CN112284382A - 组合式导航信息处理装置、水下导航系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式导航信息处理装置，该系统包括：三轴TMR传感器，用于测量磁场的强度和方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；信号处理模块，与三轴TMR传感器连接，用于对三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行放大和滤波处理；惯性传感器测量模块，用于测量载体移动的加速度和角速度；信息处理模块，分别与信号处理模块和惯性传感器连接，用于接收信号处理模块和惯性传感器输出的信号，并对所述信号进行处理；电源模块，用于为所述三轴TMR传感器、所述惯性传感器测量模块、所述信号处理模块、所述信息采集模块供电。本发明还公开一种水下导航系统。利用本发明，可以得到准确的导航参数，提升水下导航系统性能。

Description

组合式导航信息处理装置、水下导航系统

技术领域

本发明涉及导航设备电路技术领域，具体涉及一种组合式导航信息处理装置，还涉及一种水下导航系统。

背景技术

导航定位技术在现代科学技术发展中处于基础地位，渗透于各种军用和民用领域，并显示出越来越重要的作用。随着导航需求的不断提升，单个导航系统已经无法满足现如今的导航需求，所以组合导航系统越来越凸显其技术上的优势，常见的组合导航系统包括惯性/GPS/地磁等导航方式。

由于GPS信号在水中传播衰减很快，所以无人潜航器在水下运行时，惯性/GPS组合导航系统会经常性地对载体目标失锁。地磁导航相比于GPS导航，信号受到的干扰小，也不会外辐能量，具有无源性。所以水下无人潜航器的导航系统应用惯性/地磁组合导航是目前热门的一个课题。

TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧道磁电阻)元件是近年来开始工业应用的新型磁电阻效应传感器，其利用的是磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应对磁场进行感应。通常也用MTJ(Magnetic Tunnel Junction，磁隧道结)来代指TMR元件。MTJ包括自由层、隧穿层、被钉扎层，类似于三明治的结构。自由层的极化方向受外加磁场的大小和方向影响；隧穿层为一层薄的非铁磁性绝缘层；被钉扎层极化方向由被钉扎层和反铁磁层之间的耦合作用固定。通过改变外加磁场的大小和方向，可以改变自由层与被钉扎层极化方向之间的夹角，隧穿电阻的阻值发生变化，对应的电阻称之为隧道磁电阻。电阻值发生变化，即TMR效应。三轴TMR传感器设计为惠斯通电桥结构可以减小TMR传感器的零点漂移、抑制共模信号、降低电路噪声。

MEMS(Micro-Electro Mechanical System，微型电子机械系统)加速度计的工作原理是当加速度计连同外界物体一起作变速运动时，质量块就受到惯性力的作用向相反的方向运动。质量块发生的位移受到弹簧和阻尼器的限制，通过输出电压可以测得外界的加速度大小。

当一个旋转物体的旋转轴所指的方向不受外力时，旋转轴不会改变。据此原理，MEMS单轴陀螺仪内部固定施加电压，并且交替改变，使得一个质量块震荡运动，当质量块旋转时会产生科里奥利加速度，此时进行测量，可以得到单轴两个方向的角度，三轴MEMS陀螺仪可以测得三轴六个方位的位置。

水下惯性/地磁组合导航通过三轴加速度计获取载体加速度信息、通过三轴陀螺仪获得载体姿态信息、通过隧穿磁阻传感器获得磁场强度信息，再通过数据融合处理算法，可以解算出载体所在位置、速度等导航参数。但是在水下惯性/地磁导航过程中，需要地磁信息作为惯性导航的矫正，需要高精度的数据信息，但由于水下低频噪声难以滤除，通常无法满足高精度导航要求。

