CN116608868A - 捷联光纤惯导can里程计信号录取和处理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统及方法，包括：里程计、里程计信号转换盒、捷联光纤惯导系统和其他车载设备；所述里程计信号转换盒的输入端与里程计相连接，该里程计信号转换盒还与其他车载设备相连接；该里程计信号转换盒还与捷联光纤惯导系统相连接，用于通过同步脉冲触发串口向捷联光纤惯导系统定时发送里程计信息和延时计数值，惯导系统接收到里程计信息和延时计数值后，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，处理后的数据用于组合导航算法的运算。本发明能够确保组合导航算法中关键信号的实时性和同步性，并消除车载惯导设备动态工况下，因里程计信号采集延时引发的导航解算输出误差。
Description
技术领域
本发明属于兵器系统技术/光电信息技术/导航定位技术领域，涉及一种捷联光纤惯导信息录取和处理系统及方法，尤其是一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统及方法。
背景技术
近年来捷联式光纤陀螺惯导系统以其高可靠性、低功耗、高性价比等优势，成为导航定位领域的主流设备类型之一。车载捷联惯导系统中，使用里程计信息与惯性元件信号进行组合导航解算，能够有效抑制惯性元件零位、标度等误差引起的定位和姿态误差，在车载定位定向中，已成为一种主流的组合导航方式。
采用CAN接口协议的里程计广泛应用在各类型车辆中，与传统的脉冲式里程计相比，CAN接口里程计具备精度和分辨率高、接口易于适配等优点，但对于惯导系统来说，高精度组合导航需要保证里程计数据的实时性，以及与惯导系统陀螺仪、加速度计信号的同步性，过多节点接入CAN网络容易发生数据冲突触发重发机制，无法保证数据的实时性和同步性，因此需要研发一种一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统及方法，以满足捷联光纤惯导系统组合导航算法的需要。
经检索，未发现与本发明相同或相似的现有技术的专利文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统及方法，能够确保组合导航算法中关键信号的实时性和同步性，并消除车载惯导设备动态工况下，因里程计信号采集延时引发的导航解算输出误差。
本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：
一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，包括：里程计、里程计信号转换盒、捷联光纤惯导系统和其他车载设备；
所述里程计信号转换盒的输入端与里程计相连接，用于通过CAN1接口与里程计进行CAN接口点对点通讯；
该里程计信号转换盒还与其他车载设备相连接，用于通过CAN2接口接入车载CAN网，向除惯导系统外的其他设备发送里程计信号。
该里程计信号转换盒还与捷联光纤惯导系统相连接，用于通过同步脉冲触发串口向捷联光纤惯导系统定时发送里程计信息和延时计数值，惯导系统接收到里程计信息和延时计数值后，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，处理后的数据用于组合导航算法的运算。
而且，所述里程计信号转换盒包括盒体及其内部的控制电路，所述控制电路包括CAN接口模块、外部中断模块和UART收发模块；
所述CAN接口模块分别与两路CAN收发器相连接，采用光电耦合器和CAN收发器实现隔离和电平变换；
所述UART收发模块的输出端与RS422收发器相连接，采用光电耦合器和RS422收发器实现隔离和电平变换；
所述外部中断模块的输入端与差分电平转换模块相连接，同步脉冲经差分电平转换模块转换为TTL信号后传输至ARM芯片的GPIO引脚上，将该引脚配置为外部中断触发源，设置为下降沿触发外部中断。
而且，所述外部中断模块内设置两个中断源，一个是用于接收里程计信号的CAN1接口收数中断，另一个是同步脉冲信号下降沿触发的外部中断，并设置外部中断的优先级高于CAN1收数中断。
一种采用CAN接口里程计的捷联光纤惯导信息录取和处理方法，包括以下步骤：
步骤1、由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生1KHz方波信号，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板；
步骤2、采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算；
步骤3、将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值，里程计通过CAN接口依次向信号转换盒发送里程数据S、S+1，当信号转换盒接收到里程计信息后，触发CAN接收中断，并锁存微秒计数器的值N；当下一个200Hz脉冲下降沿传输至信号转换盒时，ARM通过串口将里程信息和微秒计数器值发送至惯导系统，惯导系统中的DSP在解算周期K接收到这些信息，并在解算周期K+1进行导航解算时使用；
步骤4、在特定解算周期进行算法解算时，确保惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，并且需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值；
步骤5、进行捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算；
