專利名稱：一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法。
背景技術(shù)：
在航天器、導(dǎo)彈、車輛的導(dǎo)航以及衛(wèi)星、機(jī)器人、平臺的姿態(tài)控制等領(lǐng)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(yùn)載體上用數(shù)學(xué)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(dǎo)航坐標(biāo)系，即平臺坐標(biāo)系以數(shù)學(xué)平臺形式存在，這樣省略了復(fù)雜的物理實(shí)體平臺，因此應(yīng)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(bǔ)償航姿精度使其長時間穩(wěn)定工作的問題，且隱蔽性不強(qiáng)，因此設(shè)計一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應(yīng)能力強(qiáng)的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)成為航姿系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。文獻(xiàn)I :中國實(shí)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(dú)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。文獻(xiàn)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(yùn)算，各種誤差也會經(jīng)過積分運(yùn)算，導(dǎo)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(yīng)用受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應(yīng)能力強(qiáng)的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)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(jī)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(dú)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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；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(qiáng)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(zhuǎn)換芯片把UART接口發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS_232電平數(shù)據(jù)，并通過RS_232接口發(fā)給外設(shè)；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(zhuǎn)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(shè)備。使用所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)測量航姿的方法如下I)航姿系統(tǒng)上電后完成系統(tǒng)初始化工作，并進(jìn)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；2)磁場自標(biāo)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(zhuǎn)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(qiáng)度在載體系三軸上的分量，通過橢圓補(bǔ)償自標(biāo)定法，標(biāo)定出磁場補(bǔ)償系數(shù)載體系X軸的標(biāo)定因數(shù)Xsf、Y軸的標(biāo)定因數(shù)Ysf，以及磁場強(qiáng)度在載體系X軸上的漂移量Xoff、Y軸上的漂移量YofT ；3)初始對準(zhǔn)狀態(tài)用上一步標(biāo)定出的磁場補(bǔ)償系數(shù)得到載體真實(shí)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?fàn)顟B(tài)下的三維姿態(tài)角，同時算出陀螺的常值漂移，包括以下步驟(31)數(shù)據(jù)處理解算模塊內(nèi)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(shí)時讀取地球磁場強(qiáng)度在載體系三軸上的分量，并對它們進(jìn)行補(bǔ)償= Bl* Xsf + Xoff= Bfi * Ysf + Yqff= BB:、Βζ、祀為磁場強(qiáng)度在載體系三軸上的分量，V K為磁場強(qiáng)度在載體系三軸上補(bǔ)償后的分量；(32)數(shù)據(jù)處理解算單元通過SPI總線，從三軸加速度計實(shí)時讀取載體加速度值在
載體系三軸上的分量//、//、//，結(jié)合重力加速度g求出載體的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角:
權(quán)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(jī)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(dú)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(zhuǎn)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I SPI接口與第2 SPI接口連接；第2 SPI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(zhuǎn)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(zhuǎn)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； 第I SPI接口與第2 SPI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(qiáng)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(zhuǎn)換芯片把UART接口發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS_232電平數(shù)據(jù)，并通過RS_232接口發(fā)給外設(shè)；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(zhuǎn)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(shè)備。
2.根據(jù)權(quán)利要求I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(jī)械系統(tǒng)傳感器采用 ADIS16405。
3.根據(jù)權(quán)利要求I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(quán)利要求I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(kuò)展外接GPS等設(shè)備。
5.如權(quán)利要求I所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的測姿方法，其特征在于，工作方法如下 1)航姿系統(tǒng)上電后完成系統(tǒng)初始化工作，并進(jìn)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； 2)磁場自標(biāo)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(zhuǎn)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(qiáng)度在載體系三軸上的分量，通過橢圓補(bǔ)償自標(biāo)定法，標(biāo)定出磁場補(bǔ)償系數(shù)載體系X軸的標(biāo)定因數(shù)Xsf、Y軸的標(biāo)定因數(shù)Ysf，以及磁場強(qiáng)度在載體系X軸上的漂移量Xoff、Y軸上的漂移量YofT ； 3)初始對準(zhǔn)狀態(tài)用上一步標(biāo)定出的磁場補(bǔ)償系數(shù)得到載體真實(shí)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?fàn)顟B(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(nèi)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(shí)時讀取地球磁場強(qiáng)度在載體系三軸上的分量，并對它們進(jìn)行補(bǔ)償Btx= Βζ* Xsf+ Xoff
6.如權(quán)利要求5所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)的測姿方法，其特征在于，步驟(44)中所述的卡爾曼濾波的濾波周期為Is。
全文摘要
本發(fā)明為一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法。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(jī)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(zhuǎn)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(biāo)定；初始對準(zhǔn)；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(bǔ)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(yīng)用設(shè)備。
文檔編號G01C21/16GK102980577SQ201210516500
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)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(xué)