一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路的制作方法
一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于行人实时运动状态感测或定位导航中的微惯性测量技术领域，设及一 种电路，特别设及一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，适用于在定位与导航系统 应用场合中作为微惯性传感器的测量信号前置处理电路。
【背景技术】
[0002] 在一些抢险救援、军事训练等过程中，整个团队的安全和协同工作效率直接依赖 于对每个团队成员的位置及其运动状态的估计。当团队需穿梭到建筑物内、隧道内、"城市 峡谷"、或森林树冠下等难W接收到GPS/北斗等信号的场景时，可采用基于微惯性测量的运 动状态估计和惯性导航技术来实现。
[0003] 微惯性测量系统一般由微机械（MEM巧巧螺仪、微机械加速度计等作为传感器，配 合高性能CPU等集成电路及相应的滤波与估计算法组成定位与导航系统，具有自主、不受 GPS/北斗信号阻断影响、无需预先部署基础设施、数据更新快及体积小、功耗低、易于设计 成便携式装置等优点。不足之处在于MEMS传感器噪声大、其偏置存在漂移，导航算法误差 会随时间积累，系统的精度较低；且常用的惯性信号的滤波与融合，位置、速度及姿态的导 航算法方案，基本上都是基于软件完成，算法中需对各种测量信号和观测数据进行滤波与 融合处理，对处理器的内部资源和运算能力要求很高、运算数据量大、实时计算困难，限制 了工程应用及其产品化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种微惯性测量信号的多功能冗 余滤波电路。该电路对来自多个微惯性传感器的冗余模拟量输入信号进行融合、多频段滤 波、及基于模拟开关的输出选择控制等方案，不但能够降低测量噪声，并能够使后续算法能 利用所有子频段的信号特性，快速识别人体运动状态，从而可据此采用相关的约束和修正 算法对定位与导航系统的漂移和误差进行有效遏制和校正。本发明能够大幅提高定位与导 航系统的精度、降低运算量，有利于微惯性定位与导航系统的实时应用。
[0005] 本发明包括信号冗余输入电路、多频段滤波与输出控制电路。
[0006] 信号冗余输入电路包括输入连接件CN1、跟随器IC1、多个输入电阻、输入电容C0 ; 多个输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi;输入连 接件CN1有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的；其第1输入 信号端化1端与第1输入电阻R01的一端连接，输入连接件CN1的第2输入信号端Us2端 与第2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CN1的第i输入信号端化i端与第i输入电 阻ROi的一端连接；输入连接件CN1的地端GND端接地，输入连接件CN1的电源端VCC端与 电路电源端VCC端连接，跟随器IC1的正输入端+IN端同时与第1输入电阻R01的另一端、 第2输入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容C0的一端相连接； 输入电容C0的另一端接地，跟随器IC1的负输入端-IN端同时与IC1的输出端OUT端、左 低频电阻R1的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一 端、输出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器IC1的正电源端+V端与电路电源 端VCC端连接，跟随器IC1的地端GND端接地；
[0007] 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低 频电阻R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻 R7、低频正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电 阻R12、中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反 馈电阻R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频 接地电容C4、高频滤波电容巧、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频 反馈电容C9、中频正端电容CIO、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出 连接件CN2,左低频电阻R1的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容C1的一端连 接，右低频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端 连接，低频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容C1的另一端与低频放大器IC2的输出 端OUT端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第 1输入端IN1端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放 大器IC2的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电 容C3的一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的 正输入端+IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放 大器IC3的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中 频负端电阻R11的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频放大器IC3的地端GND端接地；左高频电阻R5的另一端与右高频电阻R6的一端、高频 滤波电容巧的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器 IC4的正输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容巧的另一端与 高频放大器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的 一端、高频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9 的一端、低频反馈电容C7的一端、低频减法器I巧的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5 的正输入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻R10的一端、低频正端电容 C8的一端连接，低频接地电阻R10的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法 器I巧的输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关 IC8的第2输入端IN2端连接，低频减法器I巧的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 低频减法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻R11的另一端与中频反馈电阻R13的一 端、中频反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正 输入端+IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容CIO 的一端连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容CIO的另一端均接地，中频减法器 