而且，所述步骤5的具体方法为：
(1)1KHz方波信号由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板；
(2)采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算；
(3)将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值；
(4)在特定解算周期进行算法解算时，需保证惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，因此需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值；
(5)捷联光纤惯导系统导航解算DSP获取同时刻的陀螺仪、加速度计和里程计数据后，运行姿态和速度更新算法，同时将里程计数据微分后得到参考速度信息，用作速度阻尼反馈算法的参考量，最终实现捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算功能。
本发明的优点和有益效果：
本发明针对捷联光纤陀螺惯导系统组合导航解算对CAN接口里程计信号实时性和同步性的要求，提出了一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统和方法，采用硬件同步脉冲触发串口的通讯机制，获取了里程信息的准确时刻值，采用FPGA严格按时序对陀螺仪和加速度计信号进行采集，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，确保了组合导航算法中关键信号的实时性和同步性，消除了车载惯导设备动态工况下，因里程计信号采集延时引发的导航解算输出误差。
附图说明
图1为本发明的一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统的组成框图；
图2为本发明的里程计信号转换盒的组成框图；
图3为本发明的里程计信号与惯导元件时序设计图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：
一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，如图1所示，包括：里程计、里程计信号转换盒、捷联光纤惯导系统和其他车载设备；
所述里程计信号转换盒的输入端与里程计相连接，用于通过CAN1接口与里程计进行CAN接口点对点通讯；
该里程计信号转换盒还与其他车载设备相连接，用于通过CAN2接口接入车载CAN网，向除惯导系统外的其他设备发送里程计信号。
该里程计信号转换盒还与捷联光纤惯导系统相连接，用于通过同步脉冲触发串口向捷联光纤惯导系统定时发送里程计信息和延时计数值，惯导系统接收到里程计信息和延时计数值后，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，处理后的数据用于组合导航算法的运算。
在本实施例中，一种一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，如图1所示，包括里程计信号转换盒，该里程计信号转换盒具备两个CAN通讯接口，通过CAN1接口与里程计进行CAN接口点对点通讯，确保信号传输的实时性和可靠性，通过CAN2接口接入车载CAN网，向除惯导系统外的其他设备发送里程计信号。该信号转换盒同时具备一路硬件同步脉冲触发串口，通过此串口向捷联光纤惯导系统定时发送里程计信息和延时计数值，惯导系统接收到里程计信息和延时计数值后，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，处理后的数据用于组合导航算法的运算。
如图2所示，所述里程计信号转换盒包括盒体及其内部的控制电路，所述控制电路包括CAN接口模块、外部中断模块和UART收发模块；
所述CAN接口模块分别与两路CAN收发器相连接，采用光电耦合器和CAN收发器实现隔离和电平变换；
所述UART收发模块的输出端与RS422收发器相连接，采用光电耦合器和RS422收发器实现隔离和电平变换；
所述外部中断模块的输入端与差分电平转换模块相连接，同步脉冲经差分电平转换模块转换为TTL信号后传输至ARM芯片的GPIO引脚上，将该引脚配置为外部中断触发源，设置为下降沿触发外部中断。
所述外部中断模块内设置两个中断源，一个是用于接收里程计信号的CAN1接口收数中断，另一个是同步脉冲信号下降沿触发的外部中断，并设置外部中断的优先级高于CAN1收数中断。
在本实施例中，所述里程计转换盒的各部件的组成和功能如下：
(1)核心处理器选用。信号转换盒采用兆易创新公司的ARM芯片GD32F450IIH6作为核心处理器，完成中断管理、信号调度、接口实现等功能。
(2)三种对外接口设计。第一种是CAN接口，共两路，采用ARM芯片内部集成的CAN控制器内核实现数据链路层设计，采用光电耦合器和CAN收发器实现隔离和电平变换；第二种是串行接口，采用ARM芯片内部的UART模块实现串口协议的设计，采用光电耦合器和RS422收发器实现隔离和电平变换；第三种是外部中断接口，同步脉冲转换为TTL信号后传输至ARM芯片的GPIO引脚上，将该引脚配置为外部中断触发源，设置为下降沿触发外部中断。
(3)中断和信号流程管理。ARM芯片内设置两个中断源，一个是专门用于接收里程计信号的CAN1接口收数中断，另一个是同步脉冲信号下降沿触发的外部中断。根据整个组合导航系统对里程计信号实时性和可靠性的要求，设置外部中断的优先级高于CAN1收数中断。
一种采用CAN接口里程计的捷联光纤惯导信息录取和处理方法，包括以下步骤：
