专利名称：多组合角速率陀螺仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及惯性测量系统技术领域，尤其是涉及一种用于测量平面坐 标系中 一个轴的角速率的多组合角速率陀螺仪。
背景技术：
目前，在导弹控制，地质勘测，工业控制，航空飞行器稳定控制，捷 联惯导，汽车自动驾驶及机器人控制等行业领域中普遍使用的角速率陀螺 仪，其产品绝大部分都是机械式的，如液浮或半液浮，挠性有旋转马达的 角速率陀螺仪等。这些老式角速率陀螺仪在实际应用中存在的突出缺点
是体积大、价格昂贵、易损坏、耐冲击加速度低，寿命短，测量范围小 (老式角速率陀螺最大测量值仅500° /s)，频响低(最多为100Hz)以及 多不具备自检测(self-Test)功能等，即使是当今较先进的光纤或激光 陀螺仪，也是由于其价格昂贵及体积大等原因而很难得到广泛的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一 种多组合角速率陀螺仪，其结构简单、体积小、重量轻、造价低且使用操 作简便，并具备自检测功能，可靠性高、使用寿命长且应用范围广。
为解决上述技术问题，本发明釆用的技术方案是 一种多组合角速率陀 螺仪，其特征在于包括六个用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺 仪、分别对六个角速率陀螺仪所输出模拟信号进行模数转换的A/D釆样电 路以及对经A/D釆样电路转换所输出的六路数字信号进行融合处理并输出
一准确实时检测信号的处理器。
所述处理器包括分别与A/D釆样电路相接且对A/D采样电路所输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片，以及对FPGA芯片所输出六路信号进 行融合处理并输出一准确实时检测信号的DSP处理电路。
所述DSP处理电路的输出信号经接口电路后输出；所述DSP处理电路 由输入回路五、DSP处理器、时钟电路和复位电路组成，输入回路五接DSP 处理器；所述DSP处理器的输出信号分三路， 一路经时钟电路接DSP处理 器的输入端， 一路经复位电路接DSP处理器的输入端，另一路接接口电路 的输入端。
所述A/D釆样电路由输入回路四、校准回路四、运算器二、 A/D转换 器和反馈回路四组成，所述输入回路四接A/D转换器；所述A/D转换器的 输出信号分三路，一路经运算器二和校准回路四后接A/D转换器的输入端， 一路经反馈回路四接A/D转换器的输入端，另 一路接FPGA芯片。
所述角速率陀螺仪为芯片ADXRS150,所述A/D转换器为芯片ADS1251， 所述FPGA芯片为芯片EP2C20,所述DSP处理器为DSP芯片TMS320。
所述角速率陀螺仪包括依次串接的敏感电路、信号处理器和主放大 器；所述主放大器还接有分别对其进行控制的零偏置控制器、量程扩展器 和带宽扩展器，所述零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器相并联且三 者的共同输出端均接主放大器的输入端。
本发明与现有技术相比具有以下优点1、不仅结构简单，加工制作 方便，而且使用操作方便，并具备自检测功能，可准确测量平面坐标系中 的状态；2、角速率陀螺仪属于无旋转马达的固态角速率传感器，其内部 电路工作构件釆用微机械-电子系统(MEMS)技术的芯片且均釆用双极型 金属氧化物半导体(BIMOS)技术的生产和球形网格排列的载流焊工艺技 术进行加工制造，因而产品具有高可靠性和高封装坚固性；3、体积小、 重量轻、造价低且使用寿命长，同时，使用操作简便、便于推广应用，因 而在实践中的应用范围十分广泛，可广泛用于导弹控制，地质勘测，工业 控制，航空飞行器稳定控制，捷联惯导，汽车自动驾驶及机器人控制等行 业领域；4、测量的准确度高，分别通过六个单轴角速率陀螺仪对空间坐标系中Z轴的角速率进行测量，六个角速率陀螺仪的输出信号经A / D转换
