专利名称：一种微小型惯性测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种角速度测量装置，具体地说是一种用于测量运动载体的 角速度和线加速度的装置。
(二)
背景技术：
惯性测量单元是运动载体中测量加速度和角速度的主要装置，根据其测量值 推算载体的导航定位参数，是实现惯性导航的必要设备。目前应用的微小型惯性 测量单元均由硅微陀螺仪和硅微加速度计构成，陀螺仪用于测量载体的角速度、 加速度计用于测量载体的线运动、线加速度。通常采用敏感轴相互垂直安装的三 个单轴陀螺仪和敏感轴相互垂直安装的三个单轴加速度计，安装方式如图l所 示。
这些惯性测量单元，均要求惯性器件的空间距离达到最小(理想的情况是检 测同一质点的线运动和角运动参数)。此类微小型惯性测量单元的缺点是硅微陀 螺仪的精度低，只能通过相应的算法形成航姿基准，不能形成导航系统使用。并 且，由于硅微陀螺仪的物理机理复杂，其精度难以在短期内得到提高，限制了其 应用范围。
由于微机械加速度计的精度却相对较高，其固有的物理约束较微机械陀螺的 少，其精度的提高有较大的潜力，因此，国内外学者在基于线加速度计的惯性导 航系统方面开展了许多研究工作。目前的研究内容主要集中在加速度计配置方案 的研究以及相应角速度的优化算法等，还没有应用方面的报道。1982年，Shmiid J.M erhav在前人的基础上进一步论述了从加速度计的输出信号中分离线加速度 禾口角力口速度的方法(A Nongyroscopic Inertial Measurement Unit. Journal of Guidance. 1982, 5(3): 227-235P)。 1994年J.Chen提出了一种六个加速度计的立方 体配置(Gyroscope Free Strapdown Inertial Measurement Unit by Six Linear Accelerometers. Journal of Guidance,Control and Dynamics. 1994,17(2): 286陽290P)， 六加速度计方案才得以实现；随后Sou-ChenLee在Jeng-HengChen的基础上给出 了利用六个加速度计测量物体的旋转运动的解法(An Innovative Estimation
4Method with Own-ship Estimator for an All Accelerometer-type Inertial Navigation System.International Journal of Systems Science. 1999， 30(12): 1259-1266P )。2005年，SungsuPark和Chin-Woo Tan等提出了一种新的配置方案，即在立 方体的中心增加三个冗余加速度计，用于对角速度的观测和估计(A scheme for improving the performance of a gyroscope隱freeinertial measurement unit. Sensors and Actuators ,2005:410^20P)。目前的角速度解算方法主要有开方解法和角加速度 的积分方法，前者需要判断符号，后者存在误差累积。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以克服硅微陀螺精度低、精度难以提高的缺 点，充分利用硅微加速度计物理机理简单、精度提高容易的优点，同时扩大硅微 加速度计的应用范围的微小型惯性测量装置。
本发明的目的是这样实现的.-
它由加速度传感器单元、信号调理电路部分、A/D转换模块以及DSP芯片构 成的控制及数据处理部分组成；加速度传感器单元包括九个加速度传感器、安装 在一个壳体内，它位于前端；加速度传感器单元的输出信号经过信号调理电路， 输入到A/D转换模块；A/D转换模块的输出的信号进入DSP芯片构成的控制及数 据处理部分，该部分中包含数据预处理模块、角运动参数解算模块，数据进行预 处理，再利用角运动和线运动参数解算，进行解算、输出相应的运动参数。
