CN109556604A - 一种旋转mimu/gnss短基线双天线的定位定向装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，包括旋转模块、GNSS信息模块、MIMU模块和主控导航模块；旋转模块由直驱电机、电机驱动器、导电滑环、编码器、旋转平面和支架组成，旋转平面与支架在电机的控制下作连续旋转，编码器输出旋转角度数据；GNSS信息模块包括两个GNSS天线和一个GNSS板卡，两个GNSS天线安装在旋转模块的支架上作连续旋转；MIMU模块安装在所述旋转模块的旋转平面上与GNSS天线一起作连续旋转；主控导航模块由FPGA和DSP组成。本发明所述装置通过短基线双天线和旋转模块做连续旋转，采用MIMU与多模GPS+BeiDou进行信息融合，无需计算GNSS的整周模糊度就可得到航向角，实现定位定向。本发明所述装置具有尺寸小、成本低、精度高的优点。

Description

一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置
技术领域
本发明涉及利用GPS、北斗卫星导航系统、微惯性器件和旋转电机实现的组合导航系统，特别是涉及一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置。
背景技术
随着我国无人艇、无人机和无人运载器的广泛应用，小型定位定向装置需求非常迫切。目前GNSS双天线定向装置在整周模糊度未知情况下是无法得到航向角的，当遇到短时间信号失锁，装置就无法定向，而且实时性较差。为了解决这些问题，本发明提出了一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，它无需事先知道GNSS的整周模糊度就可以确定航向角，而且成本低、实时性好，精度高。
发明内容
本发明提供一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其目的在于提供一种尺寸小、成本低、精度高的定位定向系统。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：包括旋转模块、GNSS信息模块、MIMU模块和主控导航模块；所述旋转模块由直驱电机、电机驱动器、导电滑环、编码器、旋转平面和支架组成，旋转平面与支架在电机的控制下作连续旋转，电机驱动器由主控导航模块通过串口控制电机旋转，编码器输出旋转角度数据；所述GNSS信息模块包括两个GNSS天线和一个GNSS板卡，两个GNSS天线安装在所述旋转模块的支架上作连续旋转，GNSS板卡输出两个GNSS天线几何中心的GPS和BeiDou的载波相位和星历等信息；所述MIMU模块由三个单轴微加速度计和三个单轴微陀螺仪组成，输出加速度计和陀螺仪的惯性数据，所述MIMU模块安装在所述旋转模块的旋转平面上与GNSS天线一起作连续旋转；所述主控导航模块由FPGA和DSP组成，FPGA通过串口接收所述GNSS板卡、MIMU模块和旋转模块的数据，DSP负责发送旋转命令至所述旋转模块和解算导航信息，得到所述定位定向装置的位置、速度、姿态和航向信息，解算结果传至上位机贮存、显示和监控。
作为本发明的优选，所述主控导航模块控制所述旋转模块驱动器，并以恒定速度带动两个GNSS天线和MIMU模块做连续同向旋转。
作为本发明的优选，所述的直驱电机的转子为中空，电机定子固定于底座中，旋转平面安装于电机转子上，导电滑环安装于电机转子内部中空位置，并且滑环定子固定于底座上，滑环转子固定于旋转平面。
作为本发明的优选，所述GNSS信息模块中的两个GNSS天线通过导线与GNSS板卡连接，GNSS板卡通过串口与主控导航模块连接，并以此发送接收到的GPS和BeiDou数据信息至主控导航模块。
作为本发明的优选，所述两个GNSS天线通过螺钉固定于支架两端，其间距小于0.4米内，所述的支架安装在所述电机旋转平面上。
作为本发明的优选，所述MIMU模块数据输出口通过串口与主控导航模块的数据接入口连接。
作为本发明的优选，所述的MIMU模块型号为STIM300、GNSS板卡为OEM617D、旋转电机为ACW170直驱电机。
