CN113295186A - 一种mems组合导航装置动态精度评估系统 - Google Patents

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汪守利
杨钊
朱凯
程翔
冯帅
张沐松
唐珊珊
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    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
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    • G05B19/0423—Input/output

Abstract

一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，包括高精度惯导、卫星导航接收机及测量天线、对比转接工装、数据采集协议转换设备、数据采集上位机、车载电池。将被测产品和高精度惯导固定于对比转接工装上并与卫星导航接收机及测量天线、数据采集协议转换设备、车载电池共同安装于试验车上。被测产品和高精度惯导通信接口接入数据采集协议转换设备进行协议转换和时间同步。数据采集协议转换设备与上位机交互完成测试命令响应和试验车跑动过程中高精度惯导和被测产品的对比数据的采集，获得被测产品的动态姿态、速度、位置精度误差。本发明解决了动态条件下MEMS组合导航产品输出的姿态、速度、位置精度难于评估的问题，测试过程简单易行。

Description

一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统
技术领域
本发明涉及一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，属于组合导航技术领域。
背景技术
MEMS组合导航装置输出的导航信息是航空、航天等多个领域的核心参数。导航信息包括姿态、速度和位置信息，用于运载体姿态、速度和位置控制回路的解算，以实现运载体的姿态稳定和制导飞行。因此需要对MEMS组合导航装置输出的导航信息在动态环境下精确测量，以在接近真实的使用状况的情况下得出其动态精度。
现有的MEMS组合导航装置动态精度评估方法主要靠理论计算和转台验证，无法提供接近真实使用动态环境的精确精度评估，无法满足产品设计的需要。因此有必要提出一种对MEMS组合导航装置进行精确动态精度评估系统及方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，包括高精度惯导、卫星导航接收机及测量天线、对比转接工装、数据采集协议转换设备、数据采集上位机、车载电池。本系统将被测产品和高精度惯导固定于对比转接工装上并与卫星导航接收机及测量天线、数据采集协议转换设备、车载电池共同安装于试验车上。被测产品和高精度惯导通信接口接入数据采集协议转换设备进行协议转换和时间同步。数据采集协议转换设备与上位机交互完成测试命令响应和试验车跑动过程中高精度惯导和被测产品的对比数据的采集，通过数据处理计算得出被测产品的动态姿态、速度、位置精度。本发明解决了动态条件下MEMS组合导航产品输出的姿态、速度、位置精度难于评估的问题，测试过程简单易行。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，评估系统位于动态环境中，包括
高精度惯导，用于获取基准数据；
卫星导航设备，用于获取导航数据，并发送给所述高精度惯导；
对比转接工装，用于安装所述高精度惯导和被测产品；
数据采集协议转换设备，用于各设备之间的通信协议转换，并为高精度惯导和被测产品的测量数据添加标志位；
上位机，用于存储和分析被测产品的测试数据和所述基准数据。
上述的评估系统，高精度惯导和被测产品的数据采样频率不同。
上述的评估系统，数据采集协议转换设备将所述基准数据发送给被测产品用于传递对准。
上述的评估系统，所述数据采集协议转换设备采用计数器为高精度惯导和被测产品的测量数据添加标志位。
上述的评估系统，高精度惯导的采样频率低于被测产品的采样频率，上位机进行数据分析时，利用插值算法，将被测产品的测试数据和所述基准数据进行时间对齐。
上述的评估系统，上位机采用如下方式进行数据分析：
S1、上位机获取基准数据和被测产品的测试数据；
S2、使所述基准数据和测试数据的频率相同，并在时间上对齐；
S3、将所述基准数据和测试数据做差，获得测试数据的动态误差。
