CN112964244B - 一种基于模型的组合导航快速原型系统 - Google Patents

一种基于模型的组合导航快速原型系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于模型的组合导航快速原型系统，所述系统嵌入有Simul ink仿真工具，所述系统还包括微处理器、高性能GPS/北斗模块、惯性传感器模块与Simul ink ANSToolbox工具箱模块，其中，所述微处理通过串口获取所述高性能GPS/北斗模块的卫星导航信息，所述微处理器通过SPI接口获取所述惯性传感器模块的惯性导航信息；所述ANS工具箱模块用于提供与所述Simul ink仿真工具联动的所需的硬件数据接口的若干子模块。本发明的系统平台以导航算法模型化及硬件接口模型化为基础，自动代码生成技术为核心，无缝化连接组合导航算法设计和导航软件工程实现，保证设计层和实现层算法的一致性。

Description

一种基于模型的组合导航快速原型系统
技术领域
本发明涉及组合导航领域，具体涉及一种基于模型的组合导航快速原型系统。
背景技术
进入21世纪，航空航天技术已经从我国优先发展的战略技术高度获得了全社会的广泛认同，与航空航天技术相应的高等教育和企业培训教育也发生了翻天覆地的变化，例如，各个高等院校纷纷建立航空/航天学院或相关导航专业。此外，随着航空航天技术的迅猛发展，过于偏重理论的传统教学方式也受到了极大的挑战。从目前的国内外情况来看，关于导航定位课程的教学体系很不完备，往往在很多高校单位，缺乏相关的组合导航理论课程配套的实验课程及相关实验设备，很难让学生对导航算法有个直观的了解，学生上完课之后，有些同学甚至都还没见过MEMS惯组以及GPS模块，这种状况严重制约了他们未来的研发活动。所以，开发一套使用于教学、科研、算法优化等多种功能的面向多种不同行业应用的组合导航器件就显得尤为重要。
虽然传统组合导航算法数学仿真实现起来比较容易，现如今技术比较成熟，然而开发一个组合导航系统一整套实物模型往往步骤繁琐，耗时耗力。常见的组合导航半实物仿真平台组合导航算法多利用C/C++等语言直接编写，较为复杂并且可视化程度低、可读性较差，如果进行算法层面的优化以及代码层面的修改往往费时费力，十分容易出错。尤其对刚接触这一领域的学生来说，较难上手
发明内容
针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种基于模型的组合导航快速原型系统，该系统平台以导航算法模型化及硬件接口模型化为基础，自动代码生成技术为核心，无缝化连接组合导航算法设计和导航软件工程实现，保证设计层和实现层算法的一致性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于模型的组合导航快速原型系统，所述系统嵌入有Simulink仿真工具，所述系统还包括微处理器、高性能GPS/北斗模块、惯性传感器模块与ANSToolbox工具箱模块，其中，所述微处理通过串口获取所述高性能GPS/北斗模块的卫星导航信息，所述微处理器通过SPI接口获取所述惯性传感器模块的惯性导航信息；所述ANS工具箱模块用于提供与所述Simulink仿真工具联动的所需的硬件数据接口的若干子模块；
优选的，若干所述子模块包括ANSTimer模块、Basic GPS模块、GPS模块、GPS PPS模块、GPS with Velocity模块、MEMS模块、MEMS Aux模块、MEMS Delt模块、PPSRelTim模块与WriteMC模块，其中
所述ANSTimer模块可以直接访问所述系统的运行时钟，单位为秒；
Basic GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，H-高度，米；
GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，H-高度，米，V-地速，公里/小时，HeadAng-真北航向角，度，Date-日期，Tim-UTC时，STS-GPS状态信息
GPS PPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS秒脉冲信号，单位为秒；
GPS with Velocity模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，V-地速，公里/小时，HeadAng-真北航向角，度；
MEMS模块能够直接访问ANS所述系统的MEMS主要测量信息；包括：Wx,Wy,Wz-滚转角速度、偏航角速度、俯仰角速度，°/s；ax,ay,az-x向加速度、y向加速度、z向加速度,m/s^2；
