《一種微型慣性測量系統》是深圳市大疆創新科技有限公司於2010年12月6日申請的專利，該專利的申請號為201080068428X，公布號為CN103210280A，授權公布日為2013年7月17日，發明人是汪滔。
《一種微型慣性測量系統》包括殼體、感測組件以及減振器，其中，所述感測組件包括剛性感測支架、裝於所述感測支架上的測控電路板、以及設於所述測控電路板上的慣性感測器；所述慣性感測器包括陀螺儀和加速度計；所述感測組件裝於所述殼體內；所述減振器裝於所述殼體內並設於所述感測組件與殼體內壁之間的空隙中。通過上述結構，該發明微型慣性測量系統的抗噪能力可大幅度提高，並可大幅度縮小慣性測量單元體積和重量。
2016年12月7日，《一種微型慣性測量系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種微型慣性測量系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種微型慣性測量系統
- 公布號：CN103210280A
- 授權日：2013年7月17日
- 申請號：201080068428X
- 申請日：2010年12月6日
- 申請人：深圳市大疆創新科技有限公司
- 地址：廣東省深圳市南山區高新區南區粵興一道9號中國香港科大深圳產學研大樓6層
- 發明人：汪滔
- Int.Cl.：G01C21/16(2006.01)I
- 代理機構：廣州三環專利代理有限公司
- 代理人：王基才、王冬華
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2010年12月，捷聯式慣性導航是迅速發展的一種先進導航技術。它利用直接固連在運載體上的陀螺儀、加速度計等慣性元件測量出運載體相對於慣性參考系的加速度，按照牛頓慣性原理進行積分運算，獲得導航坐標系下的速度、姿態角和位置信息，引導運載體從起始點駛向目的地。捷聯慣性導航技術利用控制計算機將陀螺儀、加速度計測得的數據進行坐標變換、求解微分方程等數學運算，從姿態矩陣的元素中提取姿態和航向數據，實現導航任務。捷聯慣性導航系統利用隨時更新的捷聯矩陣等數據建立“數學平台”，取代傳統的機電式導航平台，從而大大簡化了系統結構，使系統的體積和成本大幅度降低，慣性元件便於安裝維護；此外，捷聯慣性導航系統不依賴外部系統支持，自主獲得姿態、速度和位置信息，也不向外界輻射任何信息，具有實時自主，不受干擾，不受地域、時間、氣候條件限制，以及輸出參數全面等優點，被廣泛於航空、航海、交通等多種領域。
捷聯慣性導航系統通常由一個慣性測量系統、一個控制計算機、控制顯示器和相關支持部件構成。其核心部件慣性測量系統裝有陀螺儀和加速度計。慣性測量系統的工作原理是：陀螺儀檢測運載體三軸角速率，加速度計檢測航行器沿著三軸運動的線性加速度，控制計算機將陀螺儀所測的角速率信號對時間積分運算，推算出瞬時航向、傾角等航行姿態信息，利用加速度計測得的加速度信號，對時間積分運算，推算出瞬時航行速度信息；進行二次積分，即可推算該時段內航行的距離和位置。
慣性測量系統及其姿態解算技術，是影響捷聯式慣性導航系統性能的關鍵技術環節。這是因為慣性測量及其姿態解算，是對運載體實施軌跡控制的前提，它的精度和效率直接影響導航的時效和精度；第二，慣性測量系統要在嚴酷的氣動環境中直接承受振動、衝擊和角運動，引發諸多的失穩和誤差效應，成為捷聯慣性導航系統中薄弱環節；第三，捷聯式慣性導航系統面臨微型化、產業化方面的挑戰，特別是隨著微電子技術的發展，要求採用中精度甚至低精度的微機電慣性元器件，到達低成本批量化生產捷聯慣性導航產品的目的。
當運載體趨於小型化、微型化時，其基礎質量與常規運載體相比有大幅度減小，在航行動力環境中受到的激擾和隨機振動比常規載體更為劇烈，系統更不穩定。慣性測量系統必須在力學結構、減振設計，以及微型化工藝等方面提出針對性技術措施，克服導航不穩，精度下降，甚至電子元器件使用壽命縮短的缺陷。
