CN102235862A - 一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置 - Google Patents

一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置 Download PDF

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丁俐
丁文武
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Abstract

一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，包含三个微机械陀螺，一个三轴半导体微加速度计，信号采集芯片，信号采集电路，数据处理芯片和数据处理电路。信号采集电路和数据处理电路基本机械骨架。X轴微机械陀螺固定在信号采集电路上，Y轴微机械陀螺和Z轴微机械陀螺通过垂直固定于信号采集电路。数据处理芯片固定于数据处理电路上，三轴半导体微加速度计和信号采集芯片均固定于信号采集电路上。该装置采用三个小体积微机械陀螺和一个三轴半导体微加速度计作为惯性敏感元件，既减小了惯性测量装置体积，又保证了测量精度，降低了成本；通过合理的结构设计，有效利用了空间，进一步减小了***的体积和质量。本发明具有体积小、重量轻、结构简单、抗冲击和成本低等特点，可应用于航空航天等领域。

Description

一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置
所属技术领域
本发明涉及一种基于微机械陀螺和半导体微加速度计的捷联惯性导航***，可以用于测量载体的旋转角速度和加速度，并可通过相应的算法得到计算出载体的姿态和位置，特别是一种小体积、低成本的捷联惯性导航***。
背景技术
惯性导航***(INS)是一种自主式导航***。它是依靠测量载体(导弹、汽车、飞机等)本身的加速度和角速度来推算载体的瞬时速度、位置，以及载体的航向姿态的。所以，组成惯性导航***的惯性器件都被安装在载体内部，工作时不依靠任何外部信息，也不向外辐射能量。因此，惯性导航***隐蔽性好，自主性强、不易受到干扰、工作不受天气条件的限制。随着陀螺技术的发展，捷联式惯性导航***因其相对于平台式惯性导航***具有小体积、低成本的优势而得到迅速发展，也在航空航天、交通运输等领域有着广泛的应用前景。
现代运用越来越强调产品的低成本和小体积，这对惯性导航装置提出了更高的要求，传统的惯导装置大多采用机械式惯性器件，其中平台式惯性导航体积大、重量大、价格昂贵；现在相对成熟的机械陀螺捷联式惯性导航装置，由于传统机械陀螺的体积较大而不能满足小型化要求；目前，国内研究的激光陀螺捷联惯性导航装置和光纤陀螺惯性导航装置，也同样存在着体积大、重量大的问题，不能满足小型化需要。故以上传统的惯性导航装置和现有的激光陀螺、光纤陀螺惯性导航装置不能满足现代运用对于产品低成本，小型化的要求。
发明内容
本发明解决的问题是：克服现有技术的不足和产品设计缺陷，设计一种重量轻、体积小、成本低、动态范围大、稳定性高的捷联式惯性导航装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置由X轴微机械陀螺、Y轴微机械机陀螺和Z轴微机械陀螺、三轴半导体微加速度计、信号采集电路、数据处理电路组成。数据处理电路通过排针层叠固联在信号采集电路之上，这也构成了惯性导航装置的基本机械骨架，数据处理电路通过信号线与信号采集电路的输出端子相连。Z轴微机械陀螺固定安装在信号采集电路上，Y轴和Z轴微机械陀螺通过排针垂直固定在信号采集电路上，三个陀螺的敏感轴相互正交，构成了该惯性导航装置的测量坐标系。三轴半导体微加速度计固定安装与信号采集电路。通过信号线，信号采集电路与陀螺、加速度计的输出端子相连。
所述的三轴半导体微加速度计能够同时测量载体在X、Y、Z轴三个方向上的加速度，加速度计及其***电路焊接固定与信号采集电路上，通过导线输出信号给信号采集电路。
所述的信号采集电路主要完成对X轴微机械陀螺、Y轴微机械机陀螺和Z轴微机械陀螺以及三轴半导体微加速度计的输出信号的采样，采用单极输入，增益放大处理，经模数转换，数字滤波，得到高精度采集数据。该电路共采集6路模拟信号，分别为：三路陀螺信号、三路加速度计信号。
所述的数据处理模块主要完成对模数转换器的控制，以及的对采集的陀螺和加速度计的信号的处理和结算，从而得到导航信息。
本发明所述的微机械陀螺捷联惯性导航装置，采用小体积微机械陀螺和三轴半导体微加速度计作为惯性敏感元件，克服了传统传统陀螺惯性器件体积大，成本高的缺点；通过结构的优化设计，采用了数据处理电路和信号采集电路的层叠固联设计思路，有效的利用了空间，进一步减小了装置的体积和质量。
本发明的有益效果：(1)采用小体积的微机械陀螺和三轴半导体微加速度计作为惯性敏感元件，既减小了惯性导航装置的体积，保证了测量精度和设计的简洁性；(2)通过结构优化设计，采用了数据处理电路和信号采集电路的层叠固联设计思路，有效的利用了空间，进一步减小了装置的体积和质量；(3)采用了三轴半导体微加速度计，有效的保证了***电路设计的简洁性和稳定性；(4)采用Ti公司成产的24位模数转换芯片ADS1256作为数据采集芯片，该芯片由四阶Δ-∑调制器和一个可编程数字滤波器组成，具有高达23比特无噪声精度，数据采样率最高可达30ksps(30000次采样每秒)，可配置为8路单极输入或4路差动输入或单极差动混合输入方式，正常模式下仅有38mW微功耗，易得到高精度惯性器件数据，同时保证了***的低功耗控制。(4)电路中留用扩展接口，供GPS和电子罗盘等模块的扩展，***可升级为组合导航***。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置整体结构示意图。
图2是本发明的数据采集和处理结构示意图。
图3是本发明的信号采集电路原理图。
图4是本发明的数据处理电路原理图。
图中1.信号采集电路，2.链接排针，31.X轴微机械陀螺，32.Y轴微机械陀螺，33.Z轴微机械陀螺，4.三轴半导体微加速度计，5.信号采集芯片，6.数据处理电路，7.数据处理芯片。
具体实施方式
如图1所示，本发明为一种基于微机械陀螺和三轴半导体微加速度计的小体积捷联惯性导航装置。以下结合附图说明本发明体的具体实施方式。
参见图1所示，本发明由信号采集电路1、链接排针2、X轴微机械陀螺31、Y轴微机械陀螺32、Z轴微机械陀螺33、三轴半导体微加速度计4、信号采集芯片5、数据处理电路6、数据处理芯片7组成。信号采集电路1和数据处理电路6通过排针层叠固联，组成了该捷联惯性导航***的基本机械骨架。X轴微机械陀螺31固定在信号采集电路1上，Y轴微机械陀螺32和Z轴微机械陀螺33通过接插件垂直固定于信号采集电路1上，三个微机械陀螺成两两正交排列。数据处理芯片7固定于数据处理电路6上，三轴半导体微加速度计4和信号采集芯片5均固定于信号采集电路1上。信号采集电路通过导线与微机械陀螺和加速度计的输出端子相连。
参见图2所示，本发明采集微机械陀螺、半导体微加速度计信号后传给ARM处理器，在通过接口电路传输给其他设备。其中信号采集电路1原理图如图3所示，主要由信号采集芯片ADS1256及其***电路组成，本发明的信号采集电路主要完成对三个微机械陀螺31、32、33和三轴半导体微加速度计4的输出信号的采样，增益放大处理，模数转换，数字滤波，得到高精度采集数据。A/D转换芯片选用的是TI公司设计生产的ADS1256。该芯片具有四阶Δ-∑调制器和一个可编程数字滤波器组成，具有高达23比特无噪声精度，数据采样率最高可达30ksps(30000次采样每秒)，可配置为8路单极输入或4路差动输入或单极差动混合输入方式，正常模式下仅有38mW微功耗。该芯片具有与ARM处理器兼容的同步串行接口，可以以较小的软件开销实现与ARM处理器的无缝连接，操作简单。
图3为数据处理电路的原理图。本发明的数据处理电路6完成对模数转换器ADS1256的控制，以及对采集的陀螺和加速度计的信号进行处理和结算，并将计算得到的导航信息数据通过通信模块向导航计算机输出。本***选用是数据处理芯片7是有ATMEL公司生产的32位ARM7处理器AT91SAM7S256，这是一款基于ARM7TDMI的高性能32位RISC微控制器，集成了Thumb扩展指令集，完全可编程的扩展总线接口，高达64MB的寻址空间，64KB内部RAM，256KB片内flash，丰富的外设资源，包括一个USB2.0设备。与外部的通信采用异步串行通讯，通过扩展异步通信芯片实现RS232的高速串行通信。
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。

