郝 鵬，馬建倉

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 7101295）

捷聯(lián)慣性系統(tǒng)也就是采用慣性敏感元件（陀螺和加速度計(jì)）直接“捆綁”在運(yùn)載體的機(jī)體上，它是一種無框架系統(tǒng)，由3個(gè)速率陀螺、3個(gè)線加速度計(jì)和微型處理器組成，是一種不依賴于任何外部信息、也不向外部輻射能量的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好，可在空中、地面、水下等各種復(fù)雜環(huán)境下工作的特點(diǎn)[1-3]。而應(yīng)用MEMS微型傳感器結(jié)合高速DSP處理器的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)具有體積小、重量輕、集成度高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景[4-5]。由于慣性元器件有固定漂移率，不可避免會(huì)造成導(dǎo)航積累誤差，因此，一般商用或者軍用自主導(dǎo)航平臺(tái)系統(tǒng)通常采用如全球定位系統(tǒng)+捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（GPS/INS）[6-7]、星光導(dǎo)航系統(tǒng)+捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)（CNS/INS）[8]等組合導(dǎo)航方式進(jìn)行完整導(dǎo)航，其中捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)提供短時(shí)高速率高精度導(dǎo)航，而用其他導(dǎo)航方式對(duì)其積累誤差進(jìn)行補(bǔ)償修正。所以對(duì)于捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)而言，從軟件算法和硬件設(shè)計(jì)上提高其短時(shí)間的精度和穩(wěn)定性，降低陀螺儀、加速度計(jì)的噪聲干擾、累積誤差顯得尤其重要。文中采用商用級(jí)的MEMS陀螺儀、加速度計(jì)、磁阻傳感器器件設(shè)計(jì)低成本的MIMU，采用雙DSP進(jìn)行控制與解算工作，配合無跡卡爾曼濾波和小波自適應(yīng)閥值降噪等方法，在降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的集成度的同時(shí)保證導(dǎo)航系統(tǒng)可以達(dá)到商用導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)速率及精度的要求。

1 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

所研制的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)主要包括：微慣性測量單元（MIMU）、信號(hào)采集和預(yù)處理單元、導(dǎo)航解算單元。完整的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of inertial navigation system

前端的微慣性測量單元MIMU是捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)最重要部分，后端的信號(hào)處理、算法優(yōu)化等都無法根本改變系統(tǒng)特性，所以該部分傳感器數(shù)據(jù)的精度以及穩(wěn)定性直接決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和性能級(jí)別。這里選取的MEMS陀螺儀為ADI公司的ADXRS623，ADXRS623是一款單軸、低成本、功能完整角速率傳感器，靈敏度為 12.5 mV/°/s，測量范圍為±150°/s（5 V基準(zhǔn)電壓）。并且可以利用外部電容可以選擇1～3 000 Hz范圍內(nèi)的帶寬。利用溫度輸出端可以對(duì)傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)；MEMS加速度計(jì)選取ADI公司的ADXL335，ADXL335是一款4 mm×4 mm×1.45 mm小尺寸、低功耗、完整的三軸加速度計(jì)，能以最小±3 g的滿量程范圍測量加速度；MEMS磁阻傳感器選擇霍尼韋爾的HMC1043，HMC1043是一款小型3－軸表面安裝的傳感器序列系統(tǒng)，適用于低磁場磁性傳感，其體積微小、功耗低、磁場（量程）范圍寬（+/－6 Oe）。

DSP數(shù)據(jù)采集單元選取TI公司的TMS320F28335，該芯片具有150 MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，適合導(dǎo)航系統(tǒng)高速的浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)處理，12位16通道ADC可以應(yīng)用于加速度計(jì)信號(hào)采集。由于對(duì)于陀螺、磁阻傳感器的采樣精度要求高，所以選取TI公司的ADS8345，ADS8345具有最高100 Ksps的采樣速率、8采樣通道，滿足本系統(tǒng)速度以及通道數(shù)的要求，DSP通過SPI接口完成外部16位AD的控制和數(shù)據(jù)采集，并且通過串口將預(yù)處理后的傳感器信號(hào)上傳到上端導(dǎo)航解算單元。導(dǎo)航解算單元數(shù)據(jù)處理芯片同樣選取性價(jià)比較高的浮點(diǎn)型TMS320F28335，并且外部擴(kuò)充1 M的RAM和1 M的Flash以滿足系統(tǒng)要求。功能上主要完成MEMS陀螺、加速度計(jì)預(yù)處理數(shù)據(jù)的接收，以及導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)、速度、位置信息的解算與顯示。