电路转换后为数字信号并且将六路数字信号传输至处理器中进行处理，处 理器根据数据融合算法及卡尔曼滤波算法对所输入的六路信号进行处理，
进而得到更为准确的角速率信号，然后通过通讯接口电路传出；另外，本
发明具有自检测功能，因而能够实现机内检测(BIT) ; 5、本发明还设置 了零偏置控制器、量程扩展器和带宽扩展器，使本产品具有零漂置校准、 较宽的测量范围和带宽功能，同时，也使本发明具有工作温度范围宽、体 积小、重量轻、启动快、寿命长及耐冲击加速度高等特点。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的总体电路原理框图。 图2为本发明角速率陀螺仪的电路原理框图。 图3为图2中敏感电路、信号处理器和主放大器的电路原理图 图4为本发明零偏置控制器的电路原理框图。 图5为图4的电路原理图。 图6为本发明量程扩展器的电路原理框图。 图7为图6的电路原理图。 图8为本发明带宽扩展器的电路原理框图。 图9为图8的电路原理图。 图10为本发明A/D釆样电路的电路原理框图。 图11为本发明DSP处理电路的电路原理框图。 附图标记说明
2—A/D采样电路； 2-
2- 3—运算器二； 2-
3- FPGA芯片； 4-
4- 2 — ST接口电路； 4-
l一角速率陀螺仪 2-2—校准回路四 2-5—反馈回路四 4-1一离散控制器
l一输入回路四； 4一A/D转换器;
-敏感电路； 3—敏感器；4-4一谐振器；4_5一激励器；5 —-信号处理器；
6 —-主放大器；7_输入回路一；8 —-放大器一；
9 —-运算器一；10--校准回路一；11-一反馈回路一；
12—输入回路二；13--放大器二；14—量程扩展回路;
15一反馈回路二；16--输入回路三；17—放大器三；
18一带宽扩展电路；19--反馈回路三；21-一零偏置控制器;
22一量程扩展器；23--带宽扩展器；24一处理器；
26一DSP处理电路；26-l一输入回路五；26--2—DSP处理器；
26--3 —时钟电路；26-4一复位电路；27-一接口电路。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括包括六个用于测量空间z轴方向角速率的角
速率陀螺仪1、分别对六个角速率陀螺仪1所输出模拟信号进行模数转换
的A/D采样电路2以及对经A/D釆样电路2转换所输出的六路数字信号进 行融合处理并输出一准确实时检测信号的处理器24。所述处理器24包括 分别与A/D釆样电路2相接且对A/D釆样电路2所输出数字信号进行卡尔 曼滤波的FPGA芯片3 (即现场可编程门阵列系列芯片)，以及对FPGA芯 片3所输出六路信号进行融合处理并输出一准确实时检测信号的DSP处理 电路26。另外，通过一块适配转接线路板使角速率陀螺仪1的输入端以及 经卡尔曼滤波和DSP处理电路26处理后的信号输出端与引出电缆连接。 其中，所述角速率陀螺仪1包括依次串接的敏感电路4、信号处理器5和 主放大器6;所述主放大器6还接有分别对其进行控制的零偏置控制器21、 量程扩展器22和带宽扩展器23,所述零偏置控制器21、量程扩展器22 和带宽扩展器23相并联且三者的共同输出端均接主放大器6的输入端。 本实施例中，所述角速率陀螺仪1为芯片ADXRS150,所述A/D转换电路2 为芯片ADS1251,所述FPGA芯片3为芯片EP2C20。如图2所示，所述敏感电路4为由离散控制器4-l、 ST接口电路4-2、 敏感器4-3、谐振器4-4和激励器4-5组成的敏感电路，所述离散控制器 4-1和激励器4-5分别经ST接口电路4-2和谐振器4-4后均接敏感器4-3, 所述敏感器4-3接信号处理器5。结合图3,所述敏感器4-3为芯片PO-XRS 即芯片Ul,其输入端Uu接角速率输入信号；谐振器4-4由两个运算放大 器A1和A2相串联组成，所述运算放大器Al和A2均为芯片LTC2053,其 中，运算放大器Al和A2的正相输入端均接UR，运算放大器A卩的反相输 入端接芯片PO-XRS的输出端U。