CN114910068A - 一种混合式惯导与卫星组合的导航系统 - Google Patents

一种混合式惯导与卫星组合的导航系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种混合式惯导与卫星组合的导航系统，涉及导航技术领域。包括混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组、电源模块、PCB板以及光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型；混合式惯导组件包括单轴光纤陀螺、三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计；单轴光纤陀螺用于测量Z轴的航向角信息，三轴MEMS陀螺用于测量X轴的横滚角信息、Y轴的俯仰角信息；卫星定位导航模块包括北斗/GPS双天线、北斗/GPS定位导航芯片；组合导航解算模组包括第一微处理器、第二微处理器、导航解算程序和FPGA；单轴光纤陀螺自带温度传感器。本发明融合了混合式惯导和卫星定位导航的优点，能明显提高光纤陀螺的精度，有利于促进在自动驾驶汽车、无人机等行业的推广应用。

Description

一种混合式惯导与卫星组合的导航系统
技术领域
本发明涉及导航技术领域，具体涉及一种混合式惯导与卫星组合的导航系统。
背景技术
现阶段捷联惯导系统分为机械陀螺捷联惯导系统、激光陀螺捷联惯导系统、光纤陀螺捷联惯导系统、MEMS等，均为同构传感器组成捷联惯导系统。对于捷联惯导系统，在现有的有些设计中，设计者做了冗余备份，由一种以上的捷联惯导系统组成一套捷联惯导系统，两种系统组成不同，互为备份。
中国发明专利CN104596513B提供了一种光纤陀螺与微机械陀螺组合的惯导系统及导航方法，所述系统包括光纤陀螺仪和垂直方向的三轴MEMS陀螺仪，所述光纤陀螺仪与所述MEMS陀螺仪互为冗余设置；常态时，所述光纤陀螺仪测量方位轴向的角速度，当所述光线陀螺仪出现故障时，自动切换到所述MEMS陀螺仪。该惯导系统采用一个光纤陀螺仪和三轴MEMS陀螺仪作为惯导三个轴向的角速度传感器，光纤陀螺仪与垂直方向的MEMS陀螺仪形成互为冗余的设计方案。常态时，光纤陀螺仪取代垂直方向的MEMS陀螺仪测量方位轴向的角速度。当光线陀螺仪损坏时，可以自动切换到垂直方向MEMS陀螺仪，使系统在相当一段时间内继续保持工作。该发明提供的光纤陀螺与微机械陀螺组合的惯导系统的导航方法提供在线标定和补偿功能，即在惯性系统完成粗略误差标定以后，通过设定的运动方式来实现陀螺漂移和加速度计零偏的误差估计和补偿，使系统降低对设备的要求，极大的降低了成本，也实时提高了惯性系统的性能。
该发明提出的光纤陀螺仪与垂直方向的MEMS陀螺仪形成互为冗余的设计方案，局限于光纤陀螺与微机械陀螺组合的惯导系统。通过设定的运动方式来实现陀螺漂移和加速度计零偏的误差估计和补偿，无法从根本上解决惯导系统随时间增加而产生的累积误差；这种造价低、体积小、发展前景广泛的惯导系统，在实际应用中需要和北斗/GPS接收机等组成高性能的组合导航系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种混合式惯导与卫星组合的导航系统，不仅融合了光纤陀螺精度高、可靠性高的优势以及MEMS陀螺仪成本低、体积小的优点，还将混合式惯导组件与卫星定位导航模块等组成高性能的组合导航系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种混合式惯导与卫星组合的导航系统，包括混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组、电源模块、PCB板以及光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型；
所述混合式惯导组件包括单轴光纤陀螺和MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元包括三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计；
所述单轴光纤陀螺用于测量Z轴的航向角信息；所述三轴MEMS陀螺用于测量X轴的横滚角信息、Y轴的俯仰角信息，所述三轴MEMS陀螺Z轴的角速度信息作为备用；所述三轴MEMS加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信息；
所述卫星定位导航模块包括北斗/GPS双天线、北斗/GPS定位导航芯片；
所述组合导航解算模组包括第一微处理器、可以在第一微处理器执行的导航解算程序、第二微处理器以及FPGA，所述第一微处理器、第二微处理器均与所述FPGA连接；
所述单轴光纤陀螺、MEMS惯性测量单元、卫星定位导航模块均通过接口总线与所述FPGA连接；
所述电源模块包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路，所述电源模块分别为混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组供电；
所述单轴光纤陀螺自带温度传感器，所述光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型写入第一微处理器。
进一步地，所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括第一连接器、第二连接器；所述第一连接器与所述第二连接器通过接口总线连接，所述第一连接器的输出端与所述第二连接器的输入端设有秒脉冲控制线。
