專利名稱：一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)一、技術領域[0001]本實用新型屬于慣性技術領域，特別是一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)。二、背景技術[0002]在航天器、導彈、車輛的導航以及衛(wèi)星、機器人、平臺的姿態(tài)控制等領域中都需要用航姿系統(tǒng)來測量載體的姿態(tài)信息。目前發(fā)展較為迅速的為捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是指直接把慣性測量組件(陀螺儀和加速度計等)固聯(lián)在運載體上用數(shù)學平臺解算載體姿態(tài)信息的系統(tǒng)。捷聯(lián)航姿系統(tǒng)依靠算法建立起導航坐標系，即平臺坐標系以數(shù)學平臺形式存在，這樣省略了復雜的物理實體平臺，因此應用越來越廣泛。但現(xiàn)有的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)集成度不夠高，體積偏大，使用的慣性測量組件成本太高，沒有考慮到外界信號(如GPS等)失效的情況下如何利用地球周圍固有的磁場來補償航姿精度使其長時間穩(wěn)定工作的問題，且隱蔽性不強，因此設計一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應能力強的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)成為航姿系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。[0003]文獻1:中國實用新型專利“航姿組合測量裝置”(公開號CN 201402140Y，
公開日2010年02月10日)公開了一種可靠性高、成本較低的航姿組合測量裝置，由信號處理與解算模塊、慣性傳感器組合及三軸磁傳感器組成，其中的傳感器模塊由慣性傳感器組合和三軸磁傳感器兩個獨立部分組成，集成度不高；且該裝置外圍通信接口只有RS422，效率較低，數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定。[0004]文獻2:中國發(fā)明專利“一種基于光纖陀螺的捷連航姿系統(tǒng)”(公開號CN102135430A，
公開日2011年07月27日)公開了一種集成度高的小型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的傳感器模塊由陀螺儀和數(shù)字雙軸傾角儀組成，在解算航姿信息的過程中，解算算法為積分運算，各種誤差也會經(jīng)過積分運算，導致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算誤差隨時間不斷積累，并且不斷震蕩和發(fā)散，航姿信息精度越來越低；其慣性測量傳感器的陀螺儀為價格昂貴的光纖陀螺儀，使得航姿系統(tǒng)成本較高；該裝置外圍通信接口只有CAN總線，不夠豐富，應用受限。三、實用新型內容[0005]本實用新型的目的是提供一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應能力強的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)。[0006]實現(xiàn)本實用新型目的的技術解決方案為:一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理解算模塊和外圍通信接口模塊，其中:[0007]數(shù)據(jù)采集模塊采用三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器和第ISPI接口集成一體化的微電子機械系統(tǒng)傳感器，其中三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別獨立工作；數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器，該微控制器集成了數(shù)據(jù)處理解算單元、CAN控制器、UART接口和第2SPI接口 ；外圍通信接口模塊包括串口電平轉換芯片、RS_232接口、CAN收發(fā)器和CAN接口；[0008]三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過第ISPI接口與第2SPI接口連接；第2SPI接口與數(shù)據(jù)處理解算單元連接；數(shù)據(jù)處理解算單元通過UART接口與串口電平轉換芯片連接，數(shù)據(jù)處理解算單元還通過CAN控制器與外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器連接；串口電平轉換芯片與RS_232接口連接，外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器與CAN接口連接；[0009]第ISPI接口與第2SPI接口之間通過SPI總線連接，數(shù)據(jù)采集模塊的三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過SPI總線與數(shù)據(jù)處理解算模塊通信；數(shù)據(jù)處理解算模塊通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)采集模塊的三軸角速度信息、三軸加速度信息和周圍三軸磁場強度信息，并傳輸給數(shù)據(jù)處理解算單元，解算的航姿信息通過UART接口或CAN控制器發(fā)送給外圍通信接口模塊；外圍通信接口模塊的串口電平轉換芯片把UART接口發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉換為RS_232電平數(shù)據(jù)，并通過RS_232接口發(fā)給外設；外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器將CAN控制器發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉換為物理總線的差分電平數(shù)據(jù)，然后通過CAN接口傳輸?shù)紺AN總線上的設備。