王曉娟，馬游春，索艷春，郭 淳

（中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

基于MEMS傳感器的實(shí)時(shí)位置解算系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王曉娟，馬游春，索艷春，郭 淳

（中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

為適應(yīng)實(shí)際工程應(yīng)用中導(dǎo)航系統(tǒng)小型化、低成本和高性能的要求，設(shè)計(jì)一種基于MEMS陀螺儀和加速度計(jì)的微慣性導(dǎo)航解算系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)成本、計(jì)算速度、體積功耗等各方面的因素，該系統(tǒng)以FPGA作為核心控制，用DSP完成導(dǎo)航解算，通過串口將解算結(jié)果回傳上位機(jī)進(jìn)行姿態(tài)、速度、位置實(shí)時(shí)顯示，并進(jìn)行實(shí)地跑車試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際測試要求，完成系統(tǒng)在自檢、對(duì)準(zhǔn)、導(dǎo)航3種不同狀態(tài)下DSP程序的編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于DSP/FPGA的微慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠滿足應(yīng)用的要求，行車實(shí)驗(yàn)中車輛行駛100s，最終位置誤差絕對(duì)值小于25m，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)位置解算系統(tǒng)的功能并縮小體積，降低成本。

微慣性導(dǎo)航；數(shù)據(jù)傳輸；實(shí)時(shí)性；MEMS傳感器

0 引 言

慣性導(dǎo)航以其既不需要外界信息，也不向外輻射信息，隱蔽性好的特點(diǎn)，成為導(dǎo)航領(lǐng)域的主要導(dǎo)航方式。隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入到小型化、低功耗、低成本的時(shí)代，并廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代航天、航海、航空等領(lǐng)域。

目前國外在MEMS技術(shù)方面已經(jīng)有了較深的研究，主要是向高準(zhǔn)確度以及高集成度的方向發(fā)展，尤為突出的就是MEMS陀螺的發(fā)展。美國的Draper實(shí)驗(yàn)室最早開始研究微慣性導(dǎo)航，并將微慣性導(dǎo)航與GPS導(dǎo)航組合起來，不僅將其應(yīng)用于制導(dǎo)炮彈上，而且進(jìn)一步發(fā)展，將其應(yīng)用于城市地面作戰(zhàn)的單兵武器上，加強(qiáng)士兵的城市巷戰(zhàn)；integrated guidance system LLC利用Honeywell研究的矢量跟蹤算法和Rockwell Collins的抗干擾接收機(jī)，制造了組合導(dǎo)航系統(tǒng)，大量應(yīng)用于無人機(jī)、微型飛行器等載體的導(dǎo)航[1-2]。但是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路構(gòu)成、集成等技術(shù)方面仍存在諸多弊端，有待進(jìn)一步解決。

而國內(nèi)針對(duì)MEMS技術(shù)的研究起步較晚，經(jīng)過多年的努力，雖然在微型慣性器件和慣性測量組合方面取得了很好的成效，但由于研究基礎(chǔ)薄弱，導(dǎo)致我國在技術(shù)方面跟國外相比還有一定的差距，主要體現(xiàn)在批量生產(chǎn)時(shí)性能的穩(wěn)定性和器件的完好率方面。早期的SINS對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確度要求不是很高，需要進(jìn)行的數(shù)據(jù)處理不是很復(fù)雜，所以使用單處理器系統(tǒng)就可以滿足要求，多數(shù)使用Inter系列的處理器或是PowerPC作為導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的核心[3-4]。但此類導(dǎo)航計(jì)算機(jī)體積和功耗很大，不僅不能滿足導(dǎo)航系統(tǒng)小型化的要求，而且由于其功耗大，產(chǎn)生的熱量會(huì)提高硬件平臺(tái)的溫度，影響導(dǎo)航系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)了一款導(dǎo)航計(jì)算機(jī)[5-6]，以單片機(jī)C8051F021作為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，以DSP TMS320VC5416為數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的復(fù)雜運(yùn)算，其大小為80mm×80mm，功耗小于2 W，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)航準(zhǔn)確度的要求。西北工業(yè)大學(xué)和東南大學(xué)都制作完成了ARM+DSP的雙處理器導(dǎo)航計(jì)算機(jī)[7-8]，制作了高準(zhǔn)確度、小體積、低功耗的組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

