RU129625U1 - INERTIAL MEASURING MODULE - Google Patents
INERTIAL MEASURING MODULE Download PDFInfo
- Publication number
- RU129625U1 RU129625U1 RU2013105252/28U RU2013105252U RU129625U1 RU 129625 U1 RU129625 U1 RU 129625U1 RU 2013105252/28 U RU2013105252/28 U RU 2013105252/28U RU 2013105252 U RU2013105252 U RU 2013105252U RU 129625 U1 RU129625 U1 RU 129625U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- digital
- inputs
- outputs
- analog
- angular velocity
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Gyroscopes (AREA)
Abstract
Инерциальный измерительный модуль, содержащий первую пару одинаковых микроэлектромеханических датчиков угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности, и первый аналоговый дифференциальный вычислитель, входы которого соединены с выходами датчиков, отличающийся тем, что в него дополнительно введены вторая и третья пары микроэлектромеханических датчиков угловых скоростей, второй и третий аналоговые дифференциальные вычислители, трехканальный аналого-цифровой преобразователь, вычислитель медианы, цифровой сумматор, микропроцессорный вычислитель, датчик температуры, трехосный цифровой датчик линейных ускорений и последовательно соединенные цифровой фильтр и последовательный интерфейс, причем выходы трех аналоговых дифференциальных вычислителей соединены с первым, вторым и третьим входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первым, вторым и третьим входами цифрового сумматора и с входами вычислителя медианы, выход которого соединен с четвертым входом цифрового сумматора, причем выходы цифрового сумматора, датчика температуры и цифрового трехосного датчика линейных ускорений соединены с первым, вторым и третьим информационными входами микропроцессорного вычислителя, выход которого соединен с входом цифрового фильтра.An inertial measuring module containing the first pair of identical microelectromechanical angular velocity sensors mounted on a common base with opposite axes of sensitivity, and the first analog differential computer, the inputs of which are connected to the outputs of the sensors, characterized in that the second and third pairs of microelectromechanical are additionally introduced into it angular velocity sensors, second and third analog differential computers, three-channel analog-to-digital conversion an atelier, a median calculator, a digital adder, a microprocessor calculator, a temperature sensor, a three-axis digital linear acceleration sensor, and a digital filter and a serial interface connected in series, the outputs of three analog differential computers being connected to the first, second and third inputs of an analog-to-digital converter, the outputs of which are connected with the first, second and third inputs of the digital adder and with the inputs of the median calculator, the output of which is connected to the fourth input of the digital adder, moreover, the outputs of the digital adder, temperature sensor and digital triaxial linear acceleration sensor are connected to the first, second and third information inputs of the microprocessor computer, the output of which is connected to the input of the digital filter.
Description
Полезная модель относится к области навигационного приборостроения, а именно к инерциальным измерительным модулям на интегральных микроэлектромеханических датчиках угловой скорости.The utility model relates to the field of navigation instrumentation, namely to inertial measuring modules on integrated microelectromechanical angular velocity sensors.
Известны одно-, двух- и трехосные микроэлектромеханические (МЭМС) датчики угловых скоростей с вибрирующей чувствительной массой, например, интегральные гироскопы LPR403AL фирмы STMicroelectronics (LPR403AL. Datasheet, ). Недостатком этих устройств является существенная зависимость выходного сигнала датчика угловых скоростей от воздействия линейных и вибрационных ускорений, а также временной и температурный дрейф нуля датчика и значительный собственный угловой шум, свойственный всем МЭМС-датчикам угловой скорости.Known for single, biaxial and triaxial microelectromechanical (MEMS) angular velocity sensors with a vibrating sensitive mass, for example, integrated gyroscopes LPR403AL company STMicroelectronics (LPR403AL. Datasheet,). The disadvantage of these devices is the significant dependence of the output signal of the angular velocity sensor on the effects of linear and vibrational accelerations, as well as the time and temperature zero-point drift of the sensor and the significant intrinsic angular noise inherent in all MEMS angular velocity sensors.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является инерциальный измерительный модуль, содержащий аналоговый дифференциальный вычислитель и два одинаковых МЭМС-датчика угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности (Распопов В.Я. Микромеханические приборы. -М.: Машиностроение, 2007 г., стр 250-263, 355-369.), выбранный в качестве прототипа.Closest to the proposed technical solution is an inertial measuring module containing an analog differential calculator and two identical MEMS angular velocity sensors mounted on a common base with opposite axes of sensitivity axes (Raspopov V.Ya. Micromechanical devices. -M .: Mechanical Engineering, 2007 G., pp. 250-263, 355-369.), selected as a prototype.
