一种轻小型惯性测量单元制造技术

一种轻小型惯性测量单元，采用微型ＭＥＭＳ惯性器件，配合必要元器件构成ｘ向、ｙ向、ｚ向三块惯性器件板，由信号处理电路板进行信号转换，所有电路板安装在“Ｔ”形空心架上；三个惯性器件板上的微型加速度计分布各不相同，相互距离在空间减少到最大程度，信号处理电路合理安装，不会增大微小型惯性测量单元的体积；本发明专利技术充分利用了空间、减少了质量、缩小了体积、减少了杆臂效应；本发明专利技术适用于运载体速度、位置、姿态等导航参数的测量，尤其适用于各种小型化运载体如微小型飞行器、纳型卫星、微小型机器人等。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于导航、制导与控制
，特别涉及基于MEMS技术的低成本微小型惯性测量单元的设计，适用于各种小型化运载体，如小飞机、小卫星、小机器人等。
技术介绍
惯性测量单元是导航、制导与控制系统中的一种非常重要的设备，由三只陀螺仪和三只加速度计组成，根据惯性导航原理的要求，三只加速度计在空间尽量靠拢、敏感轴两两垂直且三轴交于空间同一点，三只陀螺仪的敏感轴在空间两两垂直且与对应加速度计敏感轴平行。由惯性测量单元辅以导航计算机组成的惯性导航系统，依靠加速度计测量的载体加速度和陀螺仪测量的载体姿态，推导出载体的速度、姿态和位置，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，这一独特优点，使其成为运载体，尤其是航天、航空和航海领域中运载体的一种广泛使用的主要导航方法。从工程角度看，随着科学技术的发展，更小的器件、更小的部件、更小的结构单元甚至更小的分系统，在许多方面表现出了非常独特的优势，能使许多系统性能和系统功能大大增强，满足很多特殊场合和功能的要求，以航天、航空和航海为代表的领域中出现了一大批小型化运载体，这些小型化运载体对微小型惯性测量单元的要求变得非常迫切和突出，例如小型化飞机翼展往往不足一米，有的甚至只有手掌般大，它内部的空间和能够承受的载荷非常有限，这就要求它们的惯性测量单元体积很小、重量很轻。随着微型制造技术和MEMS技术的发展，新一代微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计迅速发展起来，为微小型惯性测量单元的设计和研制提供了有力支持，现有的对微小型惯性测量单元的研究，主要集中在器件的选择或研制以及电路的集成和开发上，而微小型惯性测量单元的结构设计却还停留在传统惯性测量单元的设计方法上传统设计利用六块加工精度很高的金属板组成一个金属六面体作为支撑架，在金属六面体的六个金属面上开孔或挖槽，安装陀螺仪和加速度计；加速度计一般安装在六面体的三个互相垂直面的中间，以保证三只加速度计敏感轴两两垂直且三轴交于空间同一点，陀螺仪的安装保证三只陀螺仪的敏感轴在空间两两垂直且与对应加速度计敏感轴平行。传统运载体如客机、车辆、货船等，其载重能力很强、可利用空间很大，对传统惯性测量单元的重量和体积没有太大的限制，但是，微小型惯性测量单元主要应用在承载能力很弱的小型化运载体上，例如手掌般大的小飞机、身高只有几厘米的微小型机器人、质量只有几十公斤的小卫星等，要求惯性测量单元必须具有轻重量和小体积，其所应用的微型MEMS惯性器件外观仅仅是一个芯片，体积一般在毫米级、重量一般不足一克，加上微型MEMS惯性器件的外围处理电路及接插件，总重量也不过几克到十几克，而利用以上结构设计方法设计出来的金属六面体支撑架重量往往达到几百克，占据了整个微小型惯性测量单元的主要重量和体积，严重制约了小型运载体进一步小型化、轻型化的发展，这里传统设计已经远远不能满足实际要求了。现有的微小型惯性测量单元的结构设计沿用了传统的结构设计，主要存在以下缺点(1)金属六面体支架过于笨重，大大增加微小型惯性测量单元的重量，不利于突破小型化运载体承载能力有限的约束，同时也严重限制了小型运载体的进一步小型化、轻型化的发展；(2)微小型惯性测量单元的体积过大，不利于突破小型化运载体内部空间有限的约束，严重限制了小型运载体的进一步轻型化的发展；(3)加速度计分布不够集中，相互之间距离较远，增大了杆臂效应的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有微小型惯性测量单元的不足，提供一种重量轻、体积小、加速度计集中分布、结构优化的微小型惯性测量单元。