CN104949691A

CN104949691A - 基于超声电机的mems惯性器件旋转调制测试***

Info

Publication number: CN104949691A
Application number: CN201510351515.0A
Authority: CN
Inventors: 康国华; 周琼峰; 范凯; 潘俊帆; 陈雪芬
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2015-06-24
Filing date: 2015-06-24
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明公开了一种基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，包括转台、惯性器件、无线传输单元、数据处理单元、上位机；所述转台包括基座及套置在转台外壳内的码盘、超声电机、台面、驱动器和轴承主轴，其中轴承主轴安装在基座的中心处；所述码盘和超声电机同轴安装于轴承主轴上，超声电机的转轴与台面固定连接；由上位机向数据处理单元发送信号，及输出驱动控制指令；所述转台的驱动器驱动超声电机旋转，带动轴承主轴转动以及码盘、台面同轴旋转；所述惯性器件获得转台的角速率信息后，经无线传输单元传输至数据处理单元进行捷联解算，将解算结果反馈至上位机。本发明具有强抗干扰能力、电磁兼容性好、环境适应范围广、小型化和集成化优点。

Description

基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***

技术领域

本发明涉及一种基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，属于航空航天定位导航与控制技术领域。

背景技术

近年来，随着微型MEMS技术和旋转调制技术越来越成熟，基于MEMS惯导器件的旋转调制***迅速发展起来，即通过引入转动机构对MEMS惯性元件进行旋转调制，从而提高低精度、低成本MEMS惯导器件的性能。目前国外的MEMS旋转调制技术较为成熟，国内的研究起步较晚，尤其是***的旋转调制转台，其控制精度、体积、功耗等性能指标与国外的技术水平仍有一定的差距。从查到的资料看，最早开展旋转调制技术实物研究且比较领先的是国防科技大学，2007年研制出了旋转式捷联惯导***样机，但是精度不甚理想，单轴旋转的船试导航误差大约为17n mile/24h，实验室静态导航精度优于1n mile/24h，关于双轴旋转的误差没有给出。可见这方面仍然有很多工作需要完成。

目前，有文献分析了单轴旋转运动旋转轴的选取、旋转速率对误差调制效果的影响及旋转方案的评价准则，然后在此基础上，对单轴旋转式捷联惯导***在不同的旋转运动方案下对惯性测量组件的误差调制机理进行了研究，最后仿真分析比较了不同旋转运动方案的误差。也有文献提出了将 IMU 倾斜安装的改进单轴旋转方案，从原理上分析了该方案能够完全消除三个方向上的惯性器件误差，分析了转位机构信息与光纤陀螺信息的时间同步性问题，推导了延迟时间对旋转式捷联惯导***姿态误差的影响，给出了一种延迟时间的测量方法和补偿策略，并进行了相关试验验证。

另外，根据MEMS器件的误差特性，选择了一种适合MEMS器件捷联惯导***的旋转调制方案并自主研发了原理样机。静态和车载实验表明：旋转调制可以明显抑制MEMS器件常值误差对导航精度的影响，200s内俯仰和横滚姿态精度提高了5倍，速度和位置精度提高了近10倍。其他文献设计了利用高精度单轴转台的陀螺仪静态漂移测试的翻滚法、动态漂移测试的恒速试验和角振动试验。分析了测试转台速率精度和速率平稳性对陀螺测试带来的影响，提出了转台基座倾斜的自动补偿，验证了高精度单轴转台的大角速度对陀螺漂移测试带来的好处。此外，现有试验表明，强磁场下MEMS器件输出将收到严重影响，而常规基于电磁原理的电机其主轴方向的磁场恰好是最大，因此尤其不适合MEMS器件的误差调制。