本发明还可以包括
1、 所述的九个加速度计的配置结构为各加速度计贴装在背板上，背板贴 装在正方体的内壁，加速度计的测量轴均沿坐标轴，其中六个加速度计安装在距 坐标系原点10厘米处，三只加速度计安装于坐标系原点处。
2、 所述的A/D转换模块及DSP构成的控制及数据处理的硬件系统有两块PCB 板组成，分别为AD转换板和DSP主控板，两块板以相叠的方式级联。
3、 所述的角运动和线运动参数解算模型为
^ ( z (,) + wv 0) z 0) 0) "7 0) =-:!:-^-^-
a>x ") (0 h0 -1) + A产a ox (0
<yr(f) =-i:-^-^——^-
Cz (0 H l) z 0 -1) + A^ (r)c>z ( ) v (0 =-^-^-;——^-
y 6^ 0)<yz (0 — wx (/ _ (/ 一 1) + Ar& 0)
I = 4
& = 4
凡，=A
4_4
2/
-4
2/
4+ 4 _4—4
2/
ft\(,)tyz(0 =
:的物理意义
4 +
2/
-4
2/
2/%(0， 载体相对惯性空间的角速度在在体系上的分量；
各变
,，
40)， <0)， A(O， ％W， A(O的解算值；
A(O， AO): w力)，^0)，化O)相对时间的变化率； it，疋"瓦-:坐标系原点处的比力在载体坐标系上的分量；
t， l， I:<，l的计算值；
4 (hl,2,…,9):加速度计的测量值。 以上公式推导如下
定义惯性坐标系I和载体坐标系b，及载体坐标系内的一点户，如附图3所
示。在尸点处安装一个加速度计i，则其输出为(无陀螺捷联惯导系统的安装误
差辨识方法.测试技术学报.2008(5),Vol.22:412-418 )
4 二[iio+ilri+QQri]xei =《&0+(1^)7"11、 (1)
式中&。=[《 l丫； co = [^ Az]7'; il为co的斜对称矩阵；(ri，0j)
6是相对于载体坐标系而言的。对于附图4中配置的九个加速度计，相应的安装位 置和敏感方向为
<formula>formula see original document page 7</formula>
将式(2)和式(3)代入式(1)，有
<formula>formula see original document page 7</formula>
由式(4)可推导出线加速度、角加速度和角速度乘积项的表达式
<formula>formula see original document page 7</formula>对(5-g)式进行如下等效: x( -l>y,-1) = K(,)—A化(,)]K(,)-Affi^)] (6) 其中A化(O、 A^(0分别为^-l时刻到"寸刻化、^的变化量。另外由微分定义 可得
△W) = AW), (0 =総),0) (7)
其中A/为采样周期。 将式(7)代入(6)式可得
x 0 -1)% (, -1) = [a (0 _ 一 (f)](,) _ A, ^ (,)]
=0) - (>)△ ^ 0) - ^ (0 +OX (,)
=aw — (0- %(,(0 △,&(,) +(,)&w
对上式整理得
(8)
ao):
wx 0) - a 0 _" -1) + A,2^ (o
同理可得
(,) v 0) A* 0) + A 0)"z 0) A,《(0
(9—a)
AO)
< y o)ft>z o) _ w _ (卜l) + &2 ^ ox o)
(9-b) (9-c)
(0 _ a (卜0"z (卜D + "x (0
本发明是用线加速度计的测量信息解算出角运动信息，克服了硅微陀螺精度 低、精度难以提高的缺点，充分利用硅微加速度计物理机理简单、精度提高容易 的优点，同时扩大硅微加速度计的应用范围。
