CN101000244A - 一种高集成度mimu/gps/微磁罗盘/气压高度计组合导航*** - Google Patents

一种高集成度mimu/gps/微磁罗盘/气压高度计组合导航*** Download PDF

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一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，由MIMU子***、GPS子***、微磁罗盘子***、气压高度计子***和嵌入导航算法的组合导航计算机组成。组合导航计算机将MIMU子***、GPS子***、微磁罗盘子***、气压高度计子***输出的数据进行处理和信息融合，输出载体的位置、速度和姿态信息。本发明四个子***采用硬件一体化的高度集成技术；组合导航计算机采用三个嵌入式微处理器，具有冗余复用的特点；GPS、微磁罗盘、气压高度计三个子***共用其中一个微处理器来处理自身的算法；导航算法由捷联惯性导航算法和多速率多模式的组合滤波算法组成。本发明具有体积小、成本低、可靠性高、响应速度快和精度高等优点，特别适用于微小型飞行器的精确导航。

Description

一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***
技术领域
本发明涉及一种实时组合导航***，特别是一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，具有体积小、质量轻、功耗低、成本低、可靠性强、响应速度快且便于大批量生产等一系列传统组合导航***无法比拟的优点，能够提供精度不发散的载体全部运动参数，适用于微小型***领域。
背景技术
基于微机电技术(Micro Electromechanical Systems，MEMS)技术的微机械惯性器件(微硅陀螺仪、微硅加速度计)日渐成熟，使得基于MEMS的微惯性测量单元(Micro Inertial Measurement Unit，MIMU)在民用领域具有广阔的应用前景，特别是MIMU与传统惯性器件相比，具有体积小、质量轻、成本低、功耗低、可靠性高等优点，是当今惯性技术的一个重要发展方向。
目前的MIMU总体上精度不高，其定位误差随时间累积，因此难以完成精度较高的长时间导航任务。目前大多采用MIMU和全球定位***(GlobalPositioning System，GPS)组合导航***，结合了惯性导航***的自主性、能连续提供位置速度姿态信息及GPS米级的二维平面定位精度和误差无积累等优点，使组合导航***成本下降，可靠性增加，二维平面定位精度得到提高。但是在高度方向的精度却在十几米甚至几十米左右，而且不能抑制航向角误差的发散。
许多研究人员进行了大量的理论研究，对MIMU/GPS组合导航***采用空中对准技术来提高航向角的精度，取得了很多进展。载体在做机动时虽然能够获得高精度的航向角信息，但是此时的水平姿态的精度却受到了影响。并且在实际飞行试验中载体不可能一直做机动，故机动停止后航向角误差还是会发散。也有一些研究人员采用MIMU/GPS/磁强计组合导航***提高载体航向角的精度，由于捷联式的磁强计定航向算法需要用到MIMU捷联算法得到的水平姿态角，但是目前采用的磁强计不是和MIMU集成在一起，会带来安装误差从而导致解算得到的航向角精度较低。
总而言之，目前的组合导航***存在着体积大、难以集成、精度较差等缺点，难以满足微小飞行器高精度的导航要求。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有组合导航***的技术的不足，提供一种低功耗、小体积、轻质量、低成本、高容错能力、高可靠性和误差不发散的高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***。
本发明的技术解决方案是：一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：由MIMU子***、GPS子***、微磁罗盘子***、气压高度计子***和嵌入导航算法的组合导航计算机组成。组合导航计算机将MIMU子***、GPS子***、微磁罗盘子***、气压高度计子***输出的数据进行处理和信息融合，之后输出载体的位置、速度和姿态信息。
