SINS/GPS組合導航系統(tǒng)的硬件設(shè)計

劉 義，王 玲，趙艷霞，郝永平

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159)

?

SINS/GPS組合導航系統(tǒng)的硬件設(shè)計

劉 義，王 玲，趙艷霞，郝永平

(沈陽理工大學 自動化與電氣工程學院，沈陽 110159)

介紹了基于微慣性測量單元(MIMU)和全球定位系統(tǒng)(GPS)組合導航系統(tǒng)的硬件設(shè)計。根據(jù)組合導航的特點和控制的要求，設(shè)計出基于TMS320C6713BGDP的導航計算機模塊和數(shù)據(jù)采集處理模塊，詳細闡述了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計思想和基本工作原理，簡單介紹了組合導航系統(tǒng)的基本原理和軟件實現(xiàn)的流程圖。仿真結(jié)果表明，該硬件電路的設(shè)計符合組合導航系統(tǒng)的性能指標要求，并且具有體積小、成本低、重量輕等優(yōu)點。

微慣性測量單元；全球定位系統(tǒng)；DSP；組合導航

近年來，Georgia Tech (喬治亞理工學院)、MIT(麻省理工學院)等研究單位合作開發(fā)了一套小型化導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)由處理器板和傳感器板組成，該導航系統(tǒng)性能指標如下：導航參數(shù)輸出是 100Hz；板尺寸如信用卡大小，為 55mm×85mm；系統(tǒng)尺寸為寬 60mm，長90mm，高32mm；系統(tǒng)重量僅為 120g[1]。20 世紀 80 年代末期，我國開始 MEMS(微機電系統(tǒng))慣性器件研制，經(jīng)過 20多年的發(fā)展，在理論研究、原理樣機開發(fā)等方面取得了一定的成果，初步具備工業(yè)生產(chǎn)的能力，但與工業(yè)發(fā)達國家相比在微型化、高精度、可靠性等各方面有很大差距[1]。由于慣性器件精度不是很高，有很大的誤差，GPS易受外界環(huán)境的影響，單個的導航系統(tǒng)無法完成較高精度的導航任務(wù)，所以提出了組合導航系統(tǒng)。組合導航系統(tǒng)是由多個傳感器組成的信息融合系統(tǒng)。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性較好、重量輕、成本低、易于維修等特點，在一些武器中得到了實際的應用。近幾年來，隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，MIMU得到了迅速的發(fā)展，其應用領(lǐng)域也在不斷地擴大。由于MIMU的精度不是很高，其定位的誤差是隨著時間而變化的，因此單個的MIMU導航系統(tǒng)難以完成高精度、長時間的導航任務(wù)[2]。MIMU的缺點是自主性差，抗干擾能力弱，接收機的數(shù)據(jù)更新時間長，難以滿足導航系統(tǒng)的實時性。全球定位系統(tǒng)(GPS)是高精度實時衛(wèi)星導航系統(tǒng)，定位的誤差與時間無關(guān)。MIMU 和 GPS 兩者構(gòu)成的組合導航系統(tǒng)的優(yōu)點是克服了兩者單獨工作時的缺點，兩者相互取長補短，能夠完成較高精度、長時間的導航任務(wù)。本設(shè)計在采用DSP來進行數(shù)據(jù)采集和處理與以往的組合導航系統(tǒng)相比不但降低了成本而且減小了體積。

1 系統(tǒng)概述

該組合導航系統(tǒng)由GPS、卡爾曼濾波器和SINS三部分組成，組合導航原理框圖如圖1所示，其工作原理是當GPS的數(shù)據(jù)更新時，利用卡爾曼濾波估算本系統(tǒng)的誤差，用來反饋控制。

圖1 組合導航原理框圖

SINS和GPS獨立實現(xiàn)導航的信息計算，由卡爾曼濾波來處理兩種導航數(shù)據(jù)的差值，從而估算出系統(tǒng)的誤差，最后由系統(tǒng)進行校正。SINS和GPS的組合模式實現(xiàn)起來簡單，很好地解決了兩者的缺點，而且提高了系統(tǒng)的精度[3-4]。該組合導航系統(tǒng)的性能指標是實現(xiàn)導航系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，整個系統(tǒng)以DSP為核心，構(gòu)成導航計算機和數(shù)據(jù)采集處理模塊。根據(jù)系統(tǒng)的需要分為以下3個部分：彈載機的設(shè)計、數(shù)據(jù)采集模塊、GPS模塊。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的硬件電路實物如圖3所示。