圖1是2010年12月前一種小型無人機捷聯慣性導航系統中所用的慣性測量系統結構示意圖。其中採用緊固螺釘將感測支架11緊固在殼體12內部，再用由四個橡膠墊組成減振單元13，從底部將殼體固接在航行器上。感測支架由三塊相互垂直的陀螺電路板111、112、113組成（參見圖2），上面分別安裝三個單軸陀螺儀111a、112a、113a。其中水平放置的陀螺電路板111為組合陀螺電路板，上面除了裝有陀螺111a以外，還裝有三軸加速度計111b。三個陀螺儀應安裝於三個正交平面上，它們的敏感軸互相垂直，構成測量正交坐標系；組合陀螺電路板111上三軸加速度計111b的測量軸與該電路板上的陀螺111a測量軸平行放置。組合陀螺電路板111通過接外掛程式與調理電路板114及主處理器電路板115直接連線。
上述慣性測量系統的減振結構等效分析見圖3，圖中質量塊M代表慣性測量系統，其質心為m；減振單元用{Ki，ci}表示，其中Ki表示剛度、ci表示阻尼係數，下標i表示減振器中所包含的減振單元的數量，對於圖1採用4個橡膠墊作為減振單元，則i＝1，2，3，4；B代表航行運載體；P為減振器的彈性中心。當運載體B航行運動時，對慣性測量系統m產生基礎激勵，減振單元{Ki，ci}吸收並消耗來自運載體B的強迫振動能量，以P點為中心，作上下彈性運動，以此減小運載體B振動對慣性測量系統m造成的衝擊。
上述慣性測量系統存在的問題是：
（1）感測支架結構是三塊相互分離的電路板，占用空間大，三個軸向剛度明顯差異；
（2）減振單元安裝在慣性測量系統的外部，不僅額外占用空間，更重要的是當慣性測量單元受迫振動時，由於剛度不均衡，力學結構不合理，受振時慣性測量系統容易產生扭轉振動；
（3）減振器的理想作用範圍限於單軸方向，即只能正常衰減來自鉛垂x方向的振動，而對其他方向的減振不能有效抑制，使不同自由度上的線振、角振之間發生耦合，減振頻帶窄。
發明內容
專利目的
《一種微型慣性測量系統》要解決傳統慣性測量系統中存在的占用空間較大、容易產生扭轉振動、減振頻帶窄等問題。
技術方案
《一種微型慣性測量系統》的技術方案是，構造一種微型慣性測量系統，包括殼體、感測組件以及減振器；其特徵在於，所述感測組件包括剛性感測支架、裝於所述感測支架表面的測控電路板、以及設於所述測控電路板上的慣性感測器，所述慣性感測器包括陀螺儀和加速度計；所述感測組件裝於所述殼體內；所述減振器裝於所述殼體內並設於所述感測組件與殼體內壁之間的空隙中。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述感測支架是正方體剛性支架，在它的至少一個表面刻有凹槽；所述測控電路板是柔性測控電路板；所述柔性測控電路板上至少有一部分電路元件嵌於所述至少一個表面的凹槽中。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，在所述感測支架的六個表面均刻有凹槽；所述柔性測控電路板共有六塊、並分別覆蓋於所述感測支架的六個表面；每一塊所述柔性測控電路板上的電路元件分別嵌裝於其所在感測支架表面的凹槽中，使得所述柔性測控電路板平順地覆蓋於所述感測支架的每一個表面。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述感測組件中還包括設於所述柔性測控電路板上的抗混疊電路和A/D轉換電路；所述慣性感測器包括三個陀螺儀和一個加速度計；所述共六個電路模組分別設於所述六塊柔性測控電路板上。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述六塊柔性測控電路板為一體結構，並沿所述感測支架的棱邊作90°彎折後完整覆蓋於感測支架的各個表面。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述減振器中包括至少兩個減振單元，分別設於所述感測組件的其中一個表面與所述殼體內壁之間的空隙中。其中，所述減振器中最好包括六個減振單元。
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述感測組件被所述六個減振單元懸掛於所述殼體的內腔中心，且所述減振器的彈性中心點P與所述感測組件的質心m重合。