2,运算放大器A2的输出端接运算放大器 Al的反相输入端。离散控制器4-1的输出端分别经ST1、 ST2接口电路后 接至芯片P0-XRS的两个输入端ST1、ST2。而激励器4-5为由芯片REGni-5 (即芯片U3)构成的充电泵调节器，所述芯片REG711-5的输出端接芯片 PO-XRS的输入端U 。所述信号处理器5由芯片LTC2053 (即运算放大器 A3-l)和芯片LB8207 (即芯片U4-1 )串接组成，具体是，芯片P0-XRS的 两个输出端U。,+和U。,-分别接运算放大器A3-l的正相和负相输入端。另夕卜， 角速率陀螺仪1的主放大器6为芯片LTC205 3 (即运算放大器All)。芯 片U4-l的输出端U。经电阻R1-1、电阻R2-1后接运算放大器A4-1的反相 输入端，运算放大器A4-1的输出端和其反相输入端之间并接有电阻R3-l 和电容C5-l。
如图4所示，所述零偏置控制器21由输入回路一 7、放大器一 8、运 算器9、校准回路10和反馈回路一 11组成；放大器一8的输出信号分三 路， 一路经运算器一 9和校准回路10后接放大器一 8的输入端， 一路经 所述反馈回路一 11后接放大器一 8的输入端，另一路接主放大器6的输 入端。结合图5,放大器一 8为芯片LTC205 3 (即运算放大器A5 ),运算 器一 9为芯片LM339 (即芯片A6)，校准回路10由 一 电阻R6和 一 电子开 关K4串接组成。输入回路一 7由电阻R4、 R5和电容C7组成，反馈回路 一11由电阻R7组成。也就是说，输入回路一 7的输出端接放大器一 8的 输入端，而放大器一 8的输出信号一路分流至反馈回路一 11并回接到放大器一 8的输入端。零偏置控制器21的设置可以使本发明内的每个轴的 零偏一致，达到2.5土0. IV，以便于用户的使用。
如图6所示，所述量程扩展器22由输入回路二 12、放大器二13、量 程扩展回路14和反馈回路二 15组成；放大器二 13的输出信号分三路， 一路经所述量程扩展回路H后接放大器二 13的输入端， 一路经所述反馈 回路二 15后接放大器二 13的输入端，另一路接主放大器6的输入端。结 合图7，所述放大器二 13为芯片LTC205 3 (即运算放大器A7 ),输入回路 二12由电阻R9、 R11和电容C9组成，量程扩展回路14由电阻Rx,构成， 反馈回路二 15由电阻R10组成。实际应用过程中，依据巿场客户对量程 的要求，通过量程扩展器可以设置本发明中各轴向的量程，以满足用户不 同测量范围的要求。
如图8所示，所述带宽扩展器23由输入回路三16、放大器三17、带 宽扩展电路18和反馈回路三19组成；输入回路三16的输出信号分三路， 一路经带宽扩展电路18后接放大器三17的输入端， 一路经反馈回路三19 后接放大器三17的输入端，另 一路接主放大器6的输入端。结合图9,所 述放大器三17由为芯片LTC2053 (即运算放大器A8 ),带宽扩展电路18 由电容Cx和C12并联组成，反馈回路三19由电阻Rx和R14并联组成，输 入回路三16由电阻R12、 R13和电容C11组成。也就是说，输入回路三16 的输出端接放大器三17的输入端，放大器三17的输出信号分别分流至带 宽扩展电路18和反馈回路三19的输入端且二者的输出端均回接至放大器 三17的输入端。
如图10所示，所述A/D采样电路2由输入回路四2-1、校准回路四 2-2、运算器二2-3、 A/D转换器2-4和反馈回路四2-5组成，所述输入回 路四2-1接A/D转换器2-4;所述A/D转换器2-4的输出信号分三路，一 路经运算器二 2-3和校准回路四2-2后接A/D转换器2-4的输入端， 一路 经反馈回路四2-5接A/D转换器2-4的输入端，另一路接FPGA芯片3。本 实施例中，A/D转换器2-4为芯片ADS1251。如图ll所示，所述DSP处理电路26由输入回路五26-1、 DSP处理器 26-2、时钟电路26-3和复位电路26-4组成，输入回路五26-1接DSP处 理器26-2;所述DSP处理器26-2的输出信号分三路， 一路经时钟电路26-3 接DSP处理器26-2的输入端， 一路经复位电路26-4接DSP处理器26-2 的输入端，另一路接接口电路27的输入端。