基于目前MEMS慣性器件的發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要是從該器件的體積、功耗、可靠性以及集成性等方面做了進(jìn)一步研究，完成了基于DSP和FPGA的微慣性導(dǎo)航解算系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計(jì)，并完善了上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示軟件。在系統(tǒng)調(diào)試及測試過程中，系統(tǒng)軟硬件工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了慣導(dǎo)系統(tǒng)的基本功能。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由DSP+FPGA架構(gòu)而成，DSP專注于捷聯(lián)算法解算，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)控制整個(gè)系統(tǒng)的精確時(shí)序邏輯，配合DSP豐富的外部中斷資源，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信息的實(shí)時(shí)提取、解算和輸出。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示，該慣性測量單元由3個(gè)單軸陀螺儀和3個(gè)單軸電容式加速度計(jì)組成，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)兩兩正交的3個(gè)平面上，每個(gè)平面安裝1個(gè)加速度計(jì)和1個(gè)陀螺儀。微慣性測量單元采集到的6路模擬電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊后進(jìn)入A/D采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后將數(shù)字化的導(dǎo)航信息存入A/D內(nèi)部自帶FIFO中，一旦FPGA檢測到模數(shù)轉(zhuǎn)換完成，觸發(fā)DSP中斷，隨后DSP將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)讀入，采用“四元數(shù)”法進(jìn)行姿態(tài)解算，通過比力變換、積分運(yùn)算確定載體的姿態(tài)、速度、位置信息[9-10]。DSP的寫信號(hào)與FPGA相連，DSP響應(yīng)FPGA的中斷，將解算結(jié)果寫入FPGA的2個(gè)FIFO中。FPGA將DSP回傳的導(dǎo)航解算結(jié)果從FIFO2中取出寫入外接Flash，同時(shí)通過模擬串口將FIFO1中數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。外接Flash保存了導(dǎo)航解算的原始數(shù)據(jù)，便于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

該系統(tǒng)主要由電源模塊，數(shù)據(jù)采集解算模塊，串口通信模塊構(gòu)成。系統(tǒng)以FPGA為主控單元，通過FPGA豐富的邏輯功能進(jìn)行精確的時(shí)序控制，配合DSP在數(shù)據(jù)處理方面快速、高精度的優(yōu)勢及其豐富的中斷資源，進(jìn)行了多種導(dǎo)航信息之間的相互融合，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)、速度、位置的實(shí)時(shí)解算。其中，F(xiàn)PGA完成了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)序邏輯控制、中斷信號(hào)控制、數(shù)據(jù)的緩存和模擬串口進(jìn)行外部通信。

2.1 電源模塊

本系統(tǒng)采用外接電源供電，由于供電電源與A/D轉(zhuǎn)換芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓是緊密相連的，基準(zhǔn)電壓噪聲電平的大小決定了ADS的采樣精度，所以為了提高采樣精度，選用TI公司生產(chǎn)的高功率、高性能、低噪聲電壓轉(zhuǎn)換芯片REG104-5，輸出噪聲峰-峰值小于33μV，滿足本設(shè)計(jì)需求。REG104-5輸出端與2片MAX8882級(jí)聯(lián)，將5 V穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換為FPGA工作所需的3.3V和2.5V以及DSP工作所需的3.3V和1.8V。微慣性測量傳感器和ADS8365等芯片則直接由REG104-5的5 V穩(wěn)壓輸出供電，電源模塊原理圖如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集及解算模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)微慣性傳感器的高精度數(shù)據(jù)采集，設(shè)計(jì)了以O(shè)PA4340為運(yùn)算放大器，2片6路輸入、16位高精度輸出的ADS8365為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，Xilinx的XC2S30和DSP TMS320VC33為控制器的數(shù)據(jù)采集電路。由微慣性傳感器輸入的6路模擬信號(hào)和2路溫度信號(hào)經(jīng)過濾波、放大處理后，通過ADS8365進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，AD的工作模式設(shè)置為FIFO模式，量化后的數(shù)字信號(hào)以8位并行方式經(jīng)由數(shù)據(jù)總線直接送入DSP中處理，保證了數(shù)據(jù)讀取的實(shí)時(shí)性。DSP通過計(jì)數(shù)器1給AD提供5kHz的HOLD信號(hào)（啟動(dòng)轉(zhuǎn)換)，控制了該系統(tǒng)的采樣率為5kS/s；通過計(jì)數(shù)器0輸出5MHz的CLK信號(hào)作為AD的外部時(shí)鐘信號(hào)。當(dāng)ADS8365工作在FIFO模式下時(shí)，判斷到/HOLD為低電平，則會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)通道開始一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后會(huì)產(chǎn)生AD-EDC信號(hào)，經(jīng)FPGA判斷后觸發(fā)DSP外部中斷/INT0，DSP將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出送入內(nèi)部RAM中，數(shù)據(jù)采集階段完成。在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后的第30μs打開中斷/INT2，把DSP解算后的結(jié)果送入FPGA內(nèi)部FIFO中[11]。