进一步地，所述PCB板包括核心板、主控板和数据交互通信接板。所述组合导航解算模组设置在核心板上，所述电源模块设置在主控板上，所述MEMS惯性测量单元、卫星定位导航模块设置在数据交互通信接板上。
进一步地，所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将DC12V转换为DC5V，所述第二转换电路将DC5V转换为DC3.3V，所述第三转换电路将DC3.3V转换为DC1.8V。
进一步地，所述接口总线为CAN、SPI、RS422、RS232、RS485中的一种或几种。
进一步地，所述第二微处理器通过接口总线输出实时的导航数据。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括里程计，所述里程计与FPGA连接。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器与第二微处理器连接。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括USB接口和/或RJ45接口，所述USB接口和/或RJ45接口与第二微处理器连接。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括状态指示灯，所述状态指示灯与第二微处理器连接。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括上壳和底座，所述上壳和底座在装配时形成封闭空间并且用螺丝锁紧。
所述上壳的一侧面开设有第一连接器的安装部，所述底座在和上壳相同的侧面开设有北斗/GPS双天线的安装部。
所述上壳内固定核心板和主控板。
所述底座内固定单轴光纤陀螺、数据交互通信接板。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括橡胶减震垫，所述橡胶减震垫设置在MEMS惯性测量单元固定在数据交互通信接板上的位置。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1.本发明将单轴光纤陀螺和MEMS惯性测量单元组成混合式惯导组件，融合了光纤陀螺精度高、可靠性高的优势，以及MEMS陀螺成本低、体积小的优点。混合式惯导组件在不降低惯导使用精度的前提下，大幅度降低了惯导的生产成本。
2.单轴光纤陀螺通过自带的温度传感器，以及写入第一微处理器的光纤陀螺零偏漂移温度补偿模型，能够有效抑制温度变化引起的零偏漂移，明显提高光纤陀螺的精度。
3.本发明将混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组等组成高性能的组合导航系统，融合了混合式惯导和卫星定位导航的优点，有利于促进在自动驾驶汽车、无人机等行业的推广应用。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1是本发明的混合式惯导与卫星组合的导航系统的原理框图；
图2是本发明的混合式惯导与卫星组合的导航系统的功能模块示意图；
图3是本发明的混合式惯导与卫星组合的导航系统的产品的立体图；
图4是本发明的混合式惯导与卫星组合的导航系统的产品的结构示意图；
图5是本发明的混合式惯导与卫星组合的导航系统的产品的另一结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、 “第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
本发明所涉及的技术术语解释如下：
MEMS：Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。微机电系统其内部结构一般在微米甚至纳米量级，是一个独立的智能系统。
PCB：Printed Circuit Board，中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气相互连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。
GPS：Global Positioning System，是一种以人造地球卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统，它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。
RTK：实时动态载波相位差分技术，是实时处理两个测量站载波相位观测量的差分方法，将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。
FPGA：Field Programmable Gate Array，是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
CAN：Controller Area Network，即控制器局域网，是一种能够实现分布式实时控制的串行通信网络。
SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口。
RS422：是一系列的规定采用4线，全双工，差分传输，多点通信的数据传输协议。它采用平衡传输采用单向/非可逆，有使能端或没有使能端的传输线。
RS232：RS232标准接口是常用的串行通信接口标准之一，它被广泛用于计算机串行接口外设连接。连接电缆和机械、电气特性、信号功能及传送过程。