结合图13,本实施例中，所 述DSP处理器26-2为DSP芯片TMS320。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是 根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构 变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
权利要求
1. 一种多组合角速率陀螺仪，其特征在于包括六个用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪(1)、分别对六个角速率陀螺仪(1)所输出模拟信号进行模数转换的A/D采样电路(2)以及对经A/D采样电路(2)转换所输出的六路数字信号进行融合处理并输出一准确实时检测信号的处理器(24)。
2. 按照权利要求1所述的多组合角速率陀螺仪，其特征在于所述处 理器(24)包括分别与A/D釆样电路(2)相接且对A/D釆样电路(2)所 输出数字信号进行卡尔曼滤波的FPGA芯片(3),以及对FPGA芯片(3) 所输出六路信号进行融合处理并输出一准确实时检测信号的DSP处理电路(26)。
3. 按照权利要求2所述的多组合角速率陀螺仪，其特征在于所述DSP 处理电路(26)的输出信号经接口电路(27)后输出；所述DSP处理电路(26)由输入回路五(26-1) 、 DSP处理器(26-2)、时钟电路(26-3) 和复位电路(26-4)组成，输入回路五(26-1)接DSP处理器(26-2); 所述DSP处理器(26-2)的输出信号分三路， 一路经时钟电路(26-3)接 DSP处理器(26-2 )的输入端， 一路经复位电路(26-4 )接DSP处理器(26-2 ) 的输入端，另一路接接口电路(27)的输入端。
4. 按照权利要求2或3所述的多组合角速率陀螺仪，其特征在于所 述A/D釆样电路(2)由输入回路四(2-1)、校准回路四U-2)、运算 器二 (2-3) 、 A/D转换器(2-4)和反馈回路四(2-5)组成，所述输入回 路四(2-1)接A/D转换器(2-4);所述A/D转换器(2-4)的输出信号 分三路， 一路经运算器二( 2-3 )和校准回路四(2-2 )后接A/D转换器(2-4 ) 的输入端， 一路经反馈回路四(2-5)接A/D转换器(2-4)的输入端，另 一路接FPGA芯片(3)。
5. 按照权利要求4所述的多组合角速率陀螺仪，其特征在于所述角 速率陀螺仪U)为芯片ADXRS150，所述A/D转换器(2-4)为芯片ADS1251,所述FPGA芯片(3)为芯片EP2C20，所述DSP处理器(26-2)为DSP芯片 TMS320。
6.按照权利要求1、 2或3所述的多组合角速率陀螺仪，其特征在于 所述角速率陀螺仪(1)包括依次串接的敏感电路(4)、信号处理器(5) 和主放大器(6);所述主放大器(6)还接有分别对其进行控制的零偏置 控制器(21)、量程扩展器(")和带宽扩展器(23),所述零偏置控制 器(21)、量程扩展器(22)和带宽扩展器(23)相并联且三者的共同输 出端均接主放大器(6)的输入端。
全文摘要
本发明公开了一种多组合角速率陀螺仪，包括六个用于测量空间Z轴方向角速率的角速率陀螺仪、分别对六个角速率陀螺仪所输出模拟信号进行模数转换的A/D采样电路以及对经A/D采样电路转换所输出的六路数字信号进行融合处理并输出一准确实时检测信号的处理器。本发明结构简单、体积小、重量轻、造价低且使用操作简便，并具备自检测功能，可靠性高、使用寿命长且应用范围广。
文档编号G01C19/00GK101413798SQ20081023251
公开日2009年4月22日 申请日期2008年12月2日 优先权日2008年12月2日
发明者何永革, 董红娟, 谷荣祥 申请人:西安中星测控有限公司