Известный инерциальный измерительный модуль содержит пару одинаковых МЭМС-датчика угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности и аналоговый дифференциальный вычислитель, причем выходы датчиков соединены с входами аналогового дифференциального вычислителя. Выходное напряжение каждого датчика состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью Uω, и напряжения, вызванного действием линейных и вибрационных ускорений Uаω. Выходное напряжение первого датчика будет равно U1=Uω+U1aω, а второго U2=-Uω+U2aω, результирующий сигнал на выходе инерциального модуля будет равен Uиим=U1+U2≈2Uω, т.е. сигналы, обусловленные действием линейных и вибрационных ускорений, будут исключены из полезного сигнала при условии равенства характеристик датчиков. Крутизна инерциального модуля, содержащего пару датчиков, на выходе аналогового дифференциального вычислителя возрастает в два раза, а собственный угловой шум в √2≈1,41 раз.The known inertial measuring module contains a pair of identical MEMS angular velocity sensors mounted on a common base with opposite axes of sensitivity and an analog differential calculator, the outputs of the sensors being connected to the inputs of an analog differential calculator. The output voltage of each sensor consists of two components: the voltage due to the measured angular velocity Uω, and the voltage caused by the action of linear and vibrational accelerations U a ω. The output voltage of the first sensor will be equal to U 1 = Uω + U 1a ω, and the second U 2 = -Uω + U 2a ω, the resulting signal at the output of the inertial module will be Uim = U 1 + U 2 ≈2Uω, i.e. signals due to linear and vibrational accelerations will be excluded from the useful signal provided that the characteristics of the sensors are equal. The steepness of an inertial module containing a pair of sensors at the output of an analog differential computer doubles, and the intrinsic angular noise is √2≈1.41 times.
Недостатком данного устройства является ограниченная эффективность компенсации влияния ускорения из-за различия реальных амплитудных и частотных характеристик двух МЭМС-датчиков, а также временной и температурный дрейф нуля выходного сигнала инерциального измерительного модуля.The disadvantage of this device is the limited efficiency of compensating for the effect of acceleration due to differences in the real amplitude and frequency characteristics of the two MEMS sensors, as well as the time and temperature zero drift of the output signal of the inertial measuring module.
Целью предполагаемой полезной модели является повышение точности измерения угловой скорости и снижение собственного углового шума инерциального измерительного модуля.The purpose of the proposed utility model is to increase the accuracy of measuring angular velocity and reducing the intrinsic angular noise of an inertial measuring module.
Данная задача решается за счет того, что в инерциальный измерительный модуль, содержащий пару одинаковых МЭМС-датчиков угловых скоростей, установленных на общем базовом основании со встречным расположением осей чувствительности и аналоговый дифференциальный вычислитель, входы которого соединены с выходами датчиков угловых скоростей, дополнительно введены две пары МЭМС датчиков угловых скоростей, два аналоговых дифференциальных вычислителя, трехканальный аналого-цифровой преобразователь, вычислитель медианы, цифровой сумматор, датчик температуры, трехосный цифровой датчик линейных ускорений, микропроцессорный вычислитель и последовательно соединенные цифровой фильтр и последовательный интерфейс, причем выходы трех аналоговых дифференциальных вычислителей соединены с входами трехканального аналого-цифрового преобразователя, выходы которого соединены с первым, вторым и третьим входами цифрового сумматора и с входами вычислителя медианы, выход которого соединен с четвертым входом цифрового сумматора, причем выходы цифрового сумматора, датчика температуры и трехосного цифрового датчика линейных ускорений соединены с первым, вторым и третьим информационными входами микропроцессорного вычислителя, выход которого соединен с входом цифрового фильтра.This problem is solved due to the fact that two pairs are additionally introduced into the inertial measuring module, which contains a pair of identical MEMS angular velocity sensors installed on a common base base with a counterposition of sensitivity axes and an analog differential calculator, the inputs of which are connected to the outputs of the angular velocity sensors MEMS angular velocity sensors, two analog differential calculators, three-channel analog-to-digital converter, median calculator, digital adder, dates a temperature sensor, a three-axis digital linear acceleration sensor, a microprocessor calculator and a digital filter and a serial interface connected in series, the outputs of three analog differential computers being connected to the inputs of a three-channel analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the first, second and third inputs of the digital adder and to the inputs a median calculator, the output of which is connected to the fourth input of the digital adder, the outputs of the digital adder, temperature sensor and rehosnogo digital linear acceleration sensor connected to the first, second and third data inputs of the calculating microprocessor, the output of which is connected to the input of the digital filter.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 показана структурная схема инерциального измерительного модуля.The utility model is illustrated in the drawing, where Fig. 1 shows a structural diagram of an inertial measuring module.
