专利名称：一种基于mems的低成本、小体积板式微惯性测量系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，用于提供被测载体的运动参数(位置、速率、姿态)，适用于微小飞行器、汽车、火车等要求体积小、重量轻、成本低惯性测量系统的运动载体。
背景技术：
随着基于MEMS的微陀螺、微加速度计等微惯性测量器件的出现，微惯性测量系统已经逐渐深入到我们生活中。在生活中，司机可以根据微惯性测量系统来识别自己的位置和航向，防止迷路；车辆控制系统可以根据惯性测量系统提供的姿态、速度信息来判断车辆是否打滑，是否需要减速，保证行驶安全。
惯性测量系统是一种不依赖任何外部信息，也不向外辐射能量的自主式导航系统，具有隐蔽性好，不易受外界干扰、数据更新率高、短期精度高和稳定性好等优点。现有的惯性测量系统采用的是机械结构的惯性器件，往往体积巨大，陀螺仪的内部转子往往采用机械支撑，抗冲击能力差，使用寿命短；而且机械加工精度相当高，造成成本居高不下，很难广泛应用于民用领域。
在惯性测量系统的结构方面，现有的惯性测量系统往往采用“六面体”或“T型”结构，这两种结构都是立体结构，不便于电路连接和安装，因此可靠性差。在立体结构中，三只加速度计的摆放受立体结构尺寸的影响，摆放不如板式结构紧凑，这就造成载体机动时加速度计会产生一个较大的额外误差输出，影响导航的精度(即尺寸效应)。而本系统中由于采用板式结构，所有电路都在信号板上设计，提高了电路的可靠性，降低电路中引入的噪声；三只加速度计平放在信号板上，它们之间距离可以设计的尽量短，最大限度地减小尺寸效应带来的影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服了现有惯性测量系统体积大、功耗高、价钱昂贵等不足，提供了一种低成本、小体积、重量轻、功耗低的微惯性测量系统。
本发明的技术解决方案是一种基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统由板式结构体、信号板、陀螺模块组成，板式结构体主要由平面板、定位销以及凸台构成，平面板主要起支撑作用，定位销主要用于给信号板和陀螺模块提供定位基准，凸台主要给系统提供基准便于系统安装和测试实验；信号板包含了加速度计模块、信号采集处理模块、数据处理模块和通讯模块。信号板通过螺栓按照定位销确定的方位固定在平面板上，保证信号板四边分别与平面板四边平行，三只加速度计焊接在信号板上，加速度计位置尽量保证紧凑，最大限度减小尺寸效应。陀螺模块包括三只MEMS陀螺，陀螺模块通过定位销精确固定在平面板上，保证敏感轴在空间保持正交。
信号采集处理模块主要完成对陀螺、加速度计和温度信号的采集工作。陀螺、加速度计以及温度信号先经过比例放大器调节到ADC的输入范围内，然后经过低通滤波器滤除高频噪声，最后通过ADC进行模数转换。系统采用参考电平与传感器电源共源供电方式，降低由于电源波动及电路中引入的噪声。
数据处理模块，主要完成数据平滑、误差补偿、捷联解算等工作。数据平滑时采用移动平均算法来提高系统的实时性。系统采用AT91RM9200类型的高性能处理器降低了系统的功耗，提高了数据处理能力，增强了系统的可靠性。
通讯模块，主要完成系统与上位机的通讯工作。捷联解算后得到的运动载体的运动参数，通过数据打包方式发送给上位机。
本发明的原理是现有的惯性测量系统采用的是机械结构的惯性器件，往往体积巨大，抗冲击能力差，使用寿命短，成本极高；而采用基于MEMS的微惯性器件集成的微惯性测量系统虽然在精度上比现有的惯性测量系统差，但可以满足民用领域的诸多需要，同时微惯性测量系统还具有体积小、功耗低、抗冲击范围大、成本低廉等优点。现有的惯性测量系统多采用“六面体”或“T型”结构，这两种结构都属于立体结构，惯性器件往往摆放在立体结构的三个正交面上，因此电路分布在多块信号板上，这就造成了电路连接的不可靠性以及噪声较大；此外惯性器件在安装时受立体结构尺寸的限制，摆放不够紧凑，这就造成载体在作机动时，加速度计会产生一个较大的额外误差输出，影响导航的精度(即尺寸效应)。而板式结构的微惯性测量系统，电路连接都在一块信号板上实现，增加了电路的可靠性，能有效地降低电路中的噪声；在惯性器件的选择方面，采用水平敏感轴向和垂直敏感轴向的微惯性器件组成惯性测量系统，这样惯性器件就可以安装在一个平面内，同时敏感三个轴向的加速度和角速度。三只加速度计水平摆放在信号板上，位于板式惯性测量系统的中心位置，同时安装的尽量紧凑，保证三个敏感轴正交。三只陀螺仪平放在平面板上，保证陀螺仪的敏感轴与相应的加速度计敏感轴平行。由于所有的惯性器件都安装在一个平面内，所以可以摆放的更加紧凑，可以最大程度上减小尺寸效应带来的误差。
