无陀螺微惯性测量组合电路设计

　　0　引　　言

　　惯性导航系统通常使用线加速度计测量线加速度,用陀螺测量刚体的角速度,微惯性测量装置(Micro InertialMeasurement Unit, MIMU)作为一种新型惯性导航系统也不例外。但是采用陀螺测量时,磨擦力矩、进动轴上信号传感器的反作用力矩以及陀螺活动部分的重心与转轴不重合均会引起陀螺的漂移。同时陀螺内含有转动部件,不能承受大的线加速度冲击,这也是它的致命弱点[1-2]。因此陀螺不适用于战术导弹的姿态参数测试。

　　无陀螺微惯性测量组合就是指惯性测量组合中不用陀螺测量角速度,而在利用线加速度计测量线加速度的同时,根据线加速度计的空间位置组合解算出角速度,从而得到惯性测量的全部参数,达到惯性导航的目的[3]。无陀螺捷联惯导系统适用于大动态范围、导航时间较短的载体的惯性导航,其优点是低成本、低功耗、长寿命、高可靠性、抗高过载等。随着新型高精度加速度计的出现和滤波技术的发展,可达到较高的导航精度[4]。针对战术导弹的高过载、大动态范围的测试要求,选用高精度的加速度计,设计了无陀螺微惯性测量组合电路。

　　1　无陀螺微惯性测量组合电路的测试原理

　　惯性导航是通过测量运载体的加速度,并经数学运算而确定运载体即时位置的一种导航定位方法。在惯性导航系统中,加速度这个物理量的测量是由加速度计实现的[5]。

　　无陀螺微惯性测量组合电路中使用了10个加速度计,加速度计在载体坐标系中安装位置及敏感方向如图1所示,图中箭头方向为各加速度计的敏感方向。

　　式中:ωx,ωy,ωz分别为角速度在X, Y, Z轴上的分量;αx,αy,αz分别为角加速度在X, Y, Z轴上的分量;Ax,Ay,Az分别为原点O处的加速度分量。

　　加速度计实际感测的量并非运载体的加速度,而是比力[5]。运载体的角速度可以由安装在载体上的10个加速度计敏感出的比力,经过一系列数学运算得到的。

　　2　无陀螺微惯性测量组合电路的硬件设计及工作原理

　　整个电路由外部触发模块、惯性组合、电源控制及变换模块、信号调理模块、A/D转换系统、中心逻辑控制单元、静态存储系统和读数接口电路等组成[6]。图2为微惯性测量组合电路结构框图。

　　2.1　硬件设计

　　惯性组合由10个加速度计组成。加速度计采用SILICON DESIGNS公司的Model 1210。Model 1210是集成的单轴的微机械电容加速度传感器,精度高,功耗低。支持差分输出和单端输出。差分模式可以使零点漂移被抑制到很小。为提高加速度计输出信号的精度,得到精确、可靠的数据,电路中采用差分模式。信号调理模块是将加速度传感器信号进行分压、滤波和跟随运放后传送给10通道12位A/D转换系统。滤波器使用美信公司的MAX7480,滤波频率可以通过外部电容调节,电路中滤波频率为50 Hz。AD转换器选用ANALOG DEVECES公司的AD7492,是单通道12位精度的模数转换器,内部有集成+2.5 V参考电压。中心逻辑控制单元采用CPLD控制,控制AD和存储器,进行数据采集与存储[7-10]。CPLD选用XILINX公司的XCR3128,供电电压为+3.3 V。CPLD具有结构简单,设计灵活,良好的移植和较高的性价比。CPLD内部的分频器和选择器采用VHDL语言编写。静态存储器选用NanoAmp Solutions公司的N08T1630,其容量为512 K×16 bit,功耗低,能够方便的写入数据和擦除数据,供电电压为+3.3 V。写入1个数的时间为45 ns,读取一个数的时间为30 ns。姿态测试电路中使用了两块静态存储器,存储容量为1 M。