具有接口适配器的紧凑型惯性测量单元的制作方法
【专利说明】具有接口适配器的紧凑型惯性测量单元
[0001]相关串请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年8月20日提交的美国临时专利申请序号62/039，755的权益，其由此以引用方式并入于此。
【背景技术】
[0003]常规的惯性测量单元(MU)是三个部分的系统。第一部分是惯性传感器，其通常包括三个陀螺仪和三个加速计。六个传感器的输出被发送到頂U的第二部分，该部分是板载处理器。IMU的第三部分是机械式外壳，其不仅覆盖惯性传感器和板载处理器，而且还提供了一组外部参考数据，通常以定位销(alignment pin)形式，其用于将頂U附着到车辆，同时保持IMU准直性校准(alignment calibrat1n)。
[0004]因为足够的物理容积可用于容纳三个部分的系统，这个方法对于mu的终端用户通常是可接受的。然而，随着较小终端用户平台的发展，例如无人机(UAV)，容纳包含惯性传感器、板载处理器和机械式外壳的IMU的物理容积正变得更少的可用。
[0005]由于上述原因和下述的基于阅读和理解本说明书对于本领域技术人员显而易见的原因，在现有技术中存在对减少IMU尺寸的改进的系统和方法的需求，因此它们能够更好地被容纳于具有有限空间的车辆或设备中。
【发明内容】
[0006]本公开的实施例提供了用于减少頂U尺寸的系统和方法，并将通过阅读和学习下面的说明书理解。
[0007]在一个实施例中，惯性测量单元组件包括:配置为输出未补偿的传感器数据的至少一个惯性传感器；配置为隔离至少一个惯性传感器的惯性隔离器；接口适配器，其中接口适配器具有至少一个校准定位销，其被用作为在至少一个惯性传感器、惯性接口适配器和惯性接口适配器所附着到的车辆之间的参考点；并且其中惯性测量单元被配置为把未补偿的传感器数据输出到位于惯性测量单元外部的处理装置。
【附图说明】
[0008]应理解的是附图仅描绘了典型实施例，并且因而不认为局限范围，典型实施例将通过使用附图以额外特征和细节来描述，其中:
[0009]图1是并入紧凑型惯性测量单元组件的示例性车辆的框图，紧凑型惯性测量单元组件具有接口适配器和惯性隔离器。
[0010]图2是具有接口适配器和惯性隔离器的示例性紧凑型惯性测量单元组件的图；
[0011]图3是用于实现具有接口适配器和惯性隔离器的紧凑型惯性测量单元组件的示例方法的流程图。
[0012]根据通常的实践，各种描述的特征并不是成比例绘制，而是被绘制用于强调相关于典型实施例的特定特征。
【具体实施方式】
[0013]在以下详细的描述中，对形成其部分的附图进行参考，并且其中通过说明示出特定说明性的实施例。然而，应理解的是，可以使用其他实施例并且可以进行逻辑的、机械的和电子的改变。而且，附图和说明书并中所展示的方法不解释为限制可以执行各个步骤的顺序。因此，以下的详细描述并不在限制意义上来获取。
[0014]如上所陈述的，在现有技术中存在对减少頂U尺寸的改进的系统和方法的需求，因此具有有限空间的车辆能够容纳IMIL在此的实施例提供了“紧凑型頂U组件”作为解决方案。如这里所使用的，术语车辆指在其上面实现紧凑型MU组件的任何装置。例如，车辆可包含飞行器、汽车、导弹、手持设备等。
[0015]图1是示例性车辆100的框图，该示例性车辆100包含紧凑型IMU组件102。紧凑型IMU组件102包括一个或多个惯性传感器104、接口适配器106和惯性隔离器111。如下面更为详细讨论的，接口适配器106将紧凑型IMU组件102机械地耦合到车辆100，并且惯性隔离器111隔离至少一个惯性传感器104。而且，紧凑型頂U组件102电子地连接到车辆100。紧凑型IMU组件102还与处理装置114通信地耦合。处理装置114位于紧凑型IMU组件102的外部。位于紧凑型IMU组件102外部的外部处理装置114在此也被称为外部处理装置114。在一些实施例中，外部处理装置114包含在车辆100中。在其他的实施例中，外部处理装置114不包含在车辆100中。由紧凑型IMU组件102产生的未补偿的数据105可经由数据流112发送至外部处理装置114。而且，校准系数110可被加载到外部处理装置114，该外部处理装置114可利用该校准系数110根据未补偿的数据105计算补偿的数据116。补偿的数据116可用于确定车辆100的姿态参考数据，例如加速度、速度、旋转和位置?目息。
[0016]在一些实施例中，一个或多个惯性传感器104包含旋转传感器和加速度传感器。在示例的实施例中，一个或多个惯性传感器104包含三个旋转传感器和三个加速度传感器，其中旋转传感器的每个相互正交，并且三个加速度传感器的每个相互正交。旋转传感器这里也指的是陀螺仪。陀螺仪可以是任何类型的，包括但不限于环形激光陀螺仪、光纤陀螺仪和纺纱质量陀螺仪(spinning mass gyros)。加速度传感器可以是本领域中已知的任意加速计。
[0017]一个或多个惯性传感器104被配置产生通过该一个或多个惯性传感器104测量的未补偿的数据105。使用校准系数110，可使用未补偿的数据105导出补偿的数据116。如上所陈述的，补偿的数据116接着可被用于确定其上安装有紧凑型頂U组件102的车辆100的姿态。