发明内容

本发明一方面提供一种组合式导航信息处理装置，以解决采集的地磁信息受噪声影响，无法满足高精度导航要求的问题。

本发明另一方面还提供一种水下导航系统，以提高水下导航系统的精准度。

为此，本发明提供如下技术方案：

一种组合式导航信息处理装置，所述系统包括：

三轴TMR传感器，用于测量磁场的强度和方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；

信号处理模块，与所述三轴TMR传感器连接，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制解调、放大和滤波处理，然后转换为数字信号输出；

惯性传感器测量模块，用于测量载体移动的加速度和角速度；

信息处理模块，分别与所述信号处理模块和所述惯性传感器连接，用于接收所述信号处理模块和所述惯性传感器输出的信号，并对所述信号进行处理；

电源模块，用于为所述三轴TMR传感器、所述惯性传感器测量模块、所述信号处理模块、所述信息采集模块供电。

可选地，所述信息处理模块包括：依次连接的调制解调处理模块、滤波电路、AD转换电路；

所述调制解调处理模块，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制放大处理，然后解调出放大后的模拟电压信号；

所述滤波电路，用于去除所述模拟电压信号中的高频噪声；

所述AD转换电路，用于将所述模拟电压信号转换为数字信号输出。

可选地，所述调制解调处理模块包括：

信号发生器，用于对所述三轴TMR传感器输入激励信号，以将所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号调制到目标频率，得到高频调制信号；

信号放大电路，用于对所述高频调制信号进行放大处理；

解调电路，用于从放大处理后的高频调制信号中解调出所述模拟电压信号。

可选地，所述信号发生器为正弦信号发生器。

可选地，所述电源模块包括：输入电源电路、与所述输入电源电路相连的缓冲电压电源电路、以及分别与所述缓冲电压电源电路相连的输出电源电路、基准电压电源电路、IO接口电源电路；

所述输入电源电路的输入电压为+9V，输出电压为+5V；

所述缓冲电压电源电路，用于将所述输入电源电路输出的+5V电压分别输出给所述输出电源电路、所述基准电压电源电路、所述IO接口电源电路；

所述输出电源电路用于为所述惯性传感器测量模块供电；

所述基准电压电源电路和所述IO接口电源电路分别为所述信号处理模块供电。

可选地，所述惯性传感器测量模块包括：加速度传感器、陀螺仪。

可选地，所述加速度传感器为三轴MEMS数字加速度计，所述陀螺仪为三轴陀螺仪。

可选地，所述装置还包括：

信息存储模块，与所述信息处理模块相连，用于存储所述信息处理模块处理后的数据。

一种水下导航系统，包括前面所述的组合式导航信息处理装置、以及导航处理模块；

所述导航处理模块，用于根据所述信息处理模块处理后的数据，实时计算当前载体参数，并根据所述当前载体参数进行导航。

可选地，所述载体参数包括：载体位置、载体速度。

本发明提供的组合式导航信息处理装置，采用三轴TMR传感器及惯性传感器组合方式，分别获得磁场强度及方向信息、载体姿态信息，并且通过信号处理模块对三轴TMR传感器输出的信号进行调制解调、放大、滤波等处理，有效地消除了其中的噪声，从而得到丰富、准确的数据，进而利用这些信息可以准确计算出载体所在位置、速度等导航参数。利用上述组合式导航信息处理装置得到的导航参数，可以大大提升导航系统的精准度。

本发明提供的组合式导航信息处理装置，电路简单、功耗低、并且具有较高的集成度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例组合式导航信息处理装置的一种结构框图；

图2是本发明实施例中信号处理模块的一种结构框图；

图3是本发明实施例中调制解调处理模块的一种结构框图；

图4是本发明实施例中电源模块的一种结构框图；

图5是本发明实施例组合式导航信息处理装置的另一种结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。

如图1所示，是本发明实施例组合式导航信息处理装置的结构框图。

在该实施例中，所述组合式导航信息处理装置包括以下各模块：

三轴TMR传感器，用于测量磁场的强度和方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；

信号处理模块，与所述三轴TMR传感器连接，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制解调、放大和滤波处理，然后转换为数字信号输出；

