CN103644914A - 高精度微机电组合惯导装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高精度微机电组合惯导装置，包括一个GPS接收模块、有角速度传感器和加速度传感器与相连的低通滤波器、高速模数转换模块、和含软件程序的数字信号处理器及相应的电源，其特征是它还包括一个现场可编程门阵列，而且三轴微机械陀螺都分别经一个低通滤波器连接到相应的高速模数转换模块上，三轴微机械加速度计都分别经一个低通滤波器连接到相应的高速模数转换模块上，且皆分别与现场可编程门阵列连接。现场可编程门阵列可编程定制为多个通信接口和数字滤波器，内部各项功能并行完成。上述GPS接收模块直接和现场可编程门阵列连接。本发明体积小、重量轻、实时性好、低成本、精度高。

Description

高精度微机电组合惯导装置
技术领域
本发明涉及导航控制领域的载体位置和姿态测量装置，特别涉及微机电组合惯导装置。
背景技术
目前，高精度GPS组合惯导系统主要用于航天、航空和航海等资金雄厚的行业，然而导弹、无人机、制导炸弹等都对组合惯导系统有巨大的需求，组合惯导系统在车辆导航等民用领域也有广阔的市场。现有的高精度GPS组合惯导系统由角速度传感器、加速度传感器、GPS接收模块、模数转换模块和数字信号处理器组成，其中的角速度传感器必须采用高精度的挠性陀螺、光纤陀螺或激光陀螺等非微机电陀螺，加速度传感器必须采用高精度的挠性加速度计等非微机电加速度计，这些非微机电惯性传感器的优点是精度高；模数转换模块和GPS接收模块输出的数字信号都送到数字信号处理器进行比较简单的解算，对数字信号处理器的运算速度虽然没有过高的要求，就可以输出载体的位置和姿态等导航信息，但是缺点是所有的角速度传感器和加速度传感器输出的模拟量都连接到同一个模数转换模块，分时复用，实时性较差；关键是由于现有的组合惯导系统由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；而且每次使用之前需要较长的初始对准时间；并且设备的价格高，大大限制了其使用范围和空间；又因其体积较大，安装复杂，又限制了其在小型系统的应用。例如，组合导航系统的精度要达到如下常用技术指标：横滚角误差（1δ）<0.3°，俯仰角误差（1δ）<0.4°，航向角误差（1δ）<0.5°，如果采用静态漂移0.5°/h的三轴挠性陀螺价格在六万元以上，其最小分辨率为2×10-4m/s2的加速度计三轴总价在三万元以上，该精度指标的单套组合导航系统的成本达10万元以上，重量不低于2千克，体积不小于8000cm3。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、重量轻、实时性好、低成本、高精度的微机电组合惯导装置，以弥补原有GPS组合惯导系统或装置的不足。
本发明通过下述方案实现：本发明包括一个GPS接收模块、由X、Y、Z轴微机械陀螺（即三轴微机械陀螺称为微机械陀螺）组成的角速度传感器、由X、Y、Z轴微机械加速度计（即三轴微机械加速度计称为微机械加速度计）组成的加速度传感器与相连的低通滤波器、高速模数转换模块（A/D）、和含软件程序的数字信号处理器（DSP）及相应的壳体与电源，其特征是它还包括一个现场可编程门阵列（FPGA），而且X、Y、Z轴微机械陀螺都分别经各自的一个低通滤波器连接到相应的高速模数转换模块上，X、Y、Z轴微机械加速度计都分别经各自的一个低通滤波器连接到相应的单独的高速模数转换模块上，且皆分别与现场可编程门阵列（FPGA）连接。现场可编程门阵列可编程定制为多个通信接口和数字滤波器，内部各项功能并行完成。
上述GPS接收模块直接和现场可编程门阵列连接，即通过其自身的RS422串行接口以单独的信号通道分别与现场可编程门阵列（FPGA）连接，充分利用了现场可编程门阵列，使各路数据高速并行采集，实时性得到保障。
考虑到消除温漂对精度的严重影响，采用通常的温度控制器，使角速度传感器和加速度传感器这些惯性器件工作在恒温环境。
本发明相对于现有技术具有如下的优点和效果：（1）由于微机电器件具有体积小、重量轻、功耗低、谐振频率高、响应快等特点，使得采用这些器件的本发明同样具有上述优点。（2）本发明成本低、维护方便，可以广泛应用于无人机、直升机、轻型飞机、载荷投掷、地面导航等领域。
附图说明
图1是本发明的总体结构的基本连接示意图。
图2是本发明中的现场可编程门阵列的具体定制的内部功能结构示意图。
其中，1、现场可编程门阵列  2、数字信号处理器  3、X轴微机械陀螺4、Y轴微机械陀螺  5、Z轴微机械陀螺  6、X轴加速度计  7、Y轴加速度计8、Z轴加速度计  9、GPS接收模块  10、温度控制器  11-16、低通滤波器17-22、高速模数转换模块  23-28、SPI接口  29、RS422接口  30-35、IIR数字滤波器  36、双端口存储器  37、电源。
具体实施方式
如图1，本发明包括一个GPS接收模块9、由X、Y、Z轴微机械陀螺3、4、5组成的角速度传感器、由X、Y、Z轴微机械加速度计6、7、8组成的加速度传感器与相连的低通滤波器、高速模数转换模块、和含软件程序的数字信号处理器2及相应的壳体与电源37，其特征是它还包括一个现场可编程门阵列1，而且X、Y、Z轴微机械陀螺3、4、5都分别经各自的一个低通滤波器11、12、13连接到相应的高速模数转换模块17、18、19上，X、Y、Z轴微机械加速度计6、7、8都分别经各自的一个低通滤波器14、15、16连接到相应的单独的高速模数转换模块20、21、22上进行采样，且皆分别与现场可编程门阵列1连接，并将采样数据通过各自同步串行接口（SPI）发送到现场可编程门阵列1，现场可编程门阵列1通过内部的双端口存储器与数字信号处理器2该数字信号处理器2相连接，从现场可编程门阵列1中的双端口存储器36取出组合导航程序所需的各项数据，并进行解算和数据融合后输出导航数据。
上述角速度传感器和加速度传感器以通常的温度控制器10调整工作在通常的恒温环境。
即所述X、Y、Z轴的微机械陀螺3、4、5和微机械加速度计6、7、8，分别通过六个有源低通滤波器11、12、13、14、15、16滤除噪声，再分别通过高速模数转换模块17、18、19、20、21、22进行采样，并将采样数据通过各自同步串行接口（SPI）23、24、25、26、27、28，经IIR数字滤波器30、31、32、33、34、35发送到现场可编程门阵列1，现场可编程门阵列1通过内部的双端口存储器与数字信号处理器2相连接。如图2，所述现场可编程门阵列1采用的型号为EP2C20，通过编程定制其功能，各功能模块并行工作。
上述GPS接收模块9通过其自身的RS422串行接口29与现场可编程门阵列1连接。所述GPS接收模块，采用型号为JUPITER PICO，其特点是定位精度高、具有载波相位输出、体积小、功耗低。
上述连接微机械陀螺的三个低通滤波器11-13的结构和元器件参数完全相同。所述微机械陀螺采用型号为LCG-50；上述连接微机械加速度计的三个低通滤波器14-16结构和元器件参数完全相同。所述微机械加速度计采用型号为1221。
所述高速模数转换模块17～22是型号为ADS1252U的六个相同的24位模数转换模块。
采用的高速数字信号处理器2，型号为TMS320C6713，保证数据的高速捷算和融合，输出实时导航数据。
本发明的数字信号处理器2从现场可编程门阵列1中的双端口存储器取出组合导航程序所需的各项数据，在内部进行解算和数据融合后输出导航数据如载体速度、位置、姿态角、航向角以及线加速度等。本发明的测量范围：横滚角：±180°、俯仰角：±90°、航向角：0°～360°；三轴角速度：±100°/s；三轴加速度计：±25g；组合导航精度：定位精度（CEP）<12米；速度误差(1σ)：<0.3米/秒；航向角误差(1σ)：<0.5°；姿态角误差(1σ)：<0.3°;外形尺寸：120mm×110mm×100mm；重量：0.8Kg；供电电源37：28±10%V。显然本发明的重量和尺寸大大减小，这对航空器等极为有利。

