CN111272175A - 一种微机械陀螺pos数据采集及处理系统 - Google Patents

一种微机械陀螺pos数据采集及处理系统 Download PDF

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Abstract

一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，包括：数据采集模块和数据处理模块；所述数据采集模块包括：MEMS陀螺、MEMS加速度计、MEMS磁强计、GNSS板卡、SPI数据通信电路、AD数据采集电路、第一串口通信电路、第一ARM处理器最小子系统和存储器；所述数据处理模块包括：第二ARM处理器最小子系统和第二串口通信电路；采用ARM处理器外部串口中断方式采集GNSS板卡秒脉冲信号进行时间同步，实现MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据与GNSS板卡数据的时间同步，从而满足POS系统多传感器融合时间同步的需求；采用双ARM架构，数据采集模块的ARM实现数据的采集、同步及存储，数据处理模块的ARM实现数据的补偿及组合导航，双处理器联合实现微机械POS系统功能，实现小体积、低功耗和高运算性能。

Description

一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统
技术领域
本发明专利涉及惯性导航技术领域，尤其是一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，可应用于微机械POS系统及惯性/GNSS组合导航系统。
背景技术
航空遥感在资源勘察、灾害监测和地图测绘等领域发挥重要的作用，迫切需要高精度的航空遥感数据；理想情况下航空遥感要求飞行器做匀速直线飞行，但由于外界扰动的影响，飞行器实际运动将偏离理想运动，从而导致遥感成像像质退化、分辨率下降；因此，要实现高分辨率运动成像，必须依赖于位置姿态测量系统(Position&OrientationSystem，POS)对载荷成像相位中心运动误差的高精度测量；
随着传感器技术和无人飞行器技术的进步，LiDAR等传感器正在向小型化、轻量化和低功耗方向发展，降低了对机载飞行器的机载能力的要求；同时无人飞行器的续航能力及载重能力得到极大提升；航空遥感正在经历一场变革，随着MEMS惯性传感器技术的推进，迫切需求小型化、轻量化和低功耗的微机械位置姿态测量系统(MEMS POS)；
国外在高分辨率、轻量化遥感载荷发展的牵引下，小型化POS技术得到快速发展，美国、加拿大等发达国家已经形成了产品，例如产品Trimble APX-18UAV，该产品是一种具有双GNSS天线输入的OEM GNSS惯性数据融合解决方案，设计用于在低速或悬停时从无人驾驶飞行器(UAV)中收集LIDAR和其他成像数据；而国内在高精度POS方面已经达到国外水平，但是微机械POS方面起步较晚，目前没有小型化、轻量化和低功耗的微机械位置姿态测量系统见诸报道；但上述现有技术的采集和处理系统设计并不理想，诸如POS系统多传感器融合时间同步效果差，数据的采集、同步及存储，数据处理模块的实现数据的补偿不完善，还不具备完全的所谓小体积、高运算性能。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，该系统通过
一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，包括：数据采集模块和数据处理模块；
进一步的，所述数据采集模块包括：MEMS陀螺、MEMS加速度计、MEMS磁强计、GNSS板卡、SPI数据通信电路、AD数据采集电路、第一串口通信电路、第一ARM处理器最小子系统和存储器；
作为一种举例说明，所述MEMS陀螺为：三轴MEMS陀螺，即三轴微机电系统，即Micro-Electro-Mechanical System,MEMS；
作为一种举例说明，所述MEMS加速度计为：三轴MEMS加速度计；
作为一种举例说明，所述MEMS磁强计为三轴MEMS磁强计；
作为一种举例说明，所述GNSS板卡为：全球卫星导航系统板卡，即GlobalNavigation Satellite System,GNSS；
作为一种举例说明，所述存储器为SD卡存储器；
作为一种举例说明，所述第一串口通信电路为RS232串口通信电路；
其中，所述MEMS陀螺的数据、MEMS加速度计的数据均通过所述SPI数据通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；
所述MEMS磁强计的数据通过所述AD数据采集电路进行信号放大和A/D转换后，再通过所述SPI数据通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；
所述GNSS板卡的数据通过所述第一串口通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；
进一步的，所述第一ARM处理器最小子系统进行数据采集并进行数据时间同步，具体实现为：
第一ARM处理器最小子系统通过外部中断方式采集GNSS板卡秒脉冲同步第一ARM处理器最小子系统数据采集时钟，并基于同步后的数据采集时钟实现MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据、GNSS板卡数据的采集，并将数据存储到存储器；
