惯性测量组件、飞控惯性测量组件及飞行器

摘要

本公开涉及一种惯性测量组件、飞控惯性测量组件及飞行器，所述惯性测量组件包括：基板；惯性测量模组，设置在所述基板上，用于测量移动物体的惯性参数；以及热电制冷器，导热连接于所述惯性测量模组，并通过改变所述热电制冷器的电流方向以在制冷工况和制热工况之间切换，在所述制冷工况，所述热电制冷器与所述惯性测量模组接近的一端为冷端，以用于吸收所述惯性测量模组的热量，在所述制热工况，所述热电制冷器与所述惯性测量模组接近的一端为热端，以用于向所述惯性测量模组提供热量。通过上述技术方案，本公开能够提高惯性测量组件的测量准确度和可靠性。

说明书

技术领域

本公开涉及惯性测量技术领域，具体地，涉及一种惯性测量组件、飞控惯性测量组件及飞行器。

背景技术

惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）是测量移动物体运动过程中三轴姿态角（或角速度）以及加速度的装置。常规的IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪：加速度计检测飞机在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号。通过测量物体在三维空间中的角速度和加速度，可以计算出飞机的运动姿态，在飞行控制中起到核心作用。IMU需要在特定的工作温度下工作，以维持测量的精准度和稳定性。相关技术中，为达到此目的会在IMU周围设置加热装置来调节IMU的温度，但是，现有的加热装置存在加热速度慢、控制精度较差的问题，此外，当外界环境温度较高时，该加热装置无法做到降温。

发明内容

本公开的目的是提供一种惯性测量组件、飞控惯性测量组件及飞行器，该惯性测量组件的测量精准度和可靠性较高，以部分的解决相关技术中存在的上述问题。

为了实现上述目的，本公开提供一种惯性测量组件，所述惯性测量组件包括：基板；惯性测量模组，设置在所述基板上，用于测量移动物体的惯性参数；以及热电制冷器，导热连接于所述惯性测量模组，并通过改变所述热电制冷器的电流方向以在制冷工况和制热工况之间切换，在所述制冷工况，所述热电制冷器与所述惯性测量模组接近的一端为冷端，以用于吸收所述惯性测量模组的热量，在所述制热工况，所述热电制冷器与所述惯性测量模组接近的一端为热端，以用于向所述惯性测量模组提供热量。

可选地，所述惯性测量模组包括惯性测量单元、封装盖和第一导热介质，所述惯性测量单元设置在所述基板上，所述封装盖盖设在所述基板上且与所述基板共同围合出用于安装所述惯性测量单元的空腔，所述第一导热介质填充在所述惯性测量单元和所述封装盖内壁之间的间隙中，其中，所述热电制冷器固连在所述封装盖的顶面上，所述热电制冷器的底端通过导热焊接介质焊接在所述封装盖上，或者，所述热电制冷器的底端通过导热胶粘接在所述封装盖上。

可选地，所述惯性测量组件还包括散热装置，所述散热装置导热连接于所述热电制冷器背离所述惯性测量模组的一端。

可选地，所述惯性测量组件包括导热上盖，所述热电制冷器导热连接在所述惯性测量模组的顶面上，所述导热上盖导热连接在所述热电制冷器的顶面上，且所述导热上盖通过连接机构连接于所述基板，所述散热装置导热连接在所述导热上盖的顶面上。

可选地，所述导热上盖与所述热电制冷器之间的间隙中填充有第二导热介质。

可选地，所述散热装置包括风扇，所述导热上盖的顶面上设置有安装柱，所述风扇支撑在所述安装柱上并通过紧固件与所述安装柱可拆卸地连接。

可选地，所述导热上盖的顶面上设置有散热筋，所述散热筋的数量为多个，多个所述散热筋围绕所述风扇的周缘间隔设置且均沿所述风扇的径向延伸，所述散热筋靠近所述风扇的一端延伸至所述风扇和所述导热上盖之间。

可选地，所述连接机构包括减振机构，所述导热上盖通过所述减振机构连接于所述基板，所述减振机构包括减振体和连接结构，所述减振体具有弹性且连接至所述导热上盖的侧壁，所述连接结构用于将所述减振体连接至所述基板，并构造为能够对所述导热上盖在沿所述风扇的轴向上定位。