RS485：RS485总线是一个定义平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性的标准，该标准由电信行业协会和电子工业联盟定义。RS-485采用半双工工作方式，支持多点数据通信。rs-485总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。
本实施例中，载体坐标系以载体的质心为坐标原点，以载体前进方向为X轴，水平向右为Y轴，Z轴沿载体垂直向上，三轴构成右手直角坐标系。
请参照图1-图5，本发明提出一种混合式惯导与卫星组合的导航系统，包括混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组、电源模块、PCB板以及光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型。所述PCB板包括数据交互通信接板10、主控板20和核心板30。
所述混合式惯导组件包括单轴光纤陀螺3和MEMS惯性测量单元4，所述MEMS惯性测量单元4包括三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计。所述单轴光纤陀螺3用于测量Z轴的航向角信息；所述三轴MEMS陀螺用于测量X轴的横滚角信息、Y轴的俯仰角信息，所述三轴MEMS陀螺Z轴的角速度信息作为备用；所述三轴MEMS加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信息。所述MEMS惯性测量单元4设置在数据交互通信接板10上。
所述卫星定位导航模块包括北斗/GPS双天线5、北斗/GPS定位导航芯片6，所述北斗/GPS定位导航芯片6能实现RTK定位及北斗/GPS双天线5定向解算。所述卫星定位导航模块设置在数据交互通信接板10上。
所述组合导航解算模组包括第一微处理器9、可以在第一微处理器9执行的导航解算程序、第二微处理器10以及FPGA8；所述第一微处理器9、第二微处理器10均和所述FPGA8连接。在本实施例中，所述第一微处理器9、第二微处理器10均为ARM处理器；在实际运用中还可以选用DSP等其它处理器，此处不作限定。所述组合导航解算模组设置在核心板30上。
所述单轴光纤陀螺3、MEMS惯性测量单元4、卫星定位导航模块均通过接口总线与所述FPGA8连接。
所述电源模块包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路，所述电源模块分别为混合式惯导组件、卫星定位导航模块和组合导航解算模组供电。所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路。所述第一转换电路将DC12V转换为DC5V为单轴光纤陀螺3、北斗/GPS双天线5供电；所述第二转换电路将DC5V转换为DC3.3V为MEMS惯性测量单元4、北斗/GPS定位导航芯片6、第一微处理器9以及第二微处理器10供电；所述第三转换电路将DC3.3V转换为DC1.8V为USB接口和/或RJ45接口供电。所述电源模块设置在主控板20上。
所述单轴光纤陀螺3自带温度传感器，所述光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型写入第一微处理器9。温度补偿模型采用线性模型、多项式模型或神经网络模型，能够有效抑制温度变化引起的光纤陀螺零偏漂移，明显提高光纤陀螺的精度。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括第一连接器7、第二连接器；所述第一连接器7与所述第二连接器通过接口总线连接，所述第一连接器的输出端与所述第二连接器的输入端设有秒脉冲控制线。所述接口总线为CAN、SPI、RS422、RS232、RS485中的一种或几种。
所述数据交互通信接板10与所述主控板20之间用软排线11连接，所述核心板30与所述主控板20之间采用对插式连接器进行连接。所述核心板30、主控板20和数据交互通信接板10呈自上而下的布置。
单轴光纤陀螺3、MEMS惯性测量单元4和卫星定位导航模块输出的串行数据，通过接口总线传输至FPGA8并存储在FPGA8内部的RAM的一个地址里，FPGA8将串行数据转换为并行数据后发送给第一微处理器9。第一微处理器9通过写入的温度补偿模型以及单轴光纤陀螺3自带的温度传感器数据计算零偏补偿量，并且将补偿后的单轴光纤陀螺3数据、MEMS惯性测量单元4数据、卫星定位导航模块数据进行惯导算法和组合导航卡尔曼滤波算法的解算，解算完成后将实时的位置、速度、姿态角等导航数据存储在FPGA8内部的RAM的另一个地址里，第二微处理器10读取实时的位置、速度、姿态角等导航数据后通过接口总线输出至上位机。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括里程计，所述里程计与FPGA连接。
在一实施例中，所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器与第二微处理器连接。
在一实施例中，所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括USB接口和/或RJ45接口，所述USB接口和/或RJ45接口与第二微处理器连接。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括状态指示灯，所述状态指示灯与第二微处理器连接。
本发明提供的混合式惯导与卫星组合的导航系统，装配成产品时的结构件还包括上壳1和底座2，所述上壳1和底座2在装配时形成封闭空间并且用螺丝锁紧。
所述上壳1的一侧面开设有第一连接器7的安装部，所述底座2在和上壳1相同的侧面开设有北斗/GPS双天线5的安装部。所述底座2在开设北斗/GPS双天线5安装部的两个侧面的外壁设有固定部，所述固定部将混合式惯导与卫星组合的导航设备固定在汽车等载体上。