Инерциальный измерительный модуль содержит три пары МЭМС датчиков угловых скоростей 1, 2 и 3, установленных на базовом основании 4, три аналоговых дифференциальных вычислителя 5, 6 и 7, трехканальный аналого-цифровой преобразователь 8, вычислитель медианы 9, цифровой сумматор 10, датчик температура 11, трехосный цифровой датчик линейных ускорений 12, микропроцессорный вычислитель 13,, цифровой фильтр 14 и последовательный интерфейс 15.The inertial measuring module contains three MEMS pairs of
Указанные блоки представляют собой:These blocks are:
1,2,3 - три пары МЭМС-датчиков угловых скоростей, например, интегральные гироскопы LPR403AL фирмы STMicroelectronics;1,2,3 - three pairs of MEMS angular velocity sensors, for example, LPR403AL integrated gyroscopes from STMicroelectronics;
4 - базовое основание - конструктивный элемент, например, печатная плата, на которую с двух сторон попарно установлены МЭМС датчики;4 - base base - a structural element, for example, a printed circuit board on which MEMS sensors are installed in pairs on two sides;
5, 6, 7 - аналоговые дифференциальные вычислители, например, на операционных усилителях типа AD8552ARZ (“Analog Devices”) с дифференциальным входом и масштабными резисторами;5, 6, 7 — analog differential computers, for example, on operational amplifiers of the AD8552ARZ type (“Analog Devices”) with a differential input and scale resistors;
8 - трехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), например, встроенный 12-разрядный АЦП микроконтроллера семейства ARM Cortex-МЗ;8 - three-channel analog-to-digital converter (ADC), for example, a built-in 12-bit ADC of a microcontroller of the ARM Cortex-MZ family;
9 - вычислитель медианы (выбор среднего члена), например, реализуется программным методом на микроконтроллере;9 - the median calculator (choice of the middle term), for example, is implemented by a software method on a microcontroller;
10 - цифровой сумматор, например, реализуется программным методом на микроконтроллере;10 - a digital adder, for example, is implemented by software on a microcontroller;
11 - датчик температуры, например, встроенный термодатчик микроконтроллера;11 - temperature sensor, for example, an integrated microcontroller temperature sensor;
12 - трехосный цифровой датчик линейного ускорения, например,типа LIS3DH (“STMicroelectronics”);12 - triaxial digital linear acceleration sensor, for example, type LIS3DH ("STMicroelectronics");
13 - микропроцессорный вычислитель, например, на 32-разрядном микроконтроллере семейства ARM Cortex-M3;13 - microprocessor computer, for example, on a 32-bit microcontroller family ARM Cortex-M3;
14 - цифровой фильтр, например, цифровой НЧ-фильтр Баттерворта, реализуется программным методом на микроконтроллере;14 - a digital filter, for example, a Butterworth digital low-pass filter, is implemented by a software method on a microcontroller;
15 - последовательный интерфейс, например, встроенный цифровой интерфейс UART микроконтроллера.15 is a serial interface, for example, an integrated digital UART interface of a microcontroller.
Инерциальный измерительный модуль работает следующим образом.Inertial measuring module operates as follows.
Выходное напряжение каждого МЭМС датчика угловых скоростей 1, 2 и 3 состоит из двух составляющих: напряжения, обусловленного измеряемой угловой скоростью Uω, и напряжения, вызванного действием линейных и вибрационных ускорений Uaω. Датчики установлены попарно на общем базовом основании 4 со встречным расположением осей, поэтому полезная составляющая, обусловленная измеряемой угловой скоростью Uω, у каждой пары будет иметь разные знаки. Результирующие сигналы на выходе каждого из аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7 будут равны ≈2Uω, т.е. сигналы, обусловленные действием линейных и вибрационных ускорений, будут частично исключены из полезного сигнала, при этом происходит параллельное измерение угловой скорости тремя парами датчиков с практически независимыми погрешностями.The output voltage of each MEMS
Трехканальный аналого-цифровой преобразователь 8 осуществляет оцифровку выходных сигналов аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7 и передает их в вычислитель медианы 9 и одновременно на три входа цифрового сумматора 10. Вычислитель медианы осуществляет выбор среднего члена через операции математической логики с помощью минимаксных схемA three-channel analog-to-
Med(ω1, ω2, ωЗ) = max [min ω1 ω2; min ωI ω3; min ω2 ω3], где (ω1, ω2, ω3) - результирующие сигналы угловых скоростей.Med (ω1, ω2, ωЗ) = max [min ω1 ω2; min ωI ω3; min ω2 ω3], where (ω1, ω2, ω3) are the resulting angular velocity signals.
