CN109471433B - 一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统 - Google Patents

一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，该系统包括：传感器模块，偏振传感器数据处理模块，多传感器信息融合模块，存储模块，通信模块、电源模块及接口电路。其中传感器模块包括偏振罗盘、陀螺仪、加速度计、气压传感器、温湿度传感器、地磁传感器、GPS；偏振传感器数据处理模块及多传感器信息融合模块由ARM芯片完成数据的智能融合；接口电路包括数据传输接口和指令输出接口，电源模块为系统供电、存储模块用于存储导航数据。本发明将仿生偏振导航用于无人机、舰船等载体的航向与姿态信息确定，不依赖GPS及地磁导航等导航方式，可在电磁干扰等环境下提供高可靠的航向与姿态参考。

Description

一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统
技术领域
本发明涉及一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，不依赖于GPS导航信号，载体实时提供高精度的姿态参考，可用于无人机、舰船、车辆、水下潜器等领域。
背景技术
航向与姿态参考系统广泛应用于无人机、导航、舰船等领域。目前，INS/GPS组合导航系统是常用的姿态于参考系统，但是GPS导航信号容易受到干扰，难以在拒止、对抗、博弈等拒止环境下，为载体提供高精度、高可靠的航向与姿态信息。地磁导航系统是另一种常用的航向与姿态参考系统，但是地磁场容易受到磁性物质干扰，可靠性需进一步提高。针对GPS、地磁等导航方式受干扰情况下的航向与姿态确定，亟需发展一种高精度、高可靠的航向与姿态参考系统。
太阳光经过大气层的散射作用，在大气层内产生了稳定的偏振分布场，能够为载体提高绝对的航向信息，具有稳定、抗电磁干扰和覆盖范围广的特性，是目前自主导航领域的研究热点。将仿生偏振导航技术应用于无人机、导航等载体的航向与姿态确定，可解决GPS拒止、地磁场受干扰等环境下的自主姿态获取，为载体提高高精度、高可靠的航向与姿态基准。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服GPS、磁罗盘易受外部干扰等缺点，提供一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，为无人机、导弹、舰船等载体提供高精度、高可靠的航向与姿态基准。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，包括信息处理模块、传感器模块、接口电路一、接口电路二、接口电路三、电源模块、存储模块、通信模块一、通信模块二、通信模块三；其中，信息处理模块包括三个微处理器即第一微处理器ARM、第二微处理器ARM和第三微处理器ARM；传感器模块包括气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、温湿度传感器、GPS、地磁传感器以及仿生偏振罗盘，其中仿生偏振罗盘由三个偏振传感器组成，偏振传感器一、偏振传感器二、偏振传感器三；接口电路一包括第一RS422、接口一；接口电路二包括第一RS232、第二RS422及接口二；接口电路三包括接口三，接口四、第二RS232及第三RS422及接口五；电源模块包括锂电池、保护电路、降压电路及升压电路；存储模块包括FLASH芯片；通信模块一包括隔离器、反相器、串口转232、UART转422及JTAG_A；通信模块二包括UART转422及JTAG_C；通信模块三包括UART转232、UART转422及JTAG_B；整个系统中，第一微处理器ARM与第二微处理器ARM间、第二微处理器ARM与第三微处理器ARM间通过串口进行连接，其中第一微处理器ARM用于数据采集，第二微处理器ARM用于导航处理，第三微处理器ARM用于机器人控制；GPS、地磁传感器和仿生偏振罗盘分别通过USART1、I2C、UART1与第一微处理器ARM连接，将GPS信息、地磁信息和偏振信息传输到第一微处理器ARM中；气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪通过SPI与第二微处理器ARM连接，将惯性信息传递到第二微处理器ARM中；温湿度传感器与第二微处理器ARM连接；在接口电路一中，第一RS422通过UART转422芯片与第一微处理器AMR连接，接口一通过JTAG_A与第一微处理器ARM连接；在接口电路二中，第一RS232、第二RS422、接口二分别通过UART转232芯片、UART转422芯片、JTAG_B与第二微处理器ARM连接；在接口电路三中，接口三、接口四、接口五通过隔离器、反相器、JTAG_C与第三微处理器ARM连接，第二RS232、第三RS422通过UART转232芯片、UART转422芯片与第三微处理器ARM连接；在电源模块中，锂电池通过保护电路、降压电路、升压电路与信息处理模块连接，为系统供电；第三微处理器ARM将所有导航数据存储到存储模块的FLASH芯片中；
