[发明专利]一种MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件及其安装方法

说明书

技术领域

本发明属于导航、制导与控制技术领域，特别一种MEMS陀螺仪的精密安装基准体组件及其安装方法，适用于各种敏感轴水平的低成本、微小型MEMS振动陀螺仪。

背景技术

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。它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，需要三只陀螺仪的敏感轴在空间两两互相垂直并且分别与对应的三个载体坐标轴平行。惯性测量单元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。随着科学技术的发展，从工程角度看，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独特的优势，能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。但是微型MEMS陀螺仪的工作原理、制造工艺和应用方式等决定了目前MEMS陀螺仪的核心敏感元件通常都是集成在一个贴片封装的芯片里。为了保证此芯片能够工作在正常状态，一般都需要配以必须的外围电路，应用时需要将MEMS陀螺芯片和需要配给的电子元件焊接在一块小型的电路板上。所以这类微型MEMS振动陀螺仪本体的外观就是一块集成了各个元件的电路板。在MEMS陀螺仪中，有一大类陀螺仪的敏感轴就平行于此电路板面，称为敏感轴水平的MEMS陀螺仪，这种MEMS陀螺仪的本体电路板一般都是由螺钉通过安装孔来安装。例如，BEI公司生产的石英MEMS陀螺仪LCG50的本体外观如图1所示，它由螺钉1通过安装孔配合金属垫片2和金属支撑圆筒3来安装，金属支撑圆筒3嵌入橡胶隔震垫4中，支撑焊接了陀螺仪敏感元件5的陀螺仪处理电路板6，陀螺仪敏感元件5的敏感轴平行于电路板6的板面。石英MEMS陀螺仪LCG50外观的正视图如图2所示，其安装孔位于本体电路板的四个角上，陀螺仪敏感元件位于电路板中央，其它外围电路元件散布在陀螺仪敏感元件周围。

输入轴失准角是陀螺仪真实敏感轴与理想敏感轴之间的夹角，MEMS陀螺仪的输入轴失准角一般都很大，对陀螺精度的影响也很大，是最需要关心的参数之一。为了描述问题的方便，定义微型MEMS陀螺仪的坐标系o×yz如图3所示，理想状态下，ox坐标轴与陀螺仪敏感轴重合，平面oxy与MEMS陀螺仪安装第一基准面平行，oz坐标轴与MEMS陀螺仪安装基准面垂直。但是在实际应用过程中，陀螺仪的真实敏感轴oA轴与ox坐标轴不可能完全重合，也不可能完全平行。定义陀螺仪实际敏感轴oA在平面oxz中的投影与ox坐标轴之间的夹角为纵偏角，记为α，即陀螺仪实际敏感轴oA与安装第一基准面之间的夹角；定义陀螺仪实际敏感轴oA在平面oxy中的投影与o×坐标轴之间的夹角为横偏角，记为β，即陀螺仪实际敏感轴oA与第二安装基准面之间的夹角。

目前的MEMS陀螺仪的应用，都是将如图1、图2所示的敏感轴水平的MEMS陀螺仪直接安装在惯性测量单元支架上，而且在导航解算中，其数据处理方法仍然仿照输入轴失准角很小的传统高精度陀螺仪，在其测试、标定、建模、以及导航解算等过程中，对陀螺仪输入轴失准角进行小角度线性化处理，达到降低问题的难度，简化算法，减小处理时间的目的。根据各个陀螺仪测试标准结合图3分析可知，纵偏角α和横偏角β分别是微型MEMS陀螺仪输入轴失准角在平面oxz和平面oxy中的投影。则目前MEMS陀螺仪的安装方法，会引起很大的纵偏角α和横偏角β，很大的纵偏角α和横偏角β决定了此时微型MEMS陀螺仪输入轴失准角很大，因此，导航解算中，对MEMS陀螺仪的输入轴失准角采用线性化处理时，就会引入很大的近似误差，牺牲大量的系统精度。而如果不进行小角度线性化处理，陀螺仪的参数之间就会相互影响，相互耦合，参数模型严重非线性，使得传统的器件测试、标定、补偿以及导航解算的模型复杂难解。

目前直接将敏感轴水平的MEMS陀螺仪本体安装在惯性测量单元支架上的传统安装方式，存在着如下缺陷：