CN109307509A - 基于dsp的室内惯性导航系统 - Google Patents

Abstract

一种基于DSP的室内惯性导航系统。但是目前轮式运动小车主要采用的导航传感方式有视觉、光电、超声、里程计等，比较容易被外界环境干扰，不能满足广大市场的需求。种基于DSP的室内惯性导航系统，其组成包括：轮式小车1（1）PC终端（2），轮式小车内部具有数字罗盘（3）、加速度计（4）、陀螺仪（5）、核心板和驱动板，核心板分别与数字罗盘、加速度计和陀螺仪连接，核心板通过WIFI信号与PC终端连接，驱动板与核心板连接。本发明应用于基于DSP的室内惯性导航系统。

Description

基于DSP的室内惯性导航系统

技术领域：

本发明涉及一种基于DSP的室内惯性导航系统。

背景技术：

轮式遥控机器人已经应用在地震、火灾等一些危险的室内区域进行救援和探测，或执行反恐任务。由于在这些特殊的环境下存在诸多的未知因素，且室内无 GPS信号，人们不得不依靠先进的科学技术和仪器来获取遥控机器人小车的导航信息。但是目前轮式运动小车主要采用的导航传感方式有视觉、光电、超声、里程计等，比较容易被外界环境干扰，不能满足广大市场的需求。

但是惯性导航装备安置在运载体内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不容易遭到滋扰，是一种自立式导航系统，优于上述的导航传感例子。并且近年来MEMS(微机电系统)结构的惯性传感器随半导体技术的进步得到了迅速发展，使其低成本而高精度的期望得到了实现。MEMS惯性传感器组成的惯性导航装置结合轮式小车的里程计，能够产生导航和定位信息，减少对外部环境的倚赖，实现在外部环境条件(例如光照、墙壁材质)未知情况下的导航。

由于是在室内区域进行勘测搜索，小车的运行特点与一般的飞机、船、车不同，它的运动轨迹变化较快，且在运动时存在一定的振动，因此常用的卡尔曼滤波算法需要进一步改进才能应用。惯性传感器采集数据量大，且进行惯性导航时需要大量的浮点运算。

发明内容：

本发明的目的是提供一种基于DSP的室内惯性导航系统。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于DSP的室内惯性导航系统，其组成包括：轮式小车和PC终端，所述的轮式小车内部具有数字罗盘、加速度计、陀螺仪、核心板和驱动板，所述的核心板分别与所述的数字罗盘、所述的加速度计和所述的陀螺仪连接，所述的核心板通过WIFI信号与所述的PC终端连接，所述的驱动板与所述的核心板连接。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的核心板包括DSP最小系统，JTAG下载口，系统电源供给电路、MEMS惯性传感器和WIFI模块，所述的驱动板包括小车驱动模块。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的核心板以DSPTMS320F28335芯片作为主数字信号处理器，所述的DSPTMS320F28335芯片采集所述的MEMS惯性传感器的信号并处理，处理结构通过所述的WIFI模块将数据输送到所述的PC终端。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的驱动板的驱动片采用BTS7960作为直流电机驱动芯片，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的PC终端负责显示定位结果和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的DSPTMS320F28335芯片的内核电压为1.9V、I/O供电电压为3.3V。

所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的系统电源供给电路利用两路输出电源器件TPS767D318来实现，JTAG电路按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口。

本发明的有益效果：

1.本发明采用了具有强大数字信号处理功能的DSP 28335芯片和PC控制终端，实现惯性传感器的数据采集、时序逻辑控制、与驱动系统通信和地图显示功能，具有体积小、成本低、功耗低等优点。

本发明选用低成本的MEMS器件，结合DSP和卡尔曼滤波算法，能实现较高精度的轮式小车导航和定位。轮式小车惯性导航系统，能够通过wifi实现PC终端和手持终端控制轮式小车行动以及小车所采集数据的传输。

本发明以DSP TMS320F28335芯片作为主数字信号处理器，采集各MEMS惯性传感器的信号并处理，处理结果通过WIFI将数据输送到PC终端;PC终端负责显示定位结果和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。

本发明能够实时监测到移动机器人的位置信息，并对其能实现有效控制。同时其低成本、高精度、易操作的特点将进一步应用于例如巡逻机器人、救援机器人等专业领域，必将吸引国内外众多的投资商对其投资并进行更进一步的研发与应用，使其有着十分广大的创新创业前景、应用前景和市场前景。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是DSP电源电路的结构图。

附图3是JTAG电路的结构图。

附图4是驱动模块电路的结构图。

附图5是TLP521隔离电路的结构图。

图中：1、轮式小车，2、PC终端，3、数字罗盘，4、加速度计，5、陀螺仪，6、小车驱动模块，7、DSPTMS320F28335芯片，8、电子地图及小车坐标显示，9、键盘控制。