上述的MIMU子***由3个MEMS陀螺仪、3个MEMS加速度计、MIMU运算放大器、MIMU A/D转换器、标准通讯接插件组成，其中MEMS陀螺仪和加速度计输出角速度和线加速度的模拟信号，经过MIMU运算放大器和MIMU A/D转换器转化为数字信号，通过标准通讯接插件输出给微处理器-II。
上述的GPS子***主要由GPS接收天线和嵌入式GPS接收机组成，嵌入式GPS接收机由放大器电路、频率变换模块，A/D转换器，码同步电路，信号解调模块，I/O通讯模块和GPS定位算法模块组成。通过GPS接收天线接收GPS导航卫星的射频信号，射频信号经过前置的放大器电路和频率变换模块转换为中频信号，经过A/D转换器转化为数字信号，数字信号通过码同步电路和信号解调模块进行信号解调，得到GPS导航数据之后经I/O通讯模块输出给微处理器-I通过GPS定位算法模块解算得到载体的位置速度信息。
上述的微磁罗盘子***主要由一个一维磁阻传感器、一个二维磁阻传感器、双自由度MEMS加速度计、模数转换器、输入输出接口和定姿算法模块组成。一维磁阻传感器和二维磁阻传感器测得载体所处位置的三维磁场强度，双自由度MEMS加速度计测得载体东北向两个加速度，三维磁场强度和东北向两个加速度的模拟信号经过模数转换器转化为数字信号，通过输入输出接口输出给微处理器-I，并通过定姿算法模块解算得到载体的三维姿态信息。
上述的气压高度计子***主要由压力传感器、运算放大器、ADC模数转换器、I/O接口和定高算法模块组成。压力传感器测得载体所处高度压强的模拟信号，经过运算放大器和ADC模数转换器转化为数字信号，经I/O接口输出给微处理器-I，并通过定高算法模块解算得到载体的高度信息。
上述嵌入导航算法的组合导航计算机由微处理器-I、微处理器-II和微处理器-III组成。微处理器-I中进行GPS子***的定位解算、微磁罗盘子***的定姿解算、气压高度计子***的定高解算和MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航的多速率多模型的卡尔曼滤波运算，滤波结束后微处理器-I将结果传输给微处理器-III进行校正；微处理器-II中进行MIMU子***中的陀螺仪和加速度计的高速原始数据采集，经过平滑、低通滤波预处理和***误差的标定补偿后传输给微处理器-III；微处理器-III中进行MIMU子***的捷联解算，之后微处理器-III一方面将解算得到的载体的运动参数传输给微处理器-I进行组合滤波，另一方面向用户实时连续的输出载体的位置、速度和姿态。
上述的微处理器-I、微处理器-II和微处理器-III可以是AT91RM9200系列、ADSP2106X系列或ADSP2136X系列的嵌入式高性能处理器。
本发明的原理是：MIMU具有体积小、成本低、动态范围宽等优点，但总体上精度不高，其定位定姿误差随时间累积，难以完成精度较高的长时间导航任务。GPS具有米级的高精度二维平面定位精度和误差无积累等优点，但高度方向的精度却在十几米甚至几十米左右，并且不能得到航向信息；微磁罗盘可以确定载体纵轴与地磁子午线的夹角，继而得到载体纵轴与地理子午线的夹角(即航向角)，且精度不发散；气压高度计可以提供米级甚至分米级的载体运动过程中的相对高度，由初始高度信息即可得到载体的绝对高度。将MIMU、GPS、微磁罗盘和气压高度计4种导航手段进行有机地组合，通过滤波估计不仅得到精度高且不发散的位置、速度和姿态信息；并且可以在线估计出陀螺仪和加速度计的随机常值漂移，通过校正后提高了陀螺仪和加速度计的精度，进而提高纯捷联惯导***的精度。
本发明与现有技术相比的优点在于：(1)将MIMU、GPS、微磁罗盘和气压高度计4种导航手段进行有机地组合，通过滤波估计不仅得到精度高且不发散的位置、速度和姿态信息；并且可以在线估计出陀螺仪和加速度计的随机常值漂移，通过校正后提高了陀螺仪和加速度计的精度，进而提高纯捷联惯导***的精度；(2)MIMU、GPS、微磁罗盘和气压高度计4种导航***融合大大提高了***的容错能力和可靠性；(3)采用MEMS陀螺仪和加速度计大大减小了***的成本和质量，提高***的动态范围和响应速度；(4)由三个嵌入式微处理器组成的导航计算机可以同时高效的完成多种复杂任务，具有冗余复用的特点；其中一个微处理器一方面作为GPS、微磁罗盘、气压高度计三个子***的算法处理器，一方面作为组合滤波处理器，这样就有效的利用了资源，节省了三个子***本身的处理器；(5)MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***响应速度快精度较高。