IC6的输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关 IC8的第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一 端、高频反馈电容Cll的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正 输入端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12 的一端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器 IC7的输出端OUT端与高频反馈电阻R17的另一端、高频反馈电容C11的另一端、模拟开关 IC8的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 高频减法器IC7的地端GND端接地；模拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连 接，模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子 频段信号输出端U0端连接，模拟开关IC8的低位地址端A0端与输出连接件CN2的低位地 址选择端化1端连接，模拟开关IC8的高位地址端A1端与输出连接件CN2的高位地址选择 端Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端 连接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。
[000引本发明的有益效果如下；
[0009] 本发明利用硬件方案对定位与导航系统中的多个微惯性传感器的冗余输出信号 实现融合、多频段滤波及输出选择控制，其有益效果在于；一是对定位与导航系统中的微惯 性传感器实现冗余检测，对所含随机误差是相互独立的各传感器输出信号进行融合，可降 低测量误差，提高定位与导航系统的精度；二是对传感器融合信号进行多频段前置滤波，提 取微惯性测量的各子频段信号，W便于后续算法能通过该些子频段信号特性，快速识别诸 如静止、行走、跑步或爬行等运动特征，从而可采用相关的约束和修正算法，对定位与导航 系统的漂移和误差进行有效遏制和校正，W大幅提高定位与导航系统精度；=是采用硬件 方案实现多功能冗余滤波，加上输出选择控制电路，可加快整个算法过程，同时也降低了对 CPU资源和运算能力的要求，提高了微惯性定位与导航系统的实时性和精度；四是本发明 电路可实现各子频段信号间的无缝衔接；五是本发明电路易于模块化，实时性强、成本低、 通用性好、可靠性高。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的电路图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0012] 如图1所示，一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路 ，包括信号冗余输入电 路、多频段滤波与输出控制电路。
[0013] 信号冗余输入电路包括输入连接件CN1、跟随器IC1、多个输入电阻、输入电容C0 ; 多个输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi;输入连 接件CN1有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的；其第1输入 信号端化1端与第1输入电阻R01的一端连接，输入连接件CN1的第2输入信号端Us2端 与第2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CN1的第i输入信号端化i端与第i输入电 阻ROi的一端连接；输入连接件CN1的地端GND端接地，输入连接件CN1的电源端VCC端与 电路电源端VCC端连接，跟随器IC1的正输入端+IN端同时与第1输入电阻R01的另一端、 第2输入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容C0的一端相连接； 输入电容CO的另一端接地，跟随器ICl的负输入端-IN端同时与ICl的输出端OUT端、左 低频电阻R1的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一 端、输出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器IC1的正电源端+V端与电路电源 端VCC端连接，跟随器IC1的地端GND端接地；
[0014] 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低 频电阻R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻 R7、低频正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电 阻R12、中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反 馈电阻R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频 接地电容C4、高频滤波电容巧、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频 反馈电容C9、中频正端电容CIO、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出 连接件CN2,左低频电阻R1的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容C1的一端连 接，右低频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端 连接，低频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容C1的另一端与低频放大器IC2的输出 端OUT端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第 1输入端IN1端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放 大器IC2的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电 容C3的一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的 正输入端+IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放 大器IC3的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中 频负端电阻R11的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频放大器IC3的地端GND端接地；左局频电阻R5的另一端与右局频电阻R6的一端、局频 滤波电容巧的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器 IC4的正输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容巧的另一端与 高频放大器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的 一端、高频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9 的一端、低频反馈电容C7的一端、低频减法器I巧的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5 的正输入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻R10的一端、低频正端电容 C8的一端连接，低频接地电阻R10的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法 器I巧的输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关 