惯性传感器测量模块，用于测量载体移动的加速度和角速度；

信息处理模块，分别与所述信号处理模块和所述惯性传感器连接，用于接收所述信号处理模块和所述惯性传感器输出的信号，并对所述信号进行处理，比如进行数据去重、去噪等处理；

电源模块，用于为所述三轴TMR传感器、所述惯性传感器测量模块、所述信号处理模块、所述信息采集模块供电。

上述三轴TMR传感器具体可以采用TMR2309，其是一种高性能隧道磁电阻传感器，采用三个独特的推挽式惠斯通全桥结构设计。每一轴惠斯通全桥提供差分电压输出，并且该输出具有良好的温度稳定性、高灵敏度、宽动态范围、较宽的工作电压范围、低功耗等优点。

相应地，信号处理模块包括对应TMR传感器X轴、Y轴、Z轴信号、并依次连接的调制解调处理模块、滤波电路、AD转换电路。也就是说，对应每个轴都有一个包括上述各部分的信号处理模块。

如图2所示，是本发明实施例中信号处理模块的一种结构框图。其中：调制解调处理模块21，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制放大处理，然后解调出放大后的模拟电压信号；

滤波电路22，用于去除所述模拟电压信号中的高频噪声；

AD转换电路23，用于将所述模拟电压信号转换为数字信号输出。

如图3所示，在本发明实施例中，所述调制解调处理模块21包括：

信号发生器31，用于对所述三轴TMR传感器输入激励信号，以将所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号调制到目标频率，得到高频调制信号；也就是说，所述信号发生器31输出的激励信号将作为所述三轴TMR传感器的电源信号，从而实现对所述三轴TMR传感器输出信号的调制；

信号放大电路32，用于对所述高频调制信号进行放大处理；

解调电路33，用于从放大处理后的高频调制信号中解调出所述模拟电压信号。

下面结合图2、图3，详细说明对三轴TMR传感器输出信号的处理过程。

首先，将三轴TMR传感器输出的信号通过激励源调制(激励源为正弦信号，频率可以取5KHz—10KHz)，将TMR传感器输出的信号的频谱转移至目标频率，再通过信号放大电路将其放大；然后通过解调电路将调制后的高频信号进行解调，将其频谱转移至直流处。通过这一系列处理，将TMR传感器信号中的噪声留至高频。然后通过低通滤波可以除去其中大部分高频噪声，从而提高了输入信号质量。

所述信号发生器31为正弦信号发生器，具体可以采用MAX038作为核心芯片，MAX038只需要较少的外围电路就能产生所需的信号。MAX038频率高，精度好，输出信号频率范围大，占空比调节范围大波形失真小，性能优越。

所述信号放大电路可采用运算放大器，比如可以选用ADI公司超低功耗、低失真全差分放大芯片OPA27。

所述解调电路可采用乘法器，比如可以选用AD公司的AD633。

所述滤波电路将高频噪声通过滤波器去除，所述滤波电路可以采用有源滤波中巴特沃斯滤波器，这种滤波器的特点是在通频带内的频率响应曲线平坦度很大，起伏很小，并且在阻频带下降至零，因此当通带的边界处满足指标要求时，通带内肯定会有裕量。

所述AD转换电路可以选用ADI公司精密交流和直流性能的AD7768芯片。

所述惯性传感器测量模块包括加速度传感器、陀螺仪(即角速度传感器)。所述加速度传感器和陀螺仪均可以采用相应的单轴、或者双轴、或者三轴结构，对此本发明实施例不做限定。

利用三轴加速度传感器，可以测量载体在空间坐标系中X、Y、Z三轴上的加速度数据，可以全面反映载体平移的运动性质。在实际应用中，可以采用三轴MEMS数字加速度计，比如，可以选用ADI公司的三轴MEMS数字加速度计ADXL355。