本实施例中，所述上壳1内固定核心板30和主控板20，所述底座2内固定单轴光纤陀螺3、数据交互通信接板10。
所述混合式惯导与卫星组合的导航系统还包括橡胶减震垫，所述橡胶减震垫设置在MEMS惯性测量单元4固定在数据交互通信接板10上的位置。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (15)

1.一种混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：包括混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组、电源模块、PCB板以及光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型；
所述混合式惯导组件包括单轴光纤陀螺和MEMS惯性测量单元，所述MEMS惯性测量单元包括三轴MEMS陀螺和三轴MEMS加速度计；
所述单轴光纤陀螺用于测量Z轴的航向角信息；所述三轴MEMS陀螺用于测量X轴的横滚角信息、Y轴的俯仰角信息，所述三轴MEMS陀螺Z轴的角速度信息作为备用；所述三轴MEMS加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信息；
所述卫星定位导航模块包括北斗/GPS双天线、北斗/GPS定位导航芯片；
所述组合导航解算模组包括第一微处理器、可以在第一微处理器执行的导航解算程序、第二微处理器以及FPGA；所述第一微处理器、第二微处理器均与所述FPGA连接；
所述单轴光纤陀螺、MEMS惯性测量单元、卫星定位导航模块均通过接口总线与所述FPGA连接；
所述电源模块包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路，所述电源模块分别为混合式惯导组件、卫星定位导航模块、组合导航解算模组供电；
所述单轴光纤陀螺自带温度传感器，所述光纤陀螺零偏漂移的温度补偿模型写入第一微处理器。
2.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括第一连接器、第二连接器；所述第一连接器与所述第二连接器通过接口总线连接，所述第一连接器的输出端与所述第二连接器的输入端设有秒脉冲控制线。
3.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述PCB板包括核心板、主控板和数据交互通信接板；所述组合导航解算模组设置在核心板上，所述电源模块设置在主控板上，所述MEMS惯性测量单元、卫星定位导航模块设置在数据交互通信接板上。
4.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将DC12V转换为DC5V，所述第二转换电路将DC5V转换为DC3.3V，所述第三转换电路将DC3.3V转换为DC1.8V。
5.根据权利要求1或2所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述接口总线为CAN、SPI、RS422、RS232、RS485中的一种或几种。
6.根据权利要求1或5所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述第二微处理器通过接口总线输出实时的导航数据。
7.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括里程计，所述里程计与FPGA连接。
8.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器与第二微处理器连接。
9.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括USB接口和/或RJ45接口，所述USB接口和/或RJ45接口与第二微处理器连接。
10.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括状态指示灯，所述状态指示灯与第二微处理器连接。
11.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括上壳和底座，所述上壳和底座在装配时形成封闭空间并且用螺丝锁紧。
12.根据权利要求11所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述上壳的一侧面开设有第一连接器的安装部，所述底座在和上壳相同的侧面开设有北斗/GPS双天线的安装部。
13.根据权利要求11或12所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述上壳内固定核心板和主控板。
14.根据权利要求11或12所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：所述底座内固定单轴光纤陀螺、数据交互通信接板。
15.根据权利要求1所述的混合式惯导与卫星组合的导航系统，其特征在于：还包括橡胶减震垫，所述橡胶减震垫设置在MEMS惯性测量单元固定在数据交互通信接板上的位置。
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CN115824199A (zh) * 2022-11-07 2023-03-21 北京自动化控制设备研究所 一种微小型多信息融合自主导航系统

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