本发明的主要特点体现在(1)只用硅微线加速度计构成微小型加速度测量 组件的配置方案及其实现；(2)根据加速度计的输出解算角速度的方法及其实现。
本发明采用多个安装位置和敏感方向线加速度计构成惯性测量单元，根据诸 加速度计的输出解算出角速度和角加速度。本发明中的角速度解算的代数算法， 避免了开方法可能产生的符号误判和积分法导致的误差累积。本惯性测量单元中 要求部分加速度计的空间距离达到最大。诸加速度计输出的模拟信息，经A/D转换后变成数字信号，数字信号处理器(DSP)对采样数据进行预处理，再利用所建立的角运动和线运动参数的解算方法，解算、输出相应的运动参数。
本发明扩展了硅微加速度计的应用范围；克服了硅微陀螺精度低的缺点；用加速度的测量信息解算角速度。
(四)
图1是陀螺仪和加速度计构成的惯性测量单元的原理图。三个陀螺仪和三个加速度计的敏感方向分别沿载体坐标系的坐标轴向安装，陀螺仪用于测量载体相对惯性空间的角速度，加速度计用于测量沿载体坐标轴系轴向的比力。
图2是本发明的工作原理图。加速度计测量组件的输出信息，经过AD转换
后，在DSP中进行数据预处理，再通过运动参数算法的解算输出角速度、角加
速度和线加速度信息。
图3是质点在惯性坐标系和载体坐标系中的位置示意图。质点P在载体系b
中的位置矢量为^，在惯性系i中的位置矢量为^，载体系原点Q在惯性系中的位置矢量为& ，载体系相对惯性空间的角速度为w 。
图4a和图4b是加速度计安装示意图。九个加速度计分别贴装在相应的正方体表面，敏感方向垂直于安装平面。
图5是本发明的硬件框图。
图6是模拟信号调理电路结构示意图。
图7是电源板接口位置示意图。
图8是DSP主控模块布局图。
图9是TMS320C6713与AD73360接口电路图。
(五)
具体实施例方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述
(1) 加速度计的配置安装方案
结合图4，采用一种九加速度计的配置，将加速度计贴装在背板上，背板作为正方体表面嵌在正方体框架上。加速度计的测量轴均沿坐标轴，其中六个加速度计安装在距坐标系原点IO厘米处，三只加速度计安装于坐标系原点处。
(2) 数据处理系统硬件方案数据处理系统采用DSP进行控制、数据通讯、各种数据处理及导航方程的解算。
本系统采用堆栈式、模块化结构进行设计，总线以"针"和"孔"的形式层叠连接。这种层叠封装有很好的抗震性，便于调试，应用起来方便灵活。
系统主要包括以下几部分加速度传感器部分、信号调理部分、A/D转换部分以及DSP芯片构成的控制及数据处理部分。其硬件设计框图如图5所示系统主要包括以下几部分加速度传感器部分、信号调理部分、A/D转换部分以及DSP芯片构成的信号采集及数据处理部分。系统的核心部分是DSP芯片TMS320C6713。C6713在系统中独立完成数据采集和处理的工作，包括后期的算法实现，并实时输出解算参数。图中的PC机用于对DSP输出数据的显示和分析。系统中采用CPLD来辅助DSP完成系统功能的实现。在此DSP系统中主要应用了 I/O扩展、上电顺序和系统配置和初始化这几项主要功能。FLASH芯片用于存储系统初始化的程序，及系统工作时获得的数据。通过MAX3111E实现异步串口通信，用于调试过程中，PC机对DSP芯片进行各种操作；通过TL16C554A实现四个异步串口扩展，用于和罗经及GPS等的通信。
系统的核心部分是DSP芯片TMS320C6713 (以下简称C6713)， C6713在系统中独立完成数据采集和处理的工作，包括后期的算法实现，并实时输出角速度和比力数据。图中的PC机用于对DSP输出数据的显示和分析。
在系统的前端，九个加速度传感器安装在一个壳体内，它们的输出信号经过调理电路，输入到AD模块。AD模块主要由两片AD73360组成。两片AD73360级联，最多可对十二路差分信号进行同步采样。
