劉福朝，李存健，王桂奇(1.北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100192； 2.北京信息科技大學(xué) 高動態(tài)導(dǎo)航技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100101)

0 引言

微慣性測量單元(MIMU)是目前常用的慣性測量裝置，也是慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心組件。本文采用的MEMS慣性傳感器不僅具有質(zhì)量及體積小，高牢靠和耐沖擊等特點，同時能完成批量生產(chǎn)，成本優(yōu)勢顯著，因而廣泛應(yīng)用于車載導(dǎo)航、艦載導(dǎo)航、機載導(dǎo)航及常規(guī)制導(dǎo)彈藥的導(dǎo)航與制導(dǎo)等技術(shù)領(lǐng)域[1]。對MIMU的研究工作主要包括外形結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計、傳感器誤差參數(shù)標(biāo)定及補償方法的研究，對其在特殊環(huán)境下的適應(yīng)能力方面研究較少。在惡劣的力學(xué)環(huán)境下，尤其是在高速、高旋、高過載條件下對載體運動參數(shù)準(zhǔn)確測量的難題，一定程度上制約了MIMU的發(fā)展和應(yīng)用。高過載環(huán)境下，慣性測量單元(IMU)敏感元件(陀螺儀和加速度計)的性能會不同程度地下降。因此，如何保證MIMU在高過載環(huán)境下正常工作是目前研究的重點。文獻[2-5]分別設(shè)計了抗高過載MIMU，對其抗高過載性能進行了相關(guān)仿真和實驗驗證。李枚等[6]通過ANSYS仿真，分析了慣性測量單元結(jié)構(gòu)的振動效應(yīng)。文獻[7-9]分別設(shè)計了MIMU橡膠減振器，用來減小外部沖擊對慣性器件的影響，通過有限元分析和仿真驗證了減振器的隔振效果。王曉初等[10]研究了MIMU中傳感器的振動影響，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要依據(jù)。文獻[11-12]結(jié)合特殊的封裝防護與系統(tǒng)集成方法，實現(xiàn)了新型高過載、高旋運動載體的慣性參數(shù)測量。王星來等[13]針對姿態(tài)測量系統(tǒng)，利用ANSYS軟件仿真并分析了其抗高過載性能，通過馬歇特錘擊實驗和彈載飛行實驗充分驗證了其抗高過載性能。

綜上所述，為滿足慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對小型化、低功耗和抗高過載的實際應(yīng)用需求，本文提出一種框架式嵌入構(gòu)型的MIMU結(jié)構(gòu)，給出了MIMU的設(shè)計方案，重點闡述了MIMU的硬件系統(tǒng)組成和抗高過載防護設(shè)計方案。通過有限元軟件仿真和炮射實驗，分析并驗證了MIMU的抗高過載性能。

1 MIMU設(shè)計方案

1.1 外形結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

本文設(shè)計的MIMU主要面向高過載環(huán)境應(yīng)用，結(jié)構(gòu)設(shè)計原則需滿足加工制造的可行性和合理性，采用簡單的構(gòu)造形式和易裝配的結(jié)構(gòu)特點，同時保證結(jié)構(gòu)的高可靠性。MIMU應(yīng)具備較大的剛度和強度，過載形變和強振動效應(yīng)不能太大，保證小體積和輕量化設(shè)計，且能滿足內(nèi)部狹小空間的約束裝配。因此，MIMU的結(jié)構(gòu)設(shè)計既要克服內(nèi)部空間約束，又要保證被充分利用，外形合理美觀等原則。本文在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種框架式的方形MIMU結(jié)構(gòu)，其外形與裝配示意圖如圖1所示。

圖1 MIMU外形及內(nèi)部裝配示意圖

MIMU的整體結(jié)構(gòu)主要由外殼和底板組成。外殼四角安裝孔用于底板固連，底板上4個方形長立柱和短立柱，通過安裝孔固定四周電路板及中間主控電路板，各電路板上裝有陀螺儀和加速度計，且保證3個敏感軸向的傳感器兩兩正交。四周電路板通過焊接方式與中間主控電路板連接，信號線及電源線通過外殼圓孔引出。與現(xiàn)有MIMU結(jié)構(gòu)相比，本文設(shè)計的MIMU通過一次性嵌入式安裝和加工，有效消除了整體結(jié)構(gòu)二次安裝誤差，且保證了三軸向陀螺儀和加速度計相互正交，進而提高了安裝精度。

1.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計的MIMU由三軸微機械陀螺儀和三軸微機械加速度計傳感器組成。根據(jù)傳感器的正交安裝方式，將y、z軸的傳感器分別獨立安裝在4塊小的電路板上，通過結(jié)構(gòu)內(nèi)部底板上的4個立柱來進行固定。系統(tǒng)硬件電路原理框圖如圖2所示。圖中，F(xiàn)LASH為閃存存儲器，F(xiàn)PGA為現(xiàn)場可編程門陣列，URAT為通用異步收發(fā)傳輸器。