Claims (9)

1.一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：它由由信号采集电路(1)、链接排针(2)、X轴微机械陀螺(31)、Y轴微机械陀螺(32)、Z轴微机械陀螺(33)、三轴半导体微加速度计(4)、信号采集芯片(5)、数据处理电路(6)、数据处理芯片(7)组成。信号采集电路(1)和数据处理电路(6)通过排针层叠固联，组成了该捷联惯性导航***的基本机械骨架。X轴微机械陀螺(31)固定在信号采集电路(1)上，Y轴微机械陀螺(32)和Z轴微机械陀螺(33)通过接插件垂直固定于信号采集电路(1)上，三个微机械陀螺成两两正交排列。数据处理芯片(7)焊接与数据处理电路(6)上，三轴半导体微加速度计和信号采集芯片均焊接于信号采集电路(1)上。信号采集电路通过导线与微机械陀螺和加速度计的输出端子相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：通过结构优化设计，采用了数据处理电路(6)和信号采集电路(1)的层叠固联设计思路，有效的利用了空间，进一步减小了装置的体积和质量。
3.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的信号采集电路(1)主要完成对三个微机械陀螺(31)、(32)、(33)和三轴半导体微加速度计(4)的输出信号的采样，增益放大处理，模数转换，数字滤波，得到高精度采集数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的数据处理电路(6)完成对模数转换器的控制，以及对采集的陀螺和加速度计的信号进行处理和结算，并将计算得到的导航信息数据通过通信模块向导航计算机输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的数据处理电路(6)中留用扩展电路，可以扩展GPS，电子罗盘等导航模块，供捷联导航装置***升级之用。
6.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的信号采集芯片(5)采用TI公司生产的模数转换芯片ADS1256。
7.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的数据处理芯片(7)采用ATMEL公司生产的32位ARM7处理器AT91SAM7S256。
8.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的X轴微机械陀螺(31)、Y轴微机械陀螺(32)、Z轴微机械陀螺(33)均采用小体积的微机械陀螺ADXRS300。
9.根据权利要求1所述的一种基于微机械陀螺捷联惯性导航装置，其特征在于：所述的三轴半导体微加速度计(4)采用MMA7260QT。
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