MEMS Aux模块能够直接访问MEMS辅助信息；包括：BaroPress-大气压力，Mx-沿X轴磁通量，My-沿Y轴磁通量，Mz-沿Z轴磁通量，Temp-温度；
MEMS Delt模块能够访问ANS所述系统的MEMS增量参数测量信息；包括：DeltAngX/Y/Z-X、Y、Z的角增量，DeltVelX/Y/Z-X、Y、Z的速度增量；
PPSRelTim模块能够直接访问ANS所述系统的运行时钟，单位为秒；
ReadMC模块能够实时接收串口发来的数据；
WriteMC模块能够将数据实时写进串口。
进一步的，本发明还提供一种所述系统的实现方法：
步骤1，在simulink中导入ANStoolbox接口工具箱，此工具箱可直接访问对应数据接口；并导入导航算法模型；
步骤2，根据所导入的模型进行相应算法优化以及参数调节，适应具体环境；
步骤3，对所建立的数学模型进行数学仿真，用已有的初始量测数据作为模型的输入，进行仿真，并分析结果；若仿真结果可以接受，进入下一步；否则再进入算法优化阶段；
步骤4，当仿真的结果满足需求后，将仿真模型进行代码生成；
步骤5，将生成的基于模型的组合导航快速原型系统的代码进行编译、下载至目标载板中，并烧写；
步骤6，进行车载实验等实验手段，使用ANSTest软件实时监测输出数据，来验证组合导航算法的有效性；
步骤7，如果实验结果理想，组合导航算法开发结束，进行相关归档整理。
优选的所述步骤4中，利用matlab/simulink模型生成对应的C/C++代码，生成面向ARM Cotrex M4架构的STM32处理器的嵌入式代码。
本发明的有益效果在于：
1、显著提高导航算法开发迭代周期
利用simulink软件的可视化强、模块条理清晰等功能，可以很方便的利用所搭建的算法模型直接进行代码生成的技术，可以让用户、学生很快的上手组合导航算法的研究。将搭建好的simulink模型进行代码生成下载到此快速原型系统上，就可以直接进行半实物仿真，紧接着就可以进行跑车试验等，效率可以大大提高。我们还会给用户提供simulinkANS toolbox工具箱，使用户可以直接调用相关GPS、INS、组合导航等接口模块，从而进行算法改进设计。用户能够方便的处理图形化变成工具Simulink编制的程序，解决了技术实验中编程工作量大、底层硬件接口复杂、相关底层代码技术要求高等难题。
2、提供simulink算法Demo
给用户提供常见惯性导航解算算法、惯性/GPS组合导航算法、定姿算法等示例simulink程序。
附图说明
图1为本发明的具体的组合导航硬件框架构造示意图；
图2为本发明的具体的组合导航的操作流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，优选的，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例；
本发明为一种基于模型的组合导航快速原型系统，所述系统嵌入有Simulink仿真工具，所述系统还包括微处理器、高性能GPS/北斗模块、惯性传感器模块与ANSToolbox工具箱模块，其中，所述微处理通过串口获取所述高性能GPS/北斗模块的卫星导航信息，所述微处理器通过SPI接口获取所述惯性传感器模块的惯性导航信息；所述ANS工具箱模块用于提供与所述Simulink仿真工具联动的所需的硬件数据接口的若干子模块；
优选的，若干所述子模块包括ANSTimer模块、Basic GPS模块、GPS模块、GPS PPS模块、GPS with Velocity模块、MEMS模块、MEMS Aux模块、MEMS Delt模块、PPSRelTim模块与WriteMC模块，其中
所述ANSTimer模块可以直接访问所述系统的运行时钟，单位为秒；
Basic GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，H-高度，米；
GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，H-高度，米，V-地速，公里/小时，HeadAng-真北航向角，度，Date-日期，Tim-UTC时，STS-GPS状态信息
GPS PPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS秒脉冲信号，单位为秒；
GPS with Velocity模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度，V-地速，公里/小时，HeadAng-真北航向角，度；
MEMS模块能够直接访问ANS所述系统的MEMS主要测量信息；包括：Wx,Wy,Wz-滚转角速度、偏航角速度、俯仰角速度，°/s；ax,ay,az-x向加速度、y向加速度、z向加速度,m/s^2；