[0010]本實用新型與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點是:[0011]1、數(shù)據(jù)采集模塊采用低成本的MEMS(微電子機械系統(tǒng))傳感器，該傳感器利用MEMS技術和微電子技術從根本上改變了傳統(tǒng)的慣性測量組合系統(tǒng)的設計思想和制造方法，實現(xiàn)了微型慣性測量組合系統(tǒng)中的微機械陀螺、微機械加速度計和磁強計獲取測量信號、處理電路的一體化集成,不僅成本低、集成度高,而且對外輸出接口為SPI 口，與數(shù)據(jù)處理解算模塊物理連接方便，數(shù)據(jù)傳輸高效、穩(wěn)定。[0012]2、數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器，片內資源豐富，在具體應用時可以存儲程序和臨時數(shù)據(jù)，也可以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展，并且集成了兩路CAN控制器，通過CAN收發(fā)器可實現(xiàn)CAN通信接口，把解算得到的豐富航姿信息傳輸?shù)狡渌鸆AN總線上的設備，實現(xiàn)穩(wěn)定，高效的數(shù)據(jù)傳輸。[0013]3、外圍通信接口模塊由RS_232串口和CAN通信接口組成:RS_232串口不僅能把處理器解算的航姿信息發(fā)給外設(如電腦)進行監(jiān)控，而且還可以擴展外接GPS等設備，實現(xiàn)更深度的信息融合；CAN接口用于把解算得到的豐富航姿信息傳輸?shù)狡渌鸆AN總線上的設備，實現(xiàn)穩(wěn)定，高效的數(shù)據(jù)傳輸。[0014]4、不僅用了純慣性組件解算航姿信息，而且還用三軸加速度計和磁阻傳感器獲取的信息解算出三維磁姿態(tài)角，兩者經(jīng)過信息融合算法，最終輸出穩(wěn)定的航姿信息，使航姿系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作。各功能模塊化、集成化，且對外無任何電磁輻射，隱蔽性好，不易暴露自身目標，環(huán)境適應能力強。

[0015]圖1是本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)硬件模塊框圖。[0016]圖2是本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的工作流程圖。[0017]圖3是本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的卡爾曼濾波信息融合算法流程圖。五具體實施方式
[0018]
以下結合附圖，詳細說明本實用新型的實施方式。[0019]結合圖1，本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集模塊采用三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器和第ISPI接口集成一體化的微電子機械系統(tǒng)傳感器，其中三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別獨立工作；數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器，該微控制器集成了數(shù)據(jù)處理解算單元、CAN控制器、UART接口和第2SPI接口；外圍通信接口模塊包括串口電平轉換芯片、RS_232接口、CAN收發(fā)器和CAN接口；[0020]三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過第ISPI接口與第2SPI接口連接；第2SPI接口與數(shù)據(jù)處理解算單元連接；數(shù)據(jù)處理解算單元通過UART接口與串口電平轉換芯片連接，數(shù)據(jù)處理解算單元還通過CAN控制器與外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器連接；串口電平轉換芯片與RS_232接口連接，外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器與CAN接口連接；[0021]第ISPI接口與第2SPI接口之間通過SPI總線連接，數(shù)據(jù)采集模塊的三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過SPI總線與數(shù)據(jù)處理解算模塊通信；數(shù)據(jù)處理解算模塊通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)采集模塊的三軸角速度信息、三軸加速度信息和周圍三軸磁場強度信息，并傳輸給數(shù)據(jù)處理解算單元，解算的航姿信息通過UART接口或CAN控制器發(fā)送給外圍通信接口模塊；外圍通信接口模塊的串口電平轉換芯片把UART接口發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉換為RS_232電平數(shù)據(jù)，并通過RS_232接口發(fā)給外設；外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器將CAN控制器發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉換為物理總線的差分電平數(shù)據(jù)，然后通過CAN接口傳輸?shù)紺AN總線上的設備。