上述的评估系统，所述高精度惯导采用RS422接口输出基准数据，被测产品通过RS422口或CAN口连接输出测试数据。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)引入了卫星导航接收机信号进入高精度惯导，保证了高精度惯导系统基准信息的长期高稳定性。克服了惯导系统长时间工作时输出的基准数据易发散问题。
(2)引入了数据协议转换设备，在转换设备中采用中断方式建立了精准的1KHz高速时间戳标记，降低了基准数据与被测产品数据之间绝对时间误差量，提升了动态条件下的评估置信度，可广泛应于于各类车载动态条件。
(3)引入了数据协议转换设备，可将高精度惯导输出的基准数据转发至被测产品进行动态传递对准。
(4)提出了一种数据对齐处理方法，可以将不同采样率的基准数据与被测产品数据进行时间对齐，便于计算逐点误差。克服了现有评估系统未能解决的不同采样率数据处理问题、数据时间同步问题。
(5)本发明采用与转接工装基座可拆卸的分立被测产品安装板，满足多种被测产品坐标系要求，测试安装过程简单。
(6)本发明采用ARM处理器作为高精度惯导、被测产品和上位机之间的通信协议转换处理中心，不仅为被测产品提供导航参数基准，也可向被测产品发送可自定义数据率的传递对准数据，灵活程度高，可适应不同被测产品不同数据更新率进行高可靠精度估计的需求。
附图说明
图1为本发明的系统原理示意图；
图2为本发明的数据采集协议转换原理图；
图3为本发明的姿态数据对比示意图；其中(3a)为被测产品的数据，(3b)为高精度惯导的数据；
图4为本发明的姿态对比数据局部放大图；
图5为本发明的插值后的数据对比图；
图6为本发明测试的滚转误差评估结果。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
实施例1：
一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，包括高精度惯导、卫星导航接收机及测量天线、对比转接工装、数据采集协议转换设备、上位机和车载电池；将待测产品和高精度惯导安装于对比转接工装上，车载电池给待测产品、高精度惯导、卫星导航接收机、数据采集协议转换设备供电，数据采集协议转换设备同时与高精度惯导、待测产品和上位机进行通讯，处理上位机指令的同时将高精度惯导和待测产品实时数据打包发送至上位机进行处理得到待测产品动态位置、速度和姿态精度。
所述数据采集协议转换设备包括ARM处理器、RS422协议接口电路；高精度惯导输出的数字信号打包后通过RS422协议接口电路发送至ARM处理器中，ARM处理器将高精度惯导数据解析打包后通过RS422协议接口转发至被测产品用于传递对准，被测产品输出的数字信号打包后通过RS422协议发送至ARM处理器中，ARM处理器1KHz的计数中断作为系统时间标志将高精度惯导数据和被测产品数据打包加时间标志后发送至上位机进行处理。
上位机对高精度惯导及产品输出的数字信号进行处理具体通过如下步骤进行：
(1)上位机接收高精度惯导和被测产品发出的数字信号；
(2)通过公式
y12＝interp1(t1,y1,t2)
将被测产品数据在高精度惯导输出数据的采样点t2时刻进行线性插值后提取出来为y12。
则被测产品的逐点误差为
dy＝y12-y2
将dy取标准差即为被测产品该项参数的精度，
其中：
t1和y1分别为被测产品的输出采样点时刻和输出参数，t2和y2为高精度惯导的输出采样点时刻和输出参数，t1，y1，t2，y2由数据采集协议转换设备的ARM处理器1KHz计数中断处进行采样点打标后输出至上位机。
实施例2：
一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，包括高精度惯导、卫星导航接收机及测量天线、对比转接工装、数据采集协议转换设备、上位机和车载电池；将待测产品和高精度惯导安装于对比转接工装上，车载电池给待测产品、高精度惯导、卫星导航接收机、数据采集协议转换设备供电，数据采集协议转换设备同时与高精度惯导、待测产品和上位机进行通讯，处理上位机指令的同时将高精度惯导和待测产品实时数据打包发送至上位机进行处理得到待测产品动态位置、速度和姿态精度。
