具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种平面化微惯性导航系统，该平面化微惯性导航系统包括三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计和基板，三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计均以平面贴装方式布置在基板上；三轴MEMS陀螺包括第一平面轴MEMS陀螺、第二平面轴MEMS陀螺和Z轴MEMS陀螺，第一平面轴MEMS陀螺、第二平面轴MEMS陀螺和Z轴MEMS陀螺呈三轴正交设置；三轴MEMS加速度计包括第一平面轴MEMS加速度计、第二平面轴MEMS加速度计和Z轴MEMS加速度计，第一平面轴MEMS加速度计、第二平面轴MEMS加速度计和Z轴MEMS加速度计呈三轴正交设置。

应用此种配置方式，提供了一种平面化微惯性导航系统，通过将三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计均以平面贴装方式布置在基板上，并设置三轴MEMS陀螺包括第一平面轴MEMS陀螺、第二平面轴MEMS陀螺和Z轴MEMS陀螺，以及三轴MEMS加速度计包括第一平面轴MEMS加速度计、第二平面轴MEMS加速度计和Z轴MEMS加速度计，能够实现在获取三个轴向角速度信息和三个轴向加速度信息的同时，通过简单的安装方式显著降低微惯性导航系统沿高度方向的尺寸，使微惯性导航系统具有平面化特征，进而降低微惯性导航系统的体积和重量，更易于载体的安装集成。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中微惯性导航系统体积过大不利于实现载体小型化集成的技术问题。

进一步地，在本发明中，为了在平面安装条件下实现平面轴角运动测量，第一平面轴MEMS陀螺和第二平面轴MEMS陀螺均采用离面检测的音叉式敏感结构，通过面外振动的耦合隔离与抑制，实现与陀螺本身平行的平面轴角运动测量。Z轴MEMS陀螺采用水平面内检测的音叉式敏感结构，在平面安装条件下实现与陀螺本身垂直的Z轴角运动测量。在该实施例中，第一平面轴MEMS陀螺和第二平面轴MEMS陀螺在基板表面按90°正交平铺布置，以实现X轴和Y轴角运动测量。

此外，在本发明中，为了在平面安装条件下实现Z轴加速度测量，Z轴MEMS加速度计采用跷跷板架构的敏感结构，通过离面差分检测实现与加速度计本身垂直的Z轴加速度测量。第一平面轴MEMS加速度计和第二平面轴MEMS加速度计均采用水平轴敏感结构，在平面安装条件下实现与加速度计本身平行的平面轴加速度测量。在该实施例中，第一平面轴MEMS加速度计和第二平面轴MEMS加速度计在基板表面按90°正交平铺布置，以实现X轴和Y轴加速度测量。

进一步地，在本发明中，三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计在基板上的排布顺序可以在满足三轴正交测量的基础上进行调整。为了进一步减小微惯性导航系统的体积，可设置三轴MEMS陀螺平面贴装在基板的第一平面上，三轴MEMS加速度计平面贴装在基板的与第一平面相背的第二平面上。通过将三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计分别平面贴装在基板的两侧，可减小所需基板的平面大小，从而进一步减小微惯性导航系统的体积。

此外，在本发明中，为了减轻微惯性导航系统的重量，可设置基板为PCB基板。通过采用高强度的PCB基板作为三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计的平面安装平台，避免使用铝合金或镁铝合金等高刚度金属台体作为正交安装基准，可实现满足微惯性导航系统高精度测量需求的同时减轻微惯性导航系统的重量，以便于载体的安装集成。在该实施例中，高强度PCB基板可通过螺钉固定在微惯性导航系统结构内部，进而显著降低系统内部结构复杂度。PCB基板的面积大小可根据微惯性导航系统各部件的安装需求确定，此外可根据微惯性导航系统所处的力学环境条件，通过振动和冲击等力学仿真确定PCB基板的厚度、长宽比例以及PCB基板上其他各部件的安装孔位等。