系统与外界联系主要通过串口实现。系统中采用两种方式扩展串口串口扩展方式一，通过MAX3111E实现异步串口；串口扩展方式二，通过TL16C554A实现四异步串口扩展。
加速度信号调理电路
按照图4的配置方法安装好加速度传感器之后，当壳体运动产生加速度时，九个加速度传感器就会产生输出信号。传感器输出有两种形式单端输出和差分输出。差分输出电压范围为士4V，单端输出电压范围为0.5V至4.5V。而AD输入端电压范围为1.7V至3.3V，需对加速度传感器输出电压进行偏置。借助于
10AD输出的2.5V基准电压(REFOUT)，对加速度传感器输出电压进行偏置。为了尽可能提高A/D转换精度，系统使用AD73360片内参考电压REFOUT作直流偏置。在送到精密电阻分压之前，应采用运算放大器进行隔离，以确保ADC的REFOUT端子没有输入、输出电流，从而保证ADC片内精密电压源电压恒定和较高的A/D转换精度。具体电路如图6所示。加速度计输出有两种形式单端输出和差分输出。差分输出电压范围为士4V,单端输出电压范围为0.5V至4.5V。而AD输入端电压范围为1.7V至3.3V，需对加速度传感器输出电压进行偏置。借助于AD输出的2.5V基准电压(REFOUT)，对加速度传感器输出电压进行偏置。为了尽可能提高A/D转换精度，系统使用AD73360片内参考电压REFOUT作直流偏置。在送到精密电阻分压之前，应采用运算放大器进行隔离，以确保ADC的REFOUT端子没有输入、输出电流，从而保证ADC片内精密电压源电压恒定和较高的A/D转换精度。电源模块
系统电源模块给九加速度计、DSP主控模块、模数转换模块等提供电源。系统电源板输入电压为12V,由LM2596S， TPS73133， AD780AR进行电压转换，可输出9V、 5V、 3.3V (数字)、3.3V (模拟)、2.5V电压。具体为3片LM2596S分别提供3.3V(数字)、5V、 9V电源作为输出；4片TPS73133提供3.3V(模拟)电源作为输出。1片AD780AR提供2.5V电源作为输出和加速度计的参考电压。电源板接口位置如图7所示。如中图右上部分为电源板输入接口，输入12V电压。3号孔为检测用地线接口，除检测外，用绝缘胶布包起以免短路。底面4个电源输出，由左侧开始分别为9V、 5V、 3.3V (模拟)、2.5V。 Pl为加速度计的加速度输出接口，其中单数脚为AOP输出，双数脚为AON输出。P2为加速度计的温度输出接口。.
DSP主控模块
DSP主控模块是系统的核心部分，用以完成数据采集与处理、导航算法的实现和通过串口实现与外围设备的通信。DSP主控模块的核心芯片(DSP)选用的是迄今为止TI公司推出的最快的浮点处理器TMS320C6713。 DSP主控模块的布局如图8所示。DSP主控模块是系统的核心部分，用以完成数据采集与处理、导航算法的实现和通过串口实现与外围设备的通信。DSP主控模块的核心芯片(DSP)选用的是浮点处理器TMS320C6713。AD73360与DSP接口及级联设计
由于AD73360采用16位同步串行口 (SPI)的方式与CPU接口，通过DSP的多通道缓冲口 (McBSP工作在SPI从模式)可方便的实现与其连接。具体电路如图9所示。由于AD73360采用16位同步串行口 (SPI)的方式与CPU接口，通过DSP的多通道缓冲口 (McBSP工作在SPI从模式)可方便的实现与其连接。AD73360的复位信号/RESET、片选信号SE，是通过在CPLD中设置寄存器，DSP对该寄存器进行写的方式，控制AD73360。采用两片AD73360级联，实现对十二路模拟差分信号进行采样，其中一片AD73360的SDOFS和SDO引脚要分别连接到另一片的SDIFS和SDI引脚，以组成级联方式。AD73360的复位信号/RESET、片选信号SE，是通过在CPLD中设置寄存器，DSP对该寄存器进行写的方式，控制AD73360。采用两片AD73360级联，实现对十二路模拟差分信号进行采样。(3)角速度解算方法
(/) z 0) +( z 0) A< (,)
