基于DSP的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)

馮志剛,黃啟飛(沈陽航空航天大學 自動化學院，沈陽 110136)

基于DSP的組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)

馮志剛,黃啟飛
(沈陽航空航天大學 自動化學院，沈陽 110136)

設(shè)計了以DSPTMS320F28335作為控制系統(tǒng)核心處理器的慣性/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，實現(xiàn)了姿態(tài)角、速度等控制參數(shù)的輸出。將依靠慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的算法算出的姿態(tài)角信息、位置的信息和GPS得到的導(dǎo)航信息進行組合，對得到的具體信息參數(shù)進行相應(yīng)的卡爾曼濾波算法濾波處理，從而得到和實際運動數(shù)據(jù)近似的姿態(tài)角、位置信息等。最后對系統(tǒng)做了無人機實際飛行測量實驗并達到預(yù)期效果，表明該設(shè)計具有實用價值。

DSP； 濾波算法 ； 控制參數(shù)；組合導(dǎo)航系統(tǒng)

目前可進行組合的導(dǎo)航技術(shù)有很多種，例如慣性導(dǎo)航技術(shù)、氣壓高度表技術(shù)、天文導(dǎo)航技術(shù)、磁力計技術(shù)等等[1]。使用慣性導(dǎo)航在比較短時間范圍內(nèi)準確度較高的特點來彌補衛(wèi)星導(dǎo)航存在的信號接收慢信號缺失的劣勢和不足[2]。本文提出的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，采用TMS320F28335為控制系統(tǒng)的核心處理器，接收各傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，運行控制濾波算法等,利用加速度計、陀螺儀等器件獲取無人機的姿態(tài)角和運動速度等運動位置信息，實現(xiàn)精確導(dǎo)航的目的[3]。

1 系統(tǒng)概述

本文提出的設(shè)計系統(tǒng)能夠給出無人機當前的運動參數(shù)和狀態(tài)，主要包括的信息有載體位置的信息、載體速度信息、載體高度信息等，系統(tǒng)的主要的組成部分由DSP處理器、供電電源、顯控系統(tǒng)、RS232通訊接口、EEPROM參數(shù)存儲器、陀螺儀、加速度計、高度計、磁力計以及GPS接收機，它的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合無人機導(dǎo)航實驗測試進行各種性能測試[4]。本設(shè)計系統(tǒng)預(yù)期要達到的參數(shù)指標如下：定位精度：1.8 m(CEP)；速度精度：0.03 m/s(RMS)；俯仰、橫滾角精度：0.04°，1°；航向角精度：0.1°；輸出頻率：100 Hz。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 電源電路設(shè)計

本組合導(dǎo)航設(shè)計系統(tǒng)的供電模式為雙電源供電，CPU內(nèi)核的供電壓為1.9 V,接口I/O口的供電壓為3.3 V，這樣的目的是減小了整個芯片的功率消耗。使用具有雙路電壓的TPS767D301，它具有低壓差調(diào)整器功能及雙路輸出、單獨供電的功能，其中一路可以穩(wěn)定3.3 V的電壓輸出,另外的一路是輸出電壓可控，其可以在1.5～5.5 V范圍內(nèi)變化調(diào)節(jié);兩路可輸出范圍為0～1A電流，電路原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電模塊電路圖

2.2 控制參數(shù)存儲電路設(shè)計

存儲控制參數(shù)電路，在系統(tǒng)工作過程中對于不同情況的控制參數(shù)進行存儲，在調(diào)試過程中可進行參數(shù)提取和組合以方便控制系統(tǒng)調(diào)試，在調(diào)試完成存儲不同控制模式的控制參數(shù)，DSP根據(jù)不同的控制方式讀取不同的控制參數(shù)完成控制算法的自修改。電路原理圖如圖3所示。

圖3 參數(shù)存儲器電路圖

2.3 磁信號采集電路設(shè)計

該硬件電路主要是HMC5983L以及周圍的輔助部分構(gòu)成，HMC5983L傳感器包括高分辨率HMC5118X系列磁阻，并且附帶有先進的霍尼韋爾的集成電路，其中包括12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器放大器，能使羅盤控制在1°～2°之間的精度范圍內(nèi)，另外還包括消磁驅(qū)動器、偏差校準等，通過SPI協(xié)議與DSP通訊，實時傳送采集的信息。電路原理圖如圖4所示。