[0022]本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，所述的微電子機械系統(tǒng)傳感器采用ADIS16405，所述的微控制器采用ARM7為核心的32位微控制器LPC2xxx系列，所述的RS_232串口還可以擴展外接GPS等設備。[0023]ADIS16405慣性傳感器產品是一套完整的慣性傳感器系統(tǒng)，包括三軸陀螺儀、三軸加速度計和三軸磁阻傳感器，并將工業(yè)領先的慣性MEMS技術與信號調理相結合，動態(tài)性能達到最優(yōu)化。產品出廠前的校準表征了每個傳感器的靈敏度、偏差、校準值、線性加速度以及陀螺漂移。因此，每個傳感器都有其動態(tài)補償校準方案，從而能在常溫下提供精確的傳感器測量值。磁阻傳感器運用自校正功能使測量值與真實值的偏差降到最小。[0024]該傳感器體積僅為23mm*23mm*23mm，三個軸的角速率測量范圍為±75° /s、±150° /s、±300° /(可設定)，分辨率為14位；三個軸的加速度測量范圍為±10g，分辨率為14位。對外輸出接口為SPI 口，與LPC2119物理連接方便。使用時，只需給它供電，它就會以一定的頻率向外輸出數(shù)據(jù)。具有體積小、重量輕、壽命長、可靠性高、成本低和適應環(huán)境能力強等優(yōu)點。[0025]數(shù)據(jù)處理解算模塊采用的是飛利浦公司的ARM7為核心的32位微控制器LPC2119。LPC2119片內資源比較豐富，片內ROM高達128K，RAM空間有16K，在具體應用時可以存儲程序和臨時數(shù)據(jù)，也可以實現(xiàn)系統(tǒng)擴展。并且，LPC2119的片內Flash支持認IAP功能，可以用來存儲數(shù)據(jù)。LPC2119集成了兩路CAN控制器、兩路UART及兩路SPI，滿足接口要求。[0026]微控制器LPC2119以一定頻率實時通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)采集模塊的加速度、角速度和磁場強度信息，存儲在一定內存空間，然后進行三維姿態(tài)角解算。由于純慣性組件解算數(shù)據(jù)的固有不足，一般通過RS_232接口外接GPS設備，以固定頻率接收GPS信息，對航姿信息進行補償，使航姿系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作。但在GPS信息完全失效的情況下，航姿系統(tǒng)不能長時間穩(wěn)定工作，為了解決這個問題，本微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)不僅用了純慣性組件解算航姿信息，而且還用三軸加速度計和磁阻傳感器測量的地磁場信息解算出三維磁姿態(tài)角，兩者經(jīng)過信息融合算法，最終輸出穩(wěn)定的航姿信息，使航姿系統(tǒng)長時間穩(wěn)定工作。[0027]在實際使用環(huán)境中，由于周圍鐵磁材料的影響，地磁場不可避免地受到干擾磁場的影響。在這種情況下，地磁場的測量會帶來一定的誤差，計算得到的磁航向角也會有偏差。為了保證航姿系統(tǒng)輸出精確的航向角，需對磁場干擾進行補償?，F(xiàn)行的磁航向誤差補償技術分為兩類:一類是借助于外界因素的標定方法，如依靠高精度轉臺或標準六面體進行多點標定，這類方法雖然精度較高，但操作復雜，對大多數(shù)實際使用場合并不適用；另一類是不借助外界因素的自標定方法，這類方法操作方便，運算量小，補償效果顯著。本實用新型采用自標定方法，根據(jù)具體場合可使用橢圓補償法、最小二乘曲線擬合法或矩形域的最小二乘曲面擬合法，經(jīng)實踐證明效果顯著。[0028]外圍通信接口模塊由RS_232串口和CAN通信接口組成:LPC2119自帶UART，通過串口電平轉換芯片將TTL電平轉換為RS_232電平，此接口不僅能把處理器解算的航姿信息發(fā)給外設(如PC機)顯示導航數(shù)據(jù)，而且還可以功能擴展外接GPS信息，從而能得到載體的速度位置信息以及當前位置的磁偏角，進而實現(xiàn)更深度的信息融合；LPC2119集成了 CAN控制器，通過CAN收發(fā)器將CAN控制器收發(fā)引腳的TTL電平轉換為物理總線的差分電平，實現(xiàn)CAN通信接口，把解算得到的豐富航姿信息傳輸?shù)狡渌鸆AN總線上的設備如圖像控制板等，實現(xiàn)穩(wěn)定，聞效的數(shù)據(jù)傳輸。