MEMS复合量程三轴姿态解算装置及解算方法与流程

本发明涉及加速度测量技术领域，具体而言，本发明涉及一种mems复合量程三轴姿态解算装置及解算方法。

背景技术：

加速度测量是工程技术提出的重要课题。当物体具有很大的加速度时，物体及其所载的仪器设备和其它无相对加速度的物体均受到能产生同样大的加速度的力，即受到动载荷。欲知动载荷就要测出加速度。其次，要知道各瞬时飞机、火箭和舰艇所在的空间位置，可通过惯性导航连续地测出其加速度，然后经过积分运算得到速度分量，再次积分得到一个方向的位置坐标信号，而三个坐标方向的仪器测量结果就综合出运动曲线并给出每瞬时航行器所在的空间位置。

通常情况下，由于压电式加速度传感器无法从零频开始测量，所以对于航行器等物体线加速度的获取，一般采用压阻式加速度传感器或者电容式加速度传感器。需要特别注意的是，在没有另外布置速度传感器以及位移传感器的情况下，如果希望得到航行器等物体的速度和位移等动态参数信息，只能通过对线加速度数据进行二次处理来实现，在某些应用场合，无法满足多元数据库建立的实时性要求。如果同时配置线加速度传感器、速度传感器以及位移传感器，带来的问题会更多也更复杂。具体的，由于三种关键动态参数产生源不同，并且在敏感原理、电路设计、器件选用等环节存在差异，最终在测量精度和准确度、系统功耗、数据同步性、时空利用率等方面带来更多的成本投入。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的上述缺陷和问题，提出一种mems复合量程三轴姿态解算装置及解算方法，解决了在某些应用场合，现有的加速度传感器无法满足多元数据库建立的实时性要求的技术问题。

本发明技术方案如下：

本发明的实施例根据一个方面，提供了一种mems复合量程三轴姿态解算装置，包括：用于采集被测点在三个轴向上的原始加速度信息的加速度传感器信号调理模块和用于将所述加速度传感器信号调理模块的输出信号进行实时解算处理的姿态解算模块；

所述加速度传感器信号调理模块包括mems电容式加速度传感器组和混合信号asic，以及分别与mems电容式加速度传感器组和混合信号asic相电连接的功率二次调节电源；

所述姿态解算模块包括a/d模数转换模块和微积分解算单元，以及分别与a/d模数转换模块和微积分解算单元相电连接的功率二次调节电源。

进一步地，所述混合信号asic的输入端接收来自mems电容式加速度传感器组的输出信号，输出端电连接所述a/d模数转换模块的输入端，

所述a/d模数转换模块的输出端与所述微积分解算单元的输入端电连接，且所述a/d模数转换模块用于将表征三轴中任一轴向原始加速度的原始模拟信号转换为数字信号输出；

所述三轴包括x轴、y轴和z轴。

进一步地，所述微积分解算单元的输出端与配置于所述姿态解算模块外部的数据接收装置电连接；且

所述微积分解算单元用于对a/d模数转换模块输出的表征三轴中任一轴向原始加速度的数字信号进行预设时间段内的一次和/或二次积分运算；

所述三轴包括x轴、y轴和z轴。

优选地，所述原始加速度包括原始线加速度。

具体地，所述微积分解算单元通过对原始加速度的一次积分运算后得到被测点的速度参数；以及通过对所述原始加速度的二次积分运算后得到被测点的位移参数。

优选地，所述功率二次调节电源分别与配置于加速度传感器信号调理模块和姿态解算模块外部的双极工作电源相电连接；且所述功率二次调节电源分别用于调节双极工作电源对所属模块中的电压输出。

优选地，所述微积分解算单元包括内嵌有解算程序的可编程逻辑器件、以及累加器和ip核，所述累加器用于接收数据并对其进行加法运算，所述ip核用于接受并处理累加器的输出结果。

优选地，所述mems电容式加速度传感器组包括至少三个mems电容式加速度传感器，每个所述mems电容式加速度传感器用于负责表征某一被测点在一个轴向的线加速度参数信号且每个所述mems电容式加速度传感器分别与混合信号asic电连接。

本发明的实施例根据另一个方面，还提供了一种mems复合量程三轴姿态解算方法，该方法包括如下步骤：

确定出被测点在三个轴向上的原始加速度信息；

根据被测点在三个轴向上的原始加速度，经过a/d模数转换后分别实时进行微积分解算处理。

优选地，在所述确定出被测点在三个轴向上的原始加速度信息之前，预先设定单轴姿态解算相关参数；以及

所述根据被测点在三个轴向上的原始加速度，经过a/d模数转换后分别实时进行微积分解算处理，具体包括：

预先设置采样率；

根据所述采样率，采集被测点在某一轴向上的原始加速度，经模数转换后转化为数字量；

将转换后的数字量按照预设存储顺序输入微积分解算单元，实时进行微积分解算处理。

本发明技术效果：

1.本发明提供了mems复合量程三轴姿态解算装置，包括加速度传感器信号调理模块和用于将所述加速度传感器信号调理模块的输出信号进行实时解算处理的姿态解算模块。该装置结构简洁、各个模块功能明晰，同时集成了三只单轴高精度mems加速度传感器，实现了对飞行器或航行器等物体进行空间坐标x、y、z三轴向线加速度、速度和位移进行同步测量。本发明的mems复合量程三轴姿态解算装置体积小、功耗低；环境适应性好，可全天候全温度范围内长期稳定地处于正常工作状态，可靠性较强。

