面7作为第一基准面，与LCG50
陀螺仪水平敏感轴垂直的基准体側面8作为第二基准面，含有微型MEMS 振动陀螺仪的精密安装基准体组件将通过这两个基准面与载体配合安装。
凹陷空间内部有两种安装孔， 一种为螺紋孔，用来将LCG50陀螺仪固 定在安装基准体内，陀螺仪一旦固定就轻易不再拆卸； 一种为通孔，用来将 安装基准体安装到载体上。在不作为基准面的侧面开孔，作为电路的走线孔。
具体设计时，根据石英MEMS陀螺仪LCG50的外形尺寸，设计MEMS 陀螺仪精密安装基准体内陷空间的尺寸、形状、安装孔、工艺等加工参数， 再设计安装基准体外部特性，主要包括基准面的位置、尺寸、形状、加工工 艺等指标和参数。
设计完成后，按设计参数和指标，先初步加工出MEMS陀螺仪安装基 准体，要求第一基准面和第二基准面有较高的平面度和光洁度，将石英 MEMS陀螺仪LCG50紧密的固定安装在MEMS陀螺仪基准体的内陷空间 里，使之难以再与陀螺仪安装基准体发生相对的位置移动， 一经紧固，不再 轻易拆卸。再按照陀螺仪测试标准，利用转台，以第一基准面和第二基准面 为安装基准，测试出微型MEMS振动陀螺仪的输入轴失准角的大小和方向， 并计算出纵偏角a和冲黄偏角 〃的大小和方向。才艮据纵偏角a的大小和方向，
对安装基准体的第一基准面，利用铣床、磨床等再一次进行加工修正，使修 正后的平面相对陀螺仪坐标系oxyz偏转"角，从而使纵偏角"趋向于零；同 样，根据横偏角/ ，修正第二基准面，从而使横偏角〃趋向于零。加工后再 测试、计算，如果纵偏角a和横偏角/ 的大小不满足要求，则再加工、再测 试，直到测试、计算的纵偏角"和横偏角"的大小满足要求为止。
本发明可以作为一种通用的微型MEMS陀螺仪精密安装基准体组件的 形式和应用方法，应用者可以根据各自特殊的微型MEMS陀螺仪的特点， 通过修改尺寸或局部结构来灵活方便地实现其功能。
权利要求
1、一种MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件，其特征在于包括精密安装基准体和敏感轴水平的微型MEMS振动陀螺仪本体，安装基准体的主体为内部凹陷的长方体，包括第一基准面、第二基准面和内部凹陷空间，内部凹陷空间的形状根据陀螺仪本体的外形尺寸设计而成，以使陀螺仪本体嵌入到该凹陷空间里，与MEMS陀螺仪本体安装面平行的底面作为第一基准面，与MEMS陀螺仪水平敏感轴垂直的基准体侧面作为第二基准面；凹陷空间内部有两种安装孔，一种为螺纹孔，其位置由将陀螺仪本体固定在安装基准体内的安装形式决定，另一种为通孔，其位置由将安装基准体安装到载体上的安装形式决定，在不作为基准面的侧面开孔，作为陀螺仪本体的走线孔。
2、 根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件，其特 征在于所述的精密安装基准体的材料采用硬铝合金，或铜及铜合金、或钢 及钢合金、或钛合金、或镁合金、或镁铝合金、或镁锂合金、或结构陶瓷、 或微米陶资、或金属基复合材料、或陶瓷基复合材料。
3、 根据权利要求1所述的MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件，其特 征在于所述的第一基准面和第二基准面的表面粗糙度凡优于1.6。
4、 利用权利要求1所述的MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件的安装 方法，其特征在于包括以下步骤(1) 通过机械加工初步加工制作出安装基准体后，将敏感轴水平的微 型MEMS振动陀螺仪本体安装在其内部；(2) 按照陀螺仪测试标准，测试出微型MEMS振动陀螺仪的输入轴失 准角的大小和方向，并计算出纵偏角a和横偏角 〃的大小和方向；(3) 根据纵偏角"的大小和方向，对安装基准体的第一基准面加工修 正，使修正后的第一基准面相对陀螺仪坐标系oxyz偏转-a角，从而使纵偏角a趋向于零；同样，根据横偏角-,修正第二基准面，使修正后的第二基准面相对陀螺仪坐标系oxyz偏转--角，从而使横偏角-趋向于零；(4)再次按照陀螺仪测试标准，测试出微型MEMS振动陀螺仪的输入 轴失准角，并计算出纵偏角a和4黄偏角/9的大小和方向，如果纵偏角"和才黄 偏角p的误差精度不在要求范围内，则重复步骤(3)和(4);如果纵偏角 "和横偏角/ 的大小满足要求，则MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件即可 正常使用。
全文摘要
一种MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件及其安装方法，包括精密安装基准体和敏感轴水平的微型MEMS振动陀螺仪本体，陀螺仪本体嵌入到基准体内部凹陷空间里，基准体采用装配性能和二次加工性能优良的材料制成，组件通过第一基准面和第二基准面与载体连接。安装时先加工出基准体初型，并安装陀螺仪，再测试出陀螺的输入轴失准角，计算出安装偏角，然后根据偏角，修正安装基准体的基准面，使偏角趋向于零。本发明利用了基准体制备材料优良的装配性能和二次加工性能，通过加工和修正来提高陀螺安装精度，适用于各种通过电路板安装的敏感轴水平的微型陀螺仪，尤其适用于组成各种小型化运载体中惯性测量单元的微型MEMS振动陀螺仪。
文档编号G01C19/5783GK101109634SQ200710119970
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者冯浩楠, 张海鹏, 房建成, 杰 秦, 蒋颜伟, 冶 陶 申请人:北京航空航天大学