楊華冰

（河南省軍區(qū) 鄭州 450014）

1 引言

微型無人機因具有體積小、重量輕、攜帶方便、隱蔽性好和無人員傷亡等特點，多種型號的微型無人機，如“指針”、“大烏鴉”和“龍眼”等，已在近代幾次局部戰(zhàn)爭中獲得了廣泛應用，越來越多地展示了其潛在的巨大軍事價值，已成為當今主要軍事各國的研究熱點。

而微型導航、制導與控制技術(shù)是微型無人機的核心技術(shù)，是制約著微型無人機技術(shù)進步的主要瓶頸之一。由于微型無人機承載能力低、機內(nèi)空間狹小有限，要求機載導航設(shè)備高度集成化和微型化，而且重量輕、成本低、功耗小，一般無人機／靶機上常用的機載傳感與導航設(shè)備已無法滿足微型無人機的需求。

受精度、體積、功耗、成本等各種因素的制約，目前微型導航系統(tǒng)的典型方案是采用由基于微機電（Micro Electromechanical System，MEMS）慣性測量器件的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)與全球定位系統(tǒng)形成的組合導航系統(tǒng)?；贛EMS的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)自主性強、受外界干擾影響小，實時性強，但積累誤差大等特點，難以完成精度較高的長航時的導航任務(wù)；GPS全球定位系統(tǒng)的定位精度高，但自主性差、易受干擾、數(shù)據(jù)更新頻率低，單獨使用也難以滿足高速、實時導航的要求。因此，利用二者優(yōu)勢，組合成可長時間工作、成本較低的SINS／GPS組合導航系統(tǒng)，非常適用于微型無人機的導航、制導與控制。

目前，國外已有一些精度高、實時性強而且可以長時間工作的微型導航產(chǎn)品，但價格非常高，而且內(nèi)由于技術(shù)封鎖，很不容易獲得。國內(nèi)，清華大學、北京理工大學、東南大學、南京航空航天大學等一些高校和研究所也開展了深入研究，多以理論和實驗室研究為主，能滿足航空工程應用需求的產(chǎn)品還未見報道，而且導航計算機也多是以國外生產(chǎn)的DSP芯片居多，對于軍事應用來說，非常不利，會受制于人。

2 總體方案設(shè)計

針對微型無人機導航系統(tǒng)要具有體積小、功耗低、成本低、可靠性高等特點，為實現(xiàn)對無人機位置、姿態(tài)等信息的實時和高精度測量，采用捷聯(lián)慣導與GPS組合導航的方案，以國產(chǎn)SEP4020ARM微處理器為數(shù)據(jù)采集與導航解算核心，以九自由度慣性測量單元ADI16405和GPS接收機為主要敏感元件，構(gòu)成一個微型化的組合導航系統(tǒng)，總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成方框圖

SEP4020處理器通過串口和SPI口實時采集慣性測量單元輸出的3軸角速度、3軸加速度信息、3軸磁力計信息以及GPS輸出的位置、速度信息；然后對這些原始數(shù)據(jù)進行預處理并進行導航初始化，再通過姿態(tài)解算、雙速卡爾曼濾波算法計算出穩(wěn)定的姿態(tài)角、位置、速度等信息；最終將導航信息通過串口實時輸出到上位機顯示，同時通過定制協(xié)議也可與飛行控制系統(tǒng)對接，為飛行控制系統(tǒng)提供導航信息。

3 硬件設(shè)計

根據(jù)組合導航系統(tǒng)的總體方案，硬件設(shè)計分為三個模塊：微處理器及其外圍電路、慣性測量單元、GPS接收機，各部分組成和功能如下。

微處理器及其外圍電路是以SEP4020ARM微處理器為核心的一個片上最小系統(tǒng)，包括時鐘電路、復位電路、電源電路和JTAG仿真接口等幾部分。主要功能是對IMU及GPS的數(shù)據(jù)進行采集和處理，實現(xiàn)初始化、導航參數(shù)解算、卡爾曼濾波等算法，并將導航輸出數(shù)據(jù)傳送至上位機。

本系統(tǒng)的慣性測量單元為ADI公司的ADIS16405，其是一個完整的包含三軸陀螺、三軸加速度計和三軸磁力計的慣性傳感系統(tǒng)，內(nèi)部完成了三軸加速度計、三軸角速率陀螺、三軸磁力計的正交化和模數(shù)轉(zhuǎn)換。采用SPI接口數(shù)字輸出，具有分辨率高、溫飄小、體積小等特點。其主要功能是測量載體運動的角速度和線加速度，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出。

GPS接收機及天線，本系統(tǒng)采用ublox公司的ublox5系列GPS接收板及配套天線。主要功能是采集載體運動的經(jīng)度、緯度、高度、航向、速度、時間等信息。