作为本发明的优选，所述的FPGA为EP3C25U256I7芯片、DSP为TMS320C6748芯片。
有益效果：
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
（1）本发明装置采用连续旋转GNSS短基线双天线，相比单GPS或单BeiDou双天线定位定向系统，本发明可供选择使用的定位卫星数更多，能够得到更高精度的航向角。
（2）在GPS和BeiDou导航卫星系统都不能提供四颗卫星的情况下，而本装置可以组合GPS和BeiDou导航卫星系统完成定位定向，可靠性和稳定性比单模导航卫星系统高。
(3)本发明采用旋转GNSS短基线双天线，两个GNSS天线相距很短，基线长小于0.4米，所述装置体积小，电机的功耗低。
（4）本发明装置采用旋转MIMU，在GNSS信号短时间丢失的情况下，乃具有较高的定位定向精度。
附图说明
图1 为本发明的装置示意图。
图2 为本发明的旋转模块内部结构图。
图3 为本发明的MIMU模块、双GNSS天线和电机安装关系图。
图4 为本发明的系统流程图。
图5 为本发明导航解算模块的FPGA的内部功能结构图。
图6 为本发明主控导航模块的DSP算法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步地说明。
如图1所示，为本发明的一种GNSS旋转多模短基线双天线的定位定向装置的硬件示意图，包括旋转模块5、GNSS信息模块、MIMU模块和主控导航模块。所述旋转模块5由一个直驱电机7、电机驱动器6、导电滑环8、编码器、旋转平面4和支架3组成，电机驱动器6安装在底座9，由主控导航模块通过蓝牙串口命令控制，发出驱动命令控制电机带动支架3和旋转平面4做顺时针连续旋转。
所述GNSS信息模块包括两个GNSS天线和一个GNSS板卡；所述两个GNSS天线对称安装在旋转模块的支架上，主天线1和次天线2间距可在0.4米间调整；所述GNSS板卡输出主次天线的载波相位和星历等信息至导航解算模块。
所述MIMU模块包括三个单轴微加速度计、三个单轴微陀螺仪，同主控导航模块和GNSS板卡封装在同一个合金盒中，固定在所述旋转模块5的旋转平面4上，在定位定向时共同做同向连续旋转；所述微加速度计和微陀螺仪输出载体运动角速度和角加速度信息。
所述主控导航模块由FPGA和DSP组成；所述FPGA芯片负责接收三路原始数据：电机角度、卫星报文和惯性数据，并利用卫星报文中的精准的秒脉冲1PPS实现三路数据的时间同步，把庞大的串行数据转为并行重组数据通过EMIFA接口传送至所述DSP芯片，消去了DSP读取原始串行数据的工作量；所述DSP过SYSBIOS操作系统控制各线程同步执行保证实时性，DSP执行导航算法，并在初始定位定向结束时通过蓝牙发送旋转命令至电机驱动器，驱动电机旋转，并将定位定向导航结果发送至上位机进行监测和存贮。
如图2所示，为本发明的旋转模块框图。旋转模块内部由旋转直驱电机7、导电滑环8、旋转平面4和底座9构成；直驱电机7的转子为中空，电机定子固定于底座9，旋转平面4安装于电机转子上，导电滑环8安装于电机转子内部中空位置，并且滑环定子固定于9上，滑环转子固定于旋转平面4。导电滑环8用于实现转动部分与固定部分的电气连接，防止电机旋转产生导线缠绕。
如图3所示，为本发明MIMU单元和GNSS信息模块的安装示意图。两个GNSS天线安装在旋转模块金属支架两端，和旋转平面共同运动，天线间距可根据航向精度要求进行调整，优选的，距离为30厘米，安装的方向为天线基线方向指向电机归零时的零位。基线向量为主天线中心到次天线中心的向量，方向由主天线指向次天线。MIMU模块的安装方向为微陀螺仪的y轴与两个GNSS天线基线平行，且陀螺y轴方向与基线向量方向一致。
如图4所示，为本发明的系统流程图。本实施例中的MIMU模块型号为STIM300、GNSS板卡为OEM617D、旋转电机为ACW170直驱电机、FPGA为EP3C25U256I7芯片、DSP为TMS320C6748芯片；两个GNSS天线通过SMA接口连接GNSS板卡，FPGA接收三路原始数据：惯性数据、卫星报文和旋转角度；FPGA将数据预处理后再通过EMIFA接口并行传至DSP，DSP实现在线导航，并将结果传至上位机监测和存贮。
