CN117268375A - 一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置 - Google Patents

一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，包括电源模块、三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块。电源模块为其他模块提供不同规格的电压；三轴地磁传感器进行地磁信号的采集；模数转换模块对采集的原始地磁信号进行放大、滤波和模数转换处理，得到地磁数字信号，并将其发送到ZYNQ处理模块；惯导信息交互模块负责惯性导航系统与ZYNQ处理模块的信息交互；ZYNQ处理模块进行信号接收、处理以及存储和发送。本发明实现了地磁信号的快速采集和在线处理，融合惯性导航系统信号，提高地磁导航定位的速度与精度，此外采用集成芯片进行功能实现，减小装置体积，提高系统可靠性。

Description

一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置
技术领域
本发明属于地磁/惯性组合导航技术领域，特别是一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置。
背景技术
随着现代科学技术的不断发展，导航定位技术的重要性日益凸显，精准获取运动体的运动参数信息是进行导航控制的基础。
目前，常用导航定位技术为卫星导航技术，但其信号弱、易受干扰，在某些环境下(如水下)信号会被遮挡而难以接收。也有采用惯性导航技术，但其误差随时间累积，不能提供长时间稳定准确的导航信息，天文导航技术利用恒星位置进行位置信息解算，但是实际应用时受气候条件影响较大。
以地球磁场为测量基准，通过相关算法进行运动体位置解算，具有自主性好、无累积误差、全天候等优点，将地磁匹配导航技术与惯性导航技术进行组合，不仅可以纠正惯性导航的累积误差，也可以提高地磁匹配导航定位的精度和可靠性，开展这方面的研究具有重要的理论价值与现实意义。
现有的地磁导航采集处理系统大多以计算机为中心处理设备，设备繁多，体积大，不适宜体积、重量要求高的应用场合内使用。基于PC机进行的地磁匹配导航，不具有在线处理功能，无法与惯导系统进行实时融合。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种准确性高、成本低和可以实现实时处理的应用于地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，包括电源模块、三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块；
所述三轴地磁传感器采集模块输出端与模数转换模块的输入端相连；模数转换模块的输出端与ZYNQ处理模块相连；惯导信息交互模块接收惯性导航系统的数据，其输出端与ZYNQ处理模块相连；所述电源模块用于为所述三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块供电；
所述三轴地磁传感器采集模块采集地磁信号发送给模数转换模块进行放大、滤波和模数转换处理，惯导信息交互模块将惯性导航系统的经度、纬度、高度以及速度信号发送至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块对数字地磁信号和惯性信号进行处理，获得融合后位置信息，并通过惯导信息交互模块发送至惯性导航系统。
进一步地，所述电源模块提供四种不同的电压，输入为外部±12V电压，其中三轴地磁传感器采集模块为±12V供电，模数转换模块为±12V和5V供电，惯导信息交互模块为3.3V供电，ZYNQ处理模块为5V供电。
进一步地，所述模数转换模块以ADS125H02芯片为主芯片设计，且为3通道模数转换模块，与所述三轴地磁传感器相匹配。
进一步地，所述ZYNQ处理模块为ALINX公司的AC7020，集成双核ARM Cortex-A9和FPGA可编程逻辑。
进一步地，所述ZYNQ处理模块通过地磁匹配算法实现对数字地磁信号和惯性信号的融合，具体过程包括：
1)初始化粒子；
2)获取地磁信号数据和惯导信号数据；
3)计算粒子位置与惯导信号位置差值，以及数据库地磁值与实测地磁值差值；
4)进行粒子权重分配；
5)获取地磁匹配位置；
6)将地磁匹配位置发送至惯性导航系统，同时更新粒子状态；