尽管目前的MEMS技术得到逐步改进，但是其仍然存在问题。传统的旋转调制转台由于电机、驱动器等设备的限制，导致***控制精度低、体积大、功耗高、剩磁强，掉电易失锁，以及***中传输方式不够灵活，因此使得***不利于实现小型化和集成化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，解决现有***控制精度低、体积大、功耗高、剩磁强等、掉电失锁等问题，具有强抗干扰能力、电磁兼容性好、环境适应范围广、可小型化和集成化等优点。

本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：

一种基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，包括转台、惯性器件、无线传输单元、数据处理单元、上位机，所述转台包括基座及套置在转台外壳内的码盘、超声电机、台面、驱动器和轴承主轴；其中轴承主轴安装在基座的中心处，所述码盘和超声电机同轴安装于轴承主轴上，超声电机的转轴与台面固定连接；所述驱动器与超声电机输入端连接，所述惯性器件设置于台面的中心；所述上位机用于发送控制信号；所述数据处理单元用于接收控制信号及生成驱动控制指令；所述驱动器用于根据控制指令驱动超声电机旋转，及带动轴承主轴和码盘、台面进行同轴旋转；所述惯性器件用于获得转台的角速率信息及通过无线传输单元进行传输；所述数据处理单元用于对所接收的角速率信息进行捷联解算，及将获得的解算结果反馈至上位机。

进一步地，作为本发明优选的技术方案：所述惯性器件包括MEMS陀螺和加速度计。

进一步地，作为本发明优选的技术方案：所述角速率信息包括角速率、角度和旋转角加速度。

进一步地，作为本发明优选的技术方案：所述无线传输单元为无线蓝牙模块。

进一步地，作为本发明优选的技术方案：所述数据处理单元为计算机。

进一步地，作为本发明优选的技术方案：所述计算机采用嵌入式计算机。

本发明采用上述技术方案，能产生如下技术效果：

（1）、本发明提供的基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，基于新型超声电机技术的发展和应用，研制超声电机调制转台，及结合无线传输技术，通过仿真分析和验证算法，实现***的旋转调制功能。该转台不仅克服了传统转台体积大、功耗大、精度低、剩磁大等困难，而且具有强抗干扰能力、电磁兼容性好、环境适应范围广、可小型化和集成化等优点，为后期研制高精度、低成本的MEMS旋转调制***以及MEMS惯导***提供强而有力技术支持。

（2）、基于超声电机转台及MEMS惯性器件，利用本发明研制的超声电机转台调制MEMS陀螺，与传统转台相比，可提高调制精度且无强磁干扰，控制精度高。

（3）、***以嵌入式计算机为核心控制板，完成旋转调制***的搭建，通过实物实现上述旋转调制***，完成***测试实验。通过实验结果的分析，可以精准地验证超声电机转台对MEMS陀螺旋转调制的影响，为后期研制高精度、低成本的MEMS旋转惯导***提供技术支持。

附图说明

图1为本发明基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***的模块示意图。

图2为本发明中转台的机构示意图。

其中标号解释：1-基座、2-码盘、3-超声电机、4-台面、5-驱动器、6-外壳、7-轴承主轴。

具体实施方式

下面结合说明书附图，对本发明的实施方式进行描述。

如图1所示，本发明设计了一种基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，包括转台、惯性器件、无线传输单元、数据处理单元、上位机，其中所述转台的结构如图2所示，包括基座1及套置在转台外壳6内的码盘2、超声电机3、台面4、驱动器5和轴承主轴7；其中轴承主轴7安装在基座1的中心处，所述码盘2和超声电机3同轴安装于轴承主轴7上，超声电机3的转轴与台面4固定连接；所述驱动器5与超声电机3输入端连接，所述惯性器件设置于台面4的中心；所述上位机用于发送控制信号；所述数据处理单元用于接收控制信号及生成驱动控制指令；所述驱动器用于根据控制指令驱动超声电机旋转，及带动轴承主轴和码盘、台面进行同轴旋转；所述惯性器件用于获得转台的角速率信息及通过无线传输单元进行传输；所述数据处理单元用于对所接收的角速率信息进行捷联解算，及将获得的解算结果反馈至上位机。