可选地，所述连接结构包括能够沿所述风扇的轴向贯穿所述减振体的轴部、形成在所述轴部的一端的第一限位部以及形成在所述轴部另一端的第二限位部，所述第一限位部用于止挡在所述减振体的顶端，所述第二限位部构造为能够被压缩穿过所述基板上的通孔后卡止于所述通孔；所述减振体包括用于卡接在所述导热上盖的卡爪内的安装部和形成在所述安装部两端并止挡于所述卡爪的两外端侧的弹性缓冲部。

本公开的另一方面还提供一种飞控惯性测量组件，所述飞控惯性测量组件包括集成线路板和上述的惯性测量组件，其中，所述集成线路板为所述基板，所述惯性测量组件的惯性测量模组与所述集成线路板信号相连，所述热电制冷器与所述集成线路板电连接。

本公开的又一方面还提供一种飞行器，包括上述的飞控惯性测量组件。

通过上述技术方案，即本公开提供的惯性测量组件，利用热电制冷器能够使惯性测量模组的工作温度维持在较小温度漂移的恒定温度，该温度一般为惯性测量模组标定的温度，从而提高惯性测量模组的测量准确度和可靠性。

具体的工作中，热电制冷器具有快速制热或制冷的特点，能够根据惯性测量模组当前的温度情况调节惯性测量模组的温度，使该温度保持在最佳的工作温度。例如，当惯性测量模组的当前温度低于预设的最佳工作温度时，则热电制冷器工作在制热工况，且与惯性测量模组接近的一端为热端，以能够向惯性测量模组提供热量，达到加温的效果；当惯性测量模组的当前温度高于预设的最佳工作温度时，则改变热电制冷器的电流方向，使热电制冷器工作在制冷工况，且与惯性测量模组接近的一端切换为冷端，以能够吸收所述惯性测量模组的热量，达到降温的效果。其中，该最佳工作温度是指为惯性测量模组标定的温度，在该标定的温度下，惯性测量模组的测量最精准和可靠，该最佳的工作温度可以是特定的温度值，也可以是温度值范围，本公开在此不作限制。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是本公开示例性实施方式提供的惯性测量组件的立体图；

图2是本公开示例性实施方式提供的惯性测量组件的俯视图；

图3是图2中A-A位置的截面图；

图4是本公开示例性实施方式提供的惯性测量组件的爆炸图。

附图标记说明

1-基板；2-惯性测量模组；210-惯性测量单元；220-封装盖；230-第一导热介质；3-热电制冷器；4-导热焊接介质；5-散热装置；510-风扇；6-导热上盖；601-顶壁；602-侧壁；610-安装柱；620-卡爪；7-第二导热介质；8-散热筋；9-减振机构；910-减振体；911-安装部；912-弹性缓冲部；913-法兰盘；920-连接结构；921-轴部；922-第一限位部；923-第二限位部；9231-分体。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

在本公开中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“顶、底”是指产品处于使用时惯常摆放的方位或位置关系，例如附图中所摆放的方位；“内、外”是指相对于部件或结构本身轮廓的“内、外”。应注意的是，“顶”“底”“内”“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本公开，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，需要说明的是，所使用的术语如“第一”“第二”等是为了区别一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。另外，在参考附图的描述中，不同附图中的同一标记表示相同的要素。

根据本公开的第一方面，提供一种惯性测量组件。参考图1至图4所示，该惯性测量组件包括：基板1；惯性测量模组2，设置在基板1上，用于测量移动物体的惯性参数；以及热电制冷器3，导热连接于惯性测量模组2，并通过改变热电制冷器3的电流方向以在制冷工况和制热工况之间切换，在制冷工况，热电制冷器3与惯性测量模组2接近的一端为冷端，以用于吸收惯性测量模组2的热量，在制热工况，热电制冷器3与惯性测量模组2接近的一端为热端，以用于向惯性测量模组2提供热量。

通过上述技术方案，即本公开提供的惯性测量组件，利用热电制冷器3能够使惯性测量模组2的工作温度维持在较小温度漂移的恒定温度，该温度一般为惯性测量模组标定的温度，从而提高惯性测量模组2的测量准确度和可靠性。