进一步的，所述数据处理模块包括：第二ARM处理器最小子系统和第二串口通信电路；
作为一种举例说明，所述第二串口通信电路为：RS422串口通信电路；
其中，所述第二ARM处理器最小子系统读取所述第一ARM处理器最小子系统采集的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据；并对所述MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据进行补偿；基于补偿后的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据进行捷联解算，与补偿后的MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据进行Kalman滤波组合导航，得到位置、速度及姿态组合导航结果；最后通过所述第二串口通信电路将组合导航结果发送给上位机；
有益效果：
本发明采用ARM处理器外部串口中断方式采集GNSS板卡秒脉冲信号进行时间同步，实现MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据与GNSS板卡数据的时间同步，从而满足POS系统多传感器融合时间同步的需求；
本发明采用双ARM架构，数据采集模块的ARM实现数据的采集、同步及存储，数据处理模块的ARM实现数据的补偿及组合导航，双处理器联合实现微机械POS系统功能，实现小体积、低功耗和高运算性能；
本发明结构设计科学优化，适合推广生产，并方便后期的运行维护。
附图说明
图1为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之系统组成框图；
图2为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之MEMS陀螺、MEMS加速度计的SPI通信电路优选举例图；
图3为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之三轴MEMS磁强计电路优选举例图；
图4为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之RS232串口通信电路图优选举例；
图5为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之RS422串口通信电路图优选举例；
图6为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之数据采集模块的ARM软件流程图；
图7为本发明一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统之数据处理模块的ARM软件流程图。
具体实施方式
下面，参考附图1至图7所示，
一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，包括：数据采集模块1和数据处理模块2；
进一步的，所述数据采集模块1包括：MEMS陀螺3、MEMS加速度计4、MEMS磁强计5、GNSS板卡6、SPI数据通信电路7、AD数据采集电路8、第一串口通信电路9、第一ARM处理器最小子系统10和存储器11；
作为一种举例说明，所述MEMS陀螺3为：三轴MEMS陀螺，即三轴微机电系统，即Micro-Electro-Mechanical System,MEMS；
作为一种举例说明，所述MEMS加速度计4为：三轴MEMS加速度计；
作为一种举例说明，所述MEMS磁强计5为三轴MEMS磁强计；
作为一种举例说明，所述GNSS板卡6为：全球卫星导航系统板卡，即GlobalNavigation Satellite System,GNSS；
作为一种举例说明，所述存储器11为SD卡存储器；
作为一种举例说明，所述第一串口通信电路9为RS232串口通信电路；
其中，所述MEMS陀螺3的数据、MEMS加速度计4的数据均通过所述SPI数据通信电路7发送给所述第一ARM处理器最小子系统10；
所述MEMS磁强计5的数据通过所述AD数据采集电路8进行信号放大和A/D转换后，再通过所述SPI数据通信电路7发送给所述第一ARM处理器最小子系统10；
所述GNSS板卡的数据通过所述第一串口通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；
进一步的，所述第一ARM处理器最小子系统10进行数据采集并进行数据时间同步，具体实现为：
第一ARM处理器最小子系统10通过外部中断方式采集GNSS板卡6秒脉冲同步第一ARM处理器最小子系统10的数据采集时钟，并基于同步后的数据采集时钟实现MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据、GNSS板卡6数据的采集，并将数据存储到存储器11；
进一步的，所述数据处理模块2包括：第二ARM处理器最小子系统12和第二串口通信电路13；
作为一种举例说明，所述第二串口通信电路为13：RS422串口通信电路；