^ (0^ (0 H i)a (卜l) + Ov (0
A(0 =
A(0 =
^ 0)wz (0 _ ， _ i) z (卜l) + A (/风o)A (,M (o -化(,—0 -1)+A/2 A (/风(o
14
4 + 4 — 4 一 4
"、'
2/
2/
4 + 4 _ 4一4
7 =z 2/
,、，、4+4—4—4
2/
12(4)数据处理系统软件方案
应用C语言和DSP汇编语言对系统模型及其解算方程进行模块化设计与调试；应用软件的功能在实现系统模型和及其解算方程之前应该进行数据的预处理、之后应进行误差的估计与补偿。
TMS320C6713初始化程序TMS320C6713初始化程序主要包括外部存储器接口 (EMIF)程序、多通道缓冲口 (McBSP)程序、定时中断程序等，配合串口芯片、AD采样芯片完成数据采集、传输。
数据预处理程序模块对原始数据进行奇点剔除和数据平滑。
角速度解算模块根据角速度的解算方法和数据预处理后的加速度计的输出信息解算出角速度信息。
1权利要求
1、一种微小型惯性测量装置，它由加速度传感器单元、信号调理电路部分、A/D转换模块以及DSP构成的控制及数据处理部分组成；其特征是加速度传感器单元包括九个加速度传感器、安装在一个壳体内，它位于前端；加速度传感器单元的输出信号经过信号调理电路，输入到A/D转换模块；A/D转换模块的输出的信号进入DSP芯片构成的控制及数据处理部分，该部分中包含数据预处理模块、角运动参数解算模块，数据进行预处理，再利用角运动和线运动参数解算方法，进行解算、输出相应的运动参数。
2、 根据权利要求1所述的微小型惯性测量装置，其特征是所述的九个加速度计的配置结构为各加速度计贴装在背板上，背板作为正方体表面嵌在正方体框架上，加速度计的测量轴均沿坐标轴，其中六个加速度计安装在距坐标系原点io厘米处，三只加速度计安装于坐标系原点处。
3、 根据权利要求1或2所述的微小型惯性测量装置，其特征是所述的a/d转换模块及dsp构成的控制及数据处理的硬件系统有两块pcb板组成，分别为ad转换板和dsp主控板，两块板以相叠的方式级联。
4、 根据权利要求1或2所述的微小型惯性测量装置，其特征是所述的角运动和线运动参数解算模型为<formula>formula see original document page 2</formula>各变量的物理意义化(O， ^W， 载体相对惯性空间的角速度在在体系上的分量；A(O， ^W， a(O， ％(0， W力)的解算值；AW， ^W， a(O， ^XO， w,)相对时间的变化率；AOT， iJ。z:坐标系原点处的比力在载体坐标系上的分量；l， l， t: ^t， &， l的计算值；4 (hl,2,…，9):加速度计的测量值。
5、根据权利要求3所述的微小型惯性测量装置，其特征是所述的角运动和线运动参数解算模型为<formula>formula see original document page 2</formula>
全文摘要
本发明提供的是一种微小型惯性测量装置。它由加速度传感器单元、信号调理电路部分、A/D转换模块以及DSP芯片构成的控制及数据处理部分组成；加速度传感器单元包括九个加速度传感器、安装在一个壳体内，它位于前端；加速度传感器单元的输出信号经过信号调理电路，输入到A/D转换模块；A/D转换模块的输出的信号进入DSP芯片构成的控制及数据处理部分，该部分中包含数据预处理模块、角运动参数解算模块，数据进行预处理，再利用角运动和线运动参数解算方法，进行解算、输出相应的运动参数。本发明扩展了硅微加速度计的应用范围；克服了硅微陀螺精度低的缺点；用加速度的测量信息解算角速度。
文档编号G01C21/10GK101487709SQ20091007144
公开日2009年7月22日 申请日期2009年2月27日 优先权日2009年2月27日
发明者何昆鹏, 震 史, 吴俊伟, 周雪梅, 林志强, 王小旭 申请人:哈尔滨工程大学