專利名稱：基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型測量儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計。
導(dǎo)航是利用各種傳感器進(jìn)行測量分析得到載體相對于參考基準(zhǔn)的位置和姿態(tài)。傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)有(1)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它由陀螺儀和加速度計組成。其中陀螺儀價格昂貴、體積大、啟動時間長、對環(huán)境條件要求高；(2)圖象導(dǎo)航系統(tǒng)，由攝像、圖象處理、圖象辯識等環(huán)節(jié)組成，在該導(dǎo)航的實(shí)施過程中，可能會出現(xiàn)拍攝盲點(diǎn)而引起誤導(dǎo)，此外，圖象處理過程復(fù)雜，實(shí)時性差；(3)全球定位系統(tǒng)(GPS)，它由24顆衛(wèi)星、地面接收器和處理器組成，由于其在時間和衛(wèi)星位置信息中有人為加入的誤差，從而限制了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的測量精度。此外由于GPS需要外界提供參考信息，所以對水下載體進(jìn)行導(dǎo)航不適合采用該種方式。相比較而言，新興的以硅微傳感器為基礎(chǔ)的微機(jī)電導(dǎo)航系統(tǒng)，卻可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化、實(shí)用化和智能化的完美結(jié)合，在價格上、尺寸上、重量上以及性能上都具有超越傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的絕對優(yōu)勢，不僅可以為船舶、飛機(jī)等大型運(yùn)動載體進(jìn)行導(dǎo)航，而且更加適用于小型載體(如機(jī)器人、無人小飛機(jī)、導(dǎo)彈等)的姿態(tài)測量和控制。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是將微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)結(jié)合，將傳感器與其處理電路完全集成在一個硅微結(jié)構(gòu)傳感器片上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的微型系統(tǒng)。
微機(jī)電系統(tǒng)中的傳感器是在單晶硅、石英晶體、鈮酸鋰等電光材料芯片上應(yīng)用光刻、腐蝕、沉積、離子注入、鍵合等微機(jī)械加工技術(shù)生產(chǎn)的硅微結(jié)構(gòu)傳感器，它具有成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗小、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化等優(yōu)點(diǎn)。
基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)的主要代表要屬90年代末由美國Honeywell公司研制生產(chǎn)的數(shù)字磁阻羅盤HMR3000，其主要功能是提供航向信息，為了補(bǔ)償傾斜的負(fù)效應(yīng)，系統(tǒng)中還增設(shè)了傾斜傳感器，以消除小于40°傾斜對航向測量的影響。其組成及工作原理如

圖1所示由充有液體的兩軸傾斜器測得小幅傾斜角，傾斜角信息與由三軸磁阻傳感器測得的三路磁場信號在單片機(jī)中進(jìn)行計算，算得航向數(shù)據(jù)，角度數(shù)據(jù)通過RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。其中的磁阻傳感器是由透磁合金薄片(NiFe)制作而成，采用很小的固態(tài)封裝。HMR3000可以測量小于40°傾斜的0°～360°的航向，航向測量精度為±1.0°(水平位置)和±2.0°(傾斜位置)；傾斜測量范圍為±40°，傾斜測量精度為±0.4°(當(dāng)＜20°)和±0.6°(當(dāng)＞20°)。
該HMR3000數(shù)字磁阻羅盤存在如下問題(1)傾斜角度測量范圍小，只能測量小于40°的傾斜角；(2)測量精度會隨著傾斜角度的增大而減小，如航向精度在水平位置時為±1.0°，當(dāng)發(fā)生傾斜時，航向精度降為±2.0°；對于傾斜精度，隨著傾斜角度的增加，傾斜精度由±0.4°降至±0.6°。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計出一種新型的基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，在上述數(shù)字磁阻羅盤的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)組成和軟件算法都作了較大的更改，集多種MEMS傳感器為一體，通過對采集信號的處理，能夠得到運(yùn)動載體的全姿態(tài)信息，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動快、成本低等特點(diǎn)。
