CN106546237B - 一种模块化的惯性系统构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块化的惯性系统构建方法，可以实现惯性系统的快速开发，实现步骤包括：(1)、根据设定的性能参数范围构建多个功能模块；(2)、分别对各功能模块进行功能测试，并将通过测试的功能模块加入硬件设计库；(3)、根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块；(4)、根据惯导系统的组成结构，连接各功能模块，进行系统功能测试后进行PCB制板和焊接，构建得到满足性能指标要求的惯性导航系统。本发明采用电路模块化设计，若模块发生故障，只需要替换此模块，而不是更换整个电路板，大大减小了排故工作的工作量；模块化设计还能轻易使用高精度模块替换现有较低精度的模块，产品可升级，易维护。

Description

一种模块化的惯性系统构建方法
技术领域
本发明涉及惯性系统设计技术领域，特别涉及一种模块化的惯性系统构建方法。
背景技术
惯性系统作为能够自主测量运载体相对参考坐标系运动参数的精密仪器设备，广泛应用于航空、航天、兵器、航海等领域，惯性系统研制单位需要提升核心竞争力来应对日益激烈的市场竞争环境以及满足用户多样化的需求。核心竞争力体现在为用户提供高性能高可靠性的产品和服务，降低成本，缩短交付周期。
惯性系统经常要求快速完成系统的开发交付。现有的构建方法首先对产品性能指标进行分析，设计系统方案，选择合适的处理器、惯性传感器，并设计相应的外围电路，然后进行PCB制板焊接后进行软件调试，期间需要对电路进行相应修改，验证程序，指标合格后进入试验、生产阶段。此过程严谨但存在部分缺点如下。
1)过程较耗时，可能研制开发周期会超出市场要求的短时限。
2)若在调试过程中发现问题，无法快速识别硬件故障，排查故障需要花费很多时间精力。如果是硬件故障，还需要采用重新制作PCB板，重新调试程序等措施，费时费力。
3)若产品需求发生更改，设计方案从头开始，研制周期进一步拉长。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种模块化的惯性系统构建方法，实现惯性系统的快速开发。
本发明的上述目的通过以下方案实现：
一种模块化的惯性系统构建方法，包括以下步骤：
(1)、根据设定的性能参数范围构建若干个功能模块，其中：根据设定的Nc种运算速度构建Nc个处理器模块，每个所述处理器模块包括具有相应运算速度的处理器芯片及其外围电路；根据设定的Na种加速度测量范围构建Na个加速度计模块，每个所述加速度计模块包括具有相应加速度测量范围的加速度计及其外围电路；根据设定的Nw种角速度测量范围构建Nw个陀螺仪模块，每个所述陀螺仪模块包括具有相应角速度测量范围的陀螺仪及其外围电路；根据设定的NAD种量化位数构建NAD个模数转换模块，每个所述模数转换模块包括具有相应量化位数的模数转换芯片及其外围电路；根据Nc个处理器模块具有的Nm种输入输出端口类型构建Nm个通信接口模块；根据各功能模块的Ne种供电电压需求，构建一个具有Ne个电压输出端口的电源模块，为其他功能模块进行供电；其中，Nc、Na、Nw、NAD、Nm、Ne为整数；
(2)、分别对步骤(1)构建的各功能模块进行功能测试，并将通过测试的功能模块加入硬件设计库；
(3)、根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块；
(4)、根据惯导系统的组成结构，连接步骤(3)选取的各功能模块，进行系统功能测试后进行PCB制板和焊接，构建得到满足性能指标要求的惯性导航系统。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(3)中，根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块，具体选取方法如下：
