高精度小型化MEMS寻北仪的构成

2024-06-17
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寻北仪作为一种测量当地北向与真北之间夹角的仪器,在静基座环境下能够提供准确的方位和姿态信息,在采矿、石油测井、舰船设备、隧道贯通等领域具有重要作用。而现如今,各行各业对寻北仪的尺寸和精度要求越来越高,因此寻北仪更加高精度化小型化。想要实现尺寸小型化的飞跃,越来越多的人选择MEMS寻北仪,由于MEMS寻北仪中包含的惯性器件是MEMS陀螺和MEMS加计,因此整体尺寸比其他类型的陀螺寻北仪要精巧很多,同时精度水平很高,可以满足各个行业的需求。

本来将从基础的角度入手,着重介绍寻北仪的构成,令大家更加清楚的了解到寻北仪。


寻北仪的基本组成部分


MEMS寻北仪可在完全自主的情况下向运动体提供航向信息,工作不依靠卫星,不受气候影响,不需要复杂的操作。其既提供针对计算机的数据输出接口,也提供良好的人机界面。

MEMS寻北仪主要由惯性测量组件(IMU)和线路部分组成,硬件组成框图见图1。惯性测量组件(IMU)由陀螺仪和回转机构等组成;线路部分主要有四块电路板组成,包括:电源板,控制板,功放板和底板。表1展示了寻北仪的组成部件。

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图1 寻北仪硬件组成框图

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表1 寻北仪的组成部件


MEMS寻北仪面板上有两个指示灯:寻北指示与电源指示;两个按钮:寻北按钮与电源开关;一个五位七段数码显示器;一个保险管;装置对外连接有两个接插件:电源插座与通讯接口插座。


寻北仪由惯性测量单元和算法组成,这和惯性导航系统的原理相同,区别在于不同的算法形成不同的系统。因此,寻北仪也是一种惯性导航系统。

惯性导航系统能够不受外部环境的干扰、不辐射并且隐秘地利用牛顿运动定律测量位置信息、瞬时速度和通过惯性测量组件测量加速度、角速度,并且在航空、航天、航海、军事领域能够连续地提供位置、姿态角、线速度、角速度等参数信息。

惯性导航基本原理如图2。图中所示坐标系为oxy,(x,y)为瞬时位置。在一个惯性导航系统的平台上,经过计算机的运算得到速度Vx、Vy和瞬时位置x、y,其中x轴和y轴分别控制2个加速度计的测量轴,而加速度计则用来测量两轴的加速度。

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图2 惯性导航基本原理


在惯性导航系统中,地球表面被认为是球形,则用经纬度和来表示载体位置,如果x和y轴分别指向北和东,则用经纬度表示载体的位置为:

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式中 R—地球半径;φ0—载体的初始纬度;λ0—载体的初始经度;

φ—载体地理的纬度位置;λ—载体地理的经度位置;

vx—北向速度;vy—东向速度。

惯性测量装置也叫惯性导航组合,包括加速度计和陀螺仪。惯性导航系统由3部分组成,包括惯性测量装置、计算机和显示器。飞机的横向、纵向和垂直向3个方向上移动的加速度由3个加速度计测量,飞机的横向、纵向和垂直向3个方向上的转动由3个自由度的陀螺仪测量得到;计算机计算出飞机的速度和位置信息;各种导航的信息数据由显示器显示。


结论


大部分寻北仪都为立方体形态,然而随着各行各业的需求量增多,寻北仪的外观形态也随之变化。例如ER-NS-09是一款专为石油测井,定向钻井和采矿而设计的寻北仪,其外形做出了巨大突破,从立方体演变为圆柱体,可以很好的适应探管的形状。由于它是MEMS寻北仪,其中包含三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计。

希望通过本文你可以对高精度小型化MEMS寻北仪的结构有所了解,如果你对寻北仪更多的知识感兴趣,请联系我们。

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