MEMS Aux模块能够直接访问MEMS辅助信息；包括：BaroPress-大气压力，Mx-沿X轴磁通量，My-沿Y轴磁通量，Mz-沿Z轴磁通量，Temp-温度；
MEMS Delt模块能够访问ANS所述系统的MEMS增量参数测量信息；包括：DeltAngX/Y/Z-X、Y、Z的角增量，DeltVelX/Y/Z-X、Y、Z的速度增量；
PPSRelTim模块能够直接访问ANS所述系统的运行时钟，单位为秒；
ReadMC模块能够实时接收串口发来的数据；
WriteMC模块能够将数据实时写进串口。
进一步的，本发明还提供一种所述系统的实现方法：
步骤1，在simulink中导入ANStoolbox接口工具箱，此工具箱可直接访问对应数据接口；并导入导航算法模型；
步骤2，根据所导入的模型进行相应算法优化以及参数调节，适应具体环境；
步骤3，对所建立的数学模型进行数学仿真，用已有的初始量测数据作为模型的输入，进行仿真，并分析结果；若仿真结果可以接受，进入下一步；否则再进入算法优化阶段；
步骤4，当仿真的结果满足需求后，将仿真模型进行代码生成；
步骤5，将生成的基于模型的组合导航快速原型系统的代码进行编译、下载至目标载板中，并烧写；
步骤6，进行车载实验等实验手段，使用ANSTest软件实时监测输出数据，来验证组合导航算法的有效性；
步骤7，如果实验结果理想，组合导航算法开发结束，进行相关归档整理。
优选的所述步骤4中，利用matlab/simulink模型生成对应的C/C++代码，生成面向ARM Cotrex M4架构的STM32处理器的嵌入式代码。
实施例
基于模型的组合导航快速原型系统产品包括组合导航硬件模块(以下统称ANS导航板)基于模型的组合导航算法代码和ANSTest实验平台所组成。其中：基于模型的组合导航快速原型系统硬件模块是产品的硬件核心组件，它是以STM32为核心组成微处理器系统，通过串口获取高性能GPS/北斗模块的卫星导航信息，通过SPI接口获取惯性传感器模块的惯性导航信息。其原理如图1所示；串口记录板或实验电脑可实时记录ANS导航板从串行口ModelCom输出的实验数据；ANSTest实验平台是安装了ANSTest实验管理记录软件、提供专有的基于模型的ANSToolbox工具箱等辅助软件的计算机系统。
本发明的ANS工具箱直接提供了在算法层面中所有需要的硬件数据接口模块，用户在调用时直接将此模块拖入到simuink算法中即可，降低了算法开发的技术门槛。各子模块的功能如下：
ANSTimer模块可以直接访问组合导航快速原型系统的运行时钟，单位为秒。
Basic GPS模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的GPS信息。包括：Lat--纬度，北纬为正，度；Lon--经度，东经为正，度，H--高度，米。
GPS模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的GPS信息。包括：Lat--纬度，北纬为正，度；Lon--经度，东经为正，度，H--高度，米，V--地速，公里/小时，HeadAng--真北航向角，度，Date--日期，Tim--UTC时，STS--GPS状态信息
GPS PPS模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的GPS秒脉冲信号，单位为秒。
GPS with Velocity模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的GPS信息。包括：Lat--纬度，北纬为正，度；Lon--经度，东经为正，度，V--地速，公里/小时，HeadAng--真北航向角，度。
MEMS模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的MEMS主要测量信息。包括：Wx,Wy,Wz--滚转角速度、偏航角速度、俯仰角速度，°/s。ax,ay,az--x向加速度、y向加速度、z向加速度,m/s^2。
MEMS Aux模块能够直接访问MEMS辅助信息。包括：BaroPress--大气压力，Mx--沿X轴磁通量，My--沿Y轴磁通量，Mz--沿Z轴磁通量，Temp--温度。
MEMS Delt模块能够访问ANS组合导航快速原型系统的MEMS增量参数测量信息。包括：DeltAngX/Y/Z--X、Y、Z的角增量，DeltVelX/Y/Z--X、Y、Z的速度增量。
PPSRelTim模块能够直接访问ANS组合导航快速原型系统的运行时钟，单位为秒。
ReadMC模块能够实时接收串口发来的数据。
WriteMC模块能够将数据实时写进串口。