根据惯性系统的运算速度要求选取相应的处理器模块；根据惯性系统的加速度测量范围选取相应的加速度计模块；根据角速度的测量范围选取相应的陀螺仪模块；根据处理器的运算资源以及加速度计和陀螺仪的性能指标，选取具有相应量化位数的模数转换模块；根据选取的处理器模块的输入输出端口类型选取相应的通信接口模块；在电源模块中，选通满足处理器模块、加速度计模块、陀螺仪模块、模数转换模块、通信接口模块供电需求的电压输出端口。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(4)中，根据惯导系统的组成结构，连接步骤(3)选取的各功能模块，具体连接方式如下：如果加速度计模块或陀螺仪模块输出的测量数据为模拟信号，则将所述模拟信号发送到模数转换模块，经模数转换模块处理后输出数字信号到处理器模块；如果加速度计模块或陀螺仪模块输出的测量数据为数字信号，则将所述数字信号直接发送到处理器模块；处理器模块的输入输出端口连接通信接口模块，通过所述通信接口模块发送测试数据或导航结果到外部显示控制系统，并接收外部显示控制系统发送的控制指令。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(1)中构建的功能模块还包括温度采集模块，其中：根据设定的温度采集精度构建若干个温度采集模块，用于采集陀螺仪或加速度计的工作温度。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(1)中构建的功能模块还包括卫星导航模块，其中：根据设定的定位测姿测速精度、数据输出速率和卫星导航系统类型，构建若干个卫星导航模块；所述卫星导航模块用于实现卫星/惯性组合导航，选取的卫星导航模块直接与处理器模块相连，输出卫星导航数据到处理器模块，处理器模块利用加速度计模块、陀螺仪模块和卫星导航数据进行卫星/惯性组合导航解算，得到定位测姿测速结果。
上述的模块化的惯性系统构建方法，卫星导航模块涉及到的卫星导航系统类型包括GPS、北斗、GLONASS，以及卫星组合导航系统。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(1)中构建的功能模块还包括数据存储模块，其中：处理器模块的输入输出端口类型构建若干个数据存储模块，用于存储处理器模块输出的测量数据和定位测姿测速结果。
上述的模块化的惯性系统构建方法，在步骤(1)中构建的功能模块还包括无线模块，其中：根据设定的无线通信模式，构建若干个无线模块，用于处理器模块与外部系统进行无线通信。
上述的模块化的惯性系统构建方法，无线模块的无线通信模式包括Zigbee模式、WIFI模式、RFID模式和蓝牙模式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1)、本发明采用电路模块化设计，若模块发生故障，只需要替换此模块，而不是更换整个电路板，大大减小了排故工作的工作量；模块化设计还能轻易使用高精度模块替换现有较低精度的模块，产品可升级，易维护；
(2)、本发明采用模块化构建方法，容易实现惯性系统产品的个性化配制，实现每一功能的模块均有可实现不同测量范围，不同测量精度的系列，在实际应用中可以根据特定需求选择相应的模块强化；经过合理配置，可以轻松组合出系列化的惯性系统型号；
(3)、本发明的每个模块都有其对应的功能，可以对模块单独进行设计、定制、调试、修改和存储，这便于由不同的功能分别利用不同模块进行系统的定制开发；
(4)本发明复用成熟和验证过的功能模块，提高了系统设计的质量与稳定性。
附图说明
图1为传统的惯性系统构建方法流程图；
图2为本发明模块化的惯性系统构建方法流程图；
图3为本发明构建的惯性系统组成框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：
惯导系统传统构建过程如图1所示，首先对惯性系统的性能指标要求进行系统分析，选择合适的处理器和外围电路及惯性传感器，进行硬件电路图绘制，然后进行PCB制板焊接，之后进行软件调试，期间需要对电路进行相应修改，验证程序，指标合格后进入试验、生产阶段。
本发明模块化的惯性系统构建方法采用通过验证的功能模块构建硬件设计库，其中每个功能模块具有相应的驱动电路，且对每个功能模块进行了单独的功能测试，然后按照堆积木的方式进行快速的硬件配置和系统集成。
