CN103217700A - Gps、imu、磁力计和气压计组合导航系统装置 - Google Patents

Abstract

一种GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置，其结构特点是电源转换模块输出的低噪声电源分别连接主控制单元、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块和ZigBee模块，电源转换模块输出的高效率电源分别与RS-232芯片和USART收发模块相连，主控制单元通过主线控制器分别连接USART总线、I2C总线、SPI总线和USART收发模块，USART总线分别连接加速度计和磁力计，I2C总线分别连接陀螺仪和气压计，SPI总线分别连接GPS模块和ZigBee模块，USART收发模块与RS-232芯片相连。本发明结构紧凑，整体体积小型化、功耗低、数据处理速度快，采用多种传感器联合定位，不仅解决了单一定位模式的地理应用的局限性，还提高了定位精度和准确度。

Description

GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置

技术领域

本发明涉及一种GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置。

背景技术

GPS是指基于全球卫星导航信号的实时动态高精度定位技术，通过单个或者参考站网络的差分信号提供，基于特定的差分解算计算模型，用户端实时地获得真三维地球空间坐标。主要适用于室外定位场合。

MEMS：Micro Electro Mechanical systems的缩写，即微电子机械系统。指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统组合为一个整体单元的微型系统。这种微电子机械系统不仅能够采集、处理与发送信息或指令，还能够按照所获取的信息自主地或根据外部的指令采取行动。

系统组合：是在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，将各个分离的子系统连接成为一个完整可靠经济和有效的整体，并使之能彼此协调工作，发挥整体效益，达到整体性能最优。

无缝定位：Seamless positioning，是指在任何环境或场合、任何时间，基于多种空间信息传感器，通过特定终端设备获取真三维空间坐标位置、速度、姿态等参数的技术，主要满足于室内/外任意切换过渡的定位情景。

GPS地面增强系统：是指通过建设分布在全球/区域的若干个卫星导航地面参考站，进行合理组网，对全球卫星导航信号进行实时接收、处理，并形成有效的服务如精密星历、钟差、电离层改正、差分电文等，再而通过计算机网络、移动通信网络等高效传输技术，发播至广大用户。

IMU：Inertial Measurement Unit，是指测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，一般一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。在导航中用着很重要的应用价值。

高精度无缝定位技术主要解决的问题就是在各种环境以及场合中，都能够提供高精度的定位结果以供后续的导航运用需求。结合目前的实际技术环境进行分析，本技术的实现重点就在于充分利用广泛存在的如GPS、Wi-Fi、ZIGBEE等成熟且能够提供高精度定位结果的无线电定位技术作为基础，结合技术实现难度较高的惯性导航技术在无线电定位信号盲区对装置载体的运动姿态、运动速度等进行采集并解算得到盲区中的定位结果，再对两种系统的定位结果进行融合处理，从而实现在任何环境、场合的应用情景中，实时地获取用户所关心的高精度位置、速度、姿态等参数。

其背景技术主要分为以下两类：

1、基础定位技术：基础定位是指在多数场合下能提供当前技术水平下最高精度定位结果的的定位系统，在目前主要就是指实时差分全球卫星导航系统（GPS RTD）。在天空无明显遮挡、卫星信号良好的定位场合，通过已经固化的GPS手持机模块，充分依托全球覆盖的导航卫星信号，联合GPS地面增强系统如连续运行参考站提供的高精度卫星差分改正信号，基于精密测量的载波相位测量值，利用差分技术，实现高达厘米量级的定位结果的输出。但是这种技术对于卫星信号要求较高,虽在野外或开阔地域能够提供高精度的定位结果,可一旦进入信号受遮挡、干扰，甚至无信号的区域,其精度将会受到极大影响，直至无法定位。