其中，所述第二ARM处理器最小子系统12读取所述第一ARM处理器最小子系统10采集的MEMS陀螺数据3、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据；并对所述MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据进行补偿；基于补偿后的MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据进行捷联解算，与补偿后的MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据进行Kalman滤波组合导航，得到位置、速度及姿态组合导航结果；最后通过所述第二串口通信电路13将组合导航结果发送给上位机14；
为了更好的说明本发明的原理，现通过具体实施例进行阐述：
实施例1，如图1所示：
一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，基于2片STM32F4ARM芯片的双ARM架构，其中一片STM32F4 ARM芯片作为数据采集模块1的第一ARM处理器最小子系统10，另一片STM32F4 ARM芯片作为数据处理模块2的第二ARM处理器最小子系统12；
数据采集模块1的STM32F4 ARM芯片以200Hz频率采集MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据，以20Hz频率采集MEMS磁强计5数据，以20Hz频率采集GNSS板卡6数据，并将数据以16进制形式存储到SD卡存储器11，其中所述MEMS陀螺3数据、MEMS加速度4计数据、MEMS磁强计5数据存储为1个文件，GNSS板卡6实时数据存储为1个文件，GNSS板卡6后处理数据存储为1个文件；
数据处理模块2的STM32F4 ARM芯片通过RS232接口读取数据采集模块1的STM32F4ARM芯片采集的MEMS陀螺数据3、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据，对MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据进行200Hz的捷联解算处理，基于MEMS磁强计5和GNSS板卡6数据进行20Hz的Kalman滤波组合导航，得到200Hz的位置、速度及姿态组合导航结果；最后通过RS422串口通信电路13以200Hz频率将组合导航的位置、速度及姿态结果发送给上位机14。
作为一种举例说明，所述数据采集模块1中的第一ARM处理器最小子系统10通过6路片选+1路SPI接口形式连接所述MEMS陀螺3和MEMS加速度计4；第一ARM处理器最小子系统10通过6路I/O引脚控制6路片选选择MEMS陀螺或MEMS加速度计，并通过SPI接口采用10MHz数据通信时钟实现200Hz帧率的MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据采集；
作为一种举例说明，所述第一ARM处理器最小子系统10通过外部中断I/O引脚连接GNSS板卡6的PPS(Pulse Per Second)秒脉冲引脚；第一ARM处理器最小子系统10接收GNSS板卡6的PPS秒脉冲信号，并通过信号上升沿触发第一ARM处理器外部中断，并将PPS秒脉冲外部中断设置为最高中断等级，重置第一ARM处理器最小子系统10数据采集计数器时钟，实现第一ARM处理器最小子系统10与GNSS板卡6秒脉冲的时钟同步；
实施例2，如图2所示：
作为一种举例说明，所述三轴MEMS陀螺采用MSI300B三轴陀螺；所述MSI300B三轴陀螺的数据通过SPI数据通信电路7发送给第一ARM处理器最小子系统10，即采集模块的STM32F4 ARM芯片；
作为一种举例说明，所述三轴MEMS加速度计采用MSA8000D，所述MSA8000D数据通过SPI数据通信电路7以200Hz频率发送给数据采集模块1的STM32F4 ARM芯片；SPI数据通信电路7通过6路片选+1路SPI接口形式连接三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计数据；
实施例3，如图3所示：
作为一种举例说明，所述三轴MEMS磁强计包括：1个单轴磁强计HMC1001和1个双轴磁强计HMC1002；
所述三轴MEMS磁强计数据通过AD数据采集电路8进行信号模数转换，通过SPI数据通信电路7发送给数据采集模块1的第一ARM处理器最小子系统10；
作为一种举例说明，所述AD数据采集电路8采用ADS1220型AD转换芯片；
实施例4，如图4所示：
作为一种举例说明，所述GNSS板卡6采用OEM718D规格的板卡；所述OEM718D板卡数据通过RS232串口通信电路9，发送给数据采集模块1的STM32F4 ARM芯片；
作为一种举例说明，所述RS232串口通信电路采用MAX3232芯片电路结构；
实施例5，如图5所示：
数据处理模块2的STM32F4 ARM芯片读取数据采集模块1的STM32F4 ARM芯片采集的MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据，对MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据进行补偿；最后通过RS422串口通信电路13将组合导航结果发送给PC上位机14；
作为一种举例说明，所述RS422串口通信电路采用MAX3488芯片电路结构；
实施例6，如图6所示：
为本发明数据采集模块1的ARM软件流程：
步骤(1)：设备上电后，启动软件，进行软件初始化；
步骤(2)：采集IMU数据，包括：MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据；