具体的工作中，热电制冷器3具有快速制热或制冷的特点，能够根据惯性测量模组2当前的温度情况调节惯性测量模组2的温度，使该温度保持在最佳的工作温度。例如，当惯性测量模组2的当前温度低于预设的最佳工作温度时，则热电制冷器3工作在制热工况，且与惯性测量模组2接近的一端为热端，以能够向惯性测量模组2提供热量，达到加温的效果；当惯性测量模组2的当前温度高于预设的最佳工作温度时，则改变热电制冷器3的电流方向，使热电制冷器3工作在制冷工况，且与惯性测量模组2接近的一端切换为冷端，以能够吸收所述惯性测量模组2的热量，达到降温的效果。其中，该最佳工作温度是指为惯性测量模组2标定的温度，在该标定的温度下，惯性测量模组的测量最精准和可靠，该最佳的工作温度可以是特定的温度值，也可以是温度值范围，本公开在此不作限制。

此外，这里需要说明的是，惯性测量模组2还可以集成有温度传感器（图中未示出），用于采集惯性测量模组2的温度信号，并将该温度信号实时反馈给控制器，以便于控制器控制热电制冷器3及时对惯性测量模组2的温度进行调控，使其保持在最佳的工作温度。在另一些实施方式中，还可以设置独立于惯性测量模组2的温度检测装置，例如红外温度传感器等，以实时监测和反馈惯性测量模组2的温度状况。

在一些实施方式中，参考图3和图4所示，惯性测量模组2包括惯性测量单元210、封装盖220和第一导热介质230，惯性测量单元210设置在基板1上，封装盖220盖设在基板1上且与基板1共同围合出用于安装惯性测量单元210的空腔，第一导热介质230填充在惯性测量单元210和封装盖220内壁之间的间隙中。这样，将惯性测量单元210封装在封装盖220和基板1之间，能够起到保护惯性测量单元210和增强保温性能的作用。并且，在惯性测量单元210和封装盖220之间填充第一导热介质230，可以增强导热性能，以便更加快速的对惯性测量单元210进行温度控制。该第一导热介质230可以采用硅胶、热凝胶、相变导热材料、环氧树脂等材料制成，但本公开并不限于此。

这里，应理解的是，封装盖220具有导热性能，以便于热电制冷器3与惯性测量单元210之间进行热交换。例如，封装盖220可以采用导热性能优良的金属制成，本公开对此不作具体限制。在本公开的其他实施方式中，封装盖220也可以采用具有导热性能的屏蔽罩，以屏蔽外界电磁波对内部电路的影响，提高惯性测量单元210的测量准确度。

热电制冷器3的安装固定方式可以根据实际应用需求进行设置，例如，热电制冷器3可以固连在封装盖220的顶面上。在一些具体的实施方式中，热电制冷器3的底端可以通过导热胶粘接在封装盖220上。在另一些具体的实施方式中，热电制冷器3的底端也可以通过导热焊接介质4焊接在封装盖220上，具体的，可以采用由导热焊接介质4构成的焊接层，如焊锡层，通过过炉等方式使热电制冷器3固连在封装盖220上。当然，本公开不限于此，热电制冷器3还可以通过其他方式例如通过紧固件等固连在封装盖220上，本公开对此不作具体限制。

在另一些实施方式中，热电制冷器3还可以通过导热上盖6与基板1相配合将热电制冷器3相对固定在惯性测量模组2的顶面上，例如，参考图3所示，惯性测量组件还包括导热上盖6，热电制冷器3导热连接在惯性测量模组2的顶面上，导热上盖6导热连接在热电制冷器3的顶面上，且导热上盖6通过连接机构连接于基板1。这样，就可以通过导热上盖6与基板1的连接将热电制冷器3相对固定在惯性测量模组2的顶面上。当然，本公开还可以在上述将热电制冷器3固连在封装盖220的顶面的基础上，通过导热上盖6与基板1的连接进一步固定热电制冷器3，以增强热电制冷器3安装的稳定性，本公开对此不作具体限制。此外，导热上盖6还可以起到保护热电制冷器3的作用。