系統(tǒng)中影響硬件可靠性的主要因素有以下幾個方面：電磁場干擾、供電方式、元器件性能、PCB布局與走線、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。針對這些因素，設(shè)計中采用了如下措施：采用濾波技術(shù)、去耦電容、屏蔽技術(shù)、隔離技術(shù)和接地技術(shù)減小電磁場的干擾；數(shù)字部分和模擬部分分開布置，并且獨立供電；盡量選用高集成度、高穩(wěn)定性的表貼元件；電路板上元器件按功能分區(qū)；選擇高可靠性接插件，緊固安裝；此外，ADIS16405模塊盡量遠離電源轉(zhuǎn)換芯片及功耗較大、易發(fā)熱的芯片。

4 軟件設(shè)計

4.1 軟件總體設(shè)計

根據(jù)組合導航系統(tǒng)要求，組合導航軟件系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能：

1）對ARM微處理器進行初始化編程，編寫定時器中斷服務(wù)程序和串口中斷子程序。

2）通過SPI口與ADIS16405進行通訊，采集IMU輸出的三軸加速度、三軸角速度和三軸磁力計信息，并對原始信息進行預處理。

3）通過串口與GPS接收機通訊，得到GPS輸出的經(jīng)度、緯度和高度等信息，并通過坐標變換獲得機體坐標系下的三個方向的速度和位置信息。

4）利用采集到的ADIS16405數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)進行雙速卡爾曼濾波融合，其中利用ADIS16405輸出的三軸加速度、三軸角速度和三軸磁力計信息進行高速卡爾曼濾波融合，利用GPS輸出的位置速度信息進行低速卡爾曼濾波融合，最終獲得系統(tǒng)所需的位置、速度和姿態(tài)信息。組合導航系統(tǒng)軟件總體框圖如下圖2所示。系統(tǒng)軟件主要包括DSP底層驅(qū)動軟件和導航算法軟件兩部分。

圖2 組合導航系統(tǒng)軟件總體框圖

4.2 底層驅(qū)動軟件

底層驅(qū)動軟件是為了使導航算法程序能夠正常運行，實現(xiàn)系統(tǒng)導航功能，所必須做的一些初始化及與外圍器件通訊工作。主要包括對內(nèi)部寄存器的初始化賦值、中斷向量表的初始化、SPI接口、串口、定時器等片上資源的初始化，以及ARM處理器與慣性測量單元ADI164055、GPS接收機之間的通訊。

4.3 導航算法軟件

SINS／GPS組合導航的核心問題就是對導航系統(tǒng)誤差進行估計和補償，基于最優(yōu)估計理論的數(shù)據(jù)融合技術(shù)是解決這一問題的有效方法。通過對卡爾曼濾波算法的研究，針對本系統(tǒng)硬件所采用的慣性測量單元ADI16405的角速率陀螺精度低但數(shù)據(jù)更新率高，而GPS接收機定位精度較高而數(shù)據(jù)更新率卻低這一特點，為提高系統(tǒng)精度，設(shè)計了一種易于工程實現(xiàn)的雙速卡爾曼濾波器。該雙速卡爾曼濾波組合導航由三部分組成：慣導姿態(tài)解算部分、高速卡爾曼濾波部分和低速卡爾曼濾波部分。利用三軸角速度通過四元數(shù)算法解算出姿態(tài)角，與利用三軸加速度及三軸磁力計測得的姿態(tài)角進行姿態(tài)融合，融合結(jié)果對慣導漂移進行修正，既是所謂的高速融合，實現(xiàn)組合導航系統(tǒng)的姿態(tài)測量的更新，由于ADI16405的數(shù)據(jù)更新周期為20ms，因此，高速卡爾曼濾波器的執(zhí)行周期約為20ms。三軸加速度計輸出的加速度通過位置速度更新算法解算出慣導位置和速度，并與GPS信息中提取的位置和速度進行位置速度融合，對慣性測量組件自身引起的漂移進行二次修正，提高系統(tǒng)精度，完成位置和速度的更新，也即所謂的低速融合。由于GPS數(shù)據(jù)更新周期為4Hz，該低速卡爾曼濾波器執(zhí)行周期約為250ms。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)以國產(chǎn)ARM微處理器為數(shù)據(jù)采集與導航解算核心，基于微機電慣性測量單元ADI16405和GPS接收機等模塊，采用雙速卡爾曼濾波算法，成功實現(xiàn)了一種組合導航系統(tǒng)的設(shè)計，經(jīng)車載試驗和實際飛行測試表明，該系統(tǒng)具有體積小、精度高、實時性強的特點，較好地滿足了微型無人機的需求。

[1]徐科軍.TMS320X281XDSP原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005，3.

[2]李榮冰，劉建業(yè).基于MEMS技術(shù)的微型慣性導航系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].中國慣性技術(shù)學報，2004，（6）：88－93.

[3]孫麗，秦永元.捷聯(lián)慣導系統(tǒng)姿態(tài)算法比較[J].中國慣性技術(shù)學報，2006，（6）：6－8.

[4]韓松來.GPS和捷聯(lián)慣導組合導航新方法及系統(tǒng)誤差補償方案研究[D].長沙：國防科技大學，2010.

[5]夏琳琳.低成本AHRS／GPS緊耦合融合濾波技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2008.