具体实施方式：

实施例1：

一种基于DSP的室内惯性导航系统，其组成包括：轮式小车1和PC终端2，所述的轮式小车内部具有数字罗盘3、加速度计4、陀螺仪5、核心板和驱动板，所述的核心板分别与所述的数字罗盘、所述的加速度计和所述的陀螺仪连接，所述的核心板通过WIFI信号与所述的PC终端连接，所述的驱动板与所述的核心板连接。

实施例2：

根据实施例所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的核心板包括DSP最小系统，JTAG下载口，系统电源供给电路、MEMS惯性传感器和WIFI模块，所述的驱动板包括小车驱动模块6。

实施例3：

根据实施例1或2所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的核心板以DSPTMS320F28335芯片7作为主数字信号处理器，所述的DSPTMS320F28335芯片采集所述的MEMS惯性传感器的信号并处理，处理结构通过所述的WIFI模块将数据输送到所述的PC终端。

实施例4：

根据实施例1或2或3所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的驱动板的驱动片采用BTS7960作为直流电机驱动芯片，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。

实施例5：

根据实施例1或2或3或4所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的PC终端负责显示定位结果和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。

实施例6：

根据实施例1或2或3或4或5所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的DSPTMS320F28335芯片的内核电压为1.9V、I/O供电电压为3.3V。

实施例7：

根据实施例1或2或3或4或5或6所述的基于DSP的室内惯性导航系统，所述的系统电源供给电路利用两路输出电源器件TPS767D318来实现，JTAG电路按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口。

实施例8：

（1）电源电路：

TMS320F28335 工作时需要的电压不同：内核电压(1.9 V)与I/O供电电压(3.3 V)，对于电源比较敏感，所以电源部分利用两路输出电源器件TPS767D318来实现，如图2所示。同时根据仿真实验和实际焊接电路的测试，电源模块输出端最好使用一些容值不小于10uf的保护电容，且不能使用贴片电容，否则工作不稳定。

图2 DSP电源设计

在电源设计中，考虑到TPS767D318芯片可以产生复位信号，所以在核心板上并没有再另外为DSP设计复位电路。

（2）JTAG下载口电路：

图3为JTAG电路，按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口，同时要注意EMU0和EMUl信号必须通过上拉电阻连接至电源，其中上拉电阻为10kΩ。

（3）图3 JTAG电路设计

实施例9：

小车驱动板设计：

在本装置中，采用BTS7960作为直流电机驱动芯片。BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动，在IOUT = 9 A，VS= 13.5V，Tj =25 °C 时，其内阻抗为17mΩ。装置采用了两个直流大电机，如图4所示为驱动单个电机前后转向的电路图。

图4 驱动模块电路：

在电机驱动这里，需要注意一个细节，就是电机在转动过程中有可能会产生反向的电动势，使电流一瞬间过大，导致单片机复位甚至有可能烧坏芯片。因此在设计过程中，可以考虑在单片机PWM输入到电机驱动接口的地方添加光耦器件隔离或者二极管。如图5所示，驱动板选择了tlp521-4这种光耦器件设计隔离电路，减小电压的干扰，减化电路的设计，同时也把四路PWM的I/O电平从3.3上拉到5V。

图5 TLP521隔离电路

实施例10：

3软件设计及具体实现

在软件程序设计上，主要应用九自由度惯性导航传感器(ITG3200+ADXL345+HMC5883L)，结合DSP和卡尔曼滤波算法，能实现较高精度的轮式小车导航和定位。

传感器器件程序设计

九自由度惯性导航传感器在许多领域都得到了实际的应用，如无人机，救灾机器人等。它包括ITG3200三轴陀螺仪，HMC5883L三轴磁感应传感器和ADXL345三轴加速度传感器，所以可以得到加速度，角速度以及角度实时的数值。

Claims (7)

1.一种基于DSP的室内惯性导航系统，其组成包括：轮式小车和PC终端，其特征是：所述的轮式小车内部具有数字罗盘、加速度计、陀螺仪、核心板和驱动板，所述的核心板分别与所述的数字罗盘、所述的加速度计和所述的陀螺仪连接，所述的核心板通过WIFI信号与所述的PC终端连接，所述的驱动板与所述的核心板连接。

2.根据权利要求1所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的核心板包括DSP最小系统，JTAG下载口，系统电源供给电路、MEMS惯性传感器和WIFI模块，所述的驱动板包括小车驱动模块。

3.根据权利要求1或2所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的核心板以DSPTMS320F28335芯片作为主数字信号处理器，所述的DSPTMS320F28335芯片采集所述的MEMS惯性传感器的信号并处理，处理结构通过所述的WIFI模块将数据输送到所述的PC终端。

4.根据权利要求1或2所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的驱动板的驱动片采用BTS7960作为直流电机驱动芯片，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS和一片半桥门集驱动。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的PC终端负责显示定位结果和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的DSPTMS320F28335芯片的内核电压为1.9V、I/O供电电压为3.3V。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的基于DSP的室内惯性导航系统，其特征是：所述的系统电源供给电路利用两路输出电源器件TPS767D318来实现，JTAG电路按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口。