改善效果
《一種微型慣性測量系統》的優選方案中，所述殼體包括下部開口的上殼、以及裝於所述開口處的下蓋。
由於採取了上述技術方案，《一種微型慣性測量系統》具有以下優點：（1）不僅增強了支架剛性，還改進了系統力學結構，實現了三向等剛度減振，使慣性測量系統的抗噪能力大幅度提高；（2）改善了慣性測量系統振動特性，使其固有頻率遠離陀螺儀抖動器等敏感器件的工作頻率，慣性感測器安裝面的相對振幅降低到最小；（3）大幅度縮小慣性測量單元體積和重量，擴大了運載體的載荷空間。
附圖說明
圖12010年12月前小型無人機捷聯慣性測量系統示意圖。
圖2是圖1中所示慣性測量系統中的感測支架結構示意圖。
圖3是圖1所示慣性測量系統中的減振系等效模型示意圖。
圖4是《一種微型慣性測量系統》一個實施例中減振器所屬內減振單元分布示意圖，圖中S為殼體上下、左右四個內壁。
圖5是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例的感測支架示意圖。
圖6是與圖5配合的柔性測控電路板的外形和元器件布置示意圖。
圖7是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中感測組件構成示意圖。
圖8是與圖7配合的殼體結構示意圖。
圖9是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中採用的內減振單元與感測組件的位置關係示意圖。
圖10是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中微型慣性測量系統的完整裝配示意圖。
技術領域
《一種微型慣性測量系統》涉及用於無人機等運載體中的捷聯慣性導航技術，尤其是涉及一種用於捷聯慣性導航中的微型慣性測量系統。
權利要求
1.《一種微型慣性測量系統》包括殼體、感測組件以及減振器；其特徵在於，所述感測組件包括測控電路板、以及設於所述測控電路板上的慣性感測器；所述感測組件裝於所述殼體內；所述減振器裝於所述殼體內並設於所述感測組件與殼體內壁之間的空隙中，所述感測組件還包括感測支架，所述感測支架包括六個表面，所述感測支架的六個表面均刻有凹槽；所述測控電路板共有六塊，每一塊所述測控電路板上的電路元件分別嵌裝於其所在感測支架表面的凹槽中。
2.根據權利要求1所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，慣性感測器包括陀螺儀和加速度計。
3.根據權利要求2所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述感測支架是正方體剛性支架，所述測控電路板是柔性測控電路板。
4.根據權利要求3所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述柔性測控電路板平順地覆蓋於所述感測支架的每一個表面。
5.根據權利要求4所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述感測組件中還包括設於所述柔性測控電路板上的抗混疊電路和A/D轉換電路；所述慣性感測器包括三個陀螺儀和一個加速度計；所述抗混疊電路、A/D轉換電路、三個陀螺儀和一個所述加速度計共六個電路模組分別設於所述六塊柔性測控電路板上。
6.根據權利要求5所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述六塊柔性測控電路板為一體結構，並沿所述感測支架的棱邊作90°彎折後完整覆蓋於感測支架的各個表面。
7.根據權利要求4所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述減振器中包括至少兩個減振單元，分別設於所述感測組件的其中一個表面與所述殼體內壁之間的空隙中。
8.根據權利要求5所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述減振器中包括六個減振單元。
