CN115290081A - 一种基于rtos的嵌入式ins/gps组合导航方法 - Google Patents

一种基于rtos的嵌入式ins/gps组合导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，包括：S1：在RTOS中建立INS数据接收任务、GPS数据接收任务以及实时卡尔曼滤波解算任务，对任务参数和导航参数进行初始化；S2：将接收到PPS信号的时刻标记为基准时刻，调用GPS数据接收任务，得到GPS解算数据并发送到数据缓存区；S3：调用INS数据接收任务，得到INS解算数据并发送到数据缓存区；S4：检索数据缓存区中是否在基准时刻前后各存在一组INS解算数据，若存在，则调用实时卡尔曼滤波解算任务，结合GPS解算数据对两组INS解算数据的累积误差进行校准，否则返回S2；S5：基于卡尔曼滤波解算任务的校准结果，更新导航参数。本发明提高了INS/GPS数据融合时机的准确性，达到组合导航精准定位的目的。

Description

一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法
技术领域
本发明属于组合导航技术领域，尤其涉及一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法。
背景技术
惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)是一种应用广泛的车辆制导和导航技术，其特点在于作为独立于外部支持的自主式导航系统，即其不依赖外部信息，也不向外界辐射能量，因此惯性导航系统具有不易受到外部环境干扰的优点，但其虽然具备可靠的短期导航精度，但导航误差会随时间积累导致长期精度差，从而不能在远距离提供高精度。现阶段的全球定位系统(Global Positioning System，GPS)依赖于卫星，由于其在无线电信号屏蔽、遮挡或受到干扰的条件下，不能确保导航系统的正常工作，由此可以借助惯性导航系统来克服自身的这一缺陷，而GPS能在较长时间内提供准确的位置和速度，具备长期导航精度，可以弥补惯性导航系统的不足。因此，将惯性导航与卫星导航系统相结合的INS/GPS组合导航系统具有重大研究意义，两者互补优劣，能够提供更加全面可靠的导航解决方案。
现有的各类INS/GPS组合导航系统在进行实时组合导航解算的过程中，存在因解算过程复杂、解算实时性差而引起的导航精度失准的问题，GPS输出定位信息的频率低，而INS采集到的数据包发送频率高，且二者各自解算数据的时长也不尽相同，因此INS和GPS定位数据的同步性势必会影响数据融合的准确性，从而影响组合导航系统的定位精度。
发明内容
为了解决现有技术中存在的缺点和不足，本发明提出了一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，包括：
S1：在RTOS中建立INS数据接收任务、GPS数据接收任务以及实时卡尔曼滤波解算任务，对组合导航的任务参数和导航参数进行初始化；
S2：将GPS系统接收到PPS信号的时刻标记为基准时刻，调用GPS数据接收任务并将信号量发送给INS数据接收任务，基于任务参数得到GPS解算数据并发送到数据缓存区；
S3：根据信号量调用INS数据接收任务，基于任务参数得到INS解算数据并发送到数据缓存区；
S4：检索数据缓存区中是否在基准时刻前后各存在一组INS解算数据，若存在，则基于RTOS的内部组件互斥量，调用实时卡尔曼滤波解算任务，结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，否则返回S2；
S5：基于卡尔曼滤波解算任务的校准结果，更新导航参数。
可选的，所述任务参数包括INS系统数据采集频率以及GPS数据输出频率。
可选的，所述导航参数包括运动载体的位置、速度以及姿态。
可选的，所述导航参数基于GPS系统输出的解算数据进行初始化。
可选的，所述RTOS的内部组件互斥量用于实现INS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务、GPS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务之间对数据缓存区的互斥访问。
可选的，所述结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，包括：将GPS解算数据作为卡尔曼滤波的观测量，将两组INS解算数据作差作为卡尔曼滤波的状态变量，基于状态变量和观测量进行卡尔曼滤波解算，得到载体正确的位置、速度和姿态。
可选的，所述RTOS基于可抢占式调度策略和时间片轮转调度策略进行任务管理。
可选的，所述嵌入式INS/GPS组合导航方法还包括：在RTOS中建立LCD数据显示任务，在INS数据接收任务和实时卡尔曼滤波解算任务执行后，通过调用LCD数据显示任务将导航参数进行可视化显示。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：
本发明提出的技术方案以GPS的PPS信号为时间的基准，通过实时操作系统(RealTime Operating System，RTOS)调度GPS数据接收任务，通过信号量、互斥量和事件等相关RTOS组件实现与其他任务的同步以及对内存区域的互斥访问，从而达到校正惯导累积误差的目的。实时操作系统(RTOS)的相关组件增强了各任务模块间的紧密性，提高了INS/GPS数据融合时机的准确性以及，从而提供一种可靠的组合导航定位方案，达到组合导航精准定位的目的。同时，基于RTOS建立的多任务管理方式，提高了组合导航软件的可移植性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提出的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提出的嵌入式INS/GPS组合导航系统硬件设计图；