[0018]在组装传感器到紧凑型頂U组件102期间，校准一个或多个惯性传感器104。在传统的IMU中，从一个或多个惯性传感器104的校准导出的系数(在此称为校准系数110)被加载到传统IMU中所包含的处理装置中。接着，在传统MU上的处理装置使用校准系数补偿由惯性传感器获取的原始测量。补偿的数据然后经由同步数据流被传送到车辆的处理单元，其中车辆的姿态被确定。同步数据流通常通过不同的接口，例如RS-485协议被发送。
[0019]相反，在此处描述的实施例中，紧凑型頂U组件102不包含处理装置。替代地，紧凑型IMU组件102通信地耦合到位于紧凑型IMU组件102外部的处理装置114。校准系数110被加载到外部处理装置114上并且紧凑型mu组件102被配置为经由数据流112发送未补偿的数据105到外部处理装置114。在一些实施例中，数据流是异步的串行数据流112。在其他实施例中，可以采用其他类型的数据流112，例如通用串行总线(USB)、以太网和/或无线传输。结果，紧凑型MU组件102可以比传统IMU占用更少的容积，因为其不包含处理器。
[0020]在一些实施例中，当紧凑型IMU组件102被交付时，由紧凑型IMU组件102的制造商确定的校准系数110可被交付给紧凑型IMU组件102的购买者。紧凑型IMU组件102的购买者然后将校准系数110加载到外部处理装置114上。在其他实施例中，校准系数110能够被存储在紧凑型IMU组件102中所包含的存储器108上。校准系数110然后能够经由数据流113被发送到外部处理装置114。在一些实施例中，包含校准系数110的数据流113是通过与包含未补偿的数据105的数据流112相同的接口和物理媒介被发送。在其他实施例中，校准系数110是通过与用于未补偿的数据105的数据流112不同的接口来发送。在一些实施例中，包含校准系数110的数据流113可以是同步数据流。
[0021]为了对于紧凑型頂U组件102来说产生有用的补偿数据116，必须获知一个或多个惯性传感器104相对于紧凑型IMU组件102的定向。在一些实施例中，接口适配器106和定位销109被用于此目的。特别地，惯性传感器104相对于惯性接口适配器106的位置和定向被包含在校准系数110内，其被外部处理装置114使用以根据未补偿的数据105生成补偿的数据116。
[0022]图2是示例性的紧凑型IMU组件102的图，该紧凑型IMU组件102包括接口适配器106和惯性隔离器111。如上所陈述的，接口适配器106用于以一种方式定向一个或多个惯性传感器104从而获知一个或多个惯性传感器104相对于接口适配器106的位置和定向。而且，接口适配器106相对于其上安放接口适配器106的车辆100的位置和定向被已知。紧凑型IMU组件102还包括用于锁定一个或多个惯性传感器104到接口适配器106的扳手螺母107。
[0023]頂U组件102也包含惯性隔离器111。在美国申请序号13/538，235中详细描述了可并入在頂U组件102中的惯性隔离器111的示例，其以引用方式并入于此。如美国申请序号13/538，235所陈述的，惯性隔离器111由弹性体组成，该弹性体设置在惯性传感器104和接口适配器106之间并将惯性传感器104机械地耦合至接口适配器106。惯性隔离器111允许在惯性传感器104和接口适配器106之间的位移(即，相对移动)。而且，惯性隔离器111充当被动隔离系统以吸收来自接口适配器106的移动相关的能量以便减少从接口适配器106至惯性传感器104的能量转移。
[0024]在一些实施例中，惯性隔离器111具有通常的环形形状，惯性传感器104与环形形状的内侧相连接并且接口适配器106与环形形状的外侧相连接。在一些实施例中，惯性隔离器111是整体结构，其具有上面讨论的期望特征(例如，吸收相关能量并允许位移)和形状(例如，环形)。在其他实施例中，惯性隔离器111由设置在接口适配器106和惯性传感器104之间的多个部分组成。可以设置隔离器的多个部分以便多个部分(例如，离散和不连续元件)共同地形成隔离器的期望形状(例如，通常的环形形状)。
[0025]接口适配器106也包含一个或多个定位销109。定位销109被配置成充当在惯性传感器104、接口适配器106和其上安装紧凑型IMU组件102的车辆100之间的共同已知参考点。定位销109的共同已知参考点可存储在校准系数110中，该校准系数110然后可被外部处理装置114使用以根据由惯性传感器104生成的未补偿的数据105计算补偿的数据116。补偿的数据116然后可用于计算用于车辆100的精确姿态数据，如上面所讨论的。
[0026]在此的实施例中，由于在此所述的紧凑型頂U组件102不包含处理装置，因此接口适配器106可使得比用于常规頂U实现的外壳更小。因此，本公开中的紧凑型頂U组件102具有比常规IMU更小的容积。在一些示例性实施例中，紧凑型IMU组件102可以大约是包括处理装置的常规IMU容积的一半或五分之三。
[0027]图3是示例方法300的流程图，该方法用于实现包含紧凑型IMU组件的惯性测量单元，其中紧凑型MU组件包含接口适配器和惯性隔离器。该方法300包括从至少一个包含在紧凑型惯性测量单元(MU)组件中的惯性传感器输出未补偿的传感器数据至与紧凑型IMU组件通信地耦合的并位于紧凑型IMU组件外部的处理装置，(方框302)，其中紧凑型惯性测量单元