如图5所示，为本发明的FPGA内部模块功能图。本实施例中的FPGA包含以下模块：惯性数据接收和解码模块、GNSS接收和解码模块、电机角度采样模块和时间同步模块。在线导航要求原始数据时间一致性，利用卫星系统中的精准的秒脉冲1PPS做时间基准，在监测到惯性数据脉冲时，为惯性数据采样电机角度，并把角度数据附在惯性数据帧尾，利用GNSS报文解码模块中的GPS时间为重组的惯性数据授时，完成原始数据的时间一致要求。将重组惯性数据和GNSS解码数据传入DSP交互模块，通过映射中断完成DSP对数据的提取。
如图6所示，本实施例中的DSP导航算法流程为：上电后接收完预处理数据，计算出初始水平姿态角和航向角后，操作系统控制两个线程同步进行：执行捷联惯导算法和发送电机驱动命令。根据电机驱动协议，然后通过蓝牙串口发送电机旋转命令，并同时执行捷联惯导算法，判断能否执行组合导航算法，若无GPS和北斗卫星信号，给出捷联导航结果，若存在GPS和卫星信号，筛选高质量的卫星执行组合导航算法，利用扩展卡尔曼滤波获得最优状态估计给出导航结果，并把结果传至上位机监测存贮。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：包括旋转模块、GNSS信息模块、MIMU模块和主控导航模块；所述旋转模块由直驱电机、电机驱动器、导电滑环、编码器、旋转平面和支架组成，旋转平面与支架在电机的控制下作连续旋转，电机驱动器由主控导航模块通过串口控制电机旋转，编码器输出旋转角度数据；所述GNSS信息模块包括两个GNSS天线和一个GNSS板卡，两个GNSS天线安装在所述旋转模块的支架上作连续旋转，GNSS板卡输出两个GNSS天线几何中心的GPS和BeiDou的载波相位和星历等信息；所述MIMU模块由三个单轴微加速度计和三个单轴微陀螺仪组成，输出加速度计和陀螺仪的惯性数据，所述MIMU模块安装在所述旋转模块的旋转平面上与GNSS天线一起作连续旋转；所述主控导航模块由FPGA和DSP组成，FPGA通过串口接收所述GNSS板卡、MIMU模块和旋转模块的数据，DSP负责发送旋转命令至所述旋转模块和解算导航信息，得到所述定位定向装置的位置、速度、姿态和航向信息，解算结果传至上位机贮存、显示和监控。
2.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述主控导航模块控制所述旋转模块驱动器，并以恒定速度带动两个GNSS天线和MIMU模块做连续同向旋转。
3.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的直驱电机的转子为中空，电机定子固定于底座中，旋转平面安装于电机转子上，导电滑环安装于电机转子内部中空位置，并且滑环定子固定于底座上，滑环转子固定于旋转平面。
4.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述GNSS信息模块中的两个GNSS天线通过导线与GNSS板卡连接，GNSS板卡通过串口与主控导航模块连接，并以此发送接收到的GPS和BeiDou数据信息至主控导航模块。
5.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述两个GNSS天线通过螺钉固定于支架两端，其间距小于0.4米内，所述的支架安装在所述电机旋转平面上。
6.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述MIMU模块数据输出口通过串口与主控导航模块的数据接入口连接。
7.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的MIMU模块型号为STIM300、GNSS板卡为OEM617D、旋转电机为ACW170直驱电机。
8.如权利要求1所述的一种旋转MIMU/GNSS短基线双天线的定位定向装置，其特征在于：所述的FPGA为EP3C25U256I7芯片、DSP为TMS320C6748芯片。
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