[发明专利]一种基于三维立体封装技术的微型姿态航向参考系统

说明书

技术领域

本发明涉及电子导航与控制中惯性传感系统的技术领域，特别涉及一种基于三维立体封装技术的微型姿态航向参考系统。

背景技术

姿态航向参考系统，英文简写AHRS，其主要由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴地磁传感器和微处理器组成。根据惯性导航原理的要求，加速度计的三个敏感轴X_A、Y_A、Z_A，陀螺仪的三个敏感轴X_G、Y_G、Z_G，地磁磁传感器三个敏感轴X_M、Y_M、Z_M；其相正面的X、Y、Z每个轴必须平行，同时相交叉的X、Y、Z每个轴相互之间也必须正交。在此前提下，微处理对所有传感数据进行计算，系统可直接输出刚体；在载入姿态航向参考系统载体的俯仰角、横滚角和航向角后，进而推导出所附载体的速度、位置和运动轨迹。

为了保证传感器件的X、Y、Z轴分别平行、相互之间必须正交的条件，一般需要特定的装置来安装固定加速度计、陀螺仪及地磁传感器；在现有技术中，姿态航向参考系统的固定方式通常是采用加工或焊接方式并形成一个正交结构的框架，再将加速度计、陀螺仪与地磁传感器固定在其外表面。

如某姿态航向参考系统现有产品中，是把焊接有加速度计、陀螺仪与地磁传感器的印刷电路板通过直角弯针焊接在系统的安装基准板上，使子板上的加速度计、陀螺仪与地磁传感器与母板上的加速度计、陀螺仪与地磁传感器保持相互平行或正交。这种方式为目前姿态航向参考系统较常使用的设计，但由于直角弯针本身就有角度误差，在焊接的时候又引入了新的安装误差，因此总体精度较差，无法准确的保证X、Y、Z三个敏感轴之间的正交性。

再如专利号为CN200610011562.1的中国发明申请专利《一种轻小型惯性测量单元》(公告号为CN1821717A)；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；金属结构架包括主金属框和辅金属框两部分，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”型。把焊接有加速度计、陀螺仪与地磁传感器的若干块印刷电路板按照相互垂直的方向固定在结构框架上。这种方法用机械加工的框架可以达到较高的精度，但只提供了三个安装面，当系统所用器件过多超过“T”型空心架辅金属框前后面面积范围时，需要增加应刷电路板的数量，并用螺栓配合螺母将这些新增电路板串接在一起，安装工序多，引入安装误差较大。并且采用若干块印刷电路板，在实现板与板之间的电气连接方面只能也通过焊接连线的方式实现少量的连接。若干块印刷电路板之间的电气连接超过一定数量时，这种方法则无法解决。

再如专利号为CN200710063635.6的中国发明申请专利《一种隐式结构微型惯性测量单元》(公告号为CN101038173A)；按照一定垂直度、平面度和光洁度的要求，采用合成陶瓷材料加工一正方体基座。利用具有一定光洁度的合成陶瓷材料表面可电镀电路的特点，根据加速度计、陀螺仪的封装、电路原理图及安装要求，在基座表面电镀电路并附着焊盘。将加速度计和陀螺仪分别焊接到基座三个相互垂直的面上，在空间上实现相互正交。但是因为正方体基座采用表面电镀电路的方式，所以器件只能焊接在其外表面，可利用的空间有限，而如要增加器件的数量，则一定会增大正方体基座的体积，限制了载体功能多样化和轻型化的发展。一种隐式结构微型惯性测量单元中，没有引入微处理器，因此不能进行独立的数据处理，无法直接输出载体的运动姿态。并且使用合成陶瓷材料，成本较高。

综上所述，上述现有技术中微型姿态航向参考系统由于自身的结构设计原因，主要存在有以下七个缺点：

1、金属框架过重，大大增加微型姿态航向参考系统的重量，不利于其向轻型化的发展。

2、微型姿态航向参考系统体积过大，不利于突破载体内部空间的限制，不利于其向小型化的发展。

3、用焊接结构来保证加速度计、陀螺仪与地磁传感器敏感轴之间的正交结构，误差较大。

4、安装工序较多，引入安装误差较大，加工成本较高。

5、微型姿态航向参考系统不包括微处理器，不具备独立运算功能。

6、采用单面贴装技术，可利用的空间有限，不利于器件的扩展。