2.3 串口通信模塊

本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA利用MAX232芯片將串口設(shè)備需要發(fā)送的TTL/CMOS電平與RS232電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，將FPGA內(nèi)部FIFO中的并行數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后提供給上位機(jī)。串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘通過FPGA對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘（晶振時(shí)鐘)進(jìn)行分頻得到，與上位機(jī)通信所采用的波特率一致（115200b/s)，實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘同步。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，將慣性傳感器所敏感到的電壓值通過標(biāo)度因數(shù)和零點(diǎn)轉(zhuǎn)化為載體坐標(biāo)系中的加速度和角速率的值，角速率積分得到姿態(tài)角，進(jìn)一步處理得到載體坐標(biāo)系與導(dǎo)航坐標(biāo)系之間的姿態(tài)變換矩陣，通過姿態(tài)變換矩陣對(duì)四元數(shù)進(jìn)行更新；然后將由加速度計(jì)敏感到的電壓值轉(zhuǎn)換得到的比力信息通過坐標(biāo)變換得到導(dǎo)航坐標(biāo)系下的比力信息，扣去重力分量的影響，再通過速度方程和位置方程，得到導(dǎo)航坐標(biāo)系下的實(shí)時(shí)速度與位置信息[12-13]。TMS320VC33的導(dǎo)航參數(shù)解算流程圖如圖3所示。

圖2 電源模塊原理圖

圖3 DSP解算流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 硬件平臺(tái)搭建

本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)物焊接與調(diào)試。電路板分為模擬板和數(shù)字板兩部分，電源轉(zhuǎn)換芯片、穩(wěn)壓模塊、數(shù)據(jù)采集模塊在模擬板上；時(shí)序邏輯及中斷控制模塊FPGA和導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算模塊DSP等在數(shù)字板上，模擬板與數(shù)字板通過打孔用線連接。本系統(tǒng)布板階段考慮了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的隔離，一方面，通過合理布線和接地能有效抑制噪聲干擾；另一方面，將模擬部分與數(shù)字部分獨(dú)立為兩塊電路板，這樣既能顯著減小整個(gè)系統(tǒng)的體積，又能對(duì)信號(hào)的隔離起到一定作用。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性，將電路板放入鋁質(zhì)結(jié)構(gòu)中，DSP、FPGA、Flash、電源等各類接口通過軍座引出。

立足于實(shí)際工程項(xiàng)目背景，設(shè)計(jì)了以下跑車實(shí)驗(yàn)流程。首先，通過工裝將微慣導(dǎo)系統(tǒng)與試驗(yàn)車固連，保證微慣導(dǎo)系統(tǒng)與試驗(yàn)車三維軸軸向重合。傾角傳感器通過串口與FPGA相連，并與微慣導(dǎo)系統(tǒng)安裝到同一平面上，以便后續(xù)初始姿態(tài)角的測量與裝訂。

微慣導(dǎo)系統(tǒng)上電并經(jīng)過DSP程序初始化后，上位機(jī)通過串口向微慣導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)送對(duì)準(zhǔn)命令字，經(jīng)過字符判定，DSP進(jìn)入初始對(duì)準(zhǔn)程序模塊，傾角傳感器給出的初始姿態(tài)角通過串口進(jìn)行初始裝訂。初始對(duì)準(zhǔn)階段結(jié)束后微慣性系統(tǒng)進(jìn)行判斷，當(dāng)讀到上位機(jī)發(fā)送的導(dǎo)航命令字時(shí)，DSP進(jìn)入跑車導(dǎo)航程序模塊，完成ADC電壓信號(hào)到導(dǎo)航參數(shù)的轉(zhuǎn)換以及載體三維運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)解算，在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)載體運(yùn)動(dòng)信息的實(shí)時(shí)顯示[14]。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在校園內(nèi)進(jìn)行，每次實(shí)驗(yàn)均按照初始對(duì)準(zhǔn)350s，跑車100s的流程進(jìn)行，跑車路段可近似為直線。本文所設(shè)計(jì)的導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的導(dǎo)航信息經(jīng)過Matlab繪制成圖。其中，圖4依次是北、天、東3個(gè)方向上的速度隨時(shí)間變化圖；圖5是3個(gè)姿態(tài)角 （滾轉(zhuǎn)、航向、俯仰)隨時(shí)間變化圖；圖6依次分別是北、天、東3個(gè)方向解算出的載體位置隨時(shí)間變化圖。圖4～圖6在前350 s系統(tǒng)處于初始對(duì)準(zhǔn)階段。在350s載體試驗(yàn)車開始運(yùn)動(dòng)，各個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)正常輸出，反映在圖像上就是曲線的起伏變化。