7)判断是否满足时间约束条件，若是，返回步骤2)，否则结束融合过程。
进一步地，所述三轴地磁传感器，型号为MS3A-02A-W。
进一步地，所述惯导信息交互模块以ADM2587E为主芯片设计，为全双工数据收发器。
进一步地，所述电源模块、模数转换模块、惯导信息交互模块集成在一块印制电路板上，所述ZYNQ处理模块固连在印制电路板上。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
(1)本发明利用ZYNQ嵌入式处理平台代替PC机进行数据处理，解决了传统地磁匹配导航技术无法在线匹配的问题，可实现运动载体的动态导航，减小了设备的体积和重量，节省了设计成本。并且ZYNQ嵌入式处理平台集成ARM Cortex-A9处理器与FPGA可编程逻辑，能够增加系统设计的灵活性与数据传输的速度。
(2)本发明采用ADS125H02集成芯片进行模数转换模块的设计，集成放大、滤波以及AD转换功能，与传统模拟元器件搭建的放大和滤波电路相比，可靠性更高，缩短了模拟信号转换的时间，减小了电路板面积。
(3)本发明通过惯导信息交互模块可获取惯性导航数据，与单一地磁匹配导航系统相比，可以提高导航定位的精度。
(4)本发明具有事后回收能力，ZYNQ处理模块有外置SD卡，可将数据保存在SD卡中，可以进行事后实验分析。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置总体框图。
图2为本发明地磁/惯性组合导航系统数据采集处理整体流程图。
图3为一个实施例中本发明印制电路板结构示意图。
图4为一个实施例中模数转换模块其中一通道的原理图。
图5为一个实施例中ZYNQ处理模块获取数字地磁数据流程图。
图6为一个实施例中地磁匹配算法流程图。
图7为一个实施例中惯导信息交互模块的原理图。
图8为一个实施例中电源模块的原理图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，结合图1，提供了一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，包括电源模块、三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块；
所述三轴地磁传感器采集模块输出端与模数转换模块的输入端相连；模数转换模块的输出端与ZYNQ处理模块相连；惯导信息交互模块接收惯性导航系统的数据，其输出端与ZYNQ处理模块相连；所述电源模块用于为所述三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块供电；
结合图2，所述三轴地磁传感器采集模块采集地磁信号发送给模数转换模块进行放大、滤波和模数转换处理，惯导信息交互模块将惯性导航系统的经度、纬度、高度以及速度信号发送至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块对数字地磁信号和惯性信号进行处理，获得融合后位置信息并储存在SD卡中，并通过惯导信息交互模块发送至惯性导航系统。
结合图3，优选地，所述电源模块1、模数转换模块2、惯导信息交互模块3集成在一块印制电路板4上，在印制电路板上设置有接口5；所述印制电路板4上有与ZYNQ处理模块对应的圆形孔6，可通过螺丝与ZYNQ处理模块固连。
优选地，三轴地磁传感器型号为MS3A-02A-W，量程可达±100uT，具有体积小、线性度好、频响宽、噪声低、成本低等特点。
优选地，所述模数转换模块为3通道模数转换，与三轴磁传感器配套使用，主芯片型号为ADS125H02，输入范围最高可达±20V。图4所示为模数转换模块其中一通道的原理图。
优选地，所述ZYNQ处理模块是ALINX公司生产的AC7020，集成双核ARM Cortex-A9和FPGA可编程逻辑，可进行数据的快速传输与处理。ZYNQ处理模块采用SPI通信方式获取模数转换模块的地磁数据，通过时钟信号、片选信号以及两路数据信号实现ZYNQ处理模块与模数转换模块的同步通信，具体数据读取过程参考图5的流程图。ZYNQ处理模块通过惯导信息交互模块获取惯导信息以及发送地磁位置信息给惯导系统。ZYNQ处理模块获取地磁采集数据和惯导数据后，通过地磁匹配算法解算得位置信息，地磁匹配算法的实现过程参考图6，具体包括：
1)初始化粒子；
2)获取地磁信号数据和惯导信号数据；
3)计算粒子位置与惯导信号位置差值，以及数据库地磁值与实测地磁值差值；
4)进行粒子权重分配；