步骤1、由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生1KHz方波信号，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板。
步骤2、采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算；
步骤3、将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值，里程计通过CAN接口依次向信号转换盒发送里程数据S、S+1，当信号转换盒接收到里程计信息后，触发CAN接收中断，并锁存微秒计数器的值N；当下一个200Hz脉冲下降沿传输至信号转换盒时，ARM通过串口将里程信息和微秒计数器值发送至惯导系统，惯导系统中的DSP在解算周期K接收到这些信息，并在解算周期K+1进行导航解算时使用；
步骤4、在特定解算周期进行算法解算时，确保惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，并且需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值。
步骤5、进行捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算；
在本实施例中，惯导系统内部主要有两个同步信号，分别是用于陀螺仪、加速度计采样的1KHz方波信号和用于触发DSP解算中断的200Hz方波信号，其中200Hz信号是由1KHz信号分频得到的。
所述步骤5的信号传输和处理过程具体如下：
(1)1KHz方波信号由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板。
如图3所示，在某一同步时钟下降沿t时刻，采集t-1至t时刻的陀螺仪和加速度计信息G/A1，并在t时刻开始向系统解算板发送，通过合理设置发送频率，确保数据在1ms内发送完毕。
(4)采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算。
如图3所示，DSP在t+5时刻读取FPGA传来的光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5。该200Hz方波同时传输给信号转换盒，作为同步脉冲触发转换盒内的ARM运行外部中断程序，在ARM程序中定义一个微秒计数器，每隔1微秒计数器值加1，而在200Hz脉冲信号来临时，该计数器清0。
(5)将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值；
例如100Hz，如图3所示，里程计通过CAN接口依次向信号转换盒发送里程数据S、S+1，当信号转换盒接收到里程计信息后，触发CAN接收中断，并锁存微秒计数器的值N。当下一个200Hz脉冲下降沿(t+5时刻)传输至信号转换盒时，ARM通过串口将里程信息和微秒计数器值发送至惯导系统，惯导系统中的DSP在解算周期K(t+5时刻至t+10时刻)接收到这些信息，并在解算周期K+1进行导航解算时使用。
(4)在特定解算周期进行算法解算时，需保证惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，因此需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值。
(5)捷联光纤惯导系统导航解算DSP获取同时刻的陀螺仪、加速度计和里程计数据后，运行姿态和速度更新算法，同时将里程计数据微分后得到参考速度信息，用作速度阻尼反馈算法的参考量，最终实现捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算功能。
本发明的工作原理是：
本发明提出一种采用CAN接口里程计的捷联光纤惯导信息录取和处理方法，主要包括三个方面的内容：一是搭建里程计信号采集、传输和处理装置，确定信号传输方式和流程；二是设计信号转换盒，采用CAN接口的里程计设置为200Hz等时间间隔数据发送模式，信号转换盒通过其专用CAN接口点对点接收里程计数据并进行保存，避免多点接入后数据重发引起的延时不确定风险，同时具备一路连接至捷联光纤惯导设备的硬件同步脉冲触发发送串口，当接收到惯导设备发送来的同步脉冲下降沿时，通过该串口将里程计数据和延时计数值发送至惯导设备；三是捷联光纤惯导获取信号转换盒采集到的里程计数据，针对光纤陀螺、加速度计、里程计数据的信号流程关系，进行数据同步化处理，再传输至数字信号处理单元进行组合导航解算。
需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
Claims (5)
1.一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，其特征在于：包括：里程计、里程计信号转换盒、捷联光纤惯导系统和其他车载设备；
所述里程计信号转换盒的输入端与里程计相连接，用于通过CAN1接口与里程计进行CAN接口点对点通讯；
该里程计信号转换盒还与其他车载设备相连接，用于通过CAN2接口接入车载CAN网，向除惯导系统外的其他设备发送里程计信号；
该里程计信号转换盒还与捷联光纤惯导系统相连接，用于通过同步脉冲触发串口向捷联光纤惯导系统定时发送里程计信息和延时计数值，惯导系统接收到里程计信息和延时计数值后，采用DSP对里程计、陀螺仪、加速度计进行数据差值同步处理，处理后的数据用于组合导航算法的运算。