IC8的第2输入端IN2端连接，低频减法器I巧的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 低频减法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻R11的另一端与中频反馈电阻R13的一 端、中频反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正 输入端+IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容CIO 的一端连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容CIO的另一端均接地，中频减法器 IC6的输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关 IC8的第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一 端、高频反馈电容C11的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正 输入端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12 的一端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器 IC7的输出端OUT端与局频反馈电阻R17的另一端、局频反馈电容C11的另一端、板拟开关 IC8的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 局频减法器IC7的地端GND端接地；板拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连 接，模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子 频段信号输出端U0端连接，模拟开关IC8的低位地址端A0端与输出连接件CN2的低位地 址选择端化1端连接，模拟开关IC8的高位地址端A1端与输出连接件CN2的高位地址选择 端Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端 连接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。
[0015] 本发明所使用的包括跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8及输入连接件CN1、输 出连接件CN2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可通过市场取得。例如：跟随器、 放大器、减法器均能够采用TLV2254A，模拟开关能够采用MAX4634,输入连接件、输出连接 件均能够采用C肥.54系列连接件等。
[0016] 本发明中的uf为融合信号，其频带为（0~fm);ul为低频段信号，其频带为（0~ fi) ;u2为低频段带通信号，其频带为成~f2) ;u3为中频段带通信号，其频带为成~fs); u4为高频段带通信号，其频带为江3~fm);其中，为有效信号频带（0~fm)内各 子频段的截止频率，各子频段截止频率的计算公式及主要电路器件的参数配合关系如下： [00 17] 0化化<f3<fm(1)
[0022] R1 = R2 (6)
[0023] R3 =R4 (7)
[0024] 贴=R6 做
[002引R7 =R8 =R11 =R12 =R15 =R16 巧）
[0026] R9 = R10 = R13 = R14 = R17 = R18 (10)
[0027] C1 = 2C2 (11)
[002引 C3 = 2C4 (12)
[0029] C5 = 2C6 (蝴
[0030] C7 =C8 =C9 =CIO=Cll=C12 (14)
[0031] 本发明工作过程如下：
[0032] (1)信号的输入；输入连接件CNl中的第1输入信号化1端、第2输入信号化2端、 到第i输入信号化i端，分别与第1到第i个微惯性传感器的输出端连接，各微惯性传感器 供电端与地端分别接到CN1中的电源端VCC端、地端GND端，传感器冗余个数为i-1。
[0033] (2)信号的冗余输入与多频段滤波处理过程；第1到第i个微惯性传感器的输出 信号分别从输入连接件CN1的第1输入信号化1端、第2输入信号Us2端、…、第i输入信 号Usi端输入后，经R01、R02、……、ROi及C0构成的冗余融合及有效频带为（0~fm)的 滤波处理后，产生融合信号ut该信号除了能够直接输出到后续的定位与导航系统电路外， 分别经W低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4为核屯、的多频段滤波电路，分别 产生频带为0~的低频段信号ul，W及频段为0~f2、〇~fs的滤波输出信号，该些信号 再分别经W低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7为核屯、的子频段处理电路后 即产生；频带为化~f2)的低频段带通信号u2、频带为（f,~fs)的中频段带通信号u3、 频带为江3~fm)的高频段带通信号u4。
[0034] (3)信号的输出；输出连接件CN2是与后续的定位与导航系统连接，本发明电路除 了从输出连接件CN2的融合信号输端UF端输出全频带有效融合信号uf外，还根据后续定 位与导航系统发来的子频段信号选择指令UC1、UC2,输出所选的子频段信号U0,U0与低频 段信号ul、低频段带通信号u2、中频段带通信号u3、高频段带通信号u4间的输出选择关系， 如下表所示：
[0035]
[0036] 后续的定位 与导航系统利用本发明电路的输出信号，可通过相应的算法快速识别 人体运动状态、并对系统的漂移和误差进行有效遏制和校正，从而提高定位与导航系统的 精度和实时性。
[0037] 图1是对一种微惯性传感器单轴信号的多功能冗余滤波电路，实际的微惯性定位 与导航系统可根据应用需求，决定具体需监测几种惯性物理量及轴数，而惯性物理量及各 轴传感器信号的多功能冗余滤波电路都可采用一样的结构，因此，对本发明所进行的组合 应用，为同行所共知，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，包括信号冗余输入电路、多频段滤波 与输出控制电路，其特征在于： 信号冗余输入电路包括输入连接件CNl、跟随器ICl、多个输入电阻、输入电容CO ;多个 输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi ;输入连接件 CNl有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的：其第1输入信号 端Usl端与第1输入电阻ROl的一端连接，输入连接件CNl的第2输入信号端Us2端与第 2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CNl的第i输入信号端Usi端与第i输入电阻ROi 的一端连接；输入连接件CNl的地端GND端接地，输入连接件CNl的电源端VCC端与电路电 源端VCC端连接，跟随器ICl的正输入端+IN端同时与第1输入电阻ROl的另一端、第2输 入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容CO的一端相连接；输入电 容CO的另一端接地，跟随器ICl的负输入端-IN端同时与ICl的输出端OUT端、左低频电 阻Rl的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一端、输 出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器ICl的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，跟随器ICl的地端GND端接地； 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低 频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低频电阻 R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻R7、低频 