圖2 硬件電路原理框圖

硬件系統(tǒng)的ARM處理器采用STM32H745芯片，運行頻率可達480 MHz，具有浮點單元，支持單、雙精度操作和轉(zhuǎn)換，包括全套的直接數(shù)字信號處理(DSP)指令和內(nèi)存單元以增強應(yīng)用程序的安全性。STM32H745芯片將高速嵌入式存儲器與高達 2 MB 的雙組閃存、高達 1 MB 的 RAM結(jié)合在一起，以及連接到 APB 總線、AHB 總線、2×32 位多 AHB 總線矩陣、支持內(nèi)外部存儲器訪問的多層 AXI 互連的范圍廣泛的增強型 I/O 接口和外部設(shè)備，提供2個數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，3個 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1個低功耗時鐘芯片，2個低功耗比較器，5個低功耗定時器，1個高分辨率定時器和12個通用16位定時器，同時具備標(biāo)準(zhǔn)的通信接口。外部接口包括串口和USB接口，串口通信采用RS422形式的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，抗干擾能力強，可實現(xiàn)遠距離傳輸。采用漢寧窗函數(shù)對有限長單位沖激響應(yīng)濾波器(FIR)進行設(shè)計，并根據(jù)實際需求選取合理的截止頻率?？紤]系統(tǒng)工作過程中的發(fā)熱情況，電源模塊采用體積小,成本低和設(shè)計難度小的非隔離電源模塊，其輸出電壓無需其他輔助措施，便可實現(xiàn)規(guī)定輸入電壓范圍內(nèi)自動穩(wěn)壓，保證了系統(tǒng)在高過載和沖擊環(huán)境下的可靠性。整個硬件系統(tǒng)實現(xiàn)了MIMU數(shù)據(jù)采集、處理及接口的通信功能，利用編寫的上位機軟件對測試數(shù)據(jù)進行了分析和功能驗證。

1.3 抗高過載防護方案

為滿足髙過載沖擊環(huán)境要求，除需設(shè)計一種髙可靠性、高集成度的MIMU結(jié)構(gòu)，還需采取一定的緩沖防護措施，保證MIMU達到體積小，質(zhì)量小和抗高過載等應(yīng)用要求。在力學(xué)防護方面，采用結(jié)構(gòu)硬防護與灌膠軟防護來改進系統(tǒng)阻尼，實現(xiàn)系統(tǒng)對高過載和沖擊載荷的吸收與削弱，從而滿足實際抗過載要求。常用過載防護設(shè)計的方法有機械結(jié)構(gòu)方面的剛性防護和填充包裹灌封材料方面的柔性防護兩種。

在剛性防護方面，選取35CrMnSi鋼作為機械結(jié)構(gòu)加工材料，在大沖擊高振動條件下不會影響微慣性器件的測量精度。另外對結(jié)構(gòu)表面進行陽極氧化處理，以增加結(jié)構(gòu)硬度，不僅能起到絕緣效果，還能提升高過載環(huán)境下結(jié)構(gòu)抵抗應(yīng)力變化的能力。

在柔性防護方面，選擇填充灌封材料對MIMU進行抗高過載防護，利用灌封材料的低密度和高強度性能，填充結(jié)構(gòu)間隙，保障系統(tǒng)在高過載作用過程中結(jié)構(gòu)整體一致性，減小高過載沖擊和大離心力作用下對MIMU的損害。本文設(shè)計的MIMU采用聚氨酯作為灌封材料，分別將慣性器件與外殼、底座與集成電路板灌封在一起，成為嵌入式一體化結(jié)構(gòu)。利用灌封材料的彈塑性變形和阻尼作用，對內(nèi)部傳感器和電路板進行防護，減弱載體在非規(guī)則運動過程中的作用力，使結(jié)構(gòu)內(nèi)部承受較小的沖擊，保證高過載環(huán)境下硬件系統(tǒng)不被損壞，增強其抗高過載能力。

2 抗高過載性能分析與仿真

考慮MIMU在高過載和強振動等極端條件下是否能夠保證性能指標(biāo)不變，本文針對所設(shè)計的IMU結(jié)構(gòu)外型，利用有限元仿真軟件，對其整體結(jié)構(gòu)進行抗高過載性能仿真和分析。重點分析高過載條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和沖擊響應(yīng)，進而為IMU優(yōu)化設(shè)計提供了參考。有限元法是目前現(xiàn)代工程應(yīng)用問題中使用最廣泛且有效解決問題的一種分析方法，其原理是將復(fù)雜連續(xù)體想象成有限個單獨關(guān)系的單元組合，利用相互關(guān)系將每個獨立單元計算的結(jié)果進行聯(lián)合推導(dǎo)，進而得到整體有限元模型的解[14-16]。