总之，本发明的四个子***采用硬件一体化的高度集成技术；组合导航计算机采用三个嵌入式微处理器，具有冗余复用的特点；GPS、微磁罗盘、气压高度计三个子***共用其中一个微处理器来处理自身的算法；导航算法由捷联惯性导航算法和多速率多模式的组合滤波算法组成。本发明具有体积小、成本低、可靠性高、响应速度快和精度高等优点，特别适用于微小型飞行器的精确导航。
附图说明
图1为本发明的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***结构示意图；
图2为本发明的MIMU子***的结构图；
图3为本发明的GPS子***的结构图；
图4为本发明的微磁罗盘子***的结构图；
图5为本发明的气压高度计子***的结构图；
图6为本发明的组合导航计算机的结构图；
图7为本发明的MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***导航解算流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明为一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***。由MIMU子***1、GPS子***2、微磁罗盘子***3、气压高度计子***4和嵌入导航算法的组合导航计算机5组成。组合导航计算机5将MIMU子***1、GPS子***2、微磁罗盘子***3、气压高度计子***4的数据进行处理和信息融合，之后输出位置、速度和姿态信息。
如图2所示，MIMU子***1由3个MEMS陀螺仪11、3个MEMS加速度计12、MIMU运算放大器13、MIMU A/D转换器14、标准通讯接插件15组成。MEMS陀螺仪11和加速度计12输出角速度和线加速度的模拟信号，经过MIMU运算放大器13和MIMU A/D转换器14转化为数字信号，之后经标准通讯接插件15输出给微处理器-II 52(如ARM9)进行高速数据采集，通过平滑和低通滤波预处理以及标定程序解算得到载体高精度低噪声的角速率和加速度信息。
如图3所示，GPS子***2主要由GPS接收天线21和嵌入式GPS接收机22组成，嵌入式GPS接收机22由放大器电路23、频率变换模块24，A/D转换器25，码同步电路26，信号解调模块27，I/O通讯模块28和GPS定位算法模块29组成。通过GPS接收天线21接收GPS导航卫星的射频信号，射频信号经过前置的放大器电路23和频率变换模块24转换为中频信号，经过A/D转换器25转化为数字信号，数字信号通过码同步电路26和信号解调模块27进行信号解调，得到GPS导航数据之后经I/O通讯模块28输出给微处理器-I 51(如ARM9)通过GPS定位算法模块29解算得到载体的位置速度信息。
如图4所示，微磁罗盘子***3主要由一个一维磁阻传感器31、一个二维磁阻传感器32、双自由度MEMS加速度计33、模数转换器34、输入输出接口35和定姿算法模块36组成。模数转换器34内部集成运算放大器，定姿算法模块36包括磁场强度的去干扰、标定、补偿以及姿态解算算法。一维磁阻传感器31和二维磁阻传感器32测得载体所处位置的三维磁场强度，双自由度MEMS加速度计33测得载体东北向两个加速度，三维磁场强度和东北向两个加速度的模拟信号经过模数转换器34转化为数字信号，经输入输出接口35输出给微处理器-I 51，通过定姿算法模块36解算得到载体的三维姿态信息。
如图5所示，气压高度计子***4主要由压力传感器41、运算放大器42、ADC模数转换器43、I/O接口44和定高算法模块45组成。定高算法模块45包括压强的标定、补偿和压强转高度算法。压力传感器41测得载体所处高度压强的模拟信号，经过运算放大器42和ADC模数转换器43转化为数字信号，经I/O接口44输出给微处理器-I 51，之后通过定高算法模块45解算得到载体的高度信息。