正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电阻R12、 中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反馈电阻 R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频接地电 容C4、高频滤波电容C5、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频反馈电 容C9、中频正端电容C10、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出连接件 CN2,左低频电阻Rl的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容Cl的一端连接，右低 频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端连接，低 频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容Cl的另一端与低频放大器IC2的输出端OUT 端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第1输入 端INl端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放大器IC2 的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电容C3的 一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的正输入端 +IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放大器IC3 的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中频负端电 阻Rll的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，中频放大 器IC3的地端GND端接地；左高频电阻R5的另一端与右高频电阻R6的一端、高频滤波电容 C5的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器IC4的正 输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容C5的另一端与高频放大 器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的一端、高 频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9的一端、 低频反馈电容C7的一端、低频减法器IC5的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5的正输 入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻RlO的一端、低频正端电容C8的一 端连接，低频接地电阻RlO的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法器IC5的 输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关IC8的第 2输入端IN2端连接，低频减法器IC5的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频减 法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻Rll的另一端与中频反馈电阻R13的一端、中频 反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正输入端 +IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容ClO的一端 连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容ClO的另一端均接地，中频减法器IC6的 输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关IC8的 第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，中频 减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一端、高 频反馈电容Cll的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正输入 端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12的一 端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器IC7 的输出端OUT端与高频反馈电阻R17的另一端、高频反馈电容Cll的另一端、模拟开关IC8 的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，高 频减法器IC7的地端GND端接地；模拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连接， 模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子频 段信号输出端UO端连接，模拟开关IC8的低位地址端AO端与输出连接件CN2的低位地址 选择端Ucl端连接，模拟开关IC8的高位地址端Al端与输出连接件CN2的高位地址选择端 Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端连 接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。2. 如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于跟 随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器IC5、中频减法器 IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8及输入连接件CN1、输出连接件CN2均采用现有的成 熟产品，其中：跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器 IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7均采用TLV2254A，模拟开关IC8采用MAX4634,输入连 接件CN1、输出连接件CN2采用CH2. 54系列连接件。3. 如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于电路 中uf为融合信号，其频带为0~fm ;ul为低频段信号，其频带为0~fl ;u2为低频段带通 信号，其频带为Π ~f2 ;u3为中频段带通信号，其频带为f2~f3 ;u4为高频段带通信号， 其频带为f3~fm ;其中，fl、f2、f3为有效信号频带0~fm内各子频段的截止频率，各子 频段截止频率的计算公式及电路器件的参数配合关系如下：(2) (3) (4)(5) 。4.如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于 Rl = R2 (6) R3 = R4 (7) R5 = R6 (8) R7 = R8 = RH = R12 = R15 = R16 (9) R9 = RlO = R13 = R14 = R17 = R18 (10) Cl = 2C2 (11) C3 = 2C4 (12) C5 = 2C6 (13) C7 = C8 = C9 = CIO = CU = C12 (14) 〇
