CN108955628B - 用于教学的航行姿态研究系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于教学的航行姿态研究系统，包括连接的服务端和客户端；所述服务端包括调试机、第一接口模块、稳压模块、转换模块、电池模块、通信模块、数字传感器模块以及第一无线模块，所述调试机依次与第一接口模块、稳压模块、通信模块以及数字传感器模块连接，所述电池模块依次与转换模块、稳压模块、第一无线模块以及数字传感器模块连接；本发明通过服务端和客户端之间各个模块的相互作用，使该航行姿态研究系统满足教学要求，且该系统不需要现有技术中的高精度光纤陀螺、石英加速度计及多模卫星导航接收机等设备，因此其成本较低，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于测量航行姿态技术领域，具体涉及用于教学的航行姿态研究系统。
背景技术
随着科学技术的不断发展，可输出高精度的位置、速度、姿态、角速度、加速度和时间等信息的航行姿态测量仪也得到了广泛的关注，但这类仪器多采用惯性导航技术和组合导航技术，往往内置了价格较为昂贵的高精度光纤陀螺、石英加速度计及多模卫星导航接收机等设备；在教学中，若采用此类仪器作为示教仪器，将会增加教育成本。
发明内容
本发明的目的是提供用于教学的航行姿态研究系统，在具备常见航测量仪的功能的前提下降低了教学成本。
本发明所采用的技术方案是：
用于教学的航行姿态研究系统，包括连接的服务端和客户端；
所述服务端包括调试机、第一接口模块、稳压模块、转换模块、电池模块、通信模块、数字传感器模块以及第一无线模块，所述调试机依次与第一接口模块、稳压模块、通信模块以及数字传感器模块连接，所述电池模块依次与转换模块、稳压模块、第一无线模块以及数字传感器模块连接。
本发明的特点还在于，
所述客户端包括PC机、第二接口模块以及第二无线模块，所述PC机与第二接口模块之间相互通信，所述第二接口模块与第二无线模块之间相互通信。
所述第一接口模块和第二接口模块均包括CH340芯片，所述CH340芯片的第一引脚接地，第二引脚和第三引脚分别通过第十八电阻R18和第二十三电阻R23实现发送数据和接受数据，第四引脚接3.3V，第五引脚和第六引脚接芯片J1，第七引脚和第八引脚分别通过第二十二电容C22和第二十三电容C23共接地，且第七引脚和第八引脚之间设置有第一晶振X1。
所述第一无线模块和第二无线模块均包括ESP8266，所述ESP8266的第二引脚和π型选频网络连接，所述π型选频网络包括第一电感L1、第二电感L2以及设置在所述第一电感L1和第二电感L2之间的第五电容C5，所述ESP8266的第二十七引脚和第二十八引脚之间连接有晶振，所述晶振带有屏蔽层和温度补偿。
所述转换模块包括MP1584EN，所述稳压模块包括AMS1117。
所述MP1584EN的第六引脚通过第四电阻R4接地，第二引脚一端通过第三电阻R3接地，另一端通过第一电阻R1以及第二电容C2和第三电容C3的并联后接地，第七引脚经第三电容C3接地，第三引脚通过第九电容C9和第六电阻R6接地，且第九电容C9和第六电阻R6串联后与第十一电容C11并联，第一引脚经过第一二极管D1和第一电感L1的并联后，通过第一级自恢复保险F1与AMS1117的第三引脚连接，所述第一二极管D1还与第四电容C4和第五电容C5并联，所述AMS1117的第一引脚接地，第二引脚和第四引脚连接后经第六电容C6和第七电容C7的并联后一端接地，另一端经第二级自恢复保险F2接3.3V。
所述第一电感L1为FDV系列铁粉芯电感。
所述数字传感器模块为MPU9250。
所述MPU9250和ESP8266之间通过12C总线进行通讯。
所述MPU9250内置有可编程的滤波器。
与现有技术相比，本发明通过服务端和客户端之间各个模块的相互作用，使该航行姿态研究系统满足教学要求，且该系统不需要现有技术中的高精度光纤陀螺、石英加速度计及多模卫星导航接收机等设备，因此其成本较低，易于推广。
附图说明
图1是本发明实施例1提供用于教学的航行姿态研究系统的系统框图；
图2是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统的系统框图；
图3-4是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统中第一接口模块和第二接口模块的电路图；
