CN102135430A - 一种基于光纤陀螺的捷连航姿系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤陀螺的捷联航姿系统，包括：惯性测量单元(1)，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；导航计算单元(2)，用于对惯性测量单元(1)测量出的信息计算出航姿参数；CAN总线通讯节点单元(3)，用于将导航计算单元(2)计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。以实现集成度高的小型捷联航姿系统。

Description

一种基于光纤陀螺的捷连航姿系统

技术领域

本发明涉及一种捷连航姿系统，特别是指一种基于光纤陀螺的捷连航姿系统。适用于实时性要求高、功耗低、体积小、性价比高的应用场合中。

背景技术

为了完成导航的任务，正确引导行形体沿着预定的航线在规定的时间内到达目的地，需要随时知道航行体的瞬时地理位置、航行速度、姿态航向等导航参数，导航系统可以自动地提供需要的各种导航参数。捷连航姿系统作为一种开环的导航系统即可提供各种导航参数。而导航计算机是捷连航姿系统的指挥中枢，它的性能好坏，直接影响到整个捷联航姿系统的性能，因此设计一个高性能的导航计算机，已成为提高捷联航姿系统性能的关键因素。

新一代战术武器系统需要全数字化、性能稳定可靠、体积小、价格低廉的小型捷联航姿系统测量装置。而传统的捷联航姿系统硬件实现上由于集成度低，使得系统实现起来体积较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成度高的小型捷联航姿系统，以实时输出各种航姿参数。

本发明提供的一种基于光纤陀螺的捷联航姿系统，其特征在于，包括：

惯性测量单元1，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；

导航计算单元2，用于对惯性测量单元1测量出的信息计算出航姿参数；

CAN总线通讯节点单元3，用于将导航计算单元2计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。

由上可以看出，上述装置单元可以组成高集成度捷联航姿系统，以实现捷联航姿系统的小型化。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述惯性测量单元1包括：

光纤陀螺仪11，用于测量并输出所述载体角速度信息；

数字双轴倾角仪12，用于测量所述载体静态重力加速度的变化并以相对于水平面的倾斜角和俯仰角的倾角变化信息进行输出。

由上可以看出，本发明的捷联航姿系统惯性测量单元1具有抗冲击抗加速度能力强、体积小、功耗低等特点，其输出信息便于捷联航姿系统导航计算机处理。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，还包括：温度传感器24，用于检测光纤陀螺仪11的温度；

所述导航计算单元2还用于将所述温度传感器24检测的温度用于航姿参数计算中。

由上可以看出，本发明的捷联航姿系统可以对光纤陀螺仪11实施温度补偿，以实现导航精度最大化。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述导航计算单元2包括：

数据采集及接口电路模块23，用于采集惯性测量单元1和温度传感器24的数据，及与CAN总线通讯节点单元3的数据传输；

导航解算模块22，用于对通过数据采集及接口电路模块23接收的数据进行航姿参数计算，及通过数据采集及接口电路模块23与CAN总线通讯节点单元3的数据传输。

由上可以看出，本发明捷联航姿系统的导航计算单元2具有结构灵活、接口丰富、升级方便等特点，适于模块化设计。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述数据采集及接口电路模块23为FPGA；

所述导航解算模块22为DSP。

由上可以看出，使用FPGA作为数据采集及接口电路模块23具有升级方便、可复用以硬件描述语言设计的电路等优点；使用DSP作为导航解算模块22具有良好的实时性，可以提高导航算法效率使本发明的捷联航姿系统性能提高。

附图说明

图1为本发明捷联航姿系统的硬件结构图；

图2为本发明捷联航姿系统DSP芯片图。

具体实施方式

下面，根据附图对本发明的实施方式进行详细说明。

图1为航姿系统硬件结构框图，如图所示，本发明的航姿系统包括：惯性测量单元(IMU)1、导航计算机单元2以及CAN总线通信节点单元3。其中，惯性测量单元(IMU)1包括三个同样的光纤陀螺仪11和一个数字双轴倾角仪12。导航计算机单元2包括导航解算模块22和数据采集及接口电路模块23。CAN总线通信节点单元3包括控制设备31和测试设备32。