【专利摘要】本发明涉及一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，包括信号冗余输入电路、多频段滤波与输出控制电路。具体包括输入连接件CN1、输出连接件CN2、跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、第i输入电阻R0i、输入电容C0等。本发明对来自多个模拟量微惯导传感器的输出信号实现冗余融合检测、多频段滤波及输出信号选择控制，以适应利用微惯性传感器进行短期实时监控的定位与导航系统应用场合，本发明电路易于模块化，实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。
【IPC分类】H03H11/02
【公开号】CN104901649
【申请号】CN201510319363
【发明人】卢玲, 刘三军, 刘卫东, 黄光平, 孙培文
【申请人】北京楚捷科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月11日
【技术领域】
[0001] 本发明属于行人实时运动状态感测或定位导航中的微惯性测量技术领域，设及一 种电路，特别设及一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，适用于在定位与导航系统 应用场合中作为微惯性传感器的测量信号前置处理电路。
【背景技术】
[0002] 在一些抢险救援、军事训练等过程中，整个团队的安全和协同工作效率直接依赖 于对每个团队成员的位置及其运动状态的估计。当团队需穿梭到建筑物内、隧道内、"城市 峡谷"、或森林树冠下等难W接收到GPS/北斗等信号的场景时，可采用基于微惯性测量的运 动状态估计和惯性导航技术来实现。
[0003] 微惯性测量系统一般由微机械（MEM巧巧螺仪、微机械加速度计等作为传感器，配 合高性能CPU等集成电路及相应的滤波与估计算法组成定位与导航系统，具有自主、不受 GPS/北斗信号阻断影响、无需预先部署基础设施、数据更新快及体积小、功耗低、易于设计 成便携式装置等优点。不足之处在于MEMS传感器噪声大、其偏置存在漂移，导航算法误差 会随时间积累，系统的精度较低；且常用的惯性信号的滤波与融合，位置、速度及姿态的导 航算法方案，基本上都是基于软件完成，算法中需对各种测量信号和观测数据进行滤波与 融合处理，对处理器的内部资源和运算能力要求很高、运算数据量大、实时计算困难，限制 了工程应用及其产品化。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种微惯性测量信号的多功能冗 余滤波电路。该电路对来自多个微惯性传感器的冗余模拟量输入信号进行融合、多频段滤 波、及基于模拟开关的输出选择控制等方案，不但能够降低测量噪声，并能够使后续算法能 利用所有子频段的信号特性，快速识别人体运动状态，从而可据此采用相关的约束和修正 算法对定位与导航系统的漂移和误差进行有效遏制和校正。本发明能够大幅提高定位与导 航系统的精度、降低运算量，有利于微惯性定位与导航系统的实时应用。
[0005] 本发明包括信号冗余输入电路、多频段滤波与输出控制电路。
[0006] 信号冗余输入电路包括输入连接件CN1、跟随器IC1、多个输入电阻、输入电容C0 ; 多个输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi;输入连 接件CN1有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的；其第1输入 信号端化1端与第1输入电阻R01的一端连接，输入连接件CN1的第2输入信号端Us2端 与第2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CN1的第i输入信号端化i端与第i输入电 阻ROi的一端连接；输入连接件CN1的地端GND端接地，输入连接件CN1的电源端VCC端与 电路电源端VCC端连接，跟随器IC1的正输入端+IN端同时与第1输入电阻R01的另一端、 第2输入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容C0的一端相连接； 输入电容C0的另一端接地，跟随器IC1的负输入端-IN端同时与IC1的输出端OUT端、左 低频电阻R1的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一 端、输出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器IC1的正电源端+V端与电路电源 端VCC端连接，跟随器IC1的地端GND端接地；
[0007] 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低 频电阻R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻 R7、低频正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电 阻R12、中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反 馈电阻R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频 接地电容C4、高频滤波电容巧、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频 反馈电容C9、中频正端电容CIO、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出 连接件CN2,左低频电阻R1的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容C1的一端连 接，右低频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端 连接，低频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容C1的另一端与低频放大器IC2的输出 端OUT端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第 1输入端IN1端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放 大器IC2的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电 容C3的一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的 正输入端+IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放 大器IC3的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中 频负端电阻R11的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频放大器IC3的地端GND端接地；左高频电阻R5的另一端与右高频电阻R6的一端、高频 滤波电容巧的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器 IC4的正输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容巧的另一端与 高频放大器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的 一端、高频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9 的一端、低频反馈电容C7的一端、低频减法器I巧的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5 的正输入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻R10的一端、低频正端电容 C8的一端连接，低频接地电阻R10的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法 器I巧的输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关 IC8的第2输入端IN2端连接，低频减法器I巧的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 低频减法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻R11的另一端与中频反馈电阻R13的一 