本文設(shè)計的IMU結(jié)構(gòu)選用35CrMnSi作為加工材料，35CrMnSi參數(shù)如表1所示。

表1 35CrMnSi材料參數(shù)

本文通過仿真選取Solid164作為模型中實體結(jié)構(gòu)的單元，選擇多面體網(wǎng)格進行有限元整體的網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 有限元仿真模型網(wǎng)格劃分

圖3分別對MIMU結(jié)構(gòu)的外殼和安裝底座進行網(wǎng)格劃分，在不考慮灌封的條件下，將整個金屬結(jié)構(gòu)作為整個MIMU模塊的承載結(jié)構(gòu)，仿真并分析該結(jié)構(gòu)在強沖擊載荷作用時的受力情況和應(yīng)力形變等。結(jié)合35CrMnSi的材料參數(shù)，在垂直方向施加20 000g(g=9.8 m/s2)沖擊載荷，其外殼與底座結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布云圖如圖4所示。

圖4 底板和外殼的應(yīng)力分布云圖

由圖4可知，MIMU結(jié)構(gòu)底座和外殼所受最大應(yīng)力分布在較高的支撐柱底部和外殼四角位置，屈服應(yīng)力約為88.7 MPa，遠小于35CrMnSi的屈服應(yīng)力(1 275 MPa)。因此，本文所設(shè)計的MIMU的結(jié)構(gòu)可承受不小于20 000g的沖擊力。

3 抗高過載性能實驗

為了驗證所設(shè)計的MIMU的抗高過載性能，在實驗靶場搭載某型號炮彈進行炮射過載實驗。本文采用的MIMU性能指標(biāo)如表2所示。

表2 MIMU 性能指標(biāo)參數(shù)

將MIMU通過實驗工裝裝配到試驗彈內(nèi)部，混凝土靶板作為炮射對象。利用外部測試手段、膛內(nèi)測壓器、高速攝像、線靶測速裝置及彈載加速度傳感器等對實驗數(shù)據(jù)進行記錄。MIMU在炮射實驗前的組裝實物圖如圖5所示。

圖5 MIMU在炮射實驗前的組裝實物圖

由圖5可知，組裝前需對MIMU內(nèi)部進行灌封處理，靜置24 h后再裝配到實驗工裝內(nèi)。實驗工裝采用圓柱形設(shè)計，通過螺紋壓板將MIMU固定在工裝內(nèi)部，使其與實驗彈為一個整體艙段，最后再進行全彈的裝配以便進行炮射實驗。炮射過程中測得的過載曲線如圖6所示。

圖6 過載曲線

由圖6可知，最大過載峰值為20 446g。此次炮射實驗中，MIMU能承受的沖擊幅值大于20 000g。實驗后MIMU外形結(jié)構(gòu)無明顯變化，外形結(jié)構(gòu)正常，如圖7所示。為了驗證MIMU實驗后是否還能正常工作，分別對陀螺儀和加速度計的零位變化進行了數(shù)據(jù)測試，如圖8、9所示。

圖7 實驗品回收狀態(tài)

圖8 實驗前后陀螺儀零位變化

圖9 實驗前后加速度計零位變化

由圖8、9可知，陀螺儀實驗后零偏變化小于0.01 (° )/s，加速度計實驗后零偏變化小于0.005g，且實驗品內(nèi)部未出現(xiàn)損壞失效情況。結(jié)果表明，本文所設(shè)計的MIMU能承受的過載不小于20 000g，滿足制導(dǎo)彈藥高過載要求。

4 結(jié)束語

本文針對高過載環(huán)境下制導(dǎo)彈藥的發(fā)射需求，設(shè)計并研制了一種框架式嵌入構(gòu)型的MIMU。介紹了MIMU的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案、硬件系統(tǒng)設(shè)計方案及抗高過載防護方案,利用有限元仿真軟件綜合分析了MIMU機械結(jié)構(gòu)的抗高過載能力,最后通過搭載某類型號試驗彈進行微慣性炮射過載實驗。實驗結(jié)果表明,本文所設(shè)計的MIMU抗高過載能力不小于 20 446g,其機械結(jié)構(gòu)、體積、質(zhì)量、抗過載能力均滿足制導(dǎo)彈藥的實際需求。本文的研究工作在慣性導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域及其他相關(guān)領(lǐng)域具有很好的借鑒和指導(dǎo)意義,且具有一定的工程應(yīng)用價值。