其中，还可以包括电源管理及监控模块21以及温度传感器模块24。

其中，惯性测量单元(IMU)1用于感应载体的角速度和倾角变化信息。其中，三个同样的光纤陀螺仪11分别用于感应水平面xy坐标轴和竖直方向z轴这三个方向的角速度量，并分别以差分脉冲信号的方式输出，其脉冲输出频率随载体的角速度的变化而变化。数字双轴倾角仪12用于感应载体静态重力加速度的变化以相对于水平面的倾斜角和俯仰角输出。其中，惯性测量单元(IMU)1的输出信息输入到导航计算机单元2中，实现将光纤陀螺仪11输出的角速度信号和数字双轴倾角仪12输出的倾角变化的信号输入到导航计算机单元2中进行数据处理与运算。

导航计算机单元2是航姿系统的核心部分。其中的数据采集及接口电路模块23用于实现与惯性测量单元(IMU)1与分布式数字温度传感器模块24的接口，实现采集IMU输出的信号转换为接收方所识别的信号。导航解算模块22用于根据捷连航姿系统解算算法，对数据采集及接口电路模块23传递过来的IMU的数据进行处理，求解出航姿参数。

其中，数据采集及接口电路模块23与导航解算模块22间可进行数据传输。

电源管理及监控模块21用于对整个捷联航姿系统供电并实时监控电流的大小，当电流超过某个值，自动关闭电源以保护系统硬件电路不受损害。

温度传感器模块24可以采用分布式数字温度传感器，与数据采集及接口电路模块23相连，用于测量光纤陀螺仪11的温度并经由数据采集及接口电路模块23提供给导航解算模块22，以由导航解算模块22进行在求解航姿参数中加入温度补偿的运算，以提高航姿系统的工作精度。

导航计算机单元2作为一个CAN节点连接到CAN总线上，与连接在CAN总线上的其他CAN节点，如CAN总线通信节点单元3中的测试设备31、控制设备32一起分别挂接于CAN总线上，以实现相互间的数据通讯。

接下来，结合图2来说明本发明的一个实施例。本实施例中采用FPGA+DSP来设计导航计算机。DSP作为导航算法和系统控制的处理器，大容量的FPGA实现外围输入输出接口，FPGA复用性强且升级方便，数据采集和数据传输等任务由FPGA完成，DSP专注于导航的复杂算法。当然也可以采用其他的设计，例如，以通用计算机或者基于DSP和单片机的双CPU系统为导航计算机平台。

如图2所示，选用TI公司的TMS320VC33-120型DSP芯片作为导航计算机的核心处理器。DSP所需的电压分别由电源芯片LT1587CM-1.8和LT1587CM-3.3将+5V的电压转换成1.8V和3.3V。TMS320VC33的内部存储资源有限且无片内ROM，采用低速FLASH加高速SRAM的配置方式外扩了存储器，其中FLASH存储器选用AMD公司的AM29LV800BB-90EC型芯片，该芯片结构为512K×16位，体积小且功耗低。由于TMS320VC33的内部RAM足够满足实时运行程序和存储数据的空间，选用IS64LV25616AL-12TAI(256×16位)芯片外扩SRAM以备将来升级。

数据采集及接口电路23采用Verilog硬件描述语言对FPGA编程实现。根据导航计算机中所用的传感器的接口特性，利用FPGA主要设计了脉冲计数器、串行通信接口、温度传感器接口电路以实现对各个传感器的数据采集任务。