端、中频反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正 输入端+IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容CIO 的一端连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容CIO的另一端均接地，中频减法器 IC6的输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关 IC8的第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一 端、高频反馈电容Cll的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正 输入端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12 的一端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器 IC7的输出端OUT端与高频反馈电阻R17的另一端、高频反馈电容C11的另一端、模拟开关 IC8的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 高频减法器IC7的地端GND端接地；模拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连 接，模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子 频段信号输出端U0端连接，模拟开关IC8的低位地址端A0端与输出连接件CN2的低位地 址选择端化1端连接，模拟开关IC8的高位地址端A1端与输出连接件CN2的高位地址选择 端Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端 连接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。
[000引本发明的有益效果如下；
[0009] 本发明利用硬件方案对定位与导航系统中的多个微惯性传感器的冗余输出信号 实现融合、多频段滤波及输出选择控制，其有益效果在于；一是对定位与导航系统中的微惯 性传感器实现冗余检测，对所含随机误差是相互独立的各传感器输出信号进行融合，可降 低测量误差，提高定位与导航系统的精度；二是对传感器融合信号进行多频段前置滤波，提 取微惯性测量的各子频段信号，W便于后续算法能通过该些子频段信号特性，快速识别诸 如静止、行走、跑步或爬行等运动特征，从而可采用相关的约束和修正算法，对定位与导航 系统的漂移和误差进行有效遏制和校正，W大幅提高定位与导航系统精度；=是采用硬件 方案实现多功能冗余滤波，加上输出选择控制电路，可加快整个算法过程，同时也降低了对 CPU资源和运算能力的要求，提高了微惯性定位与导航系统的实时性和精度；四是本发明 电路可实现各子频段信号间的无缝衔接；五是本发明电路易于模块化，实时性强、成本低、 通用性好、可靠性高。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的电路图。
【具体实施方式】
[0011] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0012] 如图1所示，一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路 ，包括信号冗余输入电 路、多频段滤波与输出控制电路。
[0013] 信号冗余输入电路包括输入连接件CN1、跟随器IC1、多个输入电阻、输入电容C0 ; 多个输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi;输入连 接件CN1有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的；其第1输入 信号端化1端与第1输入电阻R01的一端连接，输入连接件CN1的第2输入信号端Us2端 与第2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CN1的第i输入信号端化i端与第i输入电 阻ROi的一端连接；输入连接件CN1的地端GND端接地，输入连接件CN1的电源端VCC端与 电路电源端VCC端连接，跟随器IC1的正输入端+IN端同时与第1输入电阻R01的另一端、 第2输入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容C0的一端相连接； 输入电容CO的另一端接地，跟随器ICl的负输入端-IN端同时与ICl的输出端OUT端、左 低频电阻R1的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一 端、输出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器IC1的正电源端+V端与电路电源 端VCC端连接，跟随器IC1的地端GND端接地；
[0014] 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低 频电阻R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻 R7、低频正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电 阻R12、中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反 馈电阻R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频 接地电容C4、高频滤波电容巧、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频 反馈电容C9、中频正端电容CIO、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出 连接件CN2,左低频电阻R1的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容C1的一端连 接，右低频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端 连接，低频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容C1的另一端与低频放大器IC2的输出 端OUT端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第 1输入端IN1端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放 大器IC2的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电 容C3的一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的 正输入端+IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放 大器IC3的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中 频负端电阻R11的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频放大器IC3的地端GND端接地；左局频电阻R5的另一端与右局频电阻R6的一端、局频 滤波电容巧的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器 IC4的正输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容巧的另一端与 高频放大器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的 一端、高频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9 