图5是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统中第一无线模块和第二无线模块的电路图；
图6是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统中转换模块和稳压模块的电路图；
图7是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统实验结果中X方向速度的曲线图；
图8是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统实验结果中X方向加速度的曲线图；
图9是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统实验结果中Y方向速度的曲线图；
图10是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统实验结果中Y方向加速度的曲线图；
图11是本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统实验结果中的运动轨迹图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供用于教学的航行姿态研究系统，如图1-2所示，包括连接的服务端1和客户端2；
服务端1包括调试机11、第一接口模块12、稳压模块13、转换模块14、电池模块15、通信模块16、数字传感器模块17以及第一无线模块18，调试机11依次与第一接口模块12、稳压模块13、通信模块16以及数字传感器模块17连接，电池模块15依次与转换模块14、稳压模块13、第一无线模块18以及数字传感器模块17连接；
上述服务端1包括三部分；
第一部分为电源部分，由稳压模块13、转换模块14以及电池模块15共同构成，为第一无线模块18提供电源，该电源具有适应电压范围宽，纹波低，精度高等特点；
第二部分为调试接口部分，由调试机11和第一接口模块12组成，该接口采用CH340将数据流从USB的差分通讯方式转换成TTL差分信号，提供一种PC与ESP8266的通讯方式与调试接口；
第三部分为传感器数据采集与信息融合，其中，第一无线模块18为ESP8266，是核心控制器，数字传感器模块17为MPU9250的9轴数字式传感器，包含3组16BIT速度计传感器，3组16BIT陀螺仪传感器，3组16BIT磁强计传感器，ESP8266通过I2C总线与MPU9250通讯，按照MPU9250事先规定好的协议进行通讯,完成实际物理状态到数字化的过程，该过程即传感器的数据采集部分；由于ESP8266本身内置了TCP/IP内核和无线通讯子模块，因此使用该模块可以很容易进行WIFI通讯，结合上述内容，将从传感器采集所的数据经过软件滤波之后通过无线WIFI的方式发给客户端2；将采集所得的数据经过事先约定好的通信协议进行数据编码，即信息的调制。
上述客户端2包括PC机21、第二接口模块22以及第二无线模块23，所述PC机21与第二接口模块22之间相互通信，所述第二接口模块22与第二无线模块23之间相互通信；第二无线模块23为ESP8266；
另外，包括显示模块，其通过事先规定好的协议进行调解数据，转换成相应的姿态角度并实时显示为数值变化，将变化的数据以3D引擎驱动图元进行动态姿态变化，进而展示给受教者，直观展示角度变化。
本发明实施例2提供用于教学的航行姿态研究系统，在实施例1的基础上，如图3-6所示，第一接口模块12和第二接口模块22均包括CH340芯片，CH340芯片的第一引脚接地，第二引脚和第三引脚分别通过第十八电阻R18和第二十三电阻R23实现发送数据和接受数据，第四引脚接3.3V，第五引脚和第六引脚接芯片J1，第七引脚和第八引脚分别通过第二十二电容C22和第二十三电容C23共接地，且第七引脚和第八引脚之间设置有第一晶振X1；
其中，CH340是一个USB总线的转接芯片，通过USB总线提供异步串口、打印口、并口以及常用的2线和4线等同步串行接口，在异步串口方式下，CH340提供串口发送使能、串口接收就等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，本系统中将普通的串口设备直接升级到USB总线。