进一步地，在本发明中，为了实现三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计在基板上的精确固定安装，可通过焊接方式将三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计安装于基板上。在该实施例中，三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计均按三轴正交配置来确定焊装方向。为保证三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计测量的正交精度，通过对齐器件坐标、约束焊盘尺寸和提高基板加工精度等，确保三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计的焊装对齐，在无立体金属台体支撑的情况下，通过上述简单的生产工艺可保证X、Y和Z三个轴向角速度和加速度的正交测量。

此外，在本发明中，为了实现微惯性导航系统惯性信息的采集和惯性导航解算，可配置平面化微惯性导航系统还包括微处理器，微处理器布置在基板上，分别与三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计连接。通过微处理器可实现MEMS惯性信息的同步采集和惯性导航解算，以获得位置、速度和姿态等惯性导航信息。

作为本发明的一个具体实施例中，为了降低微惯性导航系统的功耗并提升实时性能，微处理器可采用低功耗高性能的微处理器。利用低功耗高性能微处理器通过SPI(Serial Peripheral Interface)接口进行三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计数据的同步采集。为实现三轴角速度数据的同步采集，通过一路SPI接口利用一路片选信号同步触发三轴MEMS陀螺，并行采集三路角速度数据；为实现三轴加速度数据的同步采集，通过一路SPI接口利用一路片选信号同步触发三轴MEMS加速度计，并行采集三路加速度数据。利用三轴MEMS陀螺测得的三轴角速度信息和三轴MEMS加速度计测得的三轴加速度信息进行惯性导航解算，以获得位置、速度和姿态等导航信息。在该实施例中，基板作为电气平台，微处理器可布置在基板的第一平面或第二平面上。

进一步地，在本发明中，为了实现对微惯性导航系统的供电和对外数据通讯，可配置平面化微惯性导航系统还包括连接器，连接器布置在所述基板上，连接器与微处理器连接。作为本发明的一个具体实施例，为了进一步减小微惯性导航系统的体积，可配置连接器采用微小型板对板连接器。微小型板对板连接器可布置在基板的第一平面或第二平面上，为了进一步减小基板的面积进而压缩微惯性导航系统的体积，可设置微小型板对板连接器与微处理器在基板的两侧相对设置，例如，可设置微小型板对板连接器位于基板的第一平面，微处理器位于基板的第二平面。在该实施例中，为了便于系统安装和调试，可选择微小型板对板连接器所在的基板的平面为正面设置，微处理器所在的基板的平面为背面设置。

此外，在本发明中，为了实现微小型板对板连接器对系统的供电和对外数据通讯，可配置平面化微惯性导航系统还包括对外连接器，微小型板对板连接器通过挠性板与对外连接器连接以接收外部供电和控制指令，同时对外发送导航信息。

作为本发明的一个具体实施例，为确保微小型板对板连接器的可靠连接，在微惯性导航系统结构上盖板相应位置设置专用凸台，通过专用凸台压紧微小型板对板连接器，以防止连接器松动。

进一步地，在本发明中，如图6和7所示，为了便于微惯性导航系统在载体内部的固定安装，可配置微惯性导航系统外部结构设置有安装孔100a。微惯性导航系统通过相应的安装孔可稳定安装在载体内部，避免发生移位碰撞。

本发明的平面化微惯性导航系统与现有技术相比具有以下优点：

(1)本发明在平面安装条件下实现惯性信息的立体三轴正交测量；现有微惯性导航系统通过六面体台体结构实现正交测量。与现有技术相比，本发明的平面化微惯性导航系统体积更小，重量更轻，显著降低了系统高度方向的尺寸，使微惯性导航系统具有平面化特征，更易于载体的安装集成；

(2)本发明采用高强度PCB基板作为三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计的互连平台；现有微惯性导航系统通过刚挠板实现三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加速度计的立体互连。与现有技术相比，本发明的平面化微惯性导航系统具有加工简单、可靠性高和环境适应性好等优点；

