MEMS-IMU/GPS/GPRS組合導航方案設計與實現(xiàn)

一、引言

微機電系統(tǒng)（Microelectro Mechanical System,MEMS）慣性器件具有尺寸小、重量輕、成本低、功耗低等特點，是實現(xiàn)低成本導航的主要發(fā)展方向[1,2]。但相對于傳統(tǒng)慣性導航系統(tǒng)，MEMS-IMU 的精度和穩(wěn)定性還比較低，導航誤差隨時間快速增長。另一種得到廣泛使用的導航設備是GPS，GPS的定位誤差不隨時間增長，但信號易受外界條件干擾且數(shù)據(jù)輸出率比較低。

基于MEMS 技術(shù)的IMU 和GPS 構(gòu)成的組合導航系統(tǒng)，不僅結(jié)合了GPS 的定位精度高和誤差無積累的特點，還結(jié)合了慣性導航的自主性和實時性的優(yōu)點，而且使導航系統(tǒng)的成本下降，可靠性增加，精度得到提高[3]。

對于低成本的MEMS-IMU在性能和精度上仍存在缺點，如數(shù)據(jù)輸出中存在野值現(xiàn)象和較大的常值漂移，嚴重地影響了系統(tǒng)的正常工作和精度，因此對MEMS-IMU輸出的數(shù)據(jù)應進行預處理[4]。

GPS單點定位也叫絕對定位，就是采用一臺接受機進行定位的模式，它所確定的是接受機天線在WGS-84世界大地坐標系統(tǒng)中的絕對位置。外業(yè)觀測的組織和實施較為方便，數(shù)據(jù)處理較為簡單。其缺點是定位精度較低，可通過差分技術(shù)提高定位精度。

通用分組無線業(yè)務(GPRS , General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡基礎上疊加的一個專為高速數(shù)據(jù)通信而設計的新的網(wǎng)絡，其充分利用了現(xiàn)有移動通信網(wǎng)的設備，通過在GSM 網(wǎng)絡上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網(wǎng)絡邏輯實體[5]。按數(shù)據(jù)量計費，可以作為GPS/IMU數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄巍?/p>

本文針對GPS和MEMS-IMU系統(tǒng)各自存在的缺點，基于GPRS技術(shù)提出了一個組合導航方案，分別對GPS和IMU數(shù)據(jù)進行實時接收。實驗表明，組合系統(tǒng)工作正常并且達到了一定的精度，適用于低精度和短時間導航應用場合。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與方案

低成本MEMS-IMU/GPS/GPRS組合導航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)據(jù)獲取模塊、數(shù)據(jù)集成發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)融合處理模塊[6,7,8,9]。

IMU模塊：采用MP6050，包含3軸陀螺儀、3軸加速儀、3軸電子羅盤以及氣壓計、溫度計以及微處理單元，可用于測量載體的線加速度和角速度。模塊內(nèi)部整合了16位的ADC傳感器允許陀螺儀和加速度計的實時采樣，提高了測量精度以及實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時性。模塊更提高了溫度計的偏度和靈敏度及穩(wěn)定性，這樣就降低了用戶校正的需求。此外，MP6050提升了陀螺儀在低頻噪聲的表現(xiàn)，減少了粗差出現(xiàn)的概率；還擁有程式控制的低通濾波器，讓用戶可根據(jù)自己的需求進行二次開發(fā)。

SIM908模塊：SIM908是一款集成GPS導航技術(shù)的四頻GSM/GPRS模塊。硬實物如圖2。SIM908每秒輸出1次NMEA-0183格式的GPS定位信息。$GPGGA和$GPRMC語句包含了系統(tǒng)所需的主要信息，如緯度、經(jīng)度、速度、方向、時間等。標稱定位精度為2.5m CEP。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和硬件資源，本文所做的工作主要包括以下三個部分：

（1）以SIM908為載體，利用單片機STM32F103作為中央處理器，集成IMU模塊，實時接收、提取GPS和IMU數(shù)據(jù)，之后通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務器；