本發(fā)明設(shè)計出一種新型的基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，包括多個傳感器，對該傳感器測得的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，對該A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行計算的微處理器，將微處理器與PC機(jī)相連的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，其特征在于，所說的傳感器由三軸硅微加速度計及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計及其外圍電路組成，以及預(yù)先存儲在所說的微處理器和PC機(jī)中的信號處理及顯示軟件模塊。
所說的信號處理及顯示軟件模塊包括傳感器信號融合模塊、姿態(tài)解算模塊、圖形接口模塊、用戶操作演示界面模塊。
本發(fā)明的信號融合模塊包括信號濾波和信號轉(zhuǎn)換兩部分。其中信號濾波采用有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波，即數(shù)字濾波的輸出y(n)取決于有限個過去的輸入和現(xiàn)在的輸入x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)。在本發(fā)明中采用了二階濾波，其濾波的輸入和輸出關(guān)系是y(n)=h0x(n)+h1x(n-1)式中h0,h1為濾波系數(shù)。
信號轉(zhuǎn)換是將實(shí)際測得的電壓信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的物理量，其處理算式為u(n)=(v(n)-v0)/kv式中v(n)為輸入的電壓信號，u(n)為對應(yīng)的物理量，v0為零點(diǎn)電壓，kv為變化幅值，各傳感器的零點(diǎn)和幅值由預(yù)先標(biāo)定確定。
本發(fā)明的姿態(tài)解算方法為建立載體所在位置的地理坐標(biāo)系北-東-地(即N-E-D)、固連于載體的載體坐標(biāo)系X-Y-Z(X-處于載體對稱平面內(nèi)，由質(zhì)心指向載體運(yùn)動前向；Y-垂直于載體對稱平面并指向右方；Z-在載體對稱平面內(nèi)且垂直于X軸指向下方。)，見圖2(載體以飛機(jī)為例)。
載體在空間中的姿態(tài)可用載體坐標(biāo)系相對于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動來表示，運(yùn)動角度稱為載體的姿態(tài)角。導(dǎo)航學(xué)中常用航向角ψ、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ作為載體的姿態(tài)角，起始時兩坐標(biāo)系重合(N與X軸、E與Y軸、D與Z軸相對應(yīng))，隨后載體繞D軸(Z)偏行ψ角，再繞水平Y(jié)’軸俯仰θ角，最后繞X”軸滾轉(zhuǎn)γ角。載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系中的矢量可通過以下方向余弦矩陣進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換Cnh=cos(N,X)cos(E,X)cos(D,X)cos(N,Y)cos(E,Y)cos(D,Y)cos(N,Z)cos(E,Z)cos(D,Z)=[Tij]3×3]]>其上標(biāo)b表示載體坐標(biāo)系，下標(biāo)n表示地理坐標(biāo)系，Tij為矩陣中的第i行第j列元素。
將三個磁強(qiáng)計分別沿載體坐標(biāo)系的三軸放置，分別測量地球磁感應(yīng)強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系三軸上的投影分量，設(shè)X軸磁強(qiáng)計的測量值為xM,Y軸磁強(qiáng)計的測量值為yM,Z軸磁強(qiáng)計的測量值為zM；同樣將加速度計的三軸分別沿載體坐標(biāo)系的三軸放置，分別測量重力加速度fg在X、Y和Z軸上的分量，設(shè)X軸的分量為xg、Y軸的分量為yg,Z軸的分量為zg。地磁場H和重力加速度fg在地理坐標(biāo)系和姿態(tài)坐標(biāo)系中的表示通過方向余弦矩陣Cnb進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并考慮干擾[eMxeMyeMz]T和[egxegyegz]T的影響(包括隨機(jī)和常值)，從而得到以下姿態(tài)角解算算式，其中H為地磁感應(yīng)強(qiáng)度，β為地磁傾角。
干擾信號的常值和相關(guān)部分可以通過信號處理和建模加以消除。