其原理是：由上位机向数据处理单元发送控制信号，数据处理单元输出驱动控制指令；所述转台的驱动器5根据控制指令驱动超声电机3旋转，带动轴承主轴7转动以及码盘2、台面4同轴旋转；所述惯性器件获得转台的角速率信息，及通过无线传输单元传输至数据处理单元进行捷联解算；由数据处理单元将解算结果反馈至上位机。

进一步地，***中惯性器件可以采用MEMS陀螺和加速度计，为了更清晰的分析旋转对惯性元器件各项误差的调制特性，选取ADI低精度的MEMS陀螺作为***角速率敏感元器件，陀螺通过RS232接口以数字信号的方式实时输出敏感到的角速率信息。以及选取加速度计测量转台的旋转角加速度。与传统转台相比，***可提高调制精度且无磁干扰，控制精度高。

在此基础上，***中，MEMS陀螺和加速度计组件直接输出的是在惯性测量组件坐标系下的角速率和比力信息，需要通过惯性测量组件坐标系到载体坐标系的转换矩阵将这些信息转换到载体坐标系中来，再通过数据处理模块求解出运载体的导航参数。根据导航参数，能够验证***在有惯性器件的基础下，使得***导航精度得到有效提高。

***在实现数据传输时，可以采用无线蓝牙模块，通过无线传输方式降低***硬件上的复杂性，实现无线方式下的可靠传输。

并且，***中的数据处理单元，其主要功能是实现数据的处理，可以采用计算机。并且计算机采用嵌入式，可利用FPGA控制板，实现对转动机构的控制、与传感器的串口通讯、导航捷联解算及显示存储等功能。转台控制和捷联解算一体控制化，转台控制和器件精度之间通常是开环的：控制指令只保证转台的精确性，本***把器件精度和转台控制关联起来，增加一个惯性器件精度的评估模块，使得MEMS实时精度评估，若改善不到一个数量级，则通过FPGA修改算法，让转台加速或者换向等。

综上，本发明提供的基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，基于新型超声电机技术的发展和应用，研制超声电机调制转台，及结合无线传输技术，通过仿真分析和验证算法，实现***的旋转调制功能。该转台不仅克服了传统转台体积大、功耗大、精度低等困难，而且具有强抗干扰能力、电磁兼容性好、环境适应范围广、可小型化和集成化等优点，为后期研制高精度、低成本的MEMS旋转调制***以及MEMS惯导***提供强而有力技术支持。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：包括转台、惯性器件、无线传输单元、数据处理单元、上位机，所述转台包括基座及套置在转台外壳内的码盘、超声电机、台面、驱动器和轴承主轴；其中轴承主轴安装在基座的中心处，所述码盘和超声电机同轴安装于轴承主轴上，超声电机的转轴与台面固定连接；所述驱动器与超声电机输入端连接，所述惯性器件设置于台面的中心；所述上位机用于发送控制信号；所述数据处理单元用于接收控制信号及生成驱动控制指令；所述驱动器用于根据控制指令驱动超声电机旋转，及带动轴承主轴和码盘、台面进行同轴旋转；所述惯性器件用于获得转台的角速率信息及通过无线传输单元进行传输；所述数据处理单元用于对所接收的角速率信息进行捷联解算，及将获得的解算结果反馈至上位机。

2.根据权利要求1所述基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：所述惯性器件包括MEMS陀螺和加速度计。

3.根据权利要求1所述基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：所述角速率信息包括角速率、角度和旋转角加速度。

4.根据权利要求1所述基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：所述无线传输单元为无线蓝牙模块。

5.根据权利要求1所述基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：所述数据处理单元为计算机。

6.根据权利要求5所述基于超声电机的MEMS惯性器件旋转调制测试***，其特征在于：所述计算机采用嵌入式计算机。