信息处理模块通过第一微处理器ARM对偏振、GPS和地磁传感器参数进行采集，并对数据进行同步打包、统一频率，统一传送至作为导航处理器的第二微处理器ARM；通过第二微处理器ARM对采集的信息进行导航解算，完成多传感器数据融合，给作为机器人控制处理器的第三微处理器ARM传送融合结果，最终实现系统组合导航；通过第三微处理器ARM执行控制算法，将控制量转化为系统输出。
其中，所述的信息处理模块包括第一微处理器ARM、第二微处理器ARM和第三微处理器ARM三个信息处理芯片；每个芯片选用接口丰富，功耗低，运算能力强的ARM芯片，完全满足数据采集、导航信息解算以及机器人控制的需要。
其中，第一微处理器ARM通过串口UART1及USART1接收仿生偏振罗盘、GPS的导航参数，通过I2C控制MagI2C芯片采集地磁传感器数据。
其中，第二微处理器ARM通过串口SPI接收气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪数据。
其中，第三微处理器ARM与存储模块相连，存储导航数据；存储模块由一片FLASH芯片构成，实现大容量导航数据存储。
其中，所述接口电路一为数据采集接口；第一RS422通过UART转4222、接口一通过JTAG_A将第一微处理器ARM的AD转换接口引出，采集GPS、地磁传感器、仿生偏振罗盘数据。
其中，所述接口电路二为数据采集接口；第一RS232通过UART转232、第二RS422通过UART转232、接口二通过JTAG_B将第二微处理器ARM的AD转换接口引出，采集气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、温湿度传感器数据。
其中，所述接口电路三为控制接口；接口三通过隔离器将第三微处理器ARM的六路定时器引出，能够输出六路PWM波控制信号，接口四通过反相器与第三微处理器ARM的一路串口输入端相连，能够外接遥控接收机接收遥控指令；所述第二RS232通过串口转232、第三RS422通过UART转422与第三微处理器ARM、接口五通过JTAG_C与第三微处理器ARM的串口相连，可与上位机通信，进行程序调试工作。
其中，所述电源模块由锂电池、保护电路、升压电路和降压电路组成；电源模块可以输出3.0V、3.3V、5V三种不同电压，满足不同的电压需求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)不依赖于GPS导航信号、地磁传感器，在GPS拒止、磁罗盘干扰等恶劣环境下、为载体提供高精度的航向与姿态参考。
(2)本发明采用嵌入式集成设计，体积小，便于安装，数据处理能力强。所选用的传感器均为高精度数字信号输出传感器，省去了A/D环节，大大减小了系统的延时，提高了系统的稳定性。
(3)本发明作为一个组合导航系统，在实时提供载体导航信息的情况下，可根据导航信息和遥控信号对载体发出控制指令：将ARM芯片的六路定时器经过隔离器引出，可输出PWM波控制信号；同时为遥控接收机留出接口，可接收遥控器的指令。
附图说明
图1为本发明的结构组成图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，为本发明的结构组成框图，即一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，包括信息处理模块1、传感器模块35、第一接口电路30、第二接口电路23、第三接口电路12、电源模块9、存储模块10、通信模块一50、通信模块二51、通信模块三52；其中，信息处理模块1包括三个微处理器即第一微处理器ARM 2、第二微处理器ARM 3和第三微处理器ARM4；传感器模块35包括气压传感器36、三轴加速度计37、三轴陀螺仪38、温湿度传感器39、GPS40、地磁传感器41以及仿生偏振罗盘42，其中仿生偏振罗盘由三个偏振传感器组成，偏振传感器一47、偏振传感器二48、偏振传感器三49；接口电路一30包括第一RS422 