如图6所示，嵌入导航算法的组合导航计算机5由微处理器-I 51、微处理器-II 52和微处理器-III 53组成。微处理器-I 51、微处理器-II 52和微处理器-III 53可以为AT91 RM9200系列、或ADSP2106X系列，或ADSP2136X系列的嵌入式高性能处理器。微处理器-II 52中进行MIMU子***1中的陀螺仪11和加速度计12的高速原始数据采集，经过平滑、低通滤波预处理和***误差的标定补偿后传输给微处理器-III 53；微处理器-III 53中进行MIMU子***1的捷联解算，之后微处理器-III 53一方面将解算得到的载体的运动参数传输给微处理器-I 51进行组合滤波，另一方面向用户实时连续的输出载体的姿态、位置和速度。微处理器-I 51中进行GPS子***2的定位解算、微磁罗盘子***3的定姿解算、气压高度计子***4的定高解算和MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航的多速率多模型的卡尔曼滤波运算，滤波结束后微处理器-I 51将结果传输给微处理器-III 53进行校正。
如图7所示，MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***的算法解算流程是：
(1)MIMU子***1输出高速频率的角速度和加速度数字信号，经过平滑和低通滤波预处理后，再经过标定补偿后得到低噪声高精度的数据，通过捷联算法解算求解出速度、位置和姿态信息；
(2)GPS输出解调出来的GPS导航数据，经过去噪预处理后，计算出卫星的伪距和伪距率，通过定位算法解算得到载体的速度和位置信息；
(3)微磁罗盘子***3中输出载体三轴的磁场强度和东向北向的加速度，磁场强度首先去干扰磁场和标定补偿，之后和加速度信息通过定姿算法解算出载体的三维姿态；
(4)气压高度计子***4输出载体所在高度的大气压强，大气压强经过标定、补偿预处理后，通过压强转高度算法计算载体的相对高度，由初始高度信息即可得到载体的绝对高度；
以上(1)-(4)解算频率视实际情况而定，一般来讲利用MIMU子***1的输出进行的捷联算法解算频率最快(50Hz至100Hz左右)，GPS子***2中GPS定位算法解算的频率最低(1Hz至5Hz左右)。
(5)由(1)-(4)中解算得到的信息经过故障诊断和时间同步处理后，通过组合滤波一方面估计出载体的位置、速度和姿态，另一方面估计陀螺仪和加速度计的随机常值漂移。估计出的载体的位置、速度和姿态作为MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***的输出，估计出的陀螺仪和加速度计的随机常值漂移反馈给陀螺和加速度计标定补偿算法中，补偿陀螺仪和加速度计的误差进而提高其精度。
需要说明的是：(5)中所述的故障诊断为：当MIMU子***1出故障时(如硬件电路中元器件出问题而导致数据不正常)，MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***将停止输出；当GPS子***2、微磁罗盘子***3和气压高度计子***4任何一个子***、任何两个子***或三个子***出故障时(如GPS天线由于遮挡接收不到GPS卫星信号而导致定位数据出现错误，微磁罗盘由于周围大磁场的干扰而使输出的磁场强度数据出现错误，气压高度计由于周围阵风的扰动而使输出的大气压强出现大的跳变等)，MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***将演变成无故障的子***的组合导航***(如当气压高度计子***4出故障时，即演变为MIMU/GPS/微磁罗盘组合导航***)。(5)中所述的时间同步处理为：当进行组合滤波时，对所融合的信息在时间上必须一致，一般来讲每个导航子***数据中都带有相应的时间信息，通过此时间信息进行判断，把时间一致的信息进行组合滤波。此外信息融合所用组合滤波为基本的卡尔曼滤波。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1、一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：由MIMU子***(1)、GPS子***(2)、微磁罗盘子***(3)、气压高度计子***(4)和嵌入导航算法的组合导航计算机(5)组成，组合导航计算机(5)将MIMU子***(1)、GPS子***(2)、微磁罗盘子***(3)、气压高度计子***(4)输出的数据进行处理和信息融合，之后输出载体的位置、速度和姿态信息。