在一些实施方式中，参考图3所示，惯性测量组件还包括散热装置5，散热装置5导热连接于热电制冷器3背离惯性测量模组2的一端。该散热装置5的目的是实现环境温度与热电制冷器3背离惯性测量模组2的一端之间的快速热交换，以实现持续对惯性测量模组2加温或降温的目的。例如，将惯性测量模组2的最佳工作温度设定在60℃，当环境温度为30℃时，惯性测量模组2的初始温度也为30℃，惯性测量模组2需要被加热，此时热电制冷器3处于制热工况，即接近惯性测量模组2的一端为热端且高于60℃，背离惯性测量模组2的一端为冷端且一定会低于环境温度30℃。相同的热边界条件下，同一个热电制冷器被通以相同电压或电流时，其两端可以实现近似相同的上下温差，因此在上述制热工况下，热电制冷器3背离惯性测量模组2的一端，即冷端需要环境的热量传递到其表面，以实现热电制冷器3接近惯性测量模组3的一端，即热端持续对惯性测量模组2加热的目的。同理，当环境温度为70℃时，惯性测量模组2的初始温度也为70℃，因此惯性测量模组2需要被制冷至60℃，此时，热电制冷器3处于制冷工况，即接近惯性测量模组2的一端为冷端且低于70℃，背离惯性测量模组2的一端为热端且一定会高于环境温度70℃，因此在上述制冷工况下，热电制冷器3背离惯性测量模组2的一端，即热端需要利用环境温度对其进行散热，以实现热电制冷器3接近惯性测量模组2的一端，即冷端持续对惯性测量模组2降温的目的。

在一些实施方式中，参考图3所示，散热装置5可以导热连接在导热上盖6的顶面上，以使热电制冷器3背离惯性测量模组2的一端与外界环境进行热交换。

考虑到散热装置5与热电制冷器3之间设置有导热上盖6，所以为了增强外界环境与热电制冷器3之间的热交换效果，在一些实施方式中，参考图3所示，导热上盖6与热电制冷器3之间的间隙中填充有第二导热介质7，以增强热电制冷器3与导热上盖6之间的传热效率。第二导热介质7可以采用硅胶、热凝胶、相变导热材料、环氧树脂等材料制成，但本公开并不限于此。此外，导热上盖6可以采用导热性能优良的金属制成，本公开对此不作具体限制。

散热装置5可以以任意合适的方式构造，例如，参考图3和图4所示，散热装置5可以包括风扇510，导热上盖6的顶面上设置有安装柱610，风扇510支撑在安装柱610上并通过紧固件与安装柱610可拆卸地连接。这样，通过安装柱610可以使得风扇510与导热上盖6之间具有间隙，进而使得风扇510周围的空气充分流动，以更好地实现外界环境与热电制冷器3的热交换，增强换热效果。其中，风扇510上形成有与安装柱610相适配的安装孔，紧固件可以采用螺栓，安装柱610上开设有与螺栓相适配的螺纹孔，这样，通过螺栓穿过安装孔后与螺纹孔螺纹连接，可以将风扇510固定在安装柱610上。

在一些实施方式中，参考图1和图4所示，导热上盖6的顶面上设置有散热筋8，以增强热电制冷器3通过导热上盖6与外界环境的换热效果。

在一些具体的实施方式中，参考图1和图2所示，散热筋8的数量为多个，多个散热筋8围绕风扇510的周缘间隔设置且均沿风扇510的径向延伸，散热筋8靠近风扇510的一端延伸至风扇510和导热上盖6之间。这样，通过风扇510与散热筋8的配合，可以实现强制对流和高效换热的目的，进一步增强热电制冷器3与外界环境的换热效果。

考虑到惯性测量单元210对振动极为敏感，因此，为了减少振动对惯性测量单元210的影响，在一些实施方式中，参考图1所示，连接机构可以包括减振机构9，导热上盖6通过减振机构9连接于基板1，减振机构9包括减振体910和连接结构920，减振体910具有弹性且连接至导热上盖6的侧壁，连接结构920用于将减振体910连接至基板1，并构造为能够对导热上盖6在沿风扇510的轴向上定位。这样，可以通过连接结构920可以实现对导热上盖6的安装以及对导热上盖6和风扇510的定位，并通过减振体910实现对风扇510在轴向上的减振作用，以最大限度的减小风扇510的振动对惯性测量单元210的影响。其中，减振体910可以采用粘弹性材料制成，以通过阻尼作用吸收风扇510的振动。