31、接口一32；接口电路二23包括第一RS232 24、第二RS422 25及接口二26；接口电路三12包括接口三18，接口四19、第二RS232 20及第三RS422 21及接口五22；电源模块9包括锂电池5、保护电路6、降压电路7及升压电路8；存储模块10包括FLASH芯片11；通信模块一50包括隔离器13、反相器14、串口转232 15、UART转422 16及JTAG_A 33；通信模块二51包括UART转422 16及JTAG_C 17；通信模块三52包括UART转232 29、UART转422 28及JTAG_B 27；整个系统中，第一微处理器ARM 2与第二微处理器ARM 3间、第二微处理器ARM 3与第三微处理器ARM 4间通过串口进行连接，其中第一微处理器ARM 2用于数据采集，第二微处理器ARM 3用于导航处理，第三微处理器ARM 4用于机器人控制；GPS 40、地磁传感器41和仿生偏振罗盘42分别通过USART144、I2C 45、UART1 46与第一微处理器ARM 2连接，将GPS信息、地磁信息和偏振信息传输到第一微处理器ARM 2中；气压传感器36、三轴加速度计37、三轴陀螺仪38通过SPI 43与第二微处理器ARM 3连接，将惯性信息传递到第二微处理器ARM 3中；温湿度传感器39与第二微处理器ARM 3连接；在接口电路一30中，第一RS422 31通过UART转422芯片34与第一微处理器AMR 2连接，接口一32通过JTAG_A 33与第一微处理器ARM 2连接；在接口电路二23中，第一RS232 24、第二RS422 25、接口二26分别通过UART转232芯片29、UART转422芯片28、JTAG_B 27与第二微处理器ARM 3连接；在接口电路三12中，接口三18、接口四19、接口五22通过隔离器13、反相器14、JTAG_C 17与第三微处理器ARM 4连接，第二RS232 20、第三RS422 21通过UART转232芯片15、UART转422芯片16与第三微处理器ARM 4连接；在电源模块9中，锂电池5通过保护电路6、降压电路7、升压电路8与信息处理模块1连接，为系统供电；第三微处理器ARM 4将所有导航数据存储到存储模块10的FLASH芯片11中。
系统开始工作时，电源模块给系统供电，系统进行初始化，然后对传感器模块是否正常工作进行判断。传感器正常工作后，对传感器进行数据采集工作，并将所得数据通过接口电路传送给处理器，由处理器进行信息融合与导航解算。最后，处理器将解算出的导航信息输出的同时存储到存储模块，并综合该信息和遥控器发出的信号为载体发出控制指令，此时一个工作周期结束，并重新对传感器模块的工作状态进行检测，进入下一个工作周期。

Claims (1)

1.一种基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统，其特征在于：包括信息处理模块、传感器模块、接口电路一、接口电路二、接口电路三、电源模块、存储模块、通信模块一、通信模块二、通信模块三；其中，信息处理模块包括三个微处理器即第一微处理器ARM 1、第二微处理器ARM 2和第三微处理器ARM 3；传感器模块包括气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、温湿度传感器、GPS、地磁传感器以及仿生偏振罗盘，其中仿生偏振罗盘由三个偏振传感器组成：偏振传感器一、偏振传感器二、偏振传感器三；接口电路一包括第一RS422、接口一；接口电路二包括第一RS232、第二RS422及接口二；接口电路三包括接口三、接口四、第二RS232及第三RS422及接口五；电源模块包括锂电池、保护电路、降压电路及升压电路；存储模块包括FLASH芯片；通信模块一包括隔离器、反相器、串口转232、UART转422及JTAG_A；通信模块二包括UART转422及JTAG_C；通信模块三包括UART转232、UART转422及JTAG_B；整个系统中，第一微处理器ARM 1与第二微处理器ARM 2间、第二微处理器ARM 2与第三微处理器ARM 3间通过串口进行连接，其中第一微处理器ARM 1用于数据采集，第二微处理器ARM 2用于导航处理，第三微处理器ARM 3用于机器人控制；GPS、地磁传感器和仿生偏振罗盘分别通过USART1、I2C、UART1与第一微处理器ARM 1连接，将GPS信息、地磁信息和偏振信息传输到第一微处理器ARM 1中；气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪通过SPI与第二微处理器ARM2连接，将惯性信息传递到第二微处理器ARM 