其中，脉冲计数器将光纤陀螺仪11的脉冲频率转化为用于航姿系统的解算的二进制数据。光纤陀螺仪11的脉冲频率随载体角速度的变化而变化，即航姿系统某一方向的角速度量小是脉冲输出频率也就很低。由于航姿系统本身结构的限制，输出脉冲采用长线传输，考虑到长线传输带来的电磁干扰和相互串扰以及来自整个系统的干扰，设计中要对脉冲信号进行滤波处理，同时将脉冲信号同步化以适应脉冲同步计数方式。

异步串行通信接口UART用于与数字双轴倾角仪12接口，接收其发送来的倾角数据。UART的设计包含波特率发生器、发送模块和接收模块、发送FIFO、接收FIFO、CPU接口模块等，其中CPU接口包括地址译码/总线接口和UART寄存器。

温度计的时序接口电路用于实现与单总线芯片数字温度计DS18B20的接口，实现对光纤陀螺仪12温度补偿以提高其精度。

FPGA与DSP的接口为双向口，FPGA中的上述各功能模块共用该接口总线，因此FPGA中还需实现地址译码、各模块与DSP接口的三态数据线电路以及选择各模块输出数据线的复用器。

系统中选用CAN总线实现各CAN节点间的通信。CAN总线控制器选用PHILIP公司的SJA1000，CAN总线控制器接口选用T1040以实现CAN控制器和物理总线间的接口，同时也提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接受能力。使用CAN总线通信提高了系统的数字化水平及其综合性能。现行的CAN总线规范中只规定了CAN总线的物理层和数据链路层，因此需制定本系统的应用层协议。实际中用于鱼雷型号上的CAN总线应用层协议是比较复杂的，本实施例只实现了四个CAN智能节点间的通讯，即航姿系统节点、控制微机节点、XX总调时态节点和扩展测试设备节点。

下面就实验室条件下组建的样机为例来说明航姿系统节点与其它节点间的通讯流程。

系统上电后进行系统自检，0.5s后准备接收可能来自控制微机节点、XX总调时态节点和扩展测试设备节点的“状态/航行数据查询”信息，一般情况下，航姿系统上电后只会有一个外部节点向其发送数据查询信息，若有多个节点向其发送查询信息，航姿系统只需正常应答最先与其通讯的节点，对其他节点只需应答一个“信息请求失败”即可，避免航姿系统处理过多的CAN通讯操作。

整个航姿系统的DSP中的软件流程，主要包括系统上电自检、初始装订、初始校准、读取IMU的数据、导航解算、卡尔曼滤波等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光纤陀螺的捷联航姿系统，其特征在于，所述捷联航姿系统包括：

惯性测量单元(1)，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；

导航计算单元(2)，用于对惯性测量单元(1)测量出的信息计算出航姿参数；

CAN总线通讯节点单元(3)，用于将导航计算单元(2)计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。

2.根据权利要求1所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述惯性测量单元(1)包括：

光纤陀螺仪(11)，用于测量并输出所述载体角速度信息；

数字双轴倾角仪(12)，用于测量所述载体静态重力加速度的变化并以相对于水平面的倾斜角和俯仰角的倾角变化信息进行输出。

3.根据权利要求1或2所述的捷联航姿系统，其特征在于，还包括：温度传感器(24)，用于检测光纤陀螺仪(11)的温度；

所述导航计算单元(2)还用于将所述温度传感器(24)检测的温度用于航姿参数计算中。

4.根据权利要求3所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述导航计算单元(2)包括：

数据采集及接口电路模块(23)，用于采集惯性测量单元(1)和温度传感器(24)的数据，及与CAN总线通讯节点单元(3)的数据传输；

导航解算模块(22)，用于对通过数据采集及接口电路模块(23)接收的数据进行航姿参数计算，及通过数据采集及接口电路模块(23)与CAN总线通讯节点单元(3)的数据传输。

5.根据权利要求4所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述数据采集及接口电路模块(23)为FPGA；所述导航解算模块(22)为DSP。

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