2.本发明提供了一种mems复合量程三轴姿态解算方法，该方法主要通过分别对被测点原始线加速度数据的一次积分、二次积分，最终得到该被测点的速度数据、位移数据。成功实现了对飞行器或航行器等物体进行空间坐标x、y、z三轴向线加速度、速度和位移进行同步测量，满足多元数据库建立的实时性要求。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置结构示意图。

图2是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置中的姿态解算模块的电路原理示意图。

图3是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算方法的流程示意图。

附图标记：1-防护壳体，2-安装法兰，3-出线孔，4-第一安装孔，5-第二安装孔，6-耦合支架，7-mems加速度解算单元，8-第三安装孔，9-第四安装孔。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

图1是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置结构示意图。结合图1所示，本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置，设置在由防护壳体1和安装法兰2相对拼而成的框架结构内部，该框架结构内部以mems加速度解算单元7为例，同时设置了三个mems复合量程三轴姿态解算装置。图1中示出的由防护壳体1和安装法兰2相对拼而成的框架只是本发明实施例中的一种承载形式，根据不同的实际测量环境和需求，还可以灵活改进用于承载本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置的框架结构。本发明实施例中涉及到的mems是指微机电系统(mems,micro-electro-mechanicalsystem)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。

本发明的实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置，包括：用于采集被测点在三个轴向上的原始加速度信息的加速度传感器信号调理模块和用于将该加速度传感器信号调理模块的输出信号进行实时解算处理的姿态解算模块。

加速度传感器信号调理模块包括mems电容式加速度传感器组和混合信号asic，以及分别与mems电容式加速度传感器组和混合信号asic相电连接的功率二次调节电源；功率二次调节电源分别与配置于加速度传感器信号调理模块和姿态解算模块外部的双极工作电源相电连接；且该功率二次调节电源分别用于调节双极工作电源对所属模块中的电压输出。

姿态解算模块包括a/d模数转换模块和微积分解算单元，以及分别与a/d模数转换模块和微积分解算单元相电连接的功率二次调节电源。

其中，姿态解算模块的数据输出信号由出线孔3引出，姿态解算单元通过第一安装孔4安装在被测位置点，解算单元内置模块通过第二安装孔5固定。图1中的第四安装孔9所在的方框支架是耦合支架6，耦合支架6通过安装法兰2上的第二安装孔5固定在传感器内部，mems加速度解算单元7通过第三安装孔8和第四安装孔9固定在耦合支架上。

图2是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算装置中的姿态解算模块的电路原理示意图。本发明实施例提供的mems复合量程三轴姿态解算装置，包括：用于采集被测点在三个轴向上的原始加速度信息的加速度传感器信号调理模块和用于将该加速度传感器信号调理模块的输出信号进行实时解算处理的姿态解算模块；

加速度传感器信号调理模块包括mems电容式加速度传感器组和混合信号asic，以及分别与mems电容式加速度传感器组和混合信号asic相电连接的功率二次调节电源；

姿态解算模块包括a/d模数转换模块和微积分解算单元，以及分别与a/d模数转换模块和微积分解算单元相电连接的功率二次调节电源。

mems复合量程三轴姿态解算装置中集成三只mems电容式加速度传感器，其中，每单只mems电容式加速度传感器均采用陶瓷封装的体微机械硅元件，通过一个内部连接板传输到一个专用混合信号asic，能进行模拟闭环力平衡反馈。

优选地，混合信号asic的输入端接收来自mems电容式加速度传感器组的输出信号，输出端电连接a/d模数转换模块的输入端。a/d模数转换模块的输出端与所述微积分解算单元的输入端电连接，且该a/d模数转换模块用于将表征三轴中任一轴向原始加速度的原始模拟信号转换为数字信号输出。需要说明的是，本发明实施例中的三轴包括x轴、y轴和z轴。

优选地，微积分解算单元的输出端与配置于姿态解算模块外部的数据接收装置电连接；且微积分解算单元用于对a/d模数转换模块输出的表征三轴中任一轴向原始加速度的数字信号进行预设时间段内的一次和/或二次积分运算。同样，此处涉及到的三轴包括x轴、y轴和z轴。

功率二次调节电源的输入为双极工作电源，工作电压为±6v或±12v，在±6v供配电情况下微积分解算单元的静态典型功耗为12ma。微积分解算单元内部的功率二次调节电源对输入供配电源进行线性稳压为±5vdc输出，以减少运行过程中外部供电电源变化对传感器输出产生的影响。供配电接口由二极管桥作反向极性保护，如果连接极性反向，器件可以自动修正和正常启动。