2、辅助定位技术：辅助定位技术在这里具体指在基础定位技术失效情况下所采用的延续定位结果的技术，目前普遍采用的就是捷联惯性导航技术，通过融合陀螺仪以、加速度计以及磁阻计的数据，分别计算载体的运动姿态、运动速度，然后再计算得到位移矢量数据，从而得到定位结果。作为一种完全自主的、不依赖外界的导航技术，对于全环境适应型的应用，这一技术无疑是再合适不过的，它完全可以在基础定位技术失效的环境中继续运作，并持续提供定位结果。但从捷联惯导诞生以来，由于此种技术在后期计算中需要进行2次积分，极小的误差都会被不断累积导致最后结果的千差万别，所以一直无法被广泛运用。

目前，室外定位的场合及应用越发普遍且手段不多，主要都是以卫星定位为主的无线电定位系统，从简单的个人/大众电子消费品，如GPS/DR/COMPASS组合的移动电话、PDA等手持终端，到复杂的专业定位设备，如RTD接收机终端、多功能专业GPS手持机等。

目前完成一套组合导航系统主要面临有以下技术难点：

1、传感器合理布局

组合导航系统中包含各种基于不同原理、不同技术的传感器，比如基于MEMS原理的加速度计、陀螺仪、气压计，基于霍尔效应的磁力计，基于卫星系统的GPS模块，基于无线电通信系统的ZigBee模块，它们之间会产生十分显著的互相干扰，例如ZigBee模块的通信在布局设计考虑不全时会严重干扰磁力计，因此各个传感器的合理布局安排是组合导航系统中的一项比较关键、比较重要的技术难点问题。

2、模块小型化

作为一套着眼于广泛应用的组合导航系统，装置的小型化势在必行，但其自身所集成的传感器的数量已经多于原来单一系统的导航装置，再加上这些传感器所需要的大量的外围电路，使得模块的小型化成为了另一个需要解决的技术难点。

3、数据处理优化

由于组合导航系统所集成的传感器数量众多，导致数据量较传统导航系统急剧增加，且众多不同装置输出的数据又需要较高的同步性，故装置的主控制器在装置尽可能小型化的同时又尽量高效率的执行数据采集。 因此，数据处理的任务也是本发明的一项技术要点。

4、低功耗

由于本发明的装置在实际运用中主要由电池进行供电，为了尽可能延长使用时间、增强装置的实用性，在设计过程中必须考虑低功耗设计，如何在不减弱主要性能的情况下降低功耗也是本发明的一项技术要点。

综上所述，本发明可解决组合导航系统的传感器合理布局、模块小型化、数据处理优化以及低功耗等四个问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置，它具有环境适应强、定位精度高和低能耗的优点。

本发明是这样来实现的，它包括主控制单元、主线控制器、USART总线、I2C总线、SPI总线、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块、ZigBee模块、低噪声电源、电源转换模块、高效率电源、RS-232芯片和USART收发模块, 其特征在于电源转换模块输出的低噪声电源分别连接主控制单元、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块和ZigBee模块，电源转换模块输出的高效率电源分别与RS-232芯片和USART收发模块相连，主控制单元通过主线控制器分别连接USART总线、I2C总线、SPI总线和USART收发模块，USART总线分别连接加速度计和磁力计，I2C总线分别连接陀螺仪和气压计，SPI总线分别连接GPS模块和ZigBee模块，USART收发模块与RS-232芯片相连；所述的低噪声电源的噪声水平在10Hz到100kHz频带内，电源的输出噪声小于200uVrms。

本发明的主要目的旨在组合目前的GPS定位系统，采用多种传感器、采集运动数据进行定位的惯导系统/磁力计/气压计，从而实现实时无缝高精度高可靠定位导航。具体内容如下：

一般来说，进行GPS定位的必要条件是卫星数目不少于4颗，以完成导航定位计算，当卫星数少于4颗时候，GPS定位将无法得到定位结果；而即便卫星数大于4颗时，如果受到环境制约，GPS定位设备的接收天线受到遮挡、屏蔽等影响，使得卫星信号信噪比较低，一般认为在20dB-Hz以下的时候，也无法得到实用的定位结果。为了解决这个问题，本发明的做法就是使用一套以基于MEMS技术的传感器件组成的惯性导航系统作为辅助手段，提供进行定位所必须的运动姿态、运动速度等参数，来解算得到无卫星信号的盲区中的继续定位。