(3)本发明提出的平面化技术方案，使得微惯性导航系统能够利用电路电子工艺实现自动化批量生产；现有微惯性导航系统的立体装配生产依赖人工操作。与现有技术相比，本发明具有自动化生产水平高和批量生产成本低等优点；

(4)本发明采用低功耗高性能微处理器实现数据采集对导航结算功能，采用微小型板对板连接器作为系统供电和信息输入输出的电气接口；现有微惯性导航系统采用DSP/ARM+FPGA实现信息采集处理与通讯功能，采用常规小型连接器作为电气接口。与现有技术相比，本发明兼具低功耗和微小型优点。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图7对本发明的平面化微惯性导航系统进行详细说明。

如图1至图7所示，根据本发明的具体实施例提供了一种平面化微惯性导航系统，该平面化微惯性导航系统包括三轴MEMS陀螺10、三轴MEMS加速度计20、高强度PCB基板30、低功耗高性能微处理器40、微小型板对板连接器50和对外连接器。

三轴MEMS陀螺10和三轴MEMS加速度计20均以平面贴装方式布置在PCB基板30上，三轴MEMS陀螺10包括第一平面轴MEMS陀螺11、第二平面轴MEMS陀螺12和Z轴MEMS陀螺13，第一平面轴MEMS陀螺11、第二平面轴MEMS陀螺12和Z轴MEMS陀螺13呈三轴正交设置。第一平面轴MEMS陀螺11和第二平面轴MEMS陀螺12均采用离面检测的音叉式敏感结构，通过面外振动的耦合隔离与抑制，实现与陀螺本身平行的平面轴角运动测量。Z轴MEMS陀螺13采用水平面内检测的音叉式敏感结构，在平面安装条件下实现与陀螺本身垂直的Z轴角运动测量。

三轴MEMS加速度计20包括第一平面轴MEMS加速度计21、第二平面轴MEMS加速度计22和Z轴MEMS加速度计23，第一平面轴MEMS加速度计21、第二平面轴MEMS加速度计22和Z轴MEMS加速度计23呈三轴正交设置。Z轴MEMS加速度计23采用跷跷板架构的敏感结构，通过离面差分检测实现与加速度计本身垂直的Z轴加速度测量。第一平面轴MEMS加速度计21和第二平面轴MEMS加速度计22均采用水平轴敏感结构，在平面安装条件下实现与加速度计本身平行的平面轴加速度测量。

如图2至5所示，三轴MEMS陀螺10和低功耗高性能微处理器40布置于PCB基板30的背面，三轴MEMS加速度计20和微小型板对板连接器50布置于PCB基板30的正面。低功耗高性能微处理器40分别与三轴MEMS陀螺10、三轴MEMS加速度计20和微小型板对板连接器50连接，微小型板对板连接器50通过挠性板与对外连接器连接。

通过上述平面化设计，该实施例中的微惯性导航系统的高度不超过12mm，远小于现有技术中微惯性导航系统的平均高度，使得微惯性导航系统所在载体的安装与应用更加方便。

综上所述，本发明提供了一种平面化微惯性导航系统，通过将三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计均以平面贴装方式布置在基板上，并设置三轴MEMS陀螺包括第一平面轴MEMS陀螺、第二平面轴MEMS陀螺和Z轴MEMS陀螺，以及三轴MEMS加速度计包括第一平面轴MEMS加速度计、第二平面轴MEMS加速度计和Z轴MEMS加速度计，能够实现在获取三个轴向角速度信息和三个轴向加速度信息的同时，通过简单的安装方式显著降低微惯性导航系统沿高度方向的尺寸，使微惯性导航系统具有平面化特征，进而降低微惯性导航系统的体积和重量，更易于载体的安装集成。与现有技术相比，本发明的技术方案能够解决现有技术中微惯性导航系统体积过大不利于实现载体小型化集成的技术问题。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。