本發(fā)明的圖形接口模塊、用戶操作演示界面模塊均采用Microsoft Visual C++軟件編制而成。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明在前述數(shù)字磁阻羅盤的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)組成和軟件算法都作了較大的更改，采用三軸硅微加速度計構(gòu)成傾斜傳感器，由于加速度機(jī)能夠提供三維空間中成直角坐標(biāo)系的三個垂直方向上的重力加速度分量，所以由加速度計組成的傾斜儀不僅可以起到為航向角進(jìn)行傾斜補(bǔ)償?shù)淖饔?，更可以作為測量載體全傾斜姿態(tài)(指任意傾斜)的有效工具。通過方位余弦矩陣建立地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間的聯(lián)系，從而可以解算出全姿態(tài)的俯仰、滾動和航向角?？傊?，本發(fā)明所涉及的微型導(dǎo)航系統(tǒng)是集硅微加速度計和磁強(qiáng)計等多種MEMS傳感器為一體，通過本發(fā)明中的算法處理能夠得到運(yùn)動載體的全姿態(tài)信息。該系統(tǒng)中所使用的MEMS器件相比于傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性器件(如慣性陀螺)，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動快、成本低等特點(diǎn)；該系統(tǒng)在功能上和性能上都優(yōu)于美國Honeywell公司的HMR3000，如可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)的測量，并當(dāng)環(huán)境作用場大小發(fā)生變化時，該系統(tǒng)仍具有較好的魯棒性；此外，本系統(tǒng)還使高精度在全姿態(tài)(包括小、中、大角度)測量中得以實(shí)現(xiàn)。
附圖簡要說明圖1為已有的數(shù)字磁阻羅盤結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系相對關(guān)系示意圖。
圖3為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
圖4為本發(fā)明的軟件模塊總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的圖形顯示操作界面示意圖。
本發(fā)明基于MEMS器件構(gòu)成微型導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下本發(fā)明的硬件總體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示，其中，包括三軸MEMS加速度計及其外圍電路、三軸磁阻式磁強(qiáng)計及其外圍電路、磁復(fù)位電路、穩(wěn)壓電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器(CPU)和RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通訊電路。其中，三軸加速度計和三軸磁強(qiáng)計分別是由三路獨(dú)立的加速度傳感器和三路獨(dú)立的磁阻傳感器組成，可以分別測量三維空間中直角坐標(biāo)系三個互相垂直方向X、Y、Z的重力加速度和磁場；磁復(fù)位電路是為了消除環(huán)境高磁場效應(yīng)對傳感器靈敏度的影響；穩(wěn)壓電路將外接的6-15V電源統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為5V的電源再接入系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號，由數(shù)據(jù)總線并行讀入微處理器(CPU)；CPU接受傳感器信號以后，由存儲在CPU和PC機(jī)中的軟件模塊進(jìn)行處理。
本發(fā)明的軟件程序總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其軟件包括傳感器信號融合(包括濾波、轉(zhuǎn)換)、姿態(tài)解算、圖形接口、用戶操作演示界面等應(yīng)用軟件模塊；其步驟包括將信號進(jìn)行數(shù)字濾波、物理量轉(zhuǎn)換的信號融合，并進(jìn)行姿態(tài)角的解算(以上過程均在CPU中完成)；解算出的角度可采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串行的接口模塊輸出到PC機(jī)上顯示，也可直接用于姿態(tài)角的控制，進(jìn)行實(shí)時導(dǎo)航；測量結(jié)果先經(jīng)過有條件的平滑處理，即對微小變化進(jìn)行平滑，而對較大的和較明顯的變化不加以平滑處理，最后在PC屏幕上用戶操作演示界面模塊進(jìn)行顯示。