另外，CH340芯片仅用一只12MHZ的第一晶振X1即可驱动，USB与串行通讯的转换完全在芯片内部完成，在本系统能够中实现下载与通讯调试两种角色，其中一键程序电路，DTR为数据终端准备好信号，RTS为数据终端请求信号。
第一无线模块18和第二无线模块23均包括ESP8266，ESP8266的第二引脚和π型选频网络连接，π型选频网络包括第一电感L1、第二电感L2以及设置在第一电感L1和第二电感L2之间的第五电容C5，ESP8266的第二十七引脚和第二十八引脚之间连接有晶振，晶振带有屏蔽层和温度补偿；
在上述的无线通讯部分，第一电感L1、第二电感L2、第五电容C5组成π型选频网络，在PCB制版时需要加入50欧姆的阻抗匹配即可。
作为数字电路核心的晶振，选用了带屏蔽层与温度系统补偿的晶振，其温飘小至5PPM，为主控制器提供更好的脉冲输入；
在使用PC端自动下载固件时，在软件端需要启动硬件流控制并适当在不同模式间加入50mS延时才能正常使用，否则可能出现异常。
其中，ESP8266模块采用Tensilica公司的32-bitLX6处理器，它集成了完整的TCP/IP网络协议栈，32位低功耗MCU，160MHZ时钟频率，10bit精度ADC，扩展存储可达64MSPIFLASH并带有HSPI、UART、PWM、I2C和I2S等接口，可以同时在AP与STA工作模式下运行TCP/UDP协议的Client/Server服务，此外还具备云升级功能，被广泛应用于智能家居和互联网领域；
转换模块14包括MP1584EN，稳压模块13包括AMS1117。
MP1584EN的第六引脚通过第四电阻R4接地，第二引脚一端通过第三电阻R3接地，另一端通过第一电阻R1以及第二电容C2和第三电容C3的并联后接地，第七引脚经第三电容C3接地，第三引脚通过第九电容C9和第六电阻R6接地，且第九电容C9和第六电阻R6串联后与第十一电容C11并联，第一引脚经过第一二极管D1和第一电感L1的并联后，通过第一级自恢复保险F1与AMS1117的第三引脚连接，第一二极管D1还与第四电容C4和第五电容C5并联，AMS1117的第一引脚接地，第二引脚和第四引脚连接后经第六电容C6和第七电容C7的并联后一端接地，另一端经第二级自恢复保险F2接3.3V；
输入电压工作范围为6V-24V，输出电压为3.30V，采用DC/DC(BUCK)与LDO协同工作，在DC/DC中加入了旁路滤波选频器(第三电容C3和第六电阻R6)，在输出级加入了两级自恢复保险(第一级自恢复保险F1和第二级自恢复保险F2)。
其中DC/DC选用芯源半导体生产的MP1584EN，与之配合的电感选用FDV系列铁粉芯电感，电容选用TDK系列，输出级采用电压3倍的耐压值；
上述设计一方面具有较高的转换效率，还可适应更宽的输入电压范围，另一方面有效降低了系统电源纹波，提高整体电路输出电压工作稳定性和热稳定性，同时加入的自恢复保险避免了短路风险对核心控制器的损害。
数字传感器模块17为MPU9250，MPU9250是一个QFN封装的复合芯片(MCM)，是一款9轴运动跟踪装置，在小小的3x3x1mm的封装中分别融合了3轴16位加速度、3轴16位陀螺仪、3轴16位磁力计以及数字运动处理器(DMP)并且能承受住10000g的震动冲击，同时还与MPU6515兼容，精密的慢速和快速运动跟踪，全量程的可编程陀螺仪参数选择(±250，±500，±1000，±2000°/秒(dps))，可编程的加速度参数选择±2g，±4g，±8g，±16g，以及最大磁力计可达到±4800uT，内置的可编程数字滤波器带有中断，嵌入了温度传感器，40-85℃时带高精度的1％的时钟漂移，并且带有可编程中断。其完美的I2C方案使得系统连接大大简化，同时通讯速率可达400KHz，可直接输出9轴的全部数据。由于采用了一体化的设计，运动性的融合，时钟校准功能，避开了繁琐复杂的芯片选择和外设成本，保证最佳的性能。
MPU9250和ESP8266之间通过12C总线进行通讯，读取10组AD，三轴加速度AD值、三轴磁强计度AD值、三轴陀螺仪AD值、一组温度值，经过姿态融合后就可以得到Pitch、Roll、Yaw角，再通过建立无线WIFI路由器AP模式的TCP/UDP服务,为客户端提供测试所得的姿态数据。MPU9250内置有可编程的滤波器。
由于ESP8266进入BOOT下载模式必须满足以下条件：CHIP_EN引脚置高；GPIO0引脚置低(置高则进入从FLASH运行模式)。