与加速度传感器测量维度不同，陀螺仪主要是通过测量空间坐标系中陀螺转子的垂直轴与物体之间的夹角，利用三轴陀螺仪，可以测量载体在X、Y、Z轴上旋转的数据，分别为纵摇、横摇、垂摇。比如，可以选用选择INVENSENSE公司的MPU6050芯片。

另外，需要说明的是，在实际应用中，所述惯性传感器测量模块也可以采用现有的一些组合式惯性测量设备等，对此本发明实施例不做限定。比如，可以采用MPU60X0，其是首个九轴运动处理传感器，集成了三轴MEMS加速度计、MEMS陀螺仪以及一个可扩展的数字运动处理器，可以用于I2C接口连接其他数字传感器。

如图4所示，是本发明实施例中电源模块的结构框图。

参照图4，所述电源模块包括：输入电源电路、与所述输入电源电路相连的缓冲电压电源电路、以及分别与所述缓冲电压电源电路相连的输出电源电路、基准电压电源电路、IO接口电源电路。

其中，所述输入电源电路的输入电压为+9V，输出电压为+5V；

所述缓冲电压电源电路用于将所述输入电源电路输出的+5V电压分别输出给所述输出电源电路、所述基准电压电源电路、所述IO接口电源电路；

所述输出电源电路用于为所述三轴TMR传感器、惯性传感器测量模块、以及信息处理模块供电；

所述基准电压电源电路和所述IO接口电源电路分别为所述信号处理模块供电，其中，所述基准电压电源电路为所述信号处理模块中的AD转换电路提供基准电压+4.096V，所述IO接口电源电路为AD转换电路提供IO接口所需电压。

需要说明的是，在导航系统中，所述电源模块也可以设计为整个导航系统供电，保障导航系统正常运行。

在一种具体应用中，所述电源模块可以包括第一电源芯片IC1、第二电源芯片IC2、第三电源芯片IC3、以及第四电源芯片IC4，当然，还有一些相适配的外围电阻和电容。其中：

第一电源芯片IC1可以选用NS公司的耐压高、稳定性强的低压稳压芯片LM1117，ICI可作为所述输入电源电路，其有五个固定电压输出，分别为：1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V；

第二电源芯片IC2可以选用ADI公司的超低噪声、高精度4.096V基准电压源ADR4540，IC2可作为所述基准电源电路，输出的电压为4.096V；

第三电源芯片IC3可以选用RICHTEK公司高精度、低功耗、低噪声基准电压源芯片RT9193，IC3可作为所述输出电源电路，输出的电压为3.3V；

第四电源芯片IC4可以选用NS公司的耐压高、稳定性强的低压稳压芯片LM1117，IC4可作为所述IO接口电源电路，输出的电压为2.5V。

进一步地，如图5所示，在本发明装置另一实施例中，所述装置还可包括：与所述信息处理模块相连的信息存储模块，所述信息存储模块用于存储所述信息处理模块处理后的数据。

需要说明的是，在实际应用中，所述信息处理模块和所述信息存储模块可以是分立元件，也可以集成为一体，比如，采用STM32F103系列微处理器同时完成所述信息处理模块和所述信息存储模块的功能，对此本发明实施例不做限定。

本发明提供的组合式导航信息处理装置，采用三轴TMR传感器及惯性传感器组合方式，分别获得磁场强度及方向信息、载体姿态信息。考虑到在常规TMR传感器应用过程中，例如探测应用，TMR传感器可以采用正常直流供电，可以满足正常使用功能。但是在水下惯性/地磁导航过程中，需要地磁信息作为惯性导航的矫正，需要高精度的数据信息。由于水下低频噪声难以滤除，常规的放大滤波不能满足高精度导航要求。为此，本发明提供的组合式导航信息处理装置，通过对三轴TMR传感器输出信号进行调制、放大、滤波等处理，有效地消除了其中的噪声，从而得到丰富、准确的数据，进而利用这些信息可以准确计算出载体所在位置、速度等导航参数。利用上述组合式导航信息处理装置得到的导航参数，可以大大提升水下导航系统的精准度。