本發(fā)明各部件的實(shí)施例及工作原理如圖5所示將電源和接口電纜連接，此時微處理器開始采集三路加速度計(本實(shí)施例由兩個雙軸的編號為U10和U12的IC301組成)和三路磁強(qiáng)計(本實(shí)施例由一個雙軸的編號為U8的M102和一個單軸的編號為U9的M101組成)的輸出，其中加速度計信號需要經(jīng)過電壓跟隨器(本實(shí)施例采用編號為U11的TL404)以消除后接負(fù)載對其信號的影響，三路磁強(qiáng)計輸出信號分別需要經(jīng)過三個編號為U5、U6、U7的AD863(其中由編號為D2的D025為AD863提供2.5V的參考電壓)放大；六路傳感器的輸出通過A/D轉(zhuǎn)換(本實(shí)施例采用編號為U22的BB567)進(jìn)入微處理器(本實(shí)施例采用編號為U21的Intel8052)，在微處理器中進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)化、角度解算得到三個姿態(tài)角，該姿態(tài)角通過RS232通訊(本實(shí)施例采用編號為U23的TL202)，使用簡單的ASCII指令字符串進(jìn)行與PC機(jī)的通訊；此時，在PC機(jī)的屏幕上將會出現(xiàn)信息塊，顯示當(dāng)前姿態(tài)角的讀數(shù)并由圖形體現(xiàn)當(dāng)前的姿態(tài)。
除上述介紹的基本功能外，裝置還將外接電源經(jīng)過編號為UD3的78D05穩(wěn)壓；在磁強(qiáng)計復(fù)位電路中，由兩路脈寬信號通入場效應(yīng)晶體管(本實(shí)施例采用編號為U13的ICL6054)產(chǎn)生周期性的正負(fù)大電流脈沖，電流大小由編號為U14的N7011(N7011將5V電源電壓轉(zhuǎn)換成所要求的電壓，本實(shí)施例中要求電壓采用12V)的輸出電壓大小來控制。脈沖電流通過磁強(qiáng)計，磁阻在正負(fù)大電流作用下，可以恢復(fù)正常的工作靈敏度。
本實(shí)施例的圖形顯示操作界面如圖6所示，圖中左上角為六路傳感器的輸出，右上角為姿態(tài)圖形顯示，圖形下面為姿態(tài)角的數(shù)據(jù)顯示，界面中還設(shè)置了啟動、關(guān)閉系統(tǒng)的“開始”和“結(jié)束”按鈕，和控制標(biāo)定、復(fù)位的按鈕。
本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)測量，即俯仰角測量范圍為-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)角測量范圍為-180°～+180°，航向角測量范圍為0°～360°；可以保證測量精度在全姿態(tài)測量范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，角度測量精度為航向及傾斜角誤差均小于1°；可以適應(yīng)于不穩(wěn)定或不確定作用場中的姿態(tài)測量(如磁場和重力場幅值不確定或不穩(wěn)定的情況)。本實(shí)施例采用一體化MEMS芯片集成封裝技術(shù)，使儀器更加小型化，其抗振性和抗過載性得到提高，從而使儀器能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，包括多個傳感器，對該傳感器測得的信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，對該A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行計算的微處理器，將微處理器與PC機(jī)相連的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，其特征在于，所說的傳感器由三軸硅微加速度計及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計及其外圍電路組成，以及預(yù)先存儲在所說的微處理器和PC機(jī)中的信號處理及顯示軟件模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所說的信號處理及顯示軟件模塊包括依次連接的傳感器信號融合模塊、姿態(tài)解算模塊、圖形接口模塊及用戶操作演示界面模塊。
全文摘要
本發(fā)明屬于微型測量儀器技術(shù)領(lǐng)域,包括多個傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器,微處理器,PC機(jī)及RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口,其特征在于,所說的傳感器由三軸硅微加速度計及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計及其外圍電路組成,以及預(yù)先存儲在所說的微處理器和PC機(jī)中的信號處理及顯示軟件模塊。本發(fā)明能夠得到運(yùn)動載體的全姿態(tài)信息,具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動快、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號G01C17/00GK1325017SQ0111013
公開日2001年12月5日 申請日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者周兆英, 朱榮, 王廣龍, 孫雪峰, 魏強(qiáng) 申請人:清華大學(xué)