圖4 磁采集電路圖

2.4 高度信號采集電路設(shè)計

高度信號采集傳輸電路主要是由MBP180傳感器和周圍電路組成，MBP180是一款高精度的壓力傳感器，主要的特點是超低功耗，工作過程非常節(jié)省電能，根據(jù)當前空氣的壓力進一步解算出現(xiàn)在導(dǎo)航載體所處的高度，在運動和高速移動的設(shè)備中具有優(yōu)良的性能，精度可以達到0.03 hPa，耗電量極低。直接由I2C總線與DSP通訊，實現(xiàn)簡單的鏈接的數(shù)據(jù)傳輸方式。電路原理圖5所示。

圖5 MBP180高度信號采集電路圖

2.5 加速度信號采集電路設(shè)計

加速度信號的采集電路，主要是由ADXL350和他周圍的復(fù)制電路組成的。ADXL350傳感器是有一種低功耗的需要三個采集三軸的加速度計。其功耗非常低，測量范圍可以選擇設(shè)定，分辨率高。它提供了世界領(lǐng)先的噪聲性能和溫度性能，保證使用過程中的穩(wěn)定性，非常容易校準。輸出的數(shù)據(jù)為16位二進制補碼格式采用SPI總線通訊的方式，與DSP數(shù)字接口通訊。

Vs=2.5 V時(典型值)，測量模式下低至45 μA。單個的電路原理圖6所示。

圖6 ADXL350加速度采集電路圖

2.6 角速度信號采集電路設(shè)計

由CRM100傳感器為核心、周圍電路為輔助的導(dǎo)航角速度信號硬件采集電路， 需要CRM100把三軸的加速度采集保存，通過SPI接口傳輸給DSP。電路原理圖7所示。

圖7 角速度采集電路圖

3 軟件與算法實現(xiàn)

3.1 軟件實現(xiàn)流程

設(shè)計系統(tǒng)存在兩種工作狀態(tài)，初始化參數(shù)對準和運行導(dǎo)航狀態(tài)[5]。軟件流程圖8所示。

圖8 軟件流程圖

系統(tǒng)開始階段上電，然后檢測GPS信號。初始對準階段：采用解析粗對準方案。初始化對準時間長度為5 s，在此時間段內(nèi)，需要分別累加陀螺角度增量、加速度增量，在初始時間5 s結(jié)束以后，分別計算出角速度和加速度增量的平均值[6]。

3.2 解算算法

本設(shè)計采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法,一般情況下假設(shè)系統(tǒng)的噪聲Wk和測的噪聲Vk為零均值的高斯白噪聲，并且方差陣Q和R作為已知量矩陣[7]。相對于組合導(dǎo)航來說,慣導(dǎo)系統(tǒng)不斷進行反復(fù)測試試驗,得到設(shè)計系統(tǒng)隨機噪聲分布的統(tǒng)計特性，可是量測得到的噪聲的特性是離散的，規(guī)律性未知,應(yīng)用環(huán)境不斷變化，隨機噪聲也不斷變化。我們使用測量得到的信息，重新調(diào)控整理量測噪聲分布的統(tǒng)計特性，目的是對系統(tǒng)狀態(tài)達到一個精確估計。假設(shè)設(shè)計的數(shù)學模型準確度可靠,那么殘差序列理論上應(yīng)是零均值的高斯白噪聲,殘差方差實際應(yīng)用的測量值與自適應(yīng)卡爾曼濾波處理獲得的殘差方差的理想值的比值大約為1。如果上面比值長時間大范圍波動,那么顯然量測噪聲已經(jīng)明顯發(fā)生了改變,需要進一步對量測噪聲進行調(diào)整協(xié)方差陣R[8]。調(diào)整的準則是使此比值回到1附近。綜上所述,其設(shè)計濾波器如下。

χk/k-1=Φk,k-1χk-1

(1)

(2)

(3)

χk=χk/k-1+KK(ZK-HKχk/k-1)

(4)

ρK=(I-KKHK)ρK/K-1

(5)

(6)

上述公式Rk表示，估計第k步的時候，得到的量測噪聲的矩陣估計值;公式中Sk的含義為量測噪聲矩陣Rk-1的參數(shù)調(diào)整的系數(shù);b為常數(shù)，是一個符號為正的常數(shù)，表達的含義是噪聲的量測矩陣調(diào)整系數(shù)Sk的放大和縮小程度[9]。當b> 1時，表示放大系數(shù)Sk對參數(shù)Rk整定的作用情況，這種情況下，當量測噪聲不斷變化的過程中，Rk的值在較少步數(shù)的范圍內(nèi)，可以迅速接近真實量測噪聲的值。當b的選取值過大時，雖然可以滿足Rk的自適應(yīng)調(diào)整時間很短，但是可能產(chǎn)生Rk在量測噪聲真實值的小范圍內(nèi)出現(xiàn)小幅度振蕩[10]。當b< 1時，表示降低了Sk對Rk調(diào)控的作用,這樣的結(jié)果是，使自適應(yīng)的調(diào)整參數(shù)Rk可以進一步精確地在真實量測噪聲值上保持穩(wěn)定,但是導(dǎo)致需要較長的時間Rk才能調(diào)整到實際的量測噪聲值。當b= 0的情況下，表達的含義為Sk對Rk沒有調(diào)控作用,此時上述自適應(yīng)濾波方法失效，變成一般的常規(guī)卡爾曼濾波[11]，根據(jù)狀態(tài)變量得到系統(tǒng)做卡爾曼濾波的F陣為