的一端、低频反馈电容C7的一端、低频减法器I巧的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5 的正输入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻R10的一端、低频正端电容 C8的一端连接，低频接地电阻R10的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法 器I巧的输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关 IC8的第2输入端IN2端连接，低频减法器I巧的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 低频减法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻R11的另一端与中频反馈电阻R13的一 端、中频反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正 输入端+IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容CIO 的一端连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容CIO的另一端均接地，中频减法器 IC6的输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关 IC8的第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 中频减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一 端、高频反馈电容C11的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正 输入端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12 的一端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器 IC7的输出端OUT端与局频反馈电阻R17的另一端、局频反馈电容C11的另一端、板拟开关 IC8的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 局频减法器IC7的地端GND端接地；板拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连 接，模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子 频段信号输出端U0端连接，模拟开关IC8的低位地址端A0端与输出连接件CN2的低位地 址选择端化1端连接，模拟开关IC8的高位地址端A1端与输出连接件CN2的高位地址选择 端Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端 连接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。
[0015] 本发明所使用的包括跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器 IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8及输入连接件CN1、输 出连接件CN2等在内的所有器件均采用现有的成熟产品，可通过市场取得。例如：跟随器、 放大器、减法器均能够采用TLV2254A，模拟开关能够采用MAX4634,输入连接件、输出连接 件均能够采用C肥.54系列连接件等。
[0016] 本发明中的uf为融合信号，其频带为（0~fm);ul为低频段信号，其频带为（0~ fi) ;u2为低频段带通信号，其频带为成~f2) ;u3为中频段带通信号，其频带为成~fs); u4为高频段带通信号，其频带为江3~fm);其中，为有效信号频带（0~fm)内各 子频段的截止频率，各子频段截止频率的计算公式及主要电路器件的参数配合关系如下： [00 17] 0化化<f3<fm(1)
[0022] R1 = R2 (6)
[0023] R3 =R4 (7)
[0024] 贴=R6 做
[002引R7 =R8 =R11 =R12 =R15 =R16 巧）
[0026] R9 = R10 = R13 = R14 = R17 = R18 (10)
[0027] C1 = 2C2 (11)
[002引 C3 = 2C4 (12)
[0029] C5 = 2C6 (蝴
[0030] C7 =C8 =C9 =CIO=Cll=C12 (14)
[0031] 本发明工作过程如下：
[0032] (1)信号的输入；输入连接件CNl中的第1输入信号化1端、第2输入信号化2端、 到第i输入信号化i端，分别与第1到第i个微惯性传感器的输出端连接，各微惯性传感器 供电端与地端分别接到CN1中的电源端VCC端、地端GND端，传感器冗余个数为i-1。
[0033] (2)信号的冗余输入与多频段滤波处理过程；第1到第i个微惯性传感器的输出 信号分别从输入连接件CN1的第1输入信号化1端、第2输入信号Us2端、…、第i输入信 号Usi端输入后，经R01、R02、……、ROi及C0构成的冗余融合及有效频带为（0~fm)的 滤波处理后，产生融合信号ut该信号除了能够直接输出到后续的定位与导航系统电路外， 分别经W低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4为核屯、的多频段滤波电路，分别 产生频带为0~的低频段信号ul，W及频段为0~f2、〇~fs的滤波输出信号，该些信号 再分别经W低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7为核屯、的子频段处理电路后 即产生；频带为化~f2)的低频段带通信号u2、频带为（f,~fs)的中频段带通信号u3、 频带为江3~fm)的高频段带通信号u4。
[0034] (3)信号的输出；输出连接件CN2是与后续的定位与导航系统连接，本发明电路除 了从输出连接件CN2的融合信号输端UF端输出全频带有效融合信号uf外，还根据后续定 位与导航系统发来的子频段信号选择指令UC1、UC2,输出所选的子频段信号U0,U0与低频 段信号ul、低频段带通信号u2、中频段带通信号u3、高频段带通信号u4间的输出选择关系， 如下表所示：
[0035]
[0036] 后续的定位 与导航系统利用本发明电路的输出信号，可通过相应的算法快速识别 人体运动状态、并对系统的漂移和误差进行有效遏制和校正，从而提高定位与导航系统的 精度和实时性。
[0037] 图1是对一种微惯性传感器单轴信号的多功能冗余滤波电路，实际的微惯性定位 与导航系统可根据应用需求，决定具体需监测几种惯性物理量及轴数，而惯性物理量及各 轴传感器信号的多功能冗余滤波电路都可采用一样的结构，因此，对本发明所进行的组合 应用，为同行所共知，均属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，包括信号冗余输入电路、多频段滤波 与输出控制电路，其特征在于： 信号冗余输入电路包括输入连接件CNl、跟随器ICl、多个输入电阻、输入电容CO ;多个 输入电阻分别为第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、…、第i输入电阻ROi ;输入连接件 CNl有多个输入信号端，每个输入信号端均连接有一个输入电阻，具体的：其第1输入信号 端Usl端与第1输入电阻ROl的一端连接，输入连接件CNl的第2输入信号端Us2端与第 2输入电阻R02的一端连接，输入连接件CNl的第i输入信号端Usi端与第i输入电阻ROi 的一端连接；输入连接件CNl的地端GND端接地，输入连接件CNl的电源端VCC端与电路电 源端VCC端连接，跟随器ICl的正输入端+IN端同时与第1输入电阻ROl的另一端、第2输 入电阻R02的另一端、…、第i输入电阻ROi的另一端、输入电容CO的一端相连接；输入电 容CO的另一端接地，跟随器ICl的负输入端-IN端同时与ICl的输出端OUT端、左低频电 阻Rl的一端、左中频电阻R3的一端、左高频电阻R5的一端、高频正端电阻R16的一端、输 出连接件CN2的融合信号输出端UF端连接，跟随器ICl的正电源端+V端与电路电源端VCC 端连接，跟随器ICl的地端GND端接地； 