Вычисление реализуется программным методом на микропроцессорном вычислителе 13, вычисленное значение медианы поступает на четвертый вход цифрового сумматора 10.The calculation is carried out by software on a
Цифровой сумматор 10 осуществляет суммирование четырех сигналов, при этом сигнал среднего значения суммируется с коэффициентом два, сигналы крайних значений с коэффициентом один, при этом крутизна сигнала угловой скорости на выходе сумматора 10 возрастает в 8 раз, а собственный угловой шум инерциального модуля с 6-ю датчиками в √6=2,45 раз. Суммирование сигналов реализуется программным методом на микропроцессорном вычислителе 13.The digital adder 10 sums the four signals, while the average signal is summed with a factor of two, the extreme value signals with a coefficient of one, while the slope of the angular velocity signal at the output of the adder 10 increases by 8 times, and the intrinsic angular noise of the inertial module increases by 6 sensors √6 = 2.45 times. The summation of the signals is implemented by a software method on a
Цифровой микропроцессорный вычислитель 13 осуществляет прием данных о температуре с датчика 11 и значений линейного ускорения с трехосного цифрового датчика линейных ускорений 12.The
Наличие данных о температуре, поступающих с датчика температуры 11, позволяет компенсировать температурные уходы нулей датчиков из составляющей угловой скорости.The presence of temperature data coming from the
На выходе сумматора 10 формируется усредненный сигнал первичного измерения угловой скорости, в котором наряду с полезным сигналом присутствует сигнал ошибки измерения от неполной компенсации линейного ускорения на выходах аналоговых дифференциальных вычислителей 5, 6 и 7. Наличие данных линейного ускорения по осям X, Y и Z(ax, ау и az) с трехосного датчика линейных ускорений 12 используется для вычисления компенсированного значения угловой скорости по формуле:At the output of adder 10, an averaged signal of primary measurement of the angular velocity is generated, in which, along with the useful signal, there is a measurement error signal from incomplete compensation of linear acceleration at the outputs of analog
Ω=ΩΣ-KΩx·ax-KΩу·ау-KΩz·az,Ω = Ω Σ -K Ωx · a x -K Ωу · а у -K Ωz · a z ,
где - ах, ау и az. значения ускорений по осям X, Y и Z;where - a x , a and a z . acceleration values along the axes X, Y and Z;
- KΩх, KΩу и KΩz - масштабные коэффициенты влияния ускорения по осям X, Y и Z.- K Ωх , K Ωу and K Ωz are the scale factors of the influence of acceleration along the X, Y and Z axes.
Масштабные коэффициенты KΩх, KΩy и KΩz определяются экспериментальным путем при калибровке инерциального модуля и заносятся в энергонезависимую память микропроцессорного вычислителя 13.The scale factors K Ωх , K Ωy and K Ωz are determined experimentally during calibration of the inertial module and are recorded in non-volatile memory of the
Цифровой фильтр 14 осуществляет фильтрацию данных с учетом требования к фазо-частотным характеристикам и выдает их потребителю через последовательный интерфейс 15. Потребитель, в зависимости от условий применения инерциального измерительного модуля, может задавать по двухстороннему цифровому последовательному интерфейсу 15 оптимальную полосу пропускания цифрового фильтра 14.The
Введение избыточного количества МЭМС датчиков угловой скорости, датчика температуры и цифрового трехосного датчика линейного ускорения, а так же цифровой обработки сигналов измерения микропроцессорным вычислителем позволяет значительно повысить точность инерциального измерительного модуля за счет снижения уходов нулей и собственного углового шума датчиков, так как при суммировании сигналов “n” датчиков крутизна возрастает в “n” раз, а шумы в √”n” раз, что улучшает соотношение “сигнал-шум”. Введение температурной компенсации и усреднения данных шести датчиков позволяет минимизировать уходы нулей выходного сигнала инерциального измерительного модуля, а введение компенсации влияния ускорения по данным датчика линейных ускорений позволяет минимизировать влияние линейных и вибрационных ускорений. Реализация полезной модели инерцильного измерительного модуля на широкодоступных дешевых МЭМС - датчиках угловой скорости «грубой» точности позволяет получить технические характеристики, соизмеримые с характеристиками инерциальных измерительных модулей на дорогих электромеханических датчиках с динамически настраиваемыми или волоконно-оптическими гироскопами.The introduction of an excessive number of MEMS angular velocity sensors, a temperature sensor and a digital triaxial linear acceleration sensor, as well as digital processing of measurement signals by a microprocessor calculator can significantly increase the accuracy of the inertial measuring module by reducing the zero drift and the intrinsic noise of the sensors, since when summing the signals “ n ”sensors steepness increases by“ n ”times, and noise by √” n ”times, which improves