基于ARM技術(shù)的捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)信號(hào)降噪分析與設(shè)計(jì)

龍俊銘++王宏松

摘 要： 利用ARM技術(shù)，設(shè)計(jì)了捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)。為了提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對(duì)陀螺信號(hào)的零位進(jìn)行校正以及對(duì)漂移進(jìn)行抑制。首先對(duì)加速度傳感器、磁場(chǎng)傳感器、陀螺輸出的信號(hào)進(jìn)行采樣與濾波，尤其在對(duì)陀螺信號(hào)的處理過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)高性能、低運(yùn)算量的低通數(shù)字濾波器，并合理設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路，以提高敏感器件的工作效率和有效抑制器件所引起的零位漂移。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，零位漂移≤0.1 （°）/s/h，其他的多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)也達(dá)到了應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞： 傳感器； 捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)； 零位漂移； 陀螺儀； ARM； ADXRS300； FIR

中圖分類(lèi)號(hào)： TN96?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）17?0072?03

Analysis and design of signal noise elimination for strapdown inertial

navigation system based on ARM technology

LONG Junming1， WANG Hongsong2

（1. Xiangnan University， Chenzhou 423000， China； 2. Chongqing Institute of Engineering， Chongqing 400056， China）

Abstract： The strapdown inertial navigation system （SINS） was designed by using ARM technology. To improve the stability of inertial navigation system， the zero position of the gyroscope signal is needed to correct， and the drift is restrained. Signals output from acceleration sensor， magnetic sensor and gyroscope should be sampled and filtered. A low?pass digital filter with high performance and low operation should be designed for processing the gyroscope signal， and the signal conditioning circuit is designed reasonably to improve operation efficiency of the sensitive components and restrain zero drift caused by the components effectively. The experimental results show that the zero drift≤0.1 （°）/s/h， and other technical indexes can achieve application standard.

Keywords： sensor； SINS； zero drift； gyroscope； ARM； ADXRS300； FIR

0 引 言

陀螺作為飛行設(shè)備中的關(guān)鍵部件，必須具有足夠的精度和較高的可靠性。因此，怎樣對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行零位校正以及抑制漂移，就成了一項(xiàng)非常重要的工作。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)陀螺零位漂移的規(guī)律，預(yù)置漂移速率，再由漂移抑制算法消除零位漂移。若采用預(yù)置方式來(lái)抑制陀螺的零位漂移，則必須做大量的試驗(yàn)，才能比較正確地得到陀螺的漂移規(guī)律，這種方法難度大、周期長(zhǎng)， 結(jié)果會(huì)導(dǎo)致陀螺成本大幅度提高。而本設(shè)計(jì)所采用的陀螺型號(hào)是ADXRS300，iMEMS微機(jī)械陀螺儀是ADI公司正在發(fā)展的動(dòng)態(tài)信號(hào)處理解決方案的一部分。iMEMS陀螺儀具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸、更低的成本。本文從陀螺儀自身的特性和運(yùn)載體工作的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)該方法的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用時(shí)需要注意的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出一種動(dòng)態(tài)的快速校零方法。

1 ADXRS300陀螺隨機(jī)漂移的統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)模型

的建立

由大量的實(shí)驗(yàn)可知，陀螺隨機(jī)漂移是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。在陀螺漂移測(cè)試中，每進(jìn)行一次試驗(yàn)，可以得出陀螺的零位漂移是一個(gè)緩變的直流分量，它隨時(shí)間的變化緩慢。根據(jù)陀螺的零位漂移這一特性，假設(shè)能夠從陀螺的輸出信號(hào)中提取這個(gè)直流分量，也就意味著可以找出陀螺的零位電壓。

陀螺隨機(jī)漂移由常值零漂和周期分量?jī)刹糠纸M成，陀螺的輸出信號(hào)還包括內(nèi)部噪聲（白噪聲和有色噪聲）以及各種外部干擾[1]。陀螺漂移（用[ε]來(lái)表示）的單位為（°）/h，在初始對(duì)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)，可以用式（1）表示陀螺隨機(jī)漂移的模型：

[ε（t）=ε0+Asin（2πft+θ0）+q（t）+δ?n（t）+N（t）] （1）

式中：[N（t）]為有色噪聲；[n（t）]為高斯白噪聲，其強(qiáng)度為[δ；][q（t）]為量化噪聲；[A]為周期分量的振幅；[θ0]為初始相位，[ε0]為陀螺常值零漂。

本文所采用的是iMEMs微機(jī)械陀螺儀，該陀螺的數(shù)字模型參數(shù)可參考：[ε0]=2.5，[A=]0.3，[f=200] Hz，[θ0=π，][δ]=0.2，對(duì)于有色噪聲[N（t）]是白噪聲通過(guò)非線性系統(tǒng)后產(chǎn)生的，因此有色噪聲[N（t）]可用下式表示：

[N（t）=fn（t），n（t-1）=4n（t-1）×sin（n（t））1+n2（t）] （2）

因?yàn)锳DXRS300陀螺的量程為[±300]（°）/s，比例因子在5 mV/（°）/s其量程在0～5.25 V之間，這里的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航儀的陀螺信號(hào)是A/D轉(zhuǎn)化的芯片，型號(hào)為12位的AD7888。這樣模擬的噪聲[q（t）]為：