[0029]結合圖2:本實用新型的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)具體工作如下:[0030]使用所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)測量航姿的方法如下:[0031 ] I)航姿系統(tǒng)上電后完成系統(tǒng)初始化工作，并進行系統(tǒng)自檢，通過采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，檢查航姿系統(tǒng)有無異常；[0032]2)磁場自標定:在沒有磁干擾的環(huán)境，將航姿系統(tǒng)在水平面緩慢均勻轉動一周，數(shù)據(jù)處理解算單元通過SPI總線，從三軸磁阻傳感器讀取地球磁場強度在載體系三軸上的分量，通過橢圓補償自標定法，標定出磁場補償系數(shù):載體系X軸的標定因數(shù)Xsf、Y軸的標定因數(shù)Ysf，以及磁場強度在載體系X軸上的漂移量Xoff、Y軸上的漂移量YofT ；[0033]3)初始對準狀態(tài):用上一步標定出的磁場補償系數(shù)得到載體真實的磁場信息，使用該磁場信息和三軸加 速度計值求出航姿系統(tǒng)在靜止狀態(tài)下的三維姿態(tài)角，同時算出陀螺的漂移，包括以下步驟:(31)數(shù)據(jù)處理解算模塊內的數(shù)據(jù)處理解算單元通過SPI總線，從數(shù)據(jù)采集模塊的三軸磁阻傳感器實時讀取地球磁場強度在載體系三軸上的分量，并對它們進行補償:[0035]Blx = BI * Xsf + Xoff[0036]Bh/ = Βζ * Ysf + YoffCoos ] n1;； = BI[0038]Βξ、抝為磁場強度在載體系三軸上的分量，[0039]Btx、Bl>'、為磁場強度在載體系三軸上補償后的分量；[0040](32)數(shù)據(jù)處理解算單元通過SPI總線，從三軸加速度計實時讀取載體加速度值在載體系三軸上的分量Zft //、K ,結合重力加速度g求出載體的俯仰角和滾轉角:
權利要求1.一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，其特征在于，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理解算模塊和外圍通信接口模塊，其中: 數(shù)據(jù)采集模塊采用三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器和第ISPI接口集成一體化的微電子機械系統(tǒng)傳感器，其中三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別獨立工作；數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器，該微控制器集成了數(shù)據(jù)處理解算單元、CAN控制器、UART接口和第2SPI接口 ；外圍通信接口模塊包括串口電平轉換芯片、RS_232接口、CAN收發(fā)器和CAN接口 ； 三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過第ISPI接口與第2SPI接口連接；第2SPI接口與數(shù)據(jù)處理解算單元連接；數(shù)據(jù)處理解算單元通過UART接口與串口電平轉換芯片連接，數(shù)據(jù)處理解算單元還通過CAN控制器與外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器連接；串口電平轉換芯片與RS_232接口連接，外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器與CAN接口連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，其特征在于所述的微電子機械系統(tǒng)傳感器采用 ADIS16405。
3.根據(jù)權利要求1所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，其特征在于所述的微控制器采用ARM7為核心的32位微控制器LPC2xxx系列。
4.根據(jù)權利要求1所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，其特征在于所述的RS_232串口還可以擴展外接GPS等設備。
專利摘要本實用新型為一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理解算模塊和外圍通信接口模塊，其中數(shù)據(jù)采集模塊采用三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器和SPI接口集成一體化的微電子機械系統(tǒng)傳感器；數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器；外圍通信接口模塊包括串口電平轉換芯片、RS_232接口、CAN收發(fā)器和CAN接口。該系統(tǒng)工作步驟為系統(tǒng)上電初始化；系統(tǒng)自檢；磁場自標定；初始對準；組合測姿根據(jù)初始三維姿態(tài)角和捷聯(lián)航姿系統(tǒng)姿態(tài)解算算法，解算出各航姿信息，同時用補償后的磁場信息和加速度信息解算出三維磁姿態(tài)角，兩者經(jīng)過信息融合算法，最終得到穩(wěn)定的航姿信息；發(fā)送航姿信息到應用設備。
文檔編號G01C21/16GK202974288SQ201220662859
公開日2013年6月5日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權日2012年12月5日
發(fā)明者陳帥, 李璽安, 張曉亮, 雷浩然, 王于坤, 程晨, 查鑫熠, 鄧貴軍, 張黎, 薄煜明, 杜國平, 鄒衛(wèi)軍, 吳盤龍, 高玉霞, 吉建嬌, 單童, 朱源魁 申請人:南京理工大學