Claims (9)

1.一种高精度微机电组合惯导装置，包括一个GPS接收模块（9）、由X、Y、Z轴微机械陀螺（3、4、5）组成的角速度传感器、由X、Y、Z轴微机械加速度计（6、7、8）组成的加速度传感器与相连的低通滤波器、高速模数转换模块、和含软件程序的数字信号处理器（2）及相应的壳体与电源（37），其特征是它还包括一个现场可编程门阵列（1），而且X、Y、Z轴微机械陀螺（3、4、5）都分别经各自的一个低通滤波器（11、12、13）连接到相应的高速模数转换模块（17、18、19）上，X、Y、Z轴微机械加速度计（6、7、8）都分别经各自的一个低通滤波器（14、15、16）连接到相应的单独的高速模数转换模块（20、21、22）上进行采样，且皆分别与现场可编程门阵列（1）连接，并将采样数据通过各自同步串行接口发送到现场可编程门阵列（1），现场可编程门阵列（1）通过内部的双端口存储器与数字信号处理器（2）相连接，该数字信号处理器（2）从现场可编程门阵列（1）中的双端口存储器（36）取出组合导航程序所需的各项数据，并进行解算和数据融合后输出导航数据。
2.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述GPS接收模块（9）是通过RS422串行接口（29）与现场可编程门阵列（1）相连接。
3.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述由X、Y、Z轴微机械陀螺（3、4、5）组成的角速度传感器和由X、Y、Z轴微机械加速度计（6、7、8）组成的加速度传感器是以通常的温度控制器（10）调整工作在恒温环境。
4.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述现场可编程门阵列（1）采用的型号为EP2C20。
5.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述GPS接收模块（9）采用的型号为JUPITER PICO。
6.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述微机械陀螺采用型号为LCG-50。
7.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述微机械加速度计采用型号为1221。
8.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述所述高速模数转换模块（17、18、19、20、21、22）是型号为ADS1252U的六个相同的24位模数转换模块。
9.如权利要求1所述的高精度微机电组合惯导装置，其特征是上述的高速数字信号处理器（2）型号为TMS320C6713。
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