2中；温湿度传感器与第二微处理器ARM 2连接；在接口电路一中，第一RS422通过UART转422芯片与第一微处理器AMR 1连接，接口一通过JTAG_A与第一微处理器ARM 1连接；在接口电路二中，第一RS232、第二RS422、接口二分别通过UART转232芯片、UART转422芯片、JTAG_B与第二微处理器ARM 2连接；在接口电路三中，接口三、接口四、接口五通过隔离器、反相器、JTAG_C与第三微处理器ARM 3连接，第二RS232、第三RS422通过UART转232芯片、UART转422芯片与第三微处理器ARM 3连接；在电源模块中，锂电池通过保护电路、降压电路、升压电路与信息处理模块连接，为系统供电；第三微处理器ARM 3将所有导航数据存储到存储模块的FLASH芯片中；
信息处理模块通过第一微处理器ARM 1对仿生偏振罗盘、GPS和地磁传感器参数进行采集，并对数据进行同步打包、统一频率，统一传送至作为导航处理器的第二微处理器ARM 2；通过第二微处理器ARM 2对采集的信息进行导航解算，完成多传感器数据融合，给作为机器人控制处理器的第三微处理器ARM 3传送融合结果，最终实现系统组合导航；通过第三微处理器ARM 3执行控制算法，将控制量转化为系统输出；
所述的信息处理模块包括第一微处理器ARM 1、第二微处理器ARM 2和第三微处理器ARM 3三个信息处理芯片；每个芯片选用接口丰富，功耗低，运算能力强的ARM芯片，满足数据采集、导航信息解算以及机器人控制的需要；
第一微处理器ARM 1通过串口UART1及USART1接收仿生偏振罗盘、GPS的导航参数，通过I2C控制MagI2C芯片采集地磁传感器数据；
第二微处理器ARM 2通过串口SPI接收气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪数据；
第三微处理器ARM 3与存储模块相连，存储导航数据；存储模块由一片FLASH芯片构成，实现大容量导航数据存储；
所述接口电路一为数据采集接口；第一RS422通过UART转422、接口一通过JTAG_A将第一微处理器ARM 1的AD转换接口引出，采集GPS、地磁传感器、仿生偏振罗盘数据；
所述接口电路二为数据采集接口；第一RS232通过UART转232、第二RS422通过UART转422、接口二通过JTAG_B将第二微处理器ARM 2的AD转换接口引出，采集气压传感器、三轴加速度计、三轴陀螺仪、温湿度传感器数据；
所述接口电路三为控制接口；接口三通过隔离器将第三微处理器ARM 3的六路定时器引出，能够输出六路PWM波控制信号，接口四通过反相器与第三微处理器ARM 3的一路串口输入端相连，能够外接遥控接收机接收遥控指令；所述第二RS232通过串口转232、第三RS422通过UART转422与第三微处理器ARM 3、接口五通过JTAG_C与第三微处理器ARM 3的串口相连，可与上位机通信，进行程序调试工作；
该基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统不依赖于GPS导航信号、地磁传感器，在GPS拒止、磁罗盘干扰恶劣环境下为载体提供高精度的航向与姿态参考；
该基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统采用嵌入式集成设计，体积小，便于安装，数据处理能力强，所选用的传感器均为高精度数字信号输出传感器，省去了A/D环节，减小了系统的延时，提高了系统的稳定性；
该基于偏振罗盘的航向与姿态参考系统作为一个组合导航系统，在实时提供载体导航信息的情况下，可根据导航信息和遥控信号对载体发出控制指令：将ARM芯片的六路定时器经过隔离器引出，可输出PWM波控制信号；同时为遥控接收机留出接口，可接收遥控器的指令；
所述电源模块由锂电池、保护电路、升压电路和降压电路组成；电源模块可以输出3.0V、3.3V、5V三种不同电压，满足不同的电压需求；
系统开始工作时，电源模块给系统供电，系统进行初始化，然后对传感器模块是否正常工作进行判断，传感器正常工作后，对传感器进行数据采集工作，并将所得数据通过接口电路传送给处理器，由处理器进行信息融合与导航解算，最后，处理器将解算出的导航信息输出的同时存储到存储模块，并综合该信息和遥控器发出的信号为载体发出控制指令，此时一个工作周期结束，并重新对传感器模块的工作状态进行检测，进入下一个工作周期。
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