校園實(shí)際經(jīng)緯度為東經(jīng) 112°53′，北緯 37°89′，100 s跑車實(shí)驗(yàn)后，解算得到的經(jīng)緯度起點(diǎn)與終點(diǎn)無明顯差異。取出5組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表1所示。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)100s內(nèi)位置誤差絕對(duì)值小于25 m，能夠滿足中低誤差導(dǎo)航系統(tǒng)的要求[15]。

圖4 跑車實(shí)驗(yàn)三軸速度解算

圖5 跑車實(shí)驗(yàn)三軸姿態(tài)角解算

圖6 跑車實(shí)驗(yàn)三軸位置解算

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文所設(shè)計(jì)的基于MEMS傳感器的實(shí)時(shí)位置解算系統(tǒng)大小為60mm×80mm，功耗為1.8W。與現(xiàn)有同類的研究結(jié)果對(duì)比，南京航空航天大學(xué)設(shè)計(jì)的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)大小為80 mm×80 mm，功耗小于2 W[16]。從誤差上來講，兩者均能達(dá)到百秒位置解算誤差小于30m，但本文研究成果略優(yōu)于國內(nèi)同類型。

本系統(tǒng)基于FPGA+DSP架構(gòu)，傳感器為MEMS慣性器件，在小體積、低成本、低功耗方面有突出優(yōu)勢。同時(shí)，由于FPGA的多線程并行處理模式，使得本系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸和讀寫能力增強(qiáng)，速度加快，優(yōu)于一般CPU只有單片機(jī)的同類系統(tǒng)。

5 結(jié)束語

本文提出了一種DSP與FPGA相結(jié)合的微慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，F(xiàn)PGA可編程器件的使用簡化了電路設(shè)計(jì)，同時(shí)有效減輕了DSP的負(fù)擔(dān)，使其專注于導(dǎo)航計(jì)算與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)判斷，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性。搭建了慣性測量組合，模擬數(shù)據(jù)采集模塊以及上位機(jī)實(shí)驗(yàn)與顯示平臺(tái)，實(shí)地跑車實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，由于MEMS傳感器的固有特性降低了系統(tǒng)的體積與成本，但是也限制了系統(tǒng)的導(dǎo)航準(zhǔn)確度。下一步考慮將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與高準(zhǔn)確度的母慣導(dǎo)系統(tǒng)搭載在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)做對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證本設(shè)計(jì)能夠滿足導(dǎo)航系統(tǒng)一般準(zhǔn)確度的定位定向需求，并在低成本、高性能、小型化等方面有很大優(yōu)勢。

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Design and implementation of real-time position solution system based on MEMS sensors

WANG Xiaojuan， MA Youchun， SUO Yanchun， GUO Chun
（School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to meet the requirements of miniaturization，low cost and high performance of navigation system in practical engineering applications，a micro inertial navigation solution system based on MEMS gyroscope and accelerometeris designed.In view ofthe system cost，computation speed， volume work loss and other aspects of factors， the system takes FPGA as the core control， uses DSP to complete the navigation solution， and passes back the solution results through serial port to the host computer for real-time display of posture，speed and position.Besides， field driving test is also carried out.According to the actual test requirements， the preparation of DSP program under self-test，alignment and navigation states is completed.Test results show that the micro inertial navigation system based on DSP/FPGA can meet application requirements， vehicles are driven for 100s during driven test， and the absolute error of the final position is less than 25 m.The function of the real-time position solution system is realized，the volume and the cost are reduced.

micro inertial navigation； data transmission； real-time；MEMS sensor

A

1674-5124（2017）10-0069-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.014

2016-12-08；

2017-02-10

山西省青年基金項(xiàng)目（2012021013-6)

王曉娟（1989-)，女，山西平遙市人，碩士研究生，專業(yè)方向?yàn)閿?shù)據(jù)采集。

（編輯：商丹丹）