而实现一键下载的关键就在于，GPIO0引脚和RESET引脚电平状态，当DTR为1，RTS为0时，RESET复位引脚拉低，反之，GPIO0引脚拉低，逻辑关系如表1所示：
| 模式及信号 | DTR | RTS | REST | GPIO0 |
| 初始状态 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| boot下载模式 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 重启 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| flash启动 | 1 | 1 | 1 | 1 |
表1 ESP8266启动逻辑
工作过程：首先各个模块初始化，服务端ESP8266初始化正常后，与MPU9250进行通讯，获得原始传感器信息，经过软件滤波后，通过事先约定好的通讯协议对传感器姿态信息进行调制编码，在接收端即客户端，使用事先约定好的通讯协议进行姿态信息的解调，还原姿态角度等信息，通过显示模块显示姿态的信息，转化为可以驱动3D动画图元的数据流，展现直观的3D姿态变化，给受教者留下直观的印象。
在客户端使用Unity3Dengine创建UI，示教时，针对性的展示姿态角，它们是：俯仰角pitch、滚转角yaw、偏航角roll。
在地面上选一点Og；使Xg轴在水平面内并指向某一方向；Zg轴垂直于地面并指向地心，重力方向；Yg轴在水平面内垂直于Xg轴，其指向按左手定则确定。
姿态解算一般有两种算法，一种是IMU，另一种是被各种无人机广泛使用的AHRS，比如众所周知的APM，pixhawk，DJI的naza，还有开源的飞控等等；
本系统姿态检测部分由加速度计，磁场计，陀螺仪构成，能够为飞行器提供准确可靠的航向(yaw)，横滚(roll)和侧翻(pitch)等姿态航行信息。
在系统中，所示测得的数据分别为X,Y,Z三轴的加速度和三轴角速度原坐标系，所以需要对角速度进行处理得到关于新旧坐标系的关联矩阵，进而求出欧拉角。而在计算机的三维图形学中，因为矩阵较为浪费存储空间，不便于嵌入式的芯片做解算。因此常常用四元数和欧拉角表示旋转状态，其公式如式(1)(2)所示。
式(1)中w、x、y、z为四元数，式(2)中θ、ψ分别为全局坐标系下的角度。
由欧拉定理可知，刚体绕任意轴旋转一个角度，假设其转轴为则旋转角为式(3)所示
在系统中采用上述方法对姿态进行解算。
AHRS的真正参考来自于地球的重力场和地球的磁场，其静态终精度取决于对磁场和重力的测量精度，而陀螺决则定了他的动态性能。由于陀螺仪对外界振动影响小，精度高等特点通过对角速度积分可以得到倾角，但是会产生累积误差。所以，不能单独使用加速度计或陀螺仪来得到倾角，需要互补。另外磁场和重力场越正交，则航姿测量效果越好，因此需要对传感器的输出进行滤波，以便提高精度。
本文采用卡尔曼滤波器进行滤波，以最小均方误差为估计的最佳准则，其思想是采用信号与噪声的状态空间模型，利用前一时刻地估计值和现时刻的观测值来更新对状态变量的估计，求出当前时刻的估计值。它相对于维纳滤波更适合于实时处理和计算机运算。滤波模型如式(4)所示：
xk＝FKxk-1+Bkuk+wk (4)
给加速度和陀螺仪不同的权值，把它们结合到一起，进行修正，如式(5)、(6)所示：
FK是作用在xk上的状态变换矩阵；
Bk是作用在控制向量uk上的输入模型；
Hk是测量矩阵，wk为噪声干扰；
Qk为协方差矩阵，Pk|k为当前状态协方差；
为上次更新的状态(角度)；
其中(5)式为预测估计阶段，包含预测状态和协方差矩阵；式(6)是数据更新阶段包含，卡尔曼系数，更新状态的推算和协方差的推算；
其中角度解算滤波步骤如下：
1)计算预估计协方差矩阵；
2)计算卡尔曼增益矩阵；
3)更新估计；
4)计算更新后估计协防差矩阵；
5)重复以上步骤。
采用本申请中的航行姿态系统进行实验教学，测试时沿着Z轴旋转并记录数据，如图7-11所示，为示教器实际运动轨迹，测量所得的轨迹与滤波后的轨迹。经过滤波后的姿态解算，基本与原始运动轨迹一致，角度解算达到设计要求。
采用上述方案，与现有技术相比，本发明通过服务端和客户端之间各个模块的相互作用，使该航行姿态研究系统满足教学要求，且该系统不需要现有技术中的高精度光纤陀螺、石英加速度计及多模卫星导航接收机等设备，因此其成本较低，易于推广。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，包括连接的服务端（1）和客户端（2）；