9.根據權利要求8所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述感測組件被所述六個減振單元懸掛於所述殼體的內腔中心，且所述減振器的彈性中心點P與所述感測組件的質心m重合。
10.根據權利要求1-9中任一項所述的微型慣性測量系統，其特徵在於，所述殼體包括下部開口的上殼、以及裝於所述開口處的下蓋。
實施方式
劇烈的隨機振動是捷聯慣性導航系統在運行中面臨的主要力學環境，振動引起系統性能不穩定或電子元器件損壞，對系統穩定性影響極大。為了減小運載體劇烈隨機震動引起電子元器件損壞或慣性測量單元性能不穩定，除了強化各感測器電路板之間的連線剛度以外，還要以減振器為阻尼介質，將慣性測量單元彈性聯結到運載體上，以獲得滿意的減震效果。減振模式的選取不僅影響著慣導系統的減振性能，而且也影響著系統的測量精度，歷來是慣導系統結構設計的重要環節。《一種微型慣性測量系統》從改良感測支架設計和合理化減振力學結構兩個方面著手，提高微型慣性測量系統的性能。
感測支架是安裝陀螺儀和測控電路板及連線線的關鍵部件，工作時經受各種劇烈振動，其中支架上陀螺儀安裝面的相對振幅最大，其結構的動態性能將影響到陀螺儀工作的可靠性和精確性，需要具備一定的靜強度、抗振強度和疲勞壽命。工藝方面，要求支架安裝方便，便於加工製造。合理設計支架結構，改善結構的剛度和阻尼特性，使結構固有頻率必須遠離陀螺儀抖動器工作振動頻率，使陀螺儀安裝面的相對振幅為最小。改進支架設計不能宥於傳統思維，採用大幅度增加壁厚的方法來提高剛度和提高結構固有頻率；而應通過改善結構的材料、外形、結合面等結構設計，提高支架的結構剛度和阻尼。而且，還要從整體出發，處理好支架和減振裝置相互制約關係，還要考慮測控電路板在支架上的安裝位置和線路走向。
由前面的陳述可以看出，為了克服2010年12月前慣性測量系統的上述技術缺陷，《一種微型慣性測量系統》採取的技術措施是：從改進慣性測量系統的力學結構入手，提供一個大幅度縮小體積、三向等剛度減振結構的微型慣性測量系統，克服三向剛度不等、共振激勵、以及產生扭轉振動等缺陷，對捷聯慣性導航系統造成的不良影響。
《一種微型慣性測量系統》的一個優選實施例如圖4至圖10所示，這種微型慣性測量系統中包括感測組件12、減振單元、上殼16、下蓋18等部件，其中：
感測組件12由感測支架121、慣性感測器122、柔性測控電路板123組成：該實施例中，感測支架121是各平面刻有凹槽，符合一定比重和剛度要求的正方體剛性支架。
慣性感測器122包括陀螺儀和加速度計，其中包括三個陀螺儀和一個加速度計，它們焊接在柔性測控電路板123上。
柔性測控電路板123應當包含感測器信號預處理功能，其中至少包含抗混疊電路和A/D轉換電路；電路板基和連線導線採用柔韌材質，以耐受90°的彎折；柔性測控電路板的外形應當與感測支架的平面展開圖形全等，當它沿著感測支架棱邊作90°彎折後，整張柔性測控電路板能夠完整、平順地覆蓋感測支架每一個平面。
具體實施時，抗混疊電路、A/D轉換電路、三個陀螺儀、一個加速度計，共六個電路模組分別設於六塊柔性測控電路板上。每一塊柔性測控電路板上的電路元件分別嵌裝於其所在感測支架表面的凹槽中。
上殼16與下蓋18構成的內腔形狀應與感測組件12的外形相似且空間略大，使得殼體各內壁與感測組件對應平面之間留有基本相等的空間，以安裝內減振單元14。
內減振器由若干具有適當阻尼特性的內減振單元構成單元{Ki，ci}14組成，它們安裝在上殼16內壁S與感測組件12的6個平面之間，根據運載體不同振動特性決定其數量，最多可達6個。將感測組件懸掛在殼體內腔中心，內減振單元的形變力軸相互正交，內減振器的彈性中心點P與感測組件質心m重合，以均衡吸收並消耗來自運載體的強迫振動。具體實施時，其中的減振單元由具有一定阻尼作用的彈性材料構成，可以採用但不限於彈簧、橡膠墊、矽膠、海綿、或者其他減振材料。
《一種微型慣性測量系統》在一個較佳的實施例中，感測支架選用具有一定比重和剛度的金屬或者非金屬材料，整體加工成一個正方形的感測支架121，整體加工而非組裝是為保證支架本身具有足夠的剛性，以降低剛性不足和各向異性的測量誤差參見圖5；