三轴TMR传感器相比于AMR(各向异性磁阻)、GMR(巨磁电阻)等传感器，磁场灵敏度高、磁阻变化率大、线性度好、温度稳定性好、性能稳定、无层间耦合效应、无需额外的聚磁环结构和set/reset线圈结构，从而外围电路少，从而可以使本发明提供的组合式导航信息处理装置电路简单、功耗低、并且具有较高的集成度。

相应地，本发明还提供一种水下导航系统，包括上述组合式导航信息处理装置、以及导航处理模块。其中：

所述组合式导航信息处理装置采用三轴TMR传感器的惯性/地磁组合电路，分别采集磁场的强度和方向、以及载体移动的加速度和角速度，并对采集的数据进行相应的处理，比如，对数据进行去重、去噪等处理。

所述导航处理模块，用于根据所述组合式导航信息处理装置处理后的数据，实时计算当前载体参数，并根据所述当前载体参数进行导航。所述载体参数包括但不限于：载体位置、载体速度等参数。

在实际应用中，上述航处理模块也可以与上述信息处理模块集成于一体，对此本发明实施例不做限定。

本发明提供的水下导航系统可以应用于各种潜航器上，可以大大提升导航系统的精准度。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。

以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种组合式导航信息处理装置，其特征在于，所述系统包括：

三轴TMR传感器，用于测量磁场的强度和方向，并将测量值转换为模拟电压信号输出；

信号处理模块，与所述三轴TMR传感器连接，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制解调、放大和滤波处理，然后转换为数字信号输出；

惯性传感器测量模块，用于测量载体移动的加速度和角速度；

信息处理模块，分别与所述信号处理模块和所述惯性传感器连接，用于接收所述信号处理模块和所述惯性传感器输出的信号，并对所述信号进行处理；

电源模块，用于为所述三轴TMR传感器、所述惯性传感器测量模块、所述信号处理模块、所述信息采集模块供电。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信息处理模块包括：依次连接的调制解调处理模块、滤波电路、AD转换电路；

所述调制解调处理模块，用于对所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号进行调制放大处理，然后解调出放大后的模拟电压信号；

所述滤波电路，用于去除所述模拟电压信号中的高频噪声；

所述AD转换电路，用于将所述模拟电压信号转换为数字信号输出。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调制解调处理模块包括：

信号发生器，用于对所述三轴TMR传感器输入激励信号，以将所述三轴TMR传感器输出的模拟电压信号调制到目标频率，得到高频调制信号；

信号放大电路，用于对所述高频调制信号进行放大处理；

解调电路，用于从放大处理后的高频调制信号中解调出所述模拟电压信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号发生器为正弦信号发生器。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述电源模块包括：输入电源电路、与所述输入电源电路相连的缓冲电压电源电路、以及分别与所述缓冲电压电源电路相连的输出电源电路、基准电压电源电路、IO接口电源电路；

所述输入电源电路的输入电压为+9V，输出电压为+5V；

所述缓冲电压电源电路，用于将所述输入电源电路输出的+5V电压分别输出给所述输出电源电路、所述基准电压电源电路、所述IO接口电源电路；

所述输出电源电路用于为所述惯性传感器测量模块供电；

所述基准电压电源电路和所述IO接口电源电路分别为所述信号处理模块供电。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述惯性传感器测量模块包括：加速度传感器、陀螺仪。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述加速度传感器为三轴MEMS数字加速度计，所述陀螺仪为三轴陀螺仪。

8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

信息存储模块，与所述信息处理模块相连，用于存储所述信息处理模块处理后的数据。

9.一种水下导航系统，其特征在于，包括权利要求1至6任一项所述的组合式导航信息处理装置、以及导航处理模块；

所述导航处理模块，用于根据所述信息处理模块处理后的数据，实时计算当前载体参数，并根据所述当前载体参数进行导航。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述载体参数包括：载体位置、载体速度。

Images