圖3 硬件電路實物

2.1 導航計算機模塊的設(shè)計

DSP最突出的兩大特色是擁有強大的數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度[5]。本設(shè)計采用TMS320C6713BGDP，工作主頻最高達300MHz，處理性能可達2400MIPS，實現(xiàn)高速運算和大容量存儲。擁有豐富的外設(shè)計，包括2個McBSP(多通道緩沖串口)，2個McASPs(多聲道音頻串行端口)，2個內(nèi)部集成電路(I2C)總線，一個專用通用輸入/輸出(GPIO)模塊，2個通用定時器，主機接口(HPI)，以及1個能夠與SDRAM、SBRAM、FLASH、異步外設(shè)無縫連接的EMIF(外部存儲器接口)[6]。為了提高DSP的運行速度和存儲空間，外擴了SDRAM和FLASH。FLASH選用AMD公司的AM29LV160B(BGA封裝)，其類型為NOR-FLASH，容量為1M×16Bit，最快訪問速度達70ns，具有1000000次擦寫壽命。器件符合CFI和JEDEC標準，具有軟件編程，狀態(tài)指示，硬件復位等功能。采用0.32μm的CMOS制作工藝，供電電壓為2.7～3.6V，大小為8mm×9mm。SDRAM選用Micron公司的MT48LC4M32B2，其組織結(jié)構(gòu)為1M×32bit×4banks，容量為16MB，數(shù)據(jù)接口位寬為32位，工作在133MHz總線頻率時，可提供最高4256Mb/s帶寬。器件支持迸發(fā)長度為1、2、4、8或整頁的突發(fā)訪問模式，完全滿足本系統(tǒng)對高速存儲器的要求,大小為22mm×11mm。導航計算機模塊、FLASH和SDRAM與外部存儲接口EMIF電路圖如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 導航計算機模塊的電路圖

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊是對陀螺儀和加速度計輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為DSP能接收的數(shù)字信號。設(shè)計時需要考慮慣性器件輸出信號的動態(tài)范圍和帶寬。慣性器件的有用信號一般處于低頻段，通過設(shè)定帶寬和設(shè)計低通濾波器來濾掉高頻的干擾信號。

圖5 EMIF與FLASH連接電路圖

圖6 EMIF與SDRAM連接電路圖

DSP的EMIF數(shù)據(jù)線和片選信號、DSP接收的數(shù)字信號的時序圖如圖7所示。

圖7 時序圖

慣性器件的精度直接影響系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)采用ADI公司的單軸微慣性測量單元陀螺(ADXR620)和加速度(AD22279)，其精度可以滿足低速飛行器的要求。其中陀螺的量程為±300°/s,抗沖擊過載為2000g，非線性誤差為0.1%；加速度計的量程為±35g，單片集成了差分結(jié)構(gòu)的加速度計基本單元、增益控制電路、調(diào)理電路和截止頻率為400Hz的貝塞爾濾波器。AD22279具有集成度高、可靠度高、噪聲小、外部電路簡單等優(yōu)點。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的位數(shù)關(guān)系到采集數(shù)據(jù)的精度，AD7606采用ANALOG DEVICES公司的產(chǎn)品，它的功能是16位、8個通道的同步采樣模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其內(nèi)置模擬輸入箝位保護、跟蹤放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、靈活的數(shù)字濾波器、具有高速串行和并行接口。由加速度計和陀螺輸出的模擬信號連接到AD7606的模擬輸入端進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后由AD7606的16位數(shù)據(jù)線和片選信號分別連接DSP的EMIF數(shù)據(jù)線和片選信號來進行數(shù)據(jù)的采集，最后由DSP進行處理。電路圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集處理電路圖

2.3 GPS模塊

本系統(tǒng)選用B1/B3/GPS/GLONASS三模四頻衛(wèi)星導航接收模塊，具有BeiDou、GPS、GLONASS三系統(tǒng)定位、雙系統(tǒng)定位、單系統(tǒng)定位等七種定位模式。支持B3長碼；具有自主完好性檢測(RAIM)功能；可在不同動態(tài)條件下捕獲、跟蹤衛(wèi)星信號；具有空間和時間坐標轉(zhuǎn)換功能；具有衛(wèi)星星歷和歷書存儲功能；原始數(shù)據(jù)輸出功能；接受外部指令改變工作狀態(tài)；具有自檢功能。定位精度高、啟動時間短、體積小、功耗低、性能可靠、適應各類載體，具有窄帶抗干擾和防欺騙能力。其更新頻率為1Hz，原理簡單易于實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸通過RS232接口來實現(xiàn)。