2、根据权利要求1所述的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：所述的MIMU子***(1)由3个MEMS陀螺仪(11)、3个MEMS加速度计(12)、MIMU运算放大器(13)、MIMU A/D转换器(14)、标准通讯接插件(15)组成，其中MEMS陀螺仪(11)和加速度计(12)输出角速度和线加速度的模拟信号，经过MIMU运算放大器(13)和MIMU A/D转换器(14)转化为数字信号，通过标准通讯接插件(15)输出给微处理器-II(52)。
3、根据权利要求1所述的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：所述的GPS子***(2)主要由GPS接收天线(21)和嵌入式GPS接收机(22)组成，嵌入式GPS接收机(22)由放大器电路(23)、频率变换模块(24)，A/D转换器(25)，码同步电路(26)，信号解调模块(27)，I/O通讯模块(28)和GPS定位算法模块(29)组成，通过GPS接收天线(21)接收GPS导航卫星的射频信号，射频信号经过前置的放大器电路(23)和频率变换模块(24)转换为中频信号，经过A/D转换器(25)转化为数字信号，数字信号通过码同步电路(26)和信号解调模块(27)进行信号解调，得到GPS导航数据之后经I/O通讯模块(28)输出给微处理器-I(51)通过GPS定位算法模块(29)解算得到载体的位置速度信息。
4、根据权利要求1所述的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：所述的微磁罗盘子***(3)主要由一个一维磁阻传感器(31)、一个二维磁阻传感器(32)、双自由度MEMS加速度计(33)、模数转换器(34)、输入输出接口(35)和定姿算法模块(36)组成。一维磁阻传感器(31)和二维磁阻传感器(32)测得载体所处位置的三维磁场强度，双自由度MEMS加速度计(33)测得载体东北向两个加速度，三维磁场强度和东北向两个加速度的模拟信号经过模数转换器(34)转化为数字信号，通过输入输出接口(35)输出给微处理器-I(51)，并通过定姿算法模块(36)解算得到载体的三维姿态信息。
5、根据权利要求1所述的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：所述的气压高度计子***(4)主要由压力传感器(41)、运算放大器(42)、ADC模数转换器(43)、I/O接口(44)和定高算法模块(45)组成，压力传感器(41)测得载体所处高度压强的模拟信号，经过运算放大器(42)和ADC模数转换器(43)转化为数字信号，经I/O接口(44)输出给微处理器-I(51)，并通过定高算法模块(45)解算得到载体的高度信息。
6、根据权利要求1所述的一种高集成度MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航***，其特征在于：所述嵌入导航算法的组合导航计算机(5)由微处理器-I(51)、微处理器-II(52)和微处理器-III(53)组成，微处理器-I(51)中进行GPS子***(2)的定位解算、微磁罗盘子***(3)的定姿解算、气压高度计子***(4)的定高解算和MIMU/GPS/微磁罗盘/气压高度计组合导航的多速率多模型的卡尔曼滤波运算，滤波结束后微处理器-I(51)将结果传输给微处理器-III(53)进行校正；微处理器-II(52)中进行MIMU子***(1)中的陀螺仪(11)和加速度计(12)的高速原始数据采集，经过平滑、低通滤波预处理和***误差的标定补偿后传输给微处理器-III(53)；微处理器-III(53)中进行MIMU子***(1)的捷联解算，之后微处理器-III(53)一方面将解算得到的载体的运动参数传输给微处理器-I(51)进行组合滤波，另一方面向用户实时连续的输出载体的位置、速度和姿态。
7、根据权利要求6所述的一种嵌入导航算法的组合导航计算机(5)，其特征在于：所述的微处理器-I(51)、微处理器-II(52)和微处理器-III(53)为AT91RM9200系列、或ADSP2106X系列，或ADSP2136X系列的嵌入式高性能处理器。
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