速度位置組合的量測矩陣為

其中，VGPS，ψGPS，LGPS，λGPS分別給了載體的合速度、載體的軌跡航向、經(jīng)緯度[12]。

4 系統(tǒng)試驗測試

本組合導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計完畢以后，對該系統(tǒng)作了相應(yīng)的試驗測試，提供的方法如下:把設(shè)計制作好的本導(dǎo)航系統(tǒng)安裝在飛行器上，讓飛行器在空中做隨機的路線飛行，得到本系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，各信息在x軸的輸出結(jié)果如圖9所示。

圖9 組合導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS/含噪聲導(dǎo)航輸出速度曲線對比圖

可以看出，用GPS輸出的速度信號來分析該設(shè)計系統(tǒng)，結(jié)合組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出曲線和含噪聲速度曲線，可以分析出本系統(tǒng)的速度導(dǎo)航誤差精度范圍在0.02 m/s以內(nèi)，可以很好地滿足設(shè)計的要求[13]。

系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)與GPS信號提供的位置信息與含噪聲的位置信息輸出結(jié)果如圖10所示。

圖10 組合導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS/含噪聲導(dǎo)航輸出位置曲線對比圖

分析圖10，同樣用GPS輸出的位置信息作為參考標準來衡量系統(tǒng)的位置輸出誤差，結(jié)合組合導(dǎo)航輸出的位置信息，可以分析出位置精度可以控制在1.6 m以內(nèi)，也可以滿足最初的設(shè)計標準[14]。

該系統(tǒng)輸出的測試數(shù)據(jù)結(jié)果與單獨由GPS導(dǎo)航信號的航向角結(jié)果與含噪聲的結(jié)果如圖11所示。

圖11 組合導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS/含噪聲導(dǎo)航輸出俯仰角度曲線對比圖

圖12 組合導(dǎo)航系統(tǒng)/GPS/含噪聲導(dǎo)航輸出滾動角度曲線對比圖

由圖11和圖12分析得系統(tǒng)的航向角精度都在0.1度范圍內(nèi)，都可以很好地滿飛行器的航向飛行精度要求[15]。

圖13和圖14為本設(shè)計實物圖。

圖13 組合導(dǎo)航系統(tǒng)控制板實物圖

圖14 為GPS信號接收機電路板

5 結(jié)論

本文介紹了一種基于DSP組合導(dǎo)航系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用GPS接收機、陀螺儀、加速度計、磁力計、高度計等多種傳感器，用DSP28335芯片實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和信號采集，在對導(dǎo)航數(shù)據(jù)完成實時采集的同時，進行解算和數(shù)據(jù)融合。雖然本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，但是對導(dǎo)航信息能夠?qū)崟r處理，并且提供了高質(zhì)量的導(dǎo)航信息，系統(tǒng)的試驗測試取得了良好的效果。

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DesignanddevelopmentofintegratednavigationsystembasedonDSP

FENG Zhi-gang,HUANG Qi-fei
(College of Automation,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

An inertial/GPS integrated navigation system with DSP TMS320F28335 as the control system′s core processor is designed to achieve the output of control parameters such as attitude angle and speed.The information of the attitude angle and position can be calculated by the algorithm of the inertial navigation system,and the navigation information is available from the GPS.Then,the different information iscombined and further filtered by the corresponding Kalman filtering algorithmto obtain the attitude angles and position information similar to the actual movement data.Finally,the actual flight measurement experiment of the unmanned aerial vehicle with the designed system is carried out and the result shows that the design is of practical value.

DSP;filtering algorithm;control parameters；integrated navigation system

2017-09-19

遼寧省高等學校優(yōu)秀人才支持計劃第二層次(項目編號：LJQ2014017)

馮志剛(1980-)，男，河北石家莊人，副教授，主要研究方向：傳感器信息處理，E-mail:1573561435@qq.com。

2095-1248(2017)06-0072-06

V249.32+8

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2017.06.012

劉劃 英文審校：齊義文)