如图2所示，本发明的具体操作方法如下：
步骤1，在simulink中导入ANStoolbox接口工具箱，此工具箱可直接访问对应数据接口。并导入导航算法模型。
进入步骤2，根据所导入的模型进行相应算法优化以及参数调节，适应具体环境。
在步骤3，对所建立的数学模型进行数学仿真，用已有的初始量测数据作为模型的输入，进行仿真，并分析结果。若仿真结果可以接受，
进入步骤4，否则再进入算法优化阶段。在步骤4，当仿真的结果满足需求后，将仿真模型进行代码生成。主要利用matlab/simulink模型生成对应的C/C++代码，生成面向ARMCotrex M4架构的STM32处理器的嵌入式代码。
在步骤5，将生成的基于模型的组合导航快速原型系统的代码进行编译、下载至目标载板中，至此，烧写成功后进入步骤6进行实验测试验证。
在步骤6，进行车载实验等实验手段，使用ANSTest软件实时监测输出数据，来验证组合导航算法的有效性。如果实验结果理想，组合导航算法开发结束，进行相关归档整理。
对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于模型的组合导航快速原型系统，所述系统嵌入有Simulink仿真工具，其特征在于，所述系统还包括微处理器、高性能GPS/北斗模块、惯性传感器模块与ANSToolbox工具箱模块，其中，所述微处理通过串口获取所述高性能GPS/北斗模块的卫星导航信息，所述微处理器通过SPI接口获取所述惯性传感器模块的惯性导航信息；所述ANSToolbox工具箱模块用于提供与所述Simulink仿真工具联动的所需的硬件数据接口的若干子模块；若干所述子模块包括ANSTimer模块、Basic GPS模块、GPS模块、GPS PPS模块、GPS with Velocity模块、MEMS模块、MEMS Aux模块、MEMSDelt模块、PPSRelTim模块与WriteMC模块，其中，所述ANSTimer模块可以直接访问所述系统的运行时钟，单位为秒；Basic GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度；H-高度，米；GPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度；H-高度，米；V-地速，公里/小时；HeadAng-真北航向角，度；Date-日期，Tim-UTC时；STS-GPS状态信息；GPS PPS模块能够直接访问ANS所述系统的GPS秒脉冲信号，单位为秒；GPS with Velocity模块能够直接访问ANS所述系统的GPS信息；包括：Lat-纬度，北纬为正，度；Lon-经度，东经为正，度；V-地速，公里/小时；HeadAng-真北航向角，度；MEMS模块能够直接访问ANS所述系统的MEMS主要测量信息，包括：Wx,Wy,Wz-滚转角速度,偏航角速度,俯仰角速度，°/s；ax,ay,az-x向加速度,y向加速度,z向加速度,m/s^2；MEMS Aux模块能够直接访问MEMS辅助信息；包括：BaroPress-大气压力，Mx-沿X轴磁通量，My-沿Y轴磁通量，Mz-沿Z轴磁通量，Temp-温度；MEMSDelt模块能够访问ANS所述系统的MEMS增量参数测量信息；包括：DeltAngX/Y/Z-X、Y、Z的角增量，DeltVelX/Y/Z-X、Y、Z的速度增量；PPSRelTim模块能够直接访问ANS所述系统的运行时钟，单位为秒；ReadMC模块能够实时接收串口发来的数据；WriteMC模块能够将数据实时写进串口其中，所述系统的实现方法包括：
步骤1，在simulink中导入ANStoolbox接口工具箱，此工具箱可直接访问对应数据接口；并导入导航算法模型；
步骤2，根据所导入的模型进行相应算法优化以及参数调节，适应具体环境；
步骤3，对所建立的数学模型进行数学仿真，用已有的初始量测数据作为模型的输入，进行仿真，并分析结果；若仿真结果可以接受，进入下一步；否则再进入算法优化阶段；
步骤4，当仿真的结果满足需求后，将仿真模型进行代码生成；
步骤5，将生成的基于模型的组合导航快速原型系统的代码进行编译、下载至目标载板中，并烧写；
步骤6，进行车载实验的实验手段，使用ANSTest软件实时监测输出数据，来验证组合导航算法的有效性；
步骤7，如果实验结果理想，组合导航算法开发结束，进行相关归档整理。
2.根据权利要求1所述的基于模型的组合导航快速原型系统，其特征在于，所述步骤4中，利用matlab/simulink模型生成对应的C/C++代码，生成面向ARM Cotrex M4架构的STM32处理器的嵌入式代码。
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