5)获取地磁匹配位置；
6)将地磁匹配位置发送至惯性导航系统，同时更新粒子状态；
7)判断是否满足时间约束条件，若是，返回步骤2)，否则结束融合过程。
优选地，所述惯导信息交互模块主芯片为ADM2587E，实现全双工的数据收发器，数据传输速率最高可达500kbps，可将TTL电平转化为422差分信号。图7所示为惯性交互模块的原理图，包括芯片ADM2587E，第三十四电容C34、第三十五电容C35、第三十六电容C36、第三十七电容C37、第四十电容C40、第四十一电容C41、第四十三电容C43、第四十四电容C44、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26；所述芯片ADM2587E的引脚1和引脚2之间跨接并联的第三十四电容C34和第三十六电容C36，同时引脚1接地，引脚2连接3.3V电压；所述芯片ADM2587E的引脚8和引脚9之间跨接并联的第三十五电容C35和第三十七电容C37，同时引脚8连接3.3V电压，引脚9接地；所述芯片ADM2587E的引脚19和引脚20之间跨接并联的第四十电容C40和第四十三电容C43并接地；所述芯片ADM2587E的引脚17和引脚18之间跨接第二十五电阻R25，引脚13和引脚15之间跨接第二十六电阻R26，引脚11和引脚12之间跨接并联的第四十一电容C41和第四十四电容C44并接地；所述第三十五电容C35、第四十电容C40、第四十一电容C41的容值为0.01μF，第三十四电容C34、第三十七电容C37和第四十三电容C43的容值为0.1μF，第三十六电容C36和第四十四电容C44的容值为10μF。
优选地，电源模块外部为采集处理装置提供不同规格的电压，输入为外部±12V电压，模块可将12V电压转换为5V、3.3V，供其他模块使用。图8所示为电源模块的原理图，包括AMS1117-3.3芯片、AMS1117-5.0芯片、第四十五电容C45、第四十六电容C46、第四十七电容C47、第四十八电容C48、第四十九电容C49、第五十电容C50、第五十一电容C51和第五十二电容C52；所述AMS1117-5.0芯片的引脚3通过并联的第四十五电容C45和第四十七电容C47接地，同时连接12V电压，引脚2连接引脚4，并通过并联的第四十九电容C49、第五十电容C50接地，同时输出5V电压。所述AMS1117-3.3芯片的引脚3通过第四十六电容C46、第四十八电容C48接地，并连接5V电压，引脚2连接引脚4，并通过并联的第五十一电容C51和第五十二电容C52接地，同时输出3.3V电压。所述第四十七电容C47、第四十八电容C48、第五十电容C50、第五十二电容C52的容值为0.1μF，所述第四十五电容C45、第四十六电容C46的容值为10μF，第四十九电容C49、第五十一电容C51的容值为22μF。
本发明实现了地磁信号的快速采集和在线处理，融合惯性导航系统信号，能提高地磁导航定位的速度与精度，此外采用集成芯片进行功能实现，减小了装置体积，提高了系统可靠性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，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 (10)

1.一种地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，包括电源模块、三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块；
所述三轴地磁传感器采集模块输出端与模数转换模块的输入端相连；模数转换模块的输出端与ZYNQ处理模块相连；惯导信息交互模块接收惯性导航系统的数据，其输出端与ZYNQ处理模块相连；所述电源模块用于为所述三轴地磁传感器采集模块、模数转换模块、惯导信息交互模块以及ZYNQ处理模块供电；
所述三轴地磁传感器采集模块采集地磁信号发送给模数转换模块进行放大、滤波和模数转换处理，惯导信息交互模块将惯性导航系统的经度、纬度、高度以及速度信号发送至ZYNQ处理模块，ZYNQ处理模块对数字地磁信号和惯性信号进行处理，获得融合后位置信息并储存在SD卡中，并通过惯导信息交互模块发送至惯性导航系统。
2.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述电源模块提供四种不同的电压，输入为外部±12V电压，其中三轴地磁传感器采集模块为±12V供电，模数转换模块为±12V和5V供电，惯导信息交互模块为3.3V供电，ZYNQ处理模块为5V供电。