惯性导航系统中的加速度计与陀螺仪分别采集三个坐标轴的线加速度、角速度，磁力计采集三轴地磁信息，气压计采集大气压力值，这些数据由主控制器分别从各个传感器中获取后，根据从GPS模块取得的精确授时信息进行时间同步处理，打上时间标签，而后一并打包，由主控制器向外传输。

在这一组合装置中，最大的改进是在传统GPS定位装置的基础上进一步捆绑、集成更多、更丰富的传感器，使得原本输出的单一的GPS定位信息变为多源组合的各种可用于定位的数据的集合，令本装置在GPS系统不可靠或无法运行时能够依赖线加速度来计算运动幅度、角速度来计算运动姿态、地磁数据计算航向角、大气压数据计算海拔高度，从而继续提供可靠的定位信息。

在上述一系列组合的背后是硬件电路上的复杂集成，包括选择性能合适的主控制器、设计能够使传感器运行在最低噪声下的电源模块、合理设计各个传感器的外围电路并布局、编写能高效采集处理多传感器数据的主控制器固件程序等。

本发明的技术效果是：本发明结构紧凑，整体体积小型化、功耗低、数据处理速度快，采用多种传感器联合定位，不仅解决了单一定位模式的地理应用的局限性，还提高了定位精度和准确度。

附图说明

图1为本发明的结构方框示意图。

图2为本发明的固件流程方框示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明是这样来实现的，它包括主控制单元、主线控制器、USART总线、I2C总线、SPI总线、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块、ZigBee模块、低噪声电源、电源转换模块、高效率电源、RS-232芯片和USART收发模块, 其特征在于电源转换模块输出的低噪声电源分别连接主控制单元、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块和ZigBee模块，电源转换模块输出的高效率电源分别与RS-232芯片和USART收发模块相连，主控制单元通过主线控制器分别连接USART总线、I2C总线、SPI总线和USART收发模块，USART总线分别连接加速度计和磁力计，I2C总线分别连接陀螺仪和气压计，SPI总线分别连接GPS模块和ZigBee模块，USART收发模块与RS-232芯片相连。

其中装置的主控制单元为32位微处理器，负责各个传感器的数据采集、预处理、缓冲。电源转换模块：把外部输入的主电源转换成不同电压，分别为装置的各个部分供电。USART收发模块与RS-232芯片：把主控制单元输出的USART接口数据转换为电脑可以直接采集的RS-232接口数据。加速度计：测量装置在三个坐标轴上线加速度的传感器。陀螺仪：测量装置在三个坐标轴上角加速度的传感器。磁力计：测量装置在三个坐标轴上地磁强度的传感器。气压计：测量装置所处海拔位置大气压的传感器。GPS模块：利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位的数据输出模块。ZigBee模块：利用ZigBee无线通信系统，在小范围内进行定位的数据输出模块。

如图2所示，任务处理、指派主进程：主控制器的基础运行进程，提供对于不同任务的调度、指派、创建等功能。FIFO进程：先入先出缓存管理进程，负责对各种数据进行缓存管理。数据采集进程：负责安排主控制器分别对不同传感器进行数据采集。数据上传程序：具体实现把采集来的数据处理并打包上传。数据采集程序：具体实现对各个传感器进行数据采集。任务指派：主进程对不同程序进程指派具体操作。DMA总线：主控制器的高速内存直接访问总线，负责在各个进程间传送数据。中断响应：在子程序发生错误时能以最高优先级及时告知主控制器。

本装置在使用多层电路板并大幅度提高元件布局密度的同时，使用把主控制器部分和传感器部分分别设计两块电路板的方法，扩展垂直空间的利用率来尽可能缩小模块的实际体积。

在传感器布局设计上，本发明分别进行了以下特殊设计：

1、对其他传感器具有最大干扰的、需要进行无线数据发送的ZigBee模块被安排在最角落且电路板背面的位置，尽可能的远离了各个传感器。

2、对射频噪声十分敏感的GPS模块射频接收部分被安排在了远离ZigBee模块的另一个角落，同时也尽可能离开其他所有发出电磁噪声的单元。

3、对含铁镍钴金属成分十分敏感的磁力计被特别安排在电路板背面，以使其尽量不受其它器件的阻挡，能正确获取地磁数据。

在低功耗设计方面，本发明采用了1+1电源的形式。

针对传感器应用的电源，传统一般都是直接使用1级LDO进行电源转换来为传感器供电，以达到尽可能低的噪声幅度，但是其在电压转换过程中浪费的功率十分巨大，使得系统总体功耗较大。