图3为本发明实施例提出的RTOS的软件设计图；
图4为本发明实施例提出的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航系统整体工作流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
应当理解，在本发明的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
应当理解，在本发明中，“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。
应当理解，在本发明中，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“包含A、B和C”、“包含A、B、C”是指A、B、C三者都包含，“包含A、B或C”是指包含A、B、C三者之一，“包含A、B和/或C”是指包含A、B、C三者中任1个或任2个或3个。
应当理解，在本发明中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A相关联，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可以根据A和/或其他信息确定B。A与B的匹配，是A与B的相似度大于或等于预设的阈值。
取决于语境，如在此所使用的“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
实施例：
如图1所示，本实施例提出了一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，包括：
S1：在RTOS中建立INS数据接收任务、GPS数据接收任务以及实时卡尔曼滤波解算任务，对组合导航的任务参数和导航参数进行初始化；
S2：将GPS系统接收到PPS信号的时刻标记为基准时刻，调用GPS数据接收任务并将信号量发送给INS数据接收任务，基于任务参数得到GPS解算数据并发送到数据缓存区；
S3：根据信号量调用INS数据接收任务，基于任务参数得到INS解算数据并发送到数据缓存区；
S4：检索数据缓存区中是否在基准时刻前后各存在一组INS解算数据，若存在，则基于RTOS的内部组件互斥量，调用实时卡尔曼滤波解算任务，结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，否则返回S2；
S5：基于卡尔曼滤波解算任务的校准结果，更新导航参数。
在本实施例中，所述嵌入式INS/GPS组合导航方法基于如图2所示的嵌入式INS/GPS组合导航系统实现，所述嵌入式INS/GPS组合导航系统包括GPS定位模块、中央处理器、惯性导航系统INS、LCD导航结果显示模块以及电源模块，本实施例中所述中央处理器及其开发板为STM32F407开发板，GPS定位模块内集成有GPS系统。其中，所述惯性导航系统INS(下文简述为INS系统)由基于MEMS技术的惯性测量单元(Inertial measurement unit，IMU)和解算单元构成，IMU单元由三轴加速度计(ACC)、三轴陀螺仪(GYRO)和三轴磁力计(MAG)组成，所述解算单元内置有惯导姿态解算算法。所述STM32F407开发板负责传感器数据的采集、缓冲以及数据融合计算，其内置有实时卡尔曼滤波器，所述GPS系统负责输出运动载体的全球定位信息，本实施例中GPS系统根据NMEA-0183协议解算采集到的数据。所述INS系统采集的数据以中等速率的IIC总线进行传输，所述GPS系统输出的数据以UART总线传输。
本实施例利用每一次的GPS系统的输出数据，通过STM32F407开发板内载的卡尔曼滤波算法对INS系统的累积误差进行定期修正，从而得到载体正确的位置、速度和姿态，达到组合导航精准定位的目的。
本实施例利用实时操作系统(Real Time Operating System，RTOS)实现组合导航系统中各项任务的紧密调度，RTOS会按照排序运行、管理系统资源，并为开发应用程序提供一致的基础，其特点在于具有实时性，如果有一个任务需要执行，实时操作系统会在较短时间内执行该任务，不会有较长的延时。因此，本实施例利用RTOS的实时性提升了INS和GPS定位数据的准时同步，进而提高组合导航数据融合的准确性。
在本实施例中如图3所示，在RTOS中首先依进行硬件初始化和导航参数初始化，以及RTOS组件初始化，具体的，首先对嵌入式INS/GPS组合导航系统硬件上电，对组合导航系统相关参数，如任务参数以及导航参数进行初始化设置，在本实施例中，所述任务参数包括INS系统数据采集频率以及GPS数据输出频率，所述导航参数包括运动载体的位置、速度以及姿态，具体的，所述导航参数基于GPS系统输出的解算数据进行初始化。随后，在RTOS中创建开始任务，包括：依次创建组合导航系统软件各个任务模块，它们分别是INS数据接收任务、GPS数据接收任务、实时卡尔曼滤波解算、LCD数据显示任务，本实施例中上述任务的优先级如表1所示。
表1
任务 优先级
INS数据接收任务 2
GPS数据接收任务 1
实时卡尔曼滤波解算任务 4
LCD数据显示任务 3
在RTOS中启动任务调度器，在上述优先级的基础上，利用可抢占式调度策略和时间片轮转调度策略实现对任务调度，为各个任务模块分配堆栈大小，在开始任务的最后删除开始任务，即开始任务仅执行一次。
同时，在组合导航系统工作过程中，存在INS数据向缓冲区存入和实时卡尔曼滤波任务从缓冲区取出INS的操作，故利用RTOS的系统组件中的互斥量实现对缓冲区的互斥访问，因此本实施例在执行S1时还包括对RTOS的内部组件参数如信号量、互斥量和事件等任务通信组件进行初始化。由此可见，所述RTOS的内部组件互斥量用于实现INS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务、GPS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务之间对数据缓存区的互斥访问，保证了对INS系统和GPS系统的解算数据进行有效的融合，提高了组合导航定位的准确性。