2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

研制的慣導(dǎo)系統(tǒng)軟件主要分為信號(hào)預(yù)處理、導(dǎo)航解算兩部分，信號(hào)預(yù)處理主要包括磁阻羅差補(bǔ)償，初始對(duì)準(zhǔn)、傳感器數(shù)據(jù)的零位補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、降噪處理等。其中本系統(tǒng)根據(jù)樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況采用基于最小二乘法的7項(xiàng)羅差校正公式完成羅差補(bǔ)償[9－10]，另外采用無色卡爾曼濾波（UKF）算法[11]對(duì)靜基座下的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，并且利用小波閥值降噪方法[12]以消減傳感器信號(hào)中噪聲的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法有明顯的降噪效果。導(dǎo)航解算則采用基本的四元數(shù)方法。系統(tǒng)軟件流程如圖2所示。

圖2 捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)軟件框圖Fig.2 Software diagram of inertial navigation system

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研制成的原理樣機(jī)的捷聯(lián)慣導(dǎo)單元信號(hào)輸出速率為80 Hz，對(duì)研制出的原理樣機(jī)利用轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行靜基座下初始對(duì)準(zhǔn)，所選用轉(zhuǎn)臺(tái)的精度誤差在6’以內(nèi)，最小分度單位為0.01°，慣導(dǎo)系統(tǒng)初始姿態(tài)給定為（航向角 161°，俯仰角 3.5°，橫滾角－4°），對(duì)于實(shí)測的傳感器數(shù)據(jù)采用UKF算法進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，初始對(duì)準(zhǔn)的姿態(tài)角誤差如圖3所示，由圖中可以看出，50 s之內(nèi)俯仰角誤差和橫滾角誤差在6’以內(nèi)，航向角誤差在20’以內(nèi)，且均趨于穩(wěn)定。航向角的收斂速度較慢，但穩(wěn)定后精度較俯仰角和橫滾角更高，可以達(dá)到系統(tǒng)精度要求。

圖3 初始對(duì)準(zhǔn)姿態(tài)誤差角Fig.3 Initial alignment attitude angle error

在靜態(tài)試驗(yàn)下經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果：圖4為X、Y、Z三軸MEMS陀螺儀原始信號(hào)與通過小波自適應(yīng)閥值降噪后的陀螺去噪信號(hào)對(duì)比圖，由圖可以看出經(jīng)過降噪后，噪聲得到很好的抑制，尖峰值、奇異值等基本消除；圖5為經(jīng)姿態(tài)解算得到的姿態(tài)信息，可以看出航向角、橫滾角及俯仰角在60 s左右的時(shí)間內(nèi)偏移小于0.1°，滿足導(dǎo)航系統(tǒng)要求。

利用轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測試，這里以航向角動(dòng)態(tài)測試為例，將系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)航向角零度對(duì)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速率設(shè)置為5°/s，每轉(zhuǎn)動(dòng)20°記錄一次系統(tǒng)航向角輸出，表1為實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角度與系統(tǒng)實(shí)測輸出數(shù)據(jù)的對(duì)比，由表1可以看出，系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)180°的過程中，其最大航向角誤差小于0.25°，實(shí)測數(shù)據(jù)說明系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)中航向角可以達(dá)到很好的導(dǎo)航精度。

圖4 三軸MEMS陀螺儀信號(hào)預(yù)處理Fig.4 MEMS gyroscopes signal preprocessing

圖5 姿態(tài)解算信息Fig.5 Attitude solving algorithm information

表1 系統(tǒng)航向角動(dòng)態(tài)測試數(shù)據(jù)Tab.1 System course Angle dynamic test data

4 結(jié) 論

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用商用級(jí)的MEMS陀螺、加速度計(jì)及磁阻傳感器配合DSP處理設(shè)計(jì)的低成本、集成化的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)，能夠?qū)o跡卡爾曼濾波、小波自適應(yīng)閥值降噪等算法應(yīng)用到系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航解算當(dāng)中，在完整實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)功能的同時(shí)，提高了系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的精度和穩(wěn)定性，因此可以廣泛應(yīng)用于實(shí)際導(dǎo)航領(lǐng)域中。后續(xù)可以采用性能更好的前端傳感器配合高效的導(dǎo)航算法和信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)可以達(dá)到的戰(zhàn)術(shù)級(jí)或是導(dǎo)航級(jí)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

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