多频段滤波与输出控制电路包括低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低 频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、左低频电阻R1、右低频电阻 R2、左中频电阻R3、右中频电阻R4、左高频电阻R5、右高频电阻R6、低频负端电阻R7、低频 正端电阻R8、低频反馈电阻R9、低频接地电阻R10、中频负端电阻R11、中频正端电阻R12、 中频反馈电阻R13、中频接地电阻R14、高频负端电阻R15、高频正端电阻R16、高频反馈电阻 R17、高频接地电阻R18、低频滤波电容C1、低频接地电容C2、中频滤波电容C3、中频接地电 容C4、高频滤波电容C5、高频接地电容C6、低频反馈电容C7、低频正端电容C8、中频反馈电 容C9、中频正端电容C10、高频反馈电容C11、高频正端电容C12、电源电容C13、输出连接件 CN2,左低频电阻Rl的另一端与右低频电阻R2的一端、低频滤波电容Cl的一端连接，右低 频电阻R2的另一端与低频接地电容C2的一端、低频放大器IC2的正输入端+IN端连接，低 频接地电容C2的另一端接地，低频滤波电容Cl的另一端与低频放大器IC2的输出端OUT 端、低频放大器IC2的负输入端-IN端、低频负端电阻R7的一端、模拟开关IC8的第1输入 端INl端连接，低频放大器IC2的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频放大器IC2 的地端GND端接地；左中频电阻R3的另一端与右中频电阻R4的一端、中频滤波电容C3的 一端连接，右中频电阻R4的另一端与中频接地电容C4的一端、中频放大器IC3的正输入端 +IN端连接，中频接地电容C4的另一端接地，中频滤波电容C3的另一端与中频放大器IC3 的输出端OUT端、中频放大器IC3的负输入端-IN端、低频正端电阻R8的一端、中频负端电 阻Rll的一端连接，中频放大器IC3的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，中频放大 器IC3的地端GND端接地；左高频电阻R5的另一端与右高频电阻R6的一端、高频滤波电容 C5的一端连接，右高频电阻R6的另一端与高频接地电容C6的一端、高频放大器IC4的正 输入端+IN端连接，高频接地电容C6的另一端接地，高频滤波电容C5的另一端与高频放大 器IC4的输出端OUT端、高频放大器IC4的负输入端-IN端、中频正端电阻R12的一端、高 频负端电阻R15的一端连接，高频放大器IC4的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接， 高频放大器IC4的地端GND端接地；低频负端电阻R7的另一端与低频反馈电阻R9的一端、 低频反馈电容C7的一端、低频减法器IC5的负输入端-IN端连接，低频减法器IC5的正输 入端+IN端与低频正端电阻R8的另一端、低频接地电阻RlO的一端、低频正端电容C8的一 端连接，低频接地电阻RlO的另一端、低频正端电容C8的另一端均接地，低频减法器IC5的 输出端OUT端与低频反馈电阻R9的另一端、低频反馈电容C7的另一端、模拟开关IC8的第 2输入端IN2端连接，低频减法器IC5的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，低频减 法器IC5的地端GND端接地；中频负端电阻Rll的另一端与中频反馈电阻R13的一端、中频 反馈电容C9的一端、中频减法器IC6的负输入端-IN端连接，中频减法器IC6的正输入端 +IN端与中频正端电阻R12的另一端、中频接地电阻R14的一端、中频正端电容ClO的一端 连接，中频接地电阻R14的另一端、中频正端电容ClO的另一端均接地，中频减法器IC6的 输出端OUT端与中频反馈电阻R13的另一端、中频反馈电容C9的另一端、模拟开关IC8的 第3输入端IN3端连接，中频减法器IC6的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，中频 减法器IC6的地端GND端接地；高频负端电阻R15的另一端与高频反馈电阻R17的一端、高 频反馈电容Cll的一端、高频减法器IC7的负输入端-IN端连接，高频减法器IC7的正输入 端+IN端与高频正端电阻R16的另一端、高频接地电阻R18的一端、高频正端电容C12的一 端连接，高频接地电阻R18的另一端、高频正端电容C12的另一端均接地，高频减法器IC7 的输出端OUT端与高频反馈电阻R17的另一端、高频反馈电容Cll的另一端、模拟开关IC8 的第4输入端IM端连接，高频减法器IC7的正电源端+V端与电路电源端VCC端连接，高 频减法器IC7的地端GND端接地；模拟开关IC8的电源端VCC端与电路电源端VCC端连接， 模拟开关IC8的地端GND端接地，模拟开关IC8的输出端OUT端与输出连接件CN2的子频 段信号输出端UO端连接，模拟开关IC8的低位地址端AO端与输出连接件CN2的低位地址 选择端Ucl端连接，模拟开关IC8的高位地址端Al端与输出连接件CN2的高位地址选择端 Uc2端连接，输出连接件CN2的电源端VCC端与电路电源端VCC端、电源电容C13的正端连 接，电源电容C13的负端接地，输出连接件CN2的地端GND端接地。2. 如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于跟 随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器IC5、中频减法器 IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8及输入连接件CN1、输出连接件CN2均采用现有的成 熟产品，其中：跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器 IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7均采用TLV2254A，模拟开关IC8采用MAX4634,输入连 接件CN1、输出连接件CN2采用CH2. 54系列连接件。3. 如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于电路 中uf为融合信号，其频带为0~fm ;ul为低频段信号，其频带为0~fl ;u2为低频段带通 信号，其频带为Π ~f2 ;u3为中频段带通信号，其频带为f2~f3 ;u4为高频段带通信号， 其频带为f3~fm ;其中，fl、f2、f3为有效信号频带0~fm内各子频段的截止频率，各子 频段截止频率的计算公式及电路器件的参数配合关系如下：(2) (3) (4)(5) 。4.如权利要求1所述的一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，其特征在于 Rl = R2 (6) R3 = R4 (7) R5 = R6 (8) R7 = R8 = RH = R12 = R15 = R16 (9) R9 = RlO = R13 = R14 = R17 = R18 (10) Cl = 2C2 (11) C3 = 2C4 (12) C5 = 2C6 (13) C7 = C8 = C9 = CIO = CU = C12 (14) 〇
【专利摘要】本发明涉及一种微惯性测量信号的多功能冗余滤波电路，包括信号冗余输入电路、多频段滤波与输出控制电路。具体包括输入连接件CN1、输出连接件CN2、跟随器IC1、低频放大器IC2、中频放大器IC3、高频放大器IC4、低频减法器IC5、中频减法器IC6、高频减法器IC7、模拟开关IC8、第1输入电阻R01、第2输入电阻R02、第i输入电阻R0i、输入电容C0等。本发明对来自多个模拟量微惯导传感器的输出信号实现冗余融合检测、多频段滤波及输出信号选择控制，以适应利用微惯性传感器进行短期实时监控的定位与导航系统应用场合，本发明电路易于模块化，实时性强、成本低、通用性好、可靠性高。
【IPC分类】H03H11/02
【公开号】CN104901649
【申请号】CN201510319363
【发明人】卢玲, 刘三军, 刘卫东, 黄光平, 孙培文
【申请人】北京楚捷科技有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月11日
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