[q（t）=5212×n（t）] （3）

式中[n（t）]為高斯白噪聲。

圖1是通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)iMEMS微機(jī)械陀螺儀的靜態(tài)輸出信號(hào)進(jìn)行仿真試驗(yàn)所得到的隨機(jī)漂移，其仿真長(zhǎng)度為2 048，采用頻率為100 Hz。

2 ADXRS300陀螺信號(hào)的數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波技術(shù)可以抑制載體的各種干擾信號(hào)，本文設(shè)計(jì)了FIR均值混合濾波，并用Matlab進(jìn)行算法仿真，通過(guò)這種濾波方法降低iMEMs陀螺噪聲[2]。

FIR均值濾波是由5個(gè)FIR子濾波器組成，F(xiàn)IR的數(shù)字濾波器表達(dá)式為：

[y（n）=i=0Nh（i）?x（n-i）] （4）

式中：[N]為FIR濾波器的抽頭個(gè)數(shù)；[x（n）]為第[n]時(shí)刻的輸入樣本；[h（i）]為FIR濾波器第[i]級(jí)抽頭系數(shù)。[h（i）]可由式（5）求得：

[h（i）=4k-6i+2k（k+1），i=0，1，2，…，k] （5）

本文采用的是增長(zhǎng)趨勢(shì)檢測(cè)FIR算法ITD（In Place Growing FIR Filter Based Trend Detection Algorithm），在此算法中，濾波器總的延遲是[2M+l，][M]表示濾波器的階數(shù)，[M]越大表示濾波的效果越好。3階FIR濾波器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ITD算法結(jié)構(gòu)提取算子：

[y（n）=x（n）y（n-1）=averagex（n），x（n-1），x（n-2）y（n-2）=average12x（n）+x（n-1），-x（n）+2?x（n-1），12x（n-3）+x（n-4），-x（n-3）+2?x（n-4）y（n-3）=average13x（n）+x（n-1）+x（n-2），13-2x（n）+x（n-1）+4x（n-2），13x（n-4）+x（n-5）+x（n-6），13-2x（n-4）+x（n-5）+4x（n-6]

試驗(yàn)平臺(tái)在靜止的情況下，以1 600 Hz的采樣頻率記錄40%個(gè)iMEMs陀螺靜態(tài)漂移數(shù)據(jù)，并在Matlab下取2 000個(gè)數(shù)據(jù)濾波，基于增長(zhǎng)趨勢(shì)檢測(cè)FIR算法ITD數(shù)據(jù)如圖3所示。

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)ITD濾波后方差為0.001 28，噪聲水平為0.012 [（°）/s/Hz。]以此可以看出ITD算法濾波效果明顯，并可將ITD算法采用C語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)。由于上述濾波算法執(zhí)行32個(gè)點(diǎn)需要2.16 ms，算法執(zhí)行的時(shí)間小于10 ms，完全滿足實(shí)時(shí)性的要求[3?4]。采用FIR均值混合濾波算法簡(jiǎn)單，執(zhí)行速度快，濾波器啟動(dòng)后算法快速達(dá)到穩(wěn)定，基本不存在窗口效應(yīng)，因此無(wú)論是離線仿真還是在動(dòng)態(tài)陀螺降噪系統(tǒng)應(yīng)用中都取得了較好的效果，噪聲水平可以達(dá)到0.012 （°）/s[/Hz]。

3 ADXRS300陀螺信號(hào)處理系統(tǒng)的硬件和軟件

開(kāi)發(fā)平臺(tái)

ADXRS300陀螺信號(hào)處理系統(tǒng)的核心是基于PHILIPS公司生產(chǎn)的ARM7芯片，型號(hào)為L(zhǎng)PC2148，對(duì)陀螺信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集處理，硬件框圖如圖4所示。在軟件仿真上，算法仿真由Matlab完成，Matlab憑借其功能強(qiáng)大的數(shù)值運(yùn)算能力，可以使得抑制陀螺隨機(jī)漂移算法變得更加直觀[5]。

本文設(shè)計(jì)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)充分利用了LPC2148資源，整個(gè)系統(tǒng)共占用系統(tǒng)63%資源，圖5為整個(gè)捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)傳感器和處理電路的PCB圖。

圖5中所標(biāo)注的是[X，][Y，][Z]三軸陀螺輸出信號(hào)，分別為[VX，][VY，][VZ，]經(jīng)過(guò)AD7888后，LPC2148模擬出I2C接口，對(duì)AD7888進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，并采取相應(yīng)算法計(jì)算出三軸陀螺的凈輸出信號(hào)。

4 結(jié) 論

iMEMS微機(jī)械陀螺儀組合信號(hào)校正模塊制作完成后，裝入三軸陀螺組合，進(jìn)行了反復(fù)多次試驗(yàn)和測(cè)試，試驗(yàn)證明其能夠較好地完成微機(jī)械陀螺零位校正和漂移抑制[6]，并達(dá)到了如下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：

測(cè)量的范圍為±300 （°）/s；分辨率≤0.03 （°）/s；靈敏度≤0.03 （°）/s；線性度≤0.2 （°）/s/g；零位電壓≤0.1 （°）/s；零位漂移≤0.1 （°）/s/h；工作溫度為-45°～85°。

參考文獻(xiàn)

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