所述服务端（1）包括调试机（11）、第一接口模块（12）、稳压模块（13）、转换模块（14）、电池模块（15）、通信模块（16）、数字传感器模块（17）以及第一无线模块（18），所述调试机（11）依次与第一接口模块（12）、稳压模块（13）、通信模块（16）以及数字传感器模块（17）连接，所述电池模块（15）依次与转换模块（14）、稳压模块（13）、第一无线模块（18）以及数字传感器模块（17）连接；
所述客户端（2）包括PC机（21）、第二接口模块（22）以及第二无线模块（23），所述PC机（21）与第二接口模块（22）之间相互通信，所述第二接口模块（22）与第二无线模块（23）之间相互通信；
所述数字传感器模块（17）为MPU9250的9轴数字式传感器，具体包含3组16BIT速度计传感器，3组16BIT陀螺仪传感器，3组16BIT磁强计传感器；所述MPU9250内置有可编辑的卡尔曼滤波器；
所述第一无线模块（18）为ESP8266；
所述ESP8266通过12C总线与所述MPU9250进行通讯，按照MPU9250事先规定好的协议进行通讯,完成实际物理状态到数字化的过程，该过程即传感器的数据采集部分；将从传感器采集所得的数据经过软件滤波之后通过无线WIFI的方式发给客户端（2）；将采集所得的数据经过事先约定好的通信协议进行数据编码；
通过读取10组AD值，具体包含三轴加速度AD值、三轴磁强计度AD值、三轴陀螺仪AD值、一组温度值，并经过姿态融合得到俯仰角Pitch、偏航角Roll、滚转角Yaw，再通过建立无线WIFI路由器AP模式的TCP/UDP服务,为客户端提供测试所得的姿态数据；测试时沿着Z轴旋转并记录数据，测量所得的轨迹与滤波后的轨迹，经过滤波后的姿态解算，与原始运动轨迹一致，角度解算达到设计要求。
2.根据权利要求1所述的用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，所述第一接口模块（12）和第二接口模块（22）均包括CH340芯片，所述CH340芯片的第一引脚接地，第二引脚和第三引脚分别通过第十八电阻R18和第二十三电阻R23实现发送数据和接受数据，第四引脚接3.3V，第五引脚和第六引脚接芯片J1，第七引脚和第八引脚分别通过第二十二电容C22和第二十三电容C23共接地，且第七引脚和第八引脚之间设置有第一晶振X1。
3.根据权利要求2所述的用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，所述第二无线模块（23）包括ESP8266，所述第一无线模块（18）和所述第二无线模块（23）的ESP8266的第二引脚和π型选频网络连接，所述π型选频网络包括第一电感L1、第二电感L2以及设置在所述第一电感L1和第二电感L2之间的第五电容C5，所述ESP8266的第二十七引脚和第二十八引脚之间连接有晶振，所述晶振带有屏蔽层和温度补偿。
4.根据权利要求3所述的用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，所述转换模块（14）包括MP1584EN，所述稳压模块（13）包括AMS1117。
5.根据权利要求4所述的用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，所述MP1584EN的第六引脚通过第四电阻R4接地，第二引脚一端通过第三电阻R3接地，另一端通过第一电阻R1以及第二电容C2和第三电容C3的并联后接地，第七引脚经第三电容C3接地，第三引脚通过第九电容C9和第六电阻R6接地，且第九电容C9和第六电阻R6串联后与第十一电容C11并联，第一引脚经过第一二极管D1和第一电感L1的并联后，通过第一级自恢复保险F1与AMS1117的第三引脚连接，所述第一二极管D1还与第四电容C4和第五电容C5并联，所述AMS1117的第一引脚接地，第二引脚和第四引脚连接后经第六电容C6和第七电容C7的并联后一端接地，另一端经第二级自恢复保险F2接3.3V。
6.根据权利要求5所述的用于教学的航行姿态研究系统，其特征在于，所述第一电感L1为FDV系列铁粉芯电感。
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