步骤(3)：对MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据进行时间同步；
步骤(4)：将MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据以16进制形式存储到存储器11，其中MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据存储为1个文件，GNSS板卡6实时数据存储为1个文件，GNSS板卡6后处理数据存储为1个文件；
步骤(5)：将MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据通过第一串口通信电路9发送给第一ARM处理器最小子系统10，并循环往复；
实施例7，如图7所示：
为本发明的数据处理模块2的ARM软件流程：
步骤(1)：设备上电后，启动软件，进行软件初始化；
步骤(2)：读取数据采集模块1第一ARM处理器最小子系统10采集的MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据和GNSS板卡6数据；
步骤(3)：对MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据、MEMS磁强计5数据进行数据补偿；
步骤(4)：基于MEMS陀螺3数据、MEMS加速度计4数据进行捷联解算，得到纯惯性位置、速度及姿态信息；
步骤(5)：基于捷联解算得到的纯惯性位置、速度及姿态信息与MEMS磁强计5数据、GNSS板卡6数据进行组合导航，得到位置、速度及姿态组合导航结果；
步骤(6)：将组合导航得到的位置、速度及姿态信息通过第二串口通信电路13发送给上位机14，并循环往复。
本发明采用ARM处理器外部串口中断方式采集GNSS板卡秒脉冲信号进行时间同步，实现MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据与GNSS板卡数据的时间同步，从而满足POS系统多传感器融合时间同步的需求；采用双ARM架构，数据采集模块的ARM实现数据的采集、同步及存储，数据处理模块的ARM实现数据的补偿及组合导航，双处理器联合实现微机械POS系统功能，实现小体积、低功耗和高运算性能；本发明结构设计科学优化，适合推广生产，并方便后期的运行维护。
以上公开的仅为本申请的一个具体实施例，但本申请并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本申请的保护范围内。

Claims (9)

1.一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，包括：数据采集模块和数据处理模块；
所述数据采集模块包括：MEMS陀螺、MEMS加速度计、MEMS磁强计、GNSS板卡、SPI数据通信电路、AD数据采集电路、第一串口通信电路、第一ARM处理器最小子系统和存储器；
其中，所述MEMS陀螺的数据、MEMS加速度计的数据均通过所述SPI数据通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；所述MEMS磁强计的数据通过所述AD数据采集电路进行信号放大和A/D转换后，再通过所述SPI数据通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；所述GNSS板卡的数据通过所述第一串口通信电路发送给所述第一ARM处理器最小子系统；
所述第一ARM处理器最小子系统进行数据采集并进行数据时间同步，具体实现为：第一ARM处理器最小子系统通过外部中断方式采集GNSS板卡秒脉冲同步第一ARM处理器最小子系统数据采集时钟，并基于同步后的数据采集时钟实现MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据、GNSS板卡数据的采集，并将数据存储到存储器；
所述数据处理模块包括：第二ARM处理器最小子系统和第二串口通信电路；
其中，所述第二ARM处理器最小子系统读取所述第一ARM处理器最小子系统采集的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据；并对所述MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据进行补偿；基于补偿后的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据进行捷联解算，与补偿后的MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据进行Kalman滤波组合导航，得到位置、速度及姿态组合导航结果；最后通过所述第二串口通信电路将组合导航结果发送给上位机。
2.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，所述MEMS陀螺为：三轴MEMS陀螺，即三轴微机电系统；所述MEMS加速度计为：三轴MEMS加速度计；所述MEMS磁强计为三轴MEMS磁强计；所述GNSS板卡为：全球卫星导航系统板卡，所述存储器为SD卡存储器；所述第一串口通信电路为RS232串口通信电路。
3.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，所述第二串口通信电路为：RS422串口通信电路。