如图2所示，本发明模块化的惯性系统构建方法包括以下步骤：
(一)、根据设定的性能参数范围构建功能模块
在惯性系统中，采用处理器接收各传感器采集的测量数据，按照设定的导航运算方法实现各种数据处理运算和逻辑处理，并通过集成在处理器上的输入输出端口输出测量数据和运算结果给外部显示控制系统，而且可以接收外部显示控制系统发送的控制指令，然后进行相应的操作。本发明根据处理器的运算速度构建不同的处理器模块，以满足不同应用环境的需求。即根据设定的Nc种运算速度构建Nc个处理器模块，每个处理器模块包括具有相应运算速度的处理器芯片及其外围电路，其中Nc为整数。而且在处理器中，可以根据后续选择的功能模块，选取模块化的驱动代码，实现各功能模块的驱动。
在惯性系统中，实现惯性测量的传感器主要包括加速度计和陀螺仪。其中，加速度计用于测量载体的线运动加速度或角加速度，陀螺仪用于测量载体的运动角度和角速度。为了满足不同测量指标的要求，本发明根据设定的Na种加速度测量范围构建Na个加速度计模块，每个所述加速度计模块包括具有相应加速度测量范围的加速度计及其外围电路；并根据设定的Nw种角速度测量范围构建Nw个陀螺仪模块，每个所述陀螺仪模块包括具有相应角速度测量范围的陀螺仪及其外围电路。其中Na和Nw为整数。例如，本发明可以根据加速度测量范围构建±5g，±10g，±20g，±50g，±100g的加速度计模块，Na＝5；并根据角速度的测量范围构建±50°/s，±100°/s，±300°/s的陀螺仪模块，Nw＝3。
另外，如果惯性系统涉及组合导航处理，则可以选择添加卫星导航模块、航迹推算模块或地磁测量模块，利用这些模块提供的数据与加速度计和陀螺仪的测量数据进行组合导航解算，可以进一步提到惯性系统的导航定位性能指标。例如，航迹推算模块可用于测量载体速度和运行里程，其测量数据可以与导航解算的定位测姿测速结果进行滤波处理，从而获得更高精度的测速和定位结果。地磁测量模块用于测定载体周围的地磁场信息，其测量数据可以与惯性测量数据进行组合导航运算，实现更高的导航解算结果。卫星导航模块可以实现卫星导航定位测量，其测量数据可以与惯性测量数据进行卫星/惯性组合导航处理，获得更高的导航解算结果。具体实现过程中，可以根据设定的定位测姿测速精度、数据输出速率和卫星导航系统类型，构建多个卫星导航模块，该卫星导航模块用于实现卫星/惯性组合导航，选取的卫星导航模块直接与处理器模块相连，输出卫星导航数据到处理器模块，处理器模块利用加速度计模块、陀螺仪模块和卫星导航数据进行卫星/惯性组合导航解算，得到定位测姿测速结果。例如，可以根据数据接收频率构建1Hz、10Hz、100Hz的卫星导航模块，还可以根据卫星导航系统类型构建GPS、北斗、GLONASS的卫星导航模块，或是GPS/北斗组合导航、GPS/GLONASS组合导航、北斗/GLONASS组合导航、GPS/GLONASS/北斗组合导航的卫星导航模块。
在惯性系统中，传感器的工作温度会对系统的工作性能造成影响，因此可以设置温度采集模块，采集各传感器的工作温度，如加速度计、陀螺仪等；处理器模块可以根据各传感器的工作温度，确定是否对传感器进行温度补偿操作，从而实现整个惯性系统的温度监测和控制。因此，在功能模块构建过程中，可以根据设定的温度采集精度构建多个温度采集模块，
在惯性系统中，如果存在具有模拟输出信号的传感器，则需要采用模数转换模块进行模数转换，然后输出数字信号给处理器模块。为了适应不同数据精度的需求，本发明根据设定的NAD种量化位数构建NAD个模数转换模块，每个所述模数转换模块包括具有相应量化位数的模数转换芯片及其外围电路。其中NAD为整数。例如可以构建量化位数为12位、16位、20位、24位的模数转换模块，实现不同数据精度的模数转换处理，即NAD＝4。
在功能模块构建过程中，本发明根据处理器的处理速度构建了Nc个处理器模块，其中各处理器模块中的处理器芯片具有各自的输入输出端口，本发明根据这些输入输出端口的类型，构建了相应的通信接口模块，即如果Nc个处理器模块具有的Nm种输入输出端口类型，则构建Nm个相应的通信接口模块，Nm为整数。这些通信接口模块可以实现处理器模块与外部显示控制模块之间的数据传送。例如，如果处理器模块的输入输出端口涉及SPI、USART或I2C等类型，则可以构建SPI、USART、I2C的通行接口模块，Nm＝3。