3.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述模数转换模块以ADS125H02芯片为主芯片设计，且为3通道模数转换模块，与所述三轴地磁传感器相匹配。
4.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述ZYNQ处理模块为ALINX公司的AC7020，集成双核ARM Cortex-A9和FPGA可编程逻辑。
5.根据权利要求4所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述ZYNQ处理模块通过地磁匹配算法实现对数字地磁信号和惯性信号的融合，具体过程包括：
1)初始化粒子；
2)获取地磁信号数据和惯导信号数据；
3)计算粒子位置与惯导信号位置差值，以及数据库地磁值与实测地磁值差值；
4)进行粒子权重分配；
5)获取地磁匹配位置；
6)将地磁匹配位置发送至惯性导航系统，同时更新粒子状态；
7)判断是否满足时间约束条件，若是，返回步骤2)，否则结束融合过程。
6.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述三轴地磁传感器，型号为MS3A-02A-W。
7.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述惯导信息交互模块以ADM2587E为主芯片设计，包括芯片ADM2587E，第三十四电容C34、第三十五电容C35、第三十六电容C36、第三十七电容C37、第四十电容C40、第四十一电容C41、第四十三电容C43、第四十四电容C44、第二十五电阻R25、第二十六电阻R26；所述芯片ADM2587E的引脚1和引脚2之间跨接并联的第三十四电容C34和第三十六电容C36，同时引脚1接地，引脚2连接3.3V电压；所述芯片ADM2587E的引脚8和引脚9之间跨接并联的第三十五电容C35和第三十七电容C37，同时引脚8连接3.3V电压，引脚9接地；所述芯片ADM2587E的引脚19和引脚20之间跨接并联的第四十电容C40和第四十三电容C43并接地；所述芯片ADM2587E的引脚17和引脚18之间跨接第二十五电阻R25，引脚13和引脚15之间跨接第二十六电阻R26，引脚11和引脚12之间跨接并联的第四十一电容C41和第四十四电容C44并接地；所述第三十五电容C35、第四十电容C40、第四十一电容C41的容值为0.01μF，第三十四电容C34、第三十七电容C37和第四十三电容C43的容值为0.1μF，第三十六电容C36和第四十四电容C44的容值为10μF。
8.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述电源模块、模数转换模块、惯导信息交互模块集成在一块印制电路板上，所述ZYNQ处理模块固连在印制电路板上。
9.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述ZYNQ处理模块采用SPI通信方式获取模数转换模块的地磁数据，通过时钟信号、片选信号以及两路数据信号实现ZYNQ处理模块与模数转换模块的同步通信。
10.根据权利要求1所述的地磁/惯性组合导航系统的数据采集处理装置，其特征在于，所述电源模块包括AMS1117-3.3芯片、AMS1117-5.0芯片、第四十五电容C45、第四十六电容C46、第四十七电容C47、第四十八电容C48、第四十九电容C49、第五十电容C50、第五十一电容C51和第五十二电容C52；所述AMS1117-5.0芯片的引脚3通过并联的第四十五电容C45和第四十七电容C47接地，同时连接12V电压，引脚2连接引脚4，并通过并联的第四十九电容C49、第五十电容C50接地，同时输出5V电压；所述AMS1117-3.3芯片的引脚3通过第四十六电容C46、第四十八电容C48接地，并连接5V电压，引脚2连接引脚4，并通过并联的第五十一电容C51和第五十二电容C52接地，同时输出3.3V电压；所述第四十七电容C47、第四十八电容C48、第五十电容C50、第五十二电容C52的容值为0.1μF，所述第四十五电容C45、第四十六电容C46的容值为10μF，第四十九电容C49、第五十一电容C51的容值为22μF。
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