4.根据权利要求1所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，基于2片STM32F4ARM芯片的双ARM架构，其中一片STM32F4ARM芯片作为数据采集模块的第一ARM处理器最小子系统，另一片STM32F4ARM芯片作为数据处理模块的第二ARM处理器最小子系统。
5.根据权利要求4所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，数据采集模块的STM32F4ARM芯片以200Hz频率采集MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据，以20Hz频率采集MEMS磁强计数据，以20Hz频率采集GNSS板卡数据，并将数据以16进制形式存储到SD卡存储器，其中所述MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据存储为1个文件，GNSS板卡实时数据存储为1个文件，GNSS板卡后处理数据存储为1个文件。
6.根据权利要求5所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，数据处理模块的STM32F4ARM芯片通过RS232接口读取数据采集模块STM32F4ARM芯片采集的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据，对MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据进行200Hz的捷联解算处理，基于MEMS磁强计和GNSS板卡数据进行20Hz的Kalman滤波组合导航，得到200Hz的位置、速度及姿态组合导航结果；最后通过RS422串口通信电路以200Hz频率将组合导航的位置、速度及姿态结果发送给上位机。
7.根据权利要求2所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于：
所述三轴MEMS陀螺采用MSI300B三轴陀螺；所述MSI300B三轴陀螺的数据通过SPI数据通信电路发送给第一ARM处理器最小子系统；
所述三轴MEMS加速度计采用MSA8000D，所述MSA8000D数据通过SPI数据通信电路以200Hz频率发送给采集模块的STM32F4ARM芯片；SPI数据通信电路通过6路片选+1路SPI接口形式连接三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计数据；
所述三轴MEMS磁强计包括：1个单轴磁强计HMC1001和1个双轴磁强计HMC1002；
所述三轴MEMS磁强计数据通过AD数据采集电路进行信号模数转换，通过SPI数据通信电路发送给数据采集模块的第一ARM处理器最小子系统；所述AD数据采集电路采用ADS1220型AD转换芯片；
所述GNSS板卡采用OEM718D规格的板卡；
所述RS232串口通信电路采用MAX3232芯片电路结构；
所述RS422串口通信电路采用MAX3488芯片电路结构。
8.根据权利要求2所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，本发明数据采集模块的ARM软件流程包括：
步骤一：设备上电后，启动软件，进行软件初始化；
步骤二：采集IMU数据，包括：MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据；
步骤三：对MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据进行时间同步；
步骤四：将MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据以16进制形式存储到存储器11，其中MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据存储为1个文件，GNSS板卡实时数据存储为1个文件，GNSS板卡后处理数据存储为1个文件；
步骤五：将MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据通过第一串口通信电路发送给第一ARM处理器最小子系统，并循环往复。
9.根据权利要求8所述的一种微机械陀螺POS数据采集及处理系统，其特征在于，本发明的数据处理模块的ARM软件流程包括：
步骤一：设备上电后，启动软件，进行软件初始化；
步骤二：读取数据采集模块第一ARM处理器最小子系统采集的MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据和GNSS板卡数据；
步骤三：对MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据、MEMS磁强计数据进行数据补偿；
步骤四：基于MEMS陀螺数据、MEMS加速度计数据进行捷联解算，得到纯惯性位置、速度及姿态信息；
步骤五：基于捷联解算得到的纯惯性位置、速度及姿态信息与MEMS磁强计数据、GNSS板卡数据进行组合导航，得到位置、速度及姿态组合导航结果；
步骤六：将组合导航得到的位置、速度及姿态信息通过第二串口通信电路发送给上位机，并循环往复。
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