3 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

當主程序初始化后，DSP首先進行初始對準，通過DSP的計算推算出彈體的初始姿態(tài)。本系統(tǒng)的GPS的數(shù)據(jù)每1s刷新一次，MIMU模塊的數(shù)據(jù)每10s更新一次，因此要在軟件上實現(xiàn)GPS的優(yōu)先級要高于MIMU模塊?？柭鼮V波的采樣設(shè)計是一定要和GPS的更新速率一致。采集到的數(shù)據(jù)由SINS進行解算，解算出其速度、位置，最后由RS232串口輸出。GPS的數(shù)據(jù)更新時，利用卡爾曼濾波估算本系統(tǒng)的誤差，用來反饋控制。本系統(tǒng)只要有GPS信號的存在，就必須利用GPS信號對MIMU的信號進行實時校正，控制慣導誤差由于時間累積導致的發(fā)散特性。在本系統(tǒng)GPS的優(yōu)先級要高于定時器中斷優(yōu)先級，從而保證系統(tǒng)的精度[7]。

4 實驗仿真及結(jié)果

為了驗證該系統(tǒng)工作的性能指標，利用實驗室的三軸轉(zhuǎn)臺對該組合導航系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)性能良好。陀螺儀和加速度計的實驗仿真如圖10、圖11所示。

圖10 陀螺儀仿真圖

圖11 加速度計仿真圖

最后進行跑車實驗表明具有較高的定位精度。仿真圖如圖12所示。

圖12 跑車實驗仿真圖

通過兩組實驗證明：與以往的導航系統(tǒng)相比，該組合導航系統(tǒng)具有小型化、低成本、實時性、穩(wěn)定性，能夠滿足定位和導航的要求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用計算平臺和陀螺、加速度計和GPS接收機等多種傳感器，利用DSP芯片實現(xiàn)了導航數(shù)據(jù)信息的實時采集、解算和數(shù)據(jù)融合，信號的采集和處理可同時實現(xiàn)，實現(xiàn)系統(tǒng)的快速性。本系統(tǒng)拋棄了以往的DSP+FPGA或DSP+CPLD進行數(shù)據(jù)采集和處理的模式。實驗結(jié)果表明本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，對導航信息能夠?qū)崟r處理，能夠提供穩(wěn)定、高質(zhì)量的導航信息，具有一定的應用價值。

[1]王菲.SINS/GPS組合導航系統(tǒng)研究[D].北京:北京理工大學,2015.

[2]彭允祥.捷聯(lián)慣導與導航衛(wèi)星組合技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].導彈與航天運載技術(shù),1999(4):58-62.

[3]秦永元,張洪鉞,汪叔華.卡爾曼濾波與組合導航系統(tǒng)[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,1998:44-56.

[4]秦永元.慣性導航[M]北京:科學出版社，2006:58-64.

[5]劉向宇.DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009:1-15.

[6]三恒星科技.TMS320C6713DSP原理與應用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社，2009.

[7]鐘樂,胡延霖,陳永明,等.一種基于DSP的SINS/GPS組合導航系統(tǒng)實現(xiàn)[J].船舶電子工程,2011(2):55-57.

(責任編輯：馬金發(fā))

The Hardware Design of SINS/GPS Navigation System

LIU Yi,WANG Ling,ZHAO Yanxia,HAO Yongping

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Hardware design of integrated navigation is introduced by the micro inertial measurement unit (MIMU) and global positioning system (GPS).According to the characteristics and control requirements of the integrated navigation,navigation computer module and data collection and processing module are designed by TMS320C6713BGDP.Hardware design idea and basic principle in detail are expounded,which introduces basic principle of integrated navigation system and software flow chart.The application shows that,hardware circuit designing can meet the requirements of the performance index of the integrated navigation system,which has the advantages of small volume,low cost,light weight.

micro inertial measurement unit;global positioning system;DSP;integrated navigation

2015-11-25

國家863計劃資助項目(2009AA04Z167)

劉義(1989—)，男，碩士研究生；通訊作者：王玲(1960—)，男，教授，研究方向：嵌入式計算機應用及非線性控制系統(tǒng)。

1003-1251(2016)05-0001-05

V249.3

A