本发明与现有技术相比的优点在于(1)采用MEMS微惯性器件减小了系统的体积、功耗，提高了抗过载能力，极大的降低了生产成本，易于集成和批量生产；(2)“平板式”结构与现有的“立方体”结构和“T型”结构相比可以最大限度的减小体积，最大限度的降低尺寸效应，方便了电路的连接；(3)采用移动平均算法来对采样数据进行滤波平滑，提高了系统的实时性。
图1为本发明的立体示意图；图2为本发明的俯视图；图3为本发明的平板结构示意图；图4为本发明的信号板示意图；
图5为本发明的电路结构示意图；图6为本发明的系统程序流程图；图7为本发明的信号采集处理模块电路原理图；图8为本发明的信号采集流程图；图9为本发明的数据处理模块示意图；图10为本发明的处理器与ADC连接图；图11为本发明的通讯模块电路原理图。
具体实施例方式
如图1、2所示，本发明由板式结构体1、信号板2、陀螺模块3组成，信号板2通过螺栓按照定位销14确定的方位固定在平面板11上，保证信号板2四边与平面板11四边平行，安装时以三相水平仪为基准调节四角上的螺栓来保证信号板2上表面与平面板11上表面保持平行。陀螺模块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的敏感轴如虚线箭头所示，Z向MEMS陀螺33敏感轴垂直于平面板11，陀螺模块3通过陀螺定位销13确定的方位固定在平面板11上，保证三个敏感轴在空间正交。
如图3所示，平面板结构体1由平面板11、固连凸台结构12、陀螺定位销13、信号板定位销14组成，平面板11采用硬质铝加工而成，要求板体相邻侧面垂直，相对侧面平行，平面板11主要起系统的支撑作用。4个凸台12固连在平面板11的四角上，四个凸台12的底面要求与平面板11的上表面平行，凸台12外侧面分别与平面板11的四个侧面平行，四个凸台12主要是为安装提供方便和基准；陀螺定位销13主要是对安装在平面板11上的三个陀螺起定位作用，同样信号板定位销14起对信号板2的定位作用。每2个定位销共同起作用，要求成对的定位销与相应的板体侧面平行。采用此结构可以方便电路连接，最大限度地减小体积，降低由于安装不准带来的误差，为安装与标定试验提供了基准。
如图4所示，信号板2包括加速度计模块4、信号采集处理模块5、数据处理模块6以及通讯模块7。加速度计模块4主要由X向MEMS加速度计41、Y向MEMS加速度计42、Z向MEMS加速度计43组成，MEMS加速度计41、42敏感轴如虚线箭头所示，MEMS加速度计43敏感轴垂直于平面板11，三只加速度计焊在电路板上，通过精确设计加速度计在电路板上的安装位置，可以保证三只加速度计的敏感轴在空间正交；同时由于是板式结构，所以三只加速度计可以摆放的更加紧凑，最大限度的减小尺寸效应带来的影响。
如图5所示，本发明的电路部分主要由信号采集处理模块5、数据处理模块6以及通讯模块7构成。信号采集处理模块5主要实现微惯性器件输出信号的硬件滤波、比例调节以及模数转换功能，数据处理模块6主要完成对处理后数据进行平滑，运行误差补偿算法和捷联算法，计算出运动载体的位置、速度和姿态信息。通讯模块7主要完成将载体信息传送给上位机功能。具体流程如图6所示，系统上电后开始自检，ARM处理器完成寄存器以及外设的初始化，然后控制ADC采集微惯性器件的输出信号，对采集后的数据进行平滑处理，利用平滑后的数据进行捷联解算，并将解算结果传送给上位机进行显示。
如图7所示，本发明的信号采集处理模块5主要包括低通滤波器、比例放大器和ADC模数转换。陀螺、加速度计以及温度信号经过低通滤波器滤除高频噪声，通过比例放大器将信号调节到ADC的输入范围0～+5V内，然后进行模数转换。本发明采用ADS8345芯片进行模数转换，精度16bit，采样速率100k，8路串行采样。由于ADC的参考电平对采样精度有很大影响，所以在本发明中采用传感器与ADC参考电平共源供电方式，可以极大的消除电源波动以及电路中带来的噪声。
如图8所示，本发明信号采集采用中断方式，处理器1ms产生一次定时中断，输出脉冲控制ADC切换通道进行一次7路的循环采样。每路采样20个数据进行一次平滑处理，处理后数据用于误差补偿。
如图9所示，本发明的数据处理模块6采用ATMEL公司的AT91RM9200处理器，主要完成控制ADC采样，平滑数据，运行标定补偿算法和捷联算法等任务。AT91RM9200处理器主频180MHz，工作时功耗＜0.3w，是一款高性能，低功耗的处理器，非常适合要求小体积、低功耗、高速数据处理能力的系统。此外AT91RM9200处理器还集成I2C、USART、SPI、USB、Timer等外设接口，方便扩展。如图10所示为ARM9处理器与ADC采用SPI口连接方式示意图。系统为满足大数据量的处理，还扩展了32MbitSRAM和16Mbit的FLASH。采用ARM处理器的另外一个优势在于可以嵌入操作系统，方便用户编程和提高系统的可靠性。经过ADC转换后的数据进入ARM处理器进行平滑处理，在本发明中采用移动平均算法，在保证平滑精度的情况下提高了系统的实时性。平滑后的数据进行误差补偿处理，然后运行捷联算法，得出运载体的运动参数。