the signal-to-noise ratio. The introduction of temperature compensation and averaging of the data of six sensors allows minimizing the departure of zeros of the output signal of the inertial measuring module, and the introduction of compensation of the influence of acceleration according to the data of the linear acceleration sensor allows minimizing the effect of linear and vibration accelerations. The implementation of a useful model of an inertial measuring module on widely available cheap MEMS - “rough” accuracy angular velocity sensors allows to obtain technical characteristics comparable with the characteristics of inertial measuring modules on expensive electromechanical sensors with dynamically tuned or fiber-optic gyroscopes.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013105252/28U RU129625U1 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | INERTIAL MEASURING MODULE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013105252/28U RU129625U1 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | INERTIAL MEASURING MODULE |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU129625U1 true RU129625U1 (en) | 2013-06-27 |
Family
ID=48702858
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013105252/28U RU129625U1 (en) | 2013-02-08 | 2013-02-08 | INERTIAL MEASURING MODULE |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU129625U1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2561319C1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-08-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана" | Small-sized guided spinning missile |
RU2761592C1 (en) * | 2021-02-12 | 2021-12-10 | Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" | Inertial measurement module |
US11990908B1 (en) * | 2015-09-13 | 2024-05-21 | Sitime Corporation | Dual-MEMS device with temperature correction of MEMS output based on relative MEMS operation |
-
2013
- 2013-02-08 RU RU2013105252/28U patent/RU129625U1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2561319C1 (en) * | 2014-04-25 | 2015-08-27 | Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро точного машиностроения имени А.Э. Нудельмана" | Small-sized guided spinning missile |
US11990908B1 (en) * | 2015-09-13 | 2024-05-21 | Sitime Corporation | Dual-MEMS device with temperature correction of MEMS output based on relative MEMS operation |
RU2761592C1 (en) * | 2021-02-12 | 2021-12-10 | Акционерное Общество "Научно-Производственное Объединение Электромеханики" | Inertial measurement module |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4601206A (en) | Accelerometer system | |
US8762091B1 (en) | Inertial measurement system | |
CN100405014C (en) | Carrier attitude measurement method | |
US8825436B2 (en) | Inertial sensing with spatially distributed sensor array and two dimensional data processing | |
US11287442B2 (en) | Continuous calibration of accelerometer sensitivity by proof-mass dithering | |
RU129625U1 (en) | INERTIAL MEASURING MODULE | |
CN102272554A (en) | Signal processing module, navigation device with the signal processing module, vehicle provided with a navigation device and method of providing navigation data | |
CN107270902B (en) | MEMS inertial measurement unit with cross-axis coupling error compensation | |
CN108917788B (en) | Method and system for testing dynamic precision of accelerometer of inertial platform system | |
JP2004053530A (en) | Highly-accurate attitude detection method of moving body and its device | |
JP2017050664A (en) | Analog reference voltage generating circuit, circuit device, physical quantity sensor, electronic device and moving object | |
RU154143U1 (en) | SENSITIVE ELEMENT OF A MICROMECHANICAL ACCELEROMETER | |
Hajdu et al. | Complementary filter based sensor fusion on FPGA platforms | |
RU2487318C1 (en) | Platform-free inertial attitude and heading reference system based on sensitive elements of medium accuracy | |
CN115876225A (en) | MEMS IMU calibration method and system based on two-degree-of-freedom turntable | |
Zhang et al. | Implementation and complexity analysis of orientation estimation algorithms for human body motion tracking using low-cost sensors | |
Sushchenko | Modeling dynamically tuned gyroscopes | |
RU131489U1 (en) | PRIMARY INERTIAL INFORMATION SENSOR | |
RU154196U1 (en) | ANGULAR SPEED SENSOR ON THE BASIS OF MICROMECHANICAL GYROSCOPES | |
JP6572585B2 (en) | CIRCUIT DEVICE, PHYSICAL QUANTITY DETECTION DEVICE, ELECTRONIC DEVICE, MOBILE BODY, CIRCUIT DEVICE MANUFACTURING METHOD | |
RU2634071C1 (en) | Method for determining navigational parameters and strapdown inertial navigation system for its implementation | |
RU2491507C1 (en) | Meter of angular position of item | |
KR101147133B1 (en) | Complementary filter for angle measuring | |
RU2273858C1 (en) | Three-component angular speed meter | |
CN114577194B (en) | Novel signal demodulation system and method for two-frequency mechanically dithered laser gyroscope |