（2）建立GPS/IMU數(shù)據(jù)預處理模型和組合導航模型；

（3）實驗驗證。

三、GPS/IMU數(shù)據(jù)提取方法

1、設計GPS數(shù)據(jù)接收并提取信息的思路

根據(jù)6種特殊語句中各不相同的標識符，判斷接收到的語句是哪一種語句并且知道該語句當中是否包含我們需要的信息，繼而編寫函數(shù)提取我們需要的信息即可[10]。

2、IMU數(shù)據(jù)接收設計思路

IMU每次會向外發(fā)送兩幀數(shù)據(jù)，一幀是原始數(shù)據(jù)，包含加速計、陀螺儀、電子羅盤、氣壓計等讀數(shù)；一幀則是經(jīng)過解算后的數(shù)據(jù)，包含姿態(tài)角、速度。而每個數(shù)據(jù)都被分解成高位和低位，并且每幀數(shù)據(jù)都有校驗和?？紤]到IMU數(shù)據(jù)量較大（5frame/s ），且本實驗涉及到無線傳輸，為了避免“丟包”現(xiàn)象（傳輸過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或者數(shù)據(jù)失真）的現(xiàn)象，對每幀數(shù)據(jù)都進行了檢驗和驗證，校驗不通過的數(shù)據(jù)進行丟棄。IMU信息提取流程如圖3。

3、GPRS鏈路搭建方法

在學校辦公室中多半使用的是內(nèi)網(wǎng)，而我們的移動網(wǎng)絡GPRS每張卡對應的是一個公網(wǎng)IP。由于外網(wǎng)不能直接訪問內(nèi)網(wǎng)，所以不能直接用于TCP/IP通信[11]。為了解決這個問題，需要建立一個映射規(guī)則，讓外網(wǎng)訪問內(nèi)網(wǎng)的時候知道這個內(nèi)網(wǎng)IP唯一的地址。實驗中使用了“內(nèi)網(wǎng)通”軟件，把內(nèi)網(wǎng)的IP地址映射到一個網(wǎng)址中（公網(wǎng)），再與單板機SIM908進行GPRS通信。

四、數(shù)據(jù)預處理模型

1、GPS差分處理

為檢驗GPS-OEM板的定位精度，對開發(fā)板進行精度測試，將開發(fā)板放在一個已知控制點上觀測一段時間，以北向為例，其北向誤差如圖4所示。

由圖4可以看出，北向誤差相對比較穩(wěn)定，誤差平均值在17.03m左右，最大誤差為17.075m，對于導航定位的精度要求來說，GPS單點定位誤差還是較大，有必要進行位置差分。位置差分的基本原理是：使用基準站的位置改正數(shù)去修正動態(tài)用戶的位置計算值，以求得比較精確的動態(tài)用戶的位置坐標。

2、低成本IMU數(shù)據(jù)預處理

為檢驗陀螺和加速度計原始數(shù)據(jù)的可靠性，采集靜止狀態(tài)下IMU輸出的數(shù)據(jù)，以陀螺為例，其輸出值如圖5所示。可以看出其輸出值在零附近上下波動，最大值是6.5，明顯屬于粗差。必須剔除這些野值，否則會影響導航解算。本文利用文獻4中的方法對野值進行辨識和剔除。其原理[4]為：

設y(k)為某輸出數(shù)據(jù)序列，k=1～N，求：

確定合理基點后，利用基點數(shù)據(jù)的平均值μ和標準差σ來確定后面數(shù)據(jù)的準確性。即對后面的數(shù)據(jù)y(j)，如果，則認為y(j)為合理值，否則，用前一個數(shù)據(jù)來代替。

采集靜止時IMU輸出的數(shù)據(jù)，對每個陀螺輸出的數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)由于環(huán)境的影響和IMU敏感程度的不同， 陀螺的常值漂移是有變化的。因此，在捷聯(lián)慣導解算前，有必要每次啟動都估算出陀螺的常值漂移。采取的方法是：在系統(tǒng)開始工作前，采集一定時間的IMU靜態(tài)數(shù)據(jù)，并取其平均值作為常值漂移。確定常值漂移后，對以后采集的動態(tài)數(shù)據(jù)進行補償，然后再進行解算[4]。