以下是在上述RTOS的任务设置的基础上，基于图4所示的流程图，对嵌入式INS/GPS组合导航方法的工作过程的具体说明：
执行开始任务后，按照上文描述进行初始化设置，随后，嵌入式INS/GPS组合导航系统进入正常工作状态，当没有PPS信号时，INS系统中的IMU单元采集运动载体的速度、加速度以及角加速度等信息，INS系统将采集到的的数据进行内部积分解算，包括但不限于位置更新、速度更新和姿态更新。
判断惯导解算是否完毕，若INS系统将采集到的相关信息解算完毕，则将位置、速度和姿态等信息发送至中央处理器，中央处理器将这些数据发送至开发板的数据缓存区，由数据缓存区缓存惯性导航结果，即缓存INS解算数据，方便提取卡尔曼滤波需要的状态变量。同时，调用LCD数据显示任务在LCD显示惯性导航结果。若未解算完毕，直接跳转到GPS解算步骤。
在本实施例中，以GPS系统的PPS信号为时间的基准，当STM32F407开发板接收到PPS信号时，标记该时刻为基准时刻，RTOS调度GPS数据接收任务，随后基于GPS数据输出频率获取GPS模块发出的解算数据，具体的，GPS模块根据NMEA-0183协议解算采集到的数据。
判断GPS解算是否完毕，若未解算完成，则返回判断惯导解算是否完毕的步骤重新判断。若解算完成，则将GPS解算数据以数据包的形式被STM32F407开发板缓存至数据缓存区，同时该任务发送信号量至INS数据接收任务，将基准时刻后的INS解算数据缓存。将时间作为数据包结构体的结构成员，以时间为检索指标，在数据缓存区查找标记时刻前一时刻的INS数据，确保GPS解算数据的采集时刻在相邻两次INS解算数据的采集时刻之间，以此作为判断是否触发实时卡尔曼滤波解算任务的条件，若基准时刻前后INS解算数据不存在，则跳转至判断惯导解算是否完毕的步骤重新判断。
由此可见，本实施例将GPS数据接收任务和其后的INS数据接收任务作为实时卡尔曼滤波解算的两大事件，当两个事件满足时，进行卡尔曼滤波解算，否则，等待事件标志组成立，由此达到两个任务与实时卡尔曼滤波同步的目的。若满足触发实时卡尔曼滤波解算任务的条件，则结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，包括：将GPS解算数据作为卡尔曼滤波的观测量，将两组INS解算数据作差作为卡尔曼滤波的状态变量，基于状态变量和观测量进行卡尔曼滤波解算，得到载体正确的位置、速度和姿态，具体的，确定卡尔曼滤波的误差协方差矩阵等相关初始参数，利用基准时刻的GPS解算数据作为外部的观测量，基准时刻前后一组INS解算数据的差值作为状态变量，进行卡尔曼滤波更新，并将结果反馈至惯导系统，达到提升定位精度的目的。
同时，调用LCD数据显示任务在LCD显示组合导航结果，随后跳转至判断惯导解算是否完毕的步骤，循环上述过程。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，包括：
S1：在RTOS中建立INS数据接收任务、GPS数据接收任务以及实时卡尔曼滤波解算任务，对组合导航的任务参数和导航参数进行初始化；
S2：将GPS系统接收到PPS信号的时刻标记为基准时刻，调用GPS数据接收任务并将信号量发送给INS数据接收任务，基于任务参数得到GPS解算数据并发送到数据缓存区；
S3：根据信号量调用INS数据接收任务，基于任务参数得到INS解算数据并发送到数据缓存区；
S4：检索数据缓存区中是否在基准时刻前后各存在一组INS解算数据，若存在，则基于RTOS的内部组件互斥量，调用实时卡尔曼滤波解算任务，结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，否则返回S2；
S5：基于卡尔曼滤波解算任务的校准结果，更新导航参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述任务参数包括INS系统数据采集频率以及GPS数据输出频率。
3.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述导航参数包括运动载体的位置、速度以及姿态。
4.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述导航参数基于GPS系统输出的解算数据进行初始化。
5.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述RTOS的内部组件互斥量用于实现INS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务、GPS数据接收任务与实时卡尔曼滤波解算任务之间对数据缓存区的互斥访问。
6.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述结合GPS解算数据对基准时刻前后的两组INS解算数据的累积误差进行校准，包括：将GPS解算数据作为卡尔曼滤波的观测量，将两组INS解算数据作差作为卡尔曼滤波的状态变量，基于状态变量和观测量进行卡尔曼滤波解算，得到载体正确的位置、速度和姿态。
7.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述RTOS基于可抢占式调度策略和时间片轮转调度策略进行任务管理。
8.根据权利要求1所述的一种基于RTOS的嵌入式INS/GPS组合导航方法，其特征在于，所述嵌入式INS/GPS组合导航方法还包括：在RTOS中建立LCD数据显示任务，在INS数据接收任务和实时卡尔曼滤波解算任务执行后，通过调用LCD数据显示任务将导航参数进行可视化显示。
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