本发明中的数据采集协议转换设备原理图如附图2所示，现有高精度惯导数据通过RS422接口连接数据采集协议转换设备，波特率为921600bps，被测产品通过RS422口或CAN口连接至数据采集协议转换设备，RS422波特率为921600bps,CAN口波特率为800Kbps。所述数据采集协议转换设备包括ARM处理器、RS422协议接口电路和CAN协议接口电路；高精度惯导输出的数字信号打包后通过RS422协议接口电路发送至ARM处理器中，ARM处理器将高精度惯导数据解析打包后通过RS422或CAN接口协议接口转发至被测产品用于传递对准，被测产品输出的数字信号打包后通过RS422协议发送至ARM处理器中，ARM处理器1KHz的计数中断作为系统时间标志将高精度惯导数据和被测产品数据打包加时间标志后通过RS422口发送至上位机进行处理，RS422接口波特率为921600bps。
本发明中的数据采集协议转换设备固件程序(即为ARM芯片内的程序)为微处理器的运行程序，完成高精度惯导数据的采集、被测产品数据的采集、完成与上位机通信响应上位机指令、完成采集数据的打标和转发。当基准高精度惯导与被测产品正常工作后，给数据采集协议转换设备加电，ARM处理器收到完整的高精度惯导数据包时将测试数据利用1KHz计数器打标发送至上位机，ARM处理器收到完成的被测产品数据包时，将测试数据利用与高精度惯导相同的1KHz计数器打标，上位机采集已打标的两路数据后进行动态对比。通过采集车辆的运动过程中被测产品和高精度惯导已打时间标志的输出以进行后续动态精度分析。测量不同的被测产品时，测量电路固件程序需要根据产品的具体通信协议修改相应的软件接口。
上位机主要完成对存储的数据进行处理，得到被测信号与基准信号同采样点数值并进行对比，通过做差得到被测信号的动态误差。
本发明中高精度惯导和被测产品可以按照自身坐标系安装，在进行姿态对比评估时，需将二者姿态输出均按偏航、俯仰、滚转转序转换后再行比对。
如附图3所示，为某次动态跑车试验高精度惯导和被测产品滚转角输出采样结果，其中高精度惯导更新率为25Hz，被测产品更新率为50Hz。由于高精度惯导和被测产品更新率和输出采样时刻均不同，如附图4所示，该图为附图3局部放大图，由图可知高精度惯导和被测产品输出采样时间及采样周期并不相同。
y12＝interp1(t1,y1,t2)
将被测产品数据在高精度惯导输出数据的采样点t2时刻进行线性插值后提取出来为y12，如附图5所示，则被测产品的逐点误差为
dy＝y12-y2
将dy取标准差即为被测产品该项参数的精度，如附图6所示，滚转角的动态精度为0.07°。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种MEMS组合导航装置动态精度评估系统，其特征在于，评估系统位于动态环境中，包括
高精度惯导，用于获取基准数据；
卫星导航设备，用于获取导航数据，并发送给所述高精度惯导；
对比转接工装，用于安装所述高精度惯导和被测产品；
数据采集协议转换设备，用于各设备之间的通信协议转换，并为高精度惯导和被测产品的测量数据添加标志位；
上位机，用于存储和分析被测产品的测试数据和所述基准数据。
2.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，高精度惯导和被测产品的数据采样频率不同。
3.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，数据采集协议转换设备将所述基准数据发送给被测产品用于传递对准。
4.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述数据采集协议转换设备采用计数器为高精度惯导和被测产品的测量数据添加标志位。
5.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，高精度惯导的采样频率低于被测产品的采样频率，上位机进行数据分析时，利用插值算法，将被测产品的测试数据和所述基准数据进行时间对齐。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的评估系统，其特征在于，上位机采用如下方式进行数据分析：
S1、上位机获取基准数据和被测产品的测试数据；
S2、使所述基准数据和测试数据的频率相同，并在时间上对齐；
S3、将所述基准数据和测试数据做差，获得测试数据的动态误差。
7.根据权利要求6所述的评估系统，其特征在于，所述高精度惯导采用RS422接口输出基准数据，被测产品通过RS422口或CAN口连接输出测试数据。
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