优选地，本实施例中涉及的原始加速度包括原始线加速度。

优选地，微积分解算单元通过对原始加速度的一次积分运算后得到被测点的速度参数；以及通过对该原始加速度的二次积分运算后得到被测点的位移参数。

具体地，姿态解算模块集成了12位高精度低功耗ad转换模块、微积分解算单元。其中ad转换模块的功能是将三轴加速度原始模拟信号转为数字信号输出，基于fpga设计的微积分解算单元则将转换后的mems加速度传感器信号进行实时解算处理，通过对原始数据的一次积分得到被测点的速度，以及通过二次积分得到被测点的位移。

优选地，微积分解算单元包括内嵌有解算程序的可编程逻辑器件、以及累加器和ip核，该累加器用于接收数据并对其进行加法运算，ip核用于接受并处理累加器的输出结果。

在集成电路的可重用设计方法学中，ip核，全称知识产权核(英语:intellectualpropertycore)，是指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块。ip核通常已经通过了设计验证，设计人员以ip核为基础进行设计，可以缩短设计所需的周期。设计人员能够以ip核为基础进行专用集成电路或现场可编程逻辑门阵列的逻辑设计，以减少设计周期。

ip核分为软核、硬核和固核。软核通常是与工艺无关、具有寄存器传输级硬件描述语言描述的设计代码，可以进行后续设计；硬核是前者通过逻辑综合、布局、布线之后的一系列工艺文件，具有特定的工艺形式、物理实现方式；固核则通常介于上面两者之间，它已经通过功能验证、时序分析等过程，设计人员可以以逻辑门级网表的形式获取。

优选地，mems电容式加速度传感器组包括至少三个mems电容式加速度传感器，每个mems电容式加速度传感器用于负责表征某一被测点在一个轴向的线加速度参数信号且每个mems电容式加速度传感器分别与混合信号asic电连接。

图3是本发明实施例的mems复合量程三轴姿态解算方法的流程示意图。本发明实施例还一种mems复合量程三轴姿态解算方法，该方法包括如下步骤：

s301:确定出被测点在三个轴向上的原始加速度信息。

s302:根据被测点在三个轴向上的原始加速度，经过a/d模数转换后分别实时进行微积分解算处理。

优选地，在确定出被测点在三个轴向上的原始加速度信息之前，预先设定单轴姿态解算相关参数；以及

根据被测点在三个轴向上的原始加速度，经过a/d模数转换后分别实时进行微积分解算处理，具体包括：

预先设置采样率。采样率，也称为采样频率，或者采样速度，定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数，它用赫兹(hz)来表示。采样频率的倒数是采样周期或者称作采样时间，它是采样之间的时间间隔。

根据采样率，采集被测点在某一轴向上的原始加速度，经模数转换后转化为数字量；

将转换后的数字量按照预设存储顺序输入微积分解算单元，实时进行微积分解算处理。解算算法最终得到数据是线加速度进行一次、二次积分后的速度数据、位移数据。比如物体自有加速度时刻t0开始进行解算，可以得到终止时刻tn的速度和位移数据。

具体通过以下步骤实现：

采样率fs设定为5kbps；一级fifo缓存容量设定为cfifo1；二级fifo缓存容量设定为cfifo2；以及t0时刻转换数字量为x0、t1时刻转换数字量为x1……tn时刻转换数字量为xn；以及tn时刻一次积分结果为fn；

通过fpga对ad转换模块进行时序逻辑控制，转换后的12位数字量x送入内部一级缓存cfifo1进行缓存，cfifo1中的数据按照先入先出的原则被依次送入累加器ip核，按照公式(1)所述原理，累加器在固定时钟频率下依次输出一次积分结果；

一级缓存进行首次积分运算后送入内部一级缓存cfifo2进行缓存，cfifo2中的数据按照先入先出的原则被再次送入累加器ip核，仍然按照公式(1)所述原理，累加器在固定时钟频率下依次输出二次积分结果；

原始转换数字量、一次积分结果和二次积分结果被编帧打包进行传输；帧结构内部除包含前述三种数据，还包括对每类数据的帧计数，从接收数据端容易得到每类数据在帧结构序列中的帧计数差，以此得到原始线加速度、一次积分(速度)以及二次积分(位移)在时间轴的关联延迟。

本发明基于mems电容式加速度传感器组，在没有额外增加布置速度传感器以及位移传感器的情况下，通过分别对被测点原始线加速度数据的一次积分、二次积分，最终得到该被测点的速度数据、位移数据。成功实现了对飞行器或航行器等物体进行空间坐标x、y、z三轴向线加速度、速度和位移进行同步测量，满足多元数据库建立的实时性要求。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本技术领域技术人员可以理解，可以用计算机程序指令来实现这些结构图和/或框图和/或流图中的每个框以及这些结构图和/或框图和/或流图中的框的组合。本技术领域技术人员可以理解，可以将这些计算机程序指令提供给通用计算机、专业计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来实现，从而通过计算机或其他可编程数据处理方法的处理器来执行本发明公开的结构图和/或框图和/或流图的框或多个框中指定的方案。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。