而本发明的1+1电源形式是指由DC-DC开关电源作为主电源转换部分，把供电电压先大致降至合适的水平；之后使用低噪声、高共模抑制比的LDO从初级取电后分别为不同传感器供电，以达到为传感器提供纯净电流的目的。

此部分的低噪声电源的噪声水平实际达到了在10Hz到100kHz频带内，电源的输出噪声小于200uVrms。

DC-DC开关电源因其自身转换效率较高，普遍达85%以上，所以很好的降低了系统总功耗；而其自身原理所导致的高频开关噪声又被下一级低噪声、高共模抑制比的LDO滤除，使得整个电源模块既取得了较高的效率，又提供足够纯净的电流。

系统的主供电电压为5V，传感器的输入电压要求为3.3V，系统运行时负载功率在1.3W至1.7W间。在本发明中，主供电先经由DC-DC开关电源转换至3.6V，此级电源转换电路的转换效率为大于93%；再由经由低噪声LDO转换至3.3V，此级电源转换的效率为91.67%。电源的总转换效率为85.25%，系统总功耗被有效控制在小于2W的水平。

本发明这种1+1的结构在系统运行状态总功耗仅为2W的情况下也能够提供足以达到传感器要求的噪声幅度的电流。

在数据优化处理方面， 本发明的关键点在于尽可能高效地运用主控制器的全部资源。

首先，针对不同传感器模块，该发明分别采用了3中不同速率的总线来进行连接、通信。针对采样率最高、数据量最大的加速度计和陀螺仪，本发明采用了速率最高的SPI总线，采样率及数据量中等的磁力计和气压计采用了速率适中的I2C总线，而采样率最低、突发数据量大，需要有较好数据缓存能力的GPS及ZigBee模块则采用了自带硬件缓存区的USART总线。本发明这种针对外部传感器的不同特点采用不同总线的方式极大程度的提高了对主控制器的资源的利用率，使得主控制器能够同时操作多个不同传感器，极大地减少了处理器的空闲等待时间。

其次，数据传输尽可能采用DMA总线，DMA总线能够直接在主控制器的不同外部总线与内存直接传输数据，无须主控制器介入，极大程度地解放了主控制器，使其能把更多的处理能力用于任务的调度、指派以及数据的处理当中，相当于完成了一种变相“多核”的系统设计。

最后，高效、严谨的硬件+软件FIFO缓存设计，使得系统采集的数据在第一时间先放入缓存区，随后再按进入次序逐个输出，在通过尽可能进行大带宽传输数据来提高传输速度的同时，又极好地保证了数据的完整性。

Claims (2)

1.一种GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置，它包括主控制单元、主线控制器、USART总线、I2C总线、SPI总线、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块、ZigBee模块、低噪声电源、电源转换模块、高效率电源、RS-232芯片和USART收发模块, 其特征在于电源转换模块输出的低噪声电源分别连接主控制单元、加速度计、磁力计、陀螺仪、气压计、GPS模块和ZigBee模块，电源转换模块输出的高效率电源分别与RS-232芯片和USART收发模块相连，主控制单元通过主线控制器分别连接USART总线、I2C总线、SPI总线和USART收发模块，USART总线分别连接加速度计和磁力计，I2C总线分别连接陀螺仪和气压计，SPI总线分别连接GPS模块和ZigBee模块，USART收发模块与RS-232芯片相连。

2.如权利要求1所述的一种GPS、IMU、磁力计和气压计组合导航系统装置，其特征在于所述的低噪声电源的噪声水平在10Hz到100kHz频带内，电源的输出噪声小于200uVrms。

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