如图11所示，本发明的通讯模块7主要完成系统与上位机的通讯功能，捷联解算后得到的运动参数通过处理器的串口发送给上位机。在本发明中，运动参数的传输采用打包方式，每一组运动参数作为一个结构体，在结构体前加如“@@@@”的符号作为包头，一起发送给上位机。上位机在接收数据的时候先判断包头然后接收数据，这样提高了数据的可靠性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
权利要求
1.一种基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于由板式结构体(1)、信号板(2)和陀螺模块(3)组成，板式结构体(1)包括平面板(11)、四个凸台(12)、三对陀螺定位销(13)、一对信号板定位销(14)，平面板(11)主要起支撑作用，四个凸台(12)位于平面板(11)的四个角上，并且与平面板(11)固连，每个凸台(12)的外侧面与相应的平面板(11)的侧面平行，凸台(12)可以用来确定系统的安装基准，以及标定试验的定位基准；每2个陀螺定位销(13)和信号板定位销(14)成对使用，三对陀螺定位销(13)提供三只MEMS陀螺的安装基准，信号板定位销(14)为信号板(2)提供基准，使信号板(2)安装在板式结构体(1)上，保证信号板(2)各侧面与平面板(11)各侧面相互平行；信号板(2)从左至右依次放置数据处理模块(6)、加速度计模块(4)、信号采集处理模块(5)和通讯模块(7)，加速度计模块(4)放置在整个系统的中间位置，包括X向MEMS加速度计(41)、Y向MEMS加速度计(42)、Z向MEMS加速度计(43)，三个加速度计模块(4)焊接在信号板(2)上，通过信号板定位销(14)定位保证敏感轴正交，且同时分别与对应的陀螺敏感轴平行；陀螺模块(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陀螺通过陀螺定位销(13)安装在平面板(11)上，保证三个敏感轴在空间正交。
2.根据权利要求1所述的基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于所述的信号采集处理模块(5)主要包括信号比例放大器、硬件低通滤波器、ADC模数转换部分，陀螺仪、加速度计及温度计输出的模拟信号首先经过放大器，将信号调节到ADC的输入范围内，然后通过低通滤波器滤除信号中的高频噪声，经过处理的模拟信号通过ADC进行模数转换。
3.根据权利要求1所述的基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于所述的数据处理模块(6)主要包括微处理器及其外围电路，完成控制ADC进行采集，对采集后的数据进行滤波平滑处理，对平滑后的数据进行标定补偿，然后进行捷联解算。
4.根据权利要求4所述的基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于所述的对数据进行平滑时，采用移动平均算法，这样就可以在保证平滑精度的情况下，提高了系统的实时性。
5.根据权利要求1所述的基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于所述的通讯模块(7)主要包括串口及其外围电路，完成与上位机通讯功能，捷联解算后得到的运动参数通过处理器的串口发送给上位机，运动参数的传输采用打包方式，提高了参数的可靠性。
6.根据权利要求1所述的基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，其特征在于所述的平面板(11)加工成标准长方体形状，主要起支撑作用。
全文摘要
一种基于MEMS的低成本、小体积板式微惯性测量系统，包括三只硅微陀螺、三只硅微加速度计、信号采集模块、数据处理模块、通讯模块和板式结构体。板式结构体由平面板、定位销和凸台构成，三只陀螺通过定位销精确安装在平面板上，保证三个敏感轴正交，三只加速度计通过设计信号板精确定位保证敏感轴正交，凸台利于标定试验的定位。该系统通过使用微惯性器件和板式结构，减小了体积，降低了成本，提高抗过载能力，降低了杆臂效应带来的影响。采用移动平均算法，在保证精度的同时，提高了系统的实时性。本发明具有体积小、重量轻、功耗低、动态范围大、抗过载能力强、实时性好和成本低等优点，尤其适合在车辆导航等民用领域。
文档编号G01C21/18GK1912545SQ20061011260
公开日2007年2月14日 申请日期2006年8月25日 优先权日2006年8月25日
发明者房建成, 孙宏伟, 盛蔚, 李建利, 张霄, 张海鹏 申请人:北京航空航天大学