如果待构建的惯性系统涉及到数据存储，则可以根据处理器模块的输入输出端口类型构建多个数据存储模块，用于存储处理器模块输出的测量数据和定位测姿测速结果。例如，如果构建的处理器模块具有SD、MicroSD或Flash输入输出接口，则构建SD卡数据存储模块、MicroSD卡数据存储模块和Flash数据存储模块。
如果待构建的惯性系统需要与外部进行无线通信，则根据设定的无线通信模式，构建多个无线模块，用于处理器模块与外部系统进行无线通信。其中，设定的无线通信模式包括Zigbee模式、WIFI模式、RFID模式和蓝牙模式。
最后，根据以上所构建的功能模块的Ne种供电电压需求，构建一个具有Ne个电压输出端口的电源模块，为其他功能模块进行供电。其中Ne为整数。
(二)、功能模块测试
完成功能模块构建后，对各功能模块进行独立的功能测试，并将通过测试的功能模块加入硬件设计库，以供后续系统构建选择。
(三)、功能模块选择
根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块。具体选取方法如下：
根据惯性系统的运算速度要求选取相应的处理器模块；根据惯性系统的加速度测量范围选取相应的加速度计模块；根据角速度的测量范围选取相应的陀螺仪模块；根据处理器的运算资源以及加速度计和陀螺仪的性能指标，选取具有相应量化位数的模数转换模块；根据选取的处理器模块的输入输出端口类型选取相应的通信接口模块和数据存储模块；如果涉及组合导航处理，则选取相应的卫星导航模块，用于实现卫星/惯性组合导航；如果需要对传感器的工作温度进行监控，则根据设定的温度采集精度，选取相应的温度采集模块；如果需要与外部进行无线通信，则根据无线通信方式，选取相应的无线模块。在电源模块中，选通满足处理器模块、加速度计模块、陀螺仪模块、模数转换模块、卫星导航模块、温度采集模块、数据存储模块、无线模块、通信接口模块供电需求的电压输出端口。
(四)、系统连接
连接步骤(三)选取的各功能模块，并进行PCB制板和焊接，构建得到满足性能指标要求的惯性导航系统，系统组成框图如图3所示。
其中，温度采集模块与需要监控的传感器对应的功能模块相连，例如加速度计模块、陀螺仪模块；卫星导航模块进行卫星导航测量，加速度计模块和陀螺仪模块进行惯性测量；如果加速度计模块、陀螺仪模块、卫星导航模块、温度采集模块输出的测量数据为模拟信号，则将所述模拟信号发送到模数转换模块，经模数转换模块处理后输出数字信号到处理器模块；如果加速度计模块、陀螺仪模块、卫星导航模块或温度采集模块输出的测量数据为数字信号，则将所述数字信号直接发送到处理器模块；处理器模块进行整体的数据处理和逻辑运算，且处理器模块的输入输出端口连接通信接口模块和数据存储模块，通过所述通信接口模块发送测试数据或导航结果到外部显示控制系统，并接收外部显示控制系统发送的控制指令；然后，通过数据存储模块实现数据保存，并通过无线模块实现与外部的无线通信。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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的公知技术。

Claims (9)

1.一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)、根据设定的性能参数范围构建若干个功能模块，其中：根据设定的Nc种运算速度构建Nc个处理器模块，每个所述处理器模块包括具有相应运算速度的处理器芯片及其外围电路；根据设定的Na种加速度测量范围构建Na个加速度计模块，每个所述加速度计模块包括具有相应加速度测量范围的加速度计及其外围电路；根据设定的Nw种角速度测量范围构建Nw个陀螺仪模块，每个所述陀螺仪模块包括具有相应角速度测量范围的陀螺仪及其外围电路；根据设定的NAD种量化位数构建NAD个模数转换模块，每个所述模数转换模块包括具有相应量化位数的模数转换芯片及其外围电路；根据Nc个处理器模块具有的Nm种输入输出端口类型构建Nm个通信接口模块；根据各功能模块的Ne种供电电压需求，构建一个具有Ne个电压输出端口的电源模块，为其他功能模块进行供电；其中，Nc、Na、Nw、NAD、Nm、Ne为整数；