五、組合模型

采用松組合模式，狀態(tài)向量依次為速度誤差、姿態(tài)誤差、位置誤差、陀螺漂移誤差、加速度漂移誤差：

離散化后的狀態(tài)方程為：

其中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

其中，Δt—濾波更新周期；

Wk-1—離散后激勵白噪聲過程，Wk-1的方差陣為：

觀測向量設置為GPS所測出的位置和速度與慣性系統(tǒng)所測出的位置和速度之差，觀測向量為：

觀測方程為：

式中，Vk—觀測噪聲向量。

觀測向量中的GPS與INS位置差是在WGS-84坐標系下計算得出的，速度差是在東北天地理坐標系下得出的。

卡爾曼濾波過程如下：

濾波增益決定了觀測量與狀態(tài)預測之間的權(quán)值。

六、實驗與結(jié)果分析

一方面為了驗證本文設計的組合導航方案在靜止狀態(tài)下的可靠性，設計了靜態(tài)實驗，通過接收數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)通訊和軟件接收程序是否可靠和穩(wěn)定。另一方面為了測試組合導航的定位精度，設計了閉合路線進行車載實驗，事后用上文闡述的數(shù)據(jù)預處理模型和組合導航數(shù)據(jù)融合模型進行數(shù)據(jù)處理，測試其定位精度。

靜態(tài)實驗地點選在長沙市岳麓區(qū)中南大學新校區(qū)清水路，此路段開闊，并且有數(shù)個已知控制點。用文中設計的GPS /IMU /GPRS系統(tǒng)在一個已知點上進行持續(xù)觀測，用上文設計的VB服務器程序監(jiān)聽端口并將數(shù)據(jù)保存在TXT文件中。

圖 6是數(shù)據(jù)接收界面，能監(jiān)聽端口并接收數(shù)據(jù)。圖7是用本文的GPS/GPRS/IMU遙測系統(tǒng)觀測結(jié)果（截取部分）。

由靜態(tài)實驗可知，本套系統(tǒng)在野外可以有效地使用，可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程控制中心，GPRS發(fā)送延遲在1s左右，不影響使用。除卻GPS定位數(shù)據(jù)，系統(tǒng)返回的IMU模塊測得的姿態(tài)角也正常。實驗期間SIM908一直正常返回數(shù)據(jù)，沒有出現(xiàn)錯誤，信號沒有丟失，可證明這個系統(tǒng)的可靠性。

動態(tài)試驗地點選在中南大學新校區(qū)內(nèi)，選擇一個閉合路線，將整套設備搭載在汽車上，并將兩臺RTK搭載在車上以驗證系統(tǒng)的位置精度。車載實驗前先靜止5min，采集一部分靜態(tài)數(shù)據(jù)。另外，為了進行GPS差分，另一塊SIM908單板機則放在一個已知點上作為基準站進行觀測?；居^測數(shù)據(jù)由串口傳輸?shù)诫娔X并存儲。遠程控制中心的計算機將接收到的數(shù)據(jù)進行預處理并進行數(shù)據(jù)融合，得到組合導航軌跡。組合導航軌跡和真實軌跡對比圖如圖8所示，其東向最大誤差為0.7m，北向最大誤差為0.5m，高程誤差為2.5m，平面定位精度達到分米級。

由車載試驗可以看出，系統(tǒng)工作正常，組合導航軌跡與真實軌跡吻合，驗證了低成本GPS/IMU松組合結(jié)構(gòu)的可靠性和精度。

七、結(jié)語

本文介紹了一種MEMS–IMU/GPS/ GPRS組合導航方案，以低成本IMU模塊和SIM908模塊為載體，以GPRS為通訊平臺，實現(xiàn)了一個精度可靠、成本低、質(zhì)量輕、通信費用低的導航定位與控制系統(tǒng)，并且具備定位和姿態(tài)數(shù)據(jù)，具有很大的應用潛能。