在一些具体的实施方式中，参考图3和图4所示，连接结构920包括能够沿风扇510的轴向贯穿减振体910的轴部921、形成在轴部921的一端的第一限位部922以及形成在轴部921另一端的第二限位部923，第一限位部922用于止挡在减振体910的顶端，第二限位部923构造为能够被压缩穿过基板1上的通孔101后卡止于通孔101。这样，在安装减振机构9时，可以先将第二限位部923穿过减振体910的安装孔，然后将第二限位部923压缩以从通孔101的一端穿入，并在穿过通孔101后，第二限位部923弹性复位以止挡在通孔101的另一端上。通过第一限位部922和第二限位部923可以限制减振体910以及风扇100的轴向位移。

具体的，第二限位部923可以包括多个与轴部921连接，并在周向上间隔设置的分体9231，该多个分体9231均构造为锥形结构，以使整个第二限位部923构造为圆锥结构。锥形结构的下端能够起引导作用引导第二限位部923穿过通孔101，将第二限位部923设置成多个间隔布置的分体9231，分体9231之间的间隔可以提供压缩空间，以用于在第二限位部923受到挤压时变形，从而完成安装。

在一些具体的实施方式中，参考图3和图4所示，减振体910包括用于卡接在导热上盖6的卡爪620内的安装部911和形成在安装部911两端并止挡于卡爪620的两外端侧的弹性缓冲部912。这里，卡爪620可以为具有一定弹性的金属，以在具有用于卡至安装部911的弹性的同时，还能够对减振体910提供支撑。两个弹性缓冲部912止挡在卡爪620的沿风扇510的轴向上的两侧，以在轴向的两侧上对风扇510减振及限位。

其中，安装部911可以构造为空心轴状结构，弹性缓冲部912可以构造为空心球状结构，两个空心球状结构的轴向两端分别形成有法兰盘913。采用空心的减振体形式可以提供压缩空间，提高阻尼，对风扇510的阻尼衰减效果更佳。在减振体910顶端的法兰盘913可以用于与第一限位部922接触贴合，底端的法兰盘913用于与基板1接触贴合。通过设置法兰盘913，可以增大减振体910与其它部件的接触面积，保证安装的稳定性以及更好的减振效果。

在一些实施方式中，导热上盖6包括顶壁601和凸出于顶壁601的周缘且朝向基板1所在的一侧延伸的侧壁602，卡爪620固连在侧壁602上。这样，可以根据实际应用需求，通过设置侧壁602在沿风机510的轴向上的长度来调整减振体910和连接结构920在轴向上的长度，以使减振机构9达到更好地减振效果。

在一些具体的实施方式中，减振机构9的数量为多个，多个减振机构9间隔地设置在导热上盖6的周向上，以进一步降低风扇510的振动对惯性测量单元210的影响。

根据本公开的第二方面，还提供一种飞控惯性测量组件。飞控惯性测量组件主要是指安装在飞行器上的测量组件，主要用于测量飞行器的三轴姿态角（或角速率）以及加速度等惯性参数，从而推算出飞行器在空间位置中的运动方向和速度，结合惯性导航系统内的预先设定的运动轨迹，对飞行器的航向和速度进行修正以实现导航功能。该飞控惯性测量组件包括集成线路板和如上所述的惯性测量组件，其中，集成线路板为基板1，惯性测量组件的惯性测量模组2与集成线路板信号相连，热电制冷器3与集成线路板电连接。上述的惯性测量组件利用热电制冷器3对惯性测量模组2的温控进行了优化，使惯性测量模组2的工作温度始终维持在最佳状态，从而提高了飞控惯性测量组件的测量准确度和可靠性。

根据本公开的第三方面，还提供一种飞行器，包括上述的飞控惯性测量组件。其中，该飞行器可以是飞机、无人机、滑翔机、飞艇等各种类型的飞行器，本公开对此不作限制。该飞行器上的飞控惯性测量组件的测量精度高，可靠性强，从而飞行器具有可控精度高、导航精准等优点。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。