圖6是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中柔性測控電路板123平面展開和元器件布置示意圖。柔性測控電路板123的電路板基和連線導線採用柔韌材質，可以耐受90°的彎折；其外形設計成與感測支架外平面展開圖全等的形狀，因而具有6個展開平面。感測器和其它電子元件焊接在6個展開平面正面的適當位置上。
圖7是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中感測組件構成示意圖。柔性測控電路板123正面焊有慣性感測器122和其它電子元件。用柔性測控電路板的正面貼附感測支架121，沿著感測支架棱邊作90°彎折，將各感測器或電子元件嵌入感測支架各平面的凹槽之內以後，整張柔性測控電路板背面朝外，將感測支架連同感測、電子元件包絡起來，並且完整、平順地覆蓋感測支架每一個平面。
《一種微型慣性測量系統》在設計捷聯慣性導航減振系統時，把避免或減小振動耦合作為首要考慮因素。如果系統力學結構安排不合理，系統六自由度上的振動互相耦合，產生線振動與角振動交叉激振，致使慣性測量系統的檢測數據內含有強烈的自身交叉激振信息，將給系統引入偽運動信號，嚴重影響慣導系統的測量精度。為了減小減振器對系統角運動測量的干擾，減振系統的角振動頻率應儘可能遠離慣導系統的測量頻寬。在寬頻隨機振動條件下，減振頻率越低減振效率越高。
圖8是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例所採用的上殼16設計，它與下蓋18構成正方形的內腔為示意清楚圖中省略下蓋，是容納感測組件12與減振單元14的場所。上殼16與下蓋18構成的殼體內腔的形狀，被設計成與感測組件12外形相同的正方形，且比感測組件外形略大。這樣設計使得上殼16與下蓋18構成的6個殼體內壁，與所對應的感測組件6個外平面之間，留有形狀和大小基本相同的空間；當把外形基本相同內減振單元14全部安裝其中，形成內減振器總成之後，產生了比較好的減振效果。
圖9是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中採用的全部內減振單元14構成內減振器總成後，與感測組件的位置關係示意圖。為了有效衰減或完全吸收對於來自前後、左右、上下6個自由度的對感測組件12的強迫振動，該實施例採用6個內減振單元14，即6個形狀相同的減振墊，安裝在上殼16內壁與感測組件12之間，將感測組件懸掛在殼體內腔中心位置，且各內減振單元的形變力軸相互正交，以均衡吸收並消耗來自運載體的強迫振動。
圖10是《一種微型慣性測量系統》一個較佳實施例中關於微型慣性測量系統2.1的完整裝配示意圖。由於實行了上述一系列技術措施，保證了減振器的固有頻率、減振係數、減振效率、機械強度等符合系統的抗衝擊及振動要求；使得該微型慣性測量系統的彈性坐標系、慣性坐標系、和求解坐標系三個坐標系，處於各對應坐標軸相互平行、系統質心與減振裝置的彈性中心重合的最佳狀態，達到各自由度振動間具有較高的去耦效應，以及各固有頻率相互接近，獲得較窄頻率分布的技術效果。
《一種微型慣性測量系統》的微型慣性測量系統可用於無人機等自動駕駛飛行器、船隻、水下自動探測設備，或是各種車輛、機器人等。除了以上實施例以外，該發明還可以有其他實施方式，例如：（1）其中的殼體結構並不限於上殼與下蓋配合的結構，也可是下殼與上蓋配合，或者是中間殼體與上下蓋配合；（2）可將柔性測控電路板上的六個功能模組全部或部分作集成處理，使得柔性測控電路板的塊數可減為六塊以下，此時感測支架表面設定的凹槽數量也可相應減少；（3）支架也可以是長方體結構，當然此時電路板的結構需作相應改動。可見，相關的等同替換技術方案，均落在《一種微型慣性測量系統》要求的保護範圍。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種微型慣性測量系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