(2)、分别对步骤(1)构建的各功能模块进行功能测试，并将通过测试的功能模块加入硬件设计库；
(3)、根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块；
(4)、根据惯性系统的组成结构，连接步骤(3)选取的各功能模块，进行系统功能测试后进行PCB制板和焊接，构建得到满足性能指标要求的惯性系统。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(3)中，根据待构建的惯性系统的性能指标要求，在硬件设计库中选取相应的功能模块，具体选取方法如下：
根据惯性系统的运算速度要求选取相应的处理器模块；根据惯性系统的加速度测量范围选取相应的加速度计模块；根据角速度的测量范围选取相应的陀螺仪模块；根据处理器的运算资源以及加速度计和陀螺仪的性能指标，选取具有相应量化位数的模数转换模块；根据选取的处理器模块的输入输出端口类型选取相应的通信接口模块；在电源模块中，选通满足处理器模块、加速度计模块、陀螺仪模块、模数转换模块、通信接口模块供电需求的电压输出端口。
3.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(4)中，根据惯性系统的组成结构，连接步骤(3)选取的各功能模块，具体连接方式如下：如果加速度计模块或陀螺仪模块输出的测量数据为模拟信号，则将所述模拟信号发送到模数转换模块，经模数转换模块处理后输出数字信号到处理器模块；如果加速度计模块或陀螺仪模块输出的测量数据为数字信号，则将所述数字信号直接发送到处理器模块；处理器模块的输入输出端口连接通信接口模块，通过所述通信接口模块发送测量数据或导航结果到外部显示控制系统，并接收外部显示控制系统发送的控制指令。
4.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(1)中构建的功能模块还包括温度采集模块，其中：根据设定的温度采集精度构建若干个温度采集模块，用于采集陀螺仪或加速度计的工作温度。
5.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(1)中构建的功能模块还包括卫星导航模块，其中：根据设定的定位测姿测速精度、数据输出速率和卫星导航系统类型，构建若干个卫星导航模块；所述卫星导航模块用于实现卫星/惯性组合导航，选取的卫星导航模块直接与处理器模块相连，输出卫星导航数据到处理器模块，处理器模块利用加速度计模块和陀螺仪模块的测量数据，以及卫星导航数据进行卫星/惯性组合导航解算，得到定位测姿测速结果。
6.根据权利要求5所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：卫星导航模块涉及到的卫星导航系统类型包括GPS、北斗、GLONASS，以及卫星组合导航系统。
7.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(1)中构建的功能模块还包括数据存储模块，其中：处理器模块的输入输出端口类型构建若干个数据存储模块，用于存储处理器模块输出的测量数据和定位测姿测速结果。
8.根据权利要求1所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：在步骤(1)中构建的功能模块还包括无线模块，其中：根据设定的无线通信模式，构建若干个无线模块，用于处理器模块与外部系统进行无线通信。
9.根据权利要求8所述的一种模块化的惯性系统构建方法，其特征在于：无线模块的无线通信模式包括Zigbee模式、WIFI模式、RFID模式和蓝牙模式。
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