本专利技术的技术解决方案是一种轻小型惯性测量单元包括支撑架、微MEMS惯性器件板、信号处理电路板，其中支撑架为“T”形空心架，微MEMS惯性器件板分为x向惯性器件板、y向惯性器件板和z向惯性器件板三块，x向惯性器件板安装在“T”形空心架的x向面上，y向惯性器件板安装在“T”形空心架的y向面上，z向惯性器件板安装在“T”形空心架的z向面上，信号处理电路板安装在“T”形空心架的x负向面上，其中，x向惯性器件板和信号处理电路板由同一个长螺栓固定安装。“T”形空心架包括辅金属框和主金属框两部分，辅金属框固连在主金属框的中线处，两个金属框互相垂直成“T”形，利用优化理论进行优化设计，保证足够刚度、强度和硬度的同时最大限度地去除了对实现功能不发挥作用的金属部分；x向面、y向面、z向面的平面度加工要求很高，此三平面两两互相垂直，垂直度加工要求很高，最大限度地满足惯性器件的安装要求。x向惯性器件板上的加速度计置于电路板的右上角，y向惯性器件板上的加速度计置于电路板的上边中央，z向惯性器件板上的加速度计置于电路板的右边中央，保证了加速度计分布集中，相互之间尽量靠拢，减小了杆臂效应的影响。信号处理电路板中包含信号转换芯片，一般为高速A/D转换芯片，也可以是高精度V/F转换芯片，将MEMS陀螺仪和MEMS加速度计的模拟输出信号转换为导航计算机需要的数字信号。本专利技术的原理是本专利技术中由“T”形空心架为三个MEMS陀螺仪和三个MEMS加速度计提供三个两两互相垂直的安装面，“T”形空心架由一个辅金属框连接在一个主金属框的中线处组成，这样，“T”形空心架的主金属框右面、辅金属框左面和辅金属框右面，可以作为电路板的安装面，但是，辅金属框的左右两个平面互相平行，只能取一个作为惯性器件板安装面，为了满足微小型惯性测量单元需要三个两两互相垂直安装面的要求，根据三点确定一个平面的原理，取辅金属框的顶端和主金属框的顶端共同构成第三个安装平面。x向、y向、z向惯性器件板就分别安装在这三个两两互相垂直的安装面上，满足惯性测量单元对惯性器件在空间分布结构的要求。辅金属框另一个平面可以安装信号处理电路板，由于信号处理电路板没有空间的方位安装精度要求，所以可以根据要求在辅金属框上安装一块或者多块信号处理板。根据安装电路板的重量和大小，确定“T”形空心架所受的施加力和所受的尺寸约束，优化各个参数，保证其足够刚度、强度和硬度的同时最大限度地减少其尺寸、降低其重量。x向、y向、z向惯性器件板分别是x向、y向、z向微型MEMS陀螺仪和加速度计的处理电路板，每个惯性器件板包括一个微型MEMS陀螺仪、一个微型MEMS加速度计、运算放大器、接插件和若干电阻、电容；其中加速度计的放置位置经过优化设计，x向惯性器件板上的加速度计置于电路板的右上角，y向惯性器件板上的加速度计置于电路板的上边中央，z向惯性器件板上的加速度计置于电路板的右边中央，从而保证了加速度计分布集中，相互之间尽量靠拢，减小了杆臂效应的影响。信号处理电路板把微型MEMS陀螺仪和微型MEMS加速度计模拟输出信号转换为导航计算机需要的数字输入信号，根据需要的数据精度、转换速度、电路复杂程度等选择A/D转换芯片或者V/F转换芯片。如果出于功能、接口、可靠性等方面的考虑，要求的信号处理电路过于复杂，而使得信号处理电路板尺寸太大，超过了“T”形空心架辅金属框前后面面积范围，可以由两块或多块较简单的电路板组合，用同一个螺栓配合多个螺母串在一起，联合实现全部信号转换功能，安装在“T”形空心架上，相对于一块大面积电路板，小面积电路板组可以使结构紧凑，减少微小型惯性测量单元的体积。本专利技术与现有技术相比的优点在于本专利技术多角度、多方本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轻小型惯性测量单元，包括支撑架、惯性器件板、信号处理电路板，其特征在于：支撑架为“Ｔ”形空心架（５），惯性器件板包括ｘ向惯性器件板（１）、ｙ向惯性器件板（２）和ｚ向惯性器件板（３），ｘ向惯性器件板（１）安装在“Ｔ”形空心架（５）的ｘ向面上，ｙ向惯性器件板（２）安装在“Ｔ”形空心架（５）的ｙ向面上，ｚ向惯性器件板（３）安装在“Ｔ”形空心架（５）的ｚ向面上，信号处理电路板（４）安装在“Ｔ”形空心架（５）的ｘ负向面上，其中，ｘ向惯性器件板（１）和信号处理电路板（４）由同一个长螺栓固定安装。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：房建成，张海鹏，张延顺，孙宏伟，李建利，陈晓光，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]