2.根据权利要求1所述的一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，其特征在于：所述里程计信号转换盒包括盒体及其内部的控制电路，所述控制电路包括CAN接口模块、外部中断模块和UART收发模块；
所述CAN接口模块分别与两路CAN收发器相连接，采用光电耦合器和CAN收发器实现隔离和电平变换；
所述UART收发模块的输出端与RS422收发器相连接，采用光电耦合器和RS422收发器实现隔离和电平变换；
所述外部中断模块的输入端与差分电平转换模块相连接，同步脉冲经差分电平转换模块转换为TTL信号后传输至ARM芯片的GPIO引脚上，将该引脚配置为外部中断触发源，设置为下降沿触发外部中断。
3.根据权利要求2所述的一种捷联光纤惯导CAN里程计信号录取和处理系统，其特征在于：所述外部中断模块内设置两个中断源，一个是用于接收里程计信号的CAN1接口收数中断，另一个是同步脉冲信号下降沿触发的外部中断，并设置外部中断的优先级高于CAN1收数中断。
4.一种采用CAN接口里程计的捷联光纤惯导信息录取和处理方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生1KHz方波信号，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板；
步骤2、采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算；
步骤3、将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值，里程计通过CAN接口依次向信号转换盒发送里程数据S、S+1，当信号转换盒接收到里程计信息后，触发CAN接收中断，并锁存微秒计数器的值N；当下一个200Hz脉冲下降沿传输至信号转换盒时，ARM通过串口将里程信息和微秒计数器值发送至惯导系统，惯导系统中的DSP在解算周期K接收到这些信息，并在解算周期K+1进行导航解算时使用；
步骤4、在特定解算周期进行算法解算时，确保惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，并且需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值；
步骤5、进行捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算。
5.根据权利要求4所述的一种采用CAN接口里程计的捷联光纤惯导信息录取和处理方法，其特征在于：所述步骤5的具体方法为：
(1)1KHz方波信号由惯导系统内部的采集解算线路板FPGA产生，该信号发送至光纤陀螺仪和加速度计，后二者以此时钟的下降沿为基准，分别采集前1ms的加速度和角速度信号，通过串口发送至解算板；
(2)采集解算线路板FPGA将上一步产生的1KHz同步信号进行5分频，转换为200Hz后发送给DSP，DSP以此200Hz同步信号的下降沿作为外部中断触发源，中断触发后进行数据接收和解算；
(3)将采用CAN接口的里程计数据发送频率配置为一个特定值；
(4)在特定解算周期进行算法解算时，需保证惯导系统所使用的里程计、光纤陀螺仪、加速度计信息是同时刻的，在解算周期K+1中，使用光纤陀螺仪和加速度计信号G/A1～G/A5，其积分时刻为t+5，因此需要DSP通过插值运算的方式求取t+5时刻的等效里程信息，具体见下式：
其中，Lo为解算周期K+1所需等效里程信息，Ls为惯导系统收到的里程计信息S，v为惯导系统解算输出的当前速度，N为微秒计数器值；
(5)捷联光纤惯导系统导航解算DSP获取同时刻的陀螺仪、加速度计和里程计数据后，运行姿态和速度更新算法，同时将里程计数据微分后得到参考速度信息，用作速度阻尼反馈算法的参考量，最终实现捷联光纤惯导系统的高精度高同步导航解算功能。
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| CN202310061127.3A CN116608868A (zh) | 2023-01-15 | 2023-01-15 | 捷联光纤惯导can里程计信号录取和处理系统及方法 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116952562A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-10-27 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于时频分析法的掘进机截割部振动状态识别方法 |
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2023
- 2023-01-15 CN CN202310061127.3A patent/CN116608868A/zh active Pending
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| CN116952562A (zh) * | 2023-09-21 | 2023-10-27 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于时频分析法的掘进机截割部振动状态识别方法 |
| CN116952562B (zh) * | 2023-09-21 | 2023-12-15 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于时频分析法的掘进机截割部振动状态识别方法 |
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