CN1325017A

CN1325017A - 基于微机电技术的微型导航系统

Info

Publication number: CN1325017A
Application number: CN01110135.0A
Authority: CN
Inventors: 周兆英; 朱荣; 王广龙; 孙雪峰; 魏强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2001-12-05
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: US6813584B2; US20020188416A1; CN1152237C

Abstract

本发明属于微型测量仪器技术领域,包括多个传感器,A/D转换器,微处理器,PC机及RS232标准串行口,其特征在于,所说的传感器由三轴硅微加速度计及其外围电路和三轴磁强计及其外围电路组成,以及预先存储在所说的微处理器和PC机中的信号处理及显示软件模块。本发明能够得到运动载体的全姿态信息,具有全固态结构、体积小、重量轻、低功耗、启动快、成本低等特点。

Description

基于微机电技术的微型导航系统

本发明属于微型测量仪器技术领域，特别涉及微型导航系统的设计。

导航是利用各种传感器进行测量分析得到载体相对于参考基准的位置和姿态。传统的导航系统有：(1)惯性导航系统，它由陀螺仪和加速度计组成。其中陀螺仪价格昂贵、体积大、启动时间长、对环境条件要求高；(2)图象导航系统，由摄像、图象处理、图象辩识等环节组成，在该导航的实施过程中，可能会出现拍摄盲点而引起误导，此外，图象处理过程复杂，实时性差；(3)全球定位系统(GPS)，它由24颗卫星、地面接收器和处理器组成，由于其在时间和卫星位置信息中有人为加入的误差，从而限制了GPS导航系统的测量精度。此外由于GPS需要外界提供参考信息，所以对水下载体进行导航不适合采用该种方式。相比较而言，新兴的以硅微传感器为基础的微机电导航系统，却可以实现系统微型化、实用化和智能化的完美结合，在价格上、尺寸上、重量上以及性能上都具有超越传统导航系统的绝对优势，不仅可以为船舶、飞机等大型运动载体进行导航，而且更加适用于小型载体(如：机器人、无人小飞机、导弹等)的姿态测量和控制。

微机电系统(MEMS)是将微电子技术和微机械技术结合，将传感器与其处理电路完全集成在一个硅微结构传感器片上，从而实现机电一体化的微型系统。

微机电系统中的传感器是在单晶硅、石英晶体、铌酸锂等电光材料芯片上应用光刻、腐蚀、沉积、离子注入、键合等微机械加工技术生产的硅微结构传感器，它具有成本低、体积小、质量轻、功耗小、可靠性高、易于实现数字化和智能化等优点。

基于微机电技术的微型导航系统的主要代表要属90年代末由美国Honeywell公司研制生产的数字磁阻罗盘HMR3000，其主要功能是提供航向信息，为了补偿倾斜的负效应，系统中还增设了倾斜传感器，以消除小于40°倾斜对航向测量的影响。其组成及工作原理如图1所示：由充有液体的两轴倾斜器测得小幅倾斜角，倾斜角信息与由三轴磁阻传感器测得的三路磁场信号在单片机中进行计算，算得航向数据，角度数据通过RS232标准串行口与PC机进行通讯。其中的磁阻传感器是由透磁合金薄片(NiFe)制作而成，采用很小的固态封装。HMR3000可以测量小于40°倾斜的0°～360°的航向，航向测量精度为±1.0°(水平位置)和±2.0°(倾斜位置)；倾斜测量范围为±40°，倾斜测量精度为±0.4°(当＜20°)和±0.6°(当＞20°)。

该HMR3000数字磁阻罗盘存在如下问题：

(1)倾斜角度测量范围小，只能测量小于40°的倾斜角；

(2)测量精度会随着倾斜角度的增大而减小，如航向精度在水平位置时为±1.0°，当发生倾斜时，航向精度降为±2.0°；对于倾斜精度，随着倾斜角度的增加，倾斜精度由±0.4°降至±0.6°。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，设计出一种新型的基于微机电技术的微型导航系统，在上述数字磁阻罗盘的基础上，对其结构组成和软件算法都作了较大的更改，集多种MEMS传感器为一体，通过对采集信号的处理，能够得到运动载体的全姿态信息，具有全固态结构、体积小、重量轻、低功耗、启动快、成本低等特点。

本发明设计出一种新型的基于微机电技术的微型导航系统，包括多个传感器，对该传感器测得的信号进行转换的A/D转换器，对该A/D转换器输出的数字信号进行计算的微处理器，将微处理器与PC机相连的RS232标准串行口，其特征在于，所说的传感器由三轴硅微加速度计及其外围电路和三轴磁强计及其外围电路组成，以及预先存储在所说的微处理器和PC机中的信号处理及显示软件模块。

所说的信号处理及显示软件模块包括传感器信号融合模块、姿态解算模块、图形接口模块、用户操作演示界面模块。

本发明的信号融合模块包括：信号滤波和信号转换两部分。其中：

信号滤波采用有限冲激响应(FIR)数字滤波，即数字滤波的输出y(n)取决于有限个过去的输入和现在的输入x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)。在本发明中采用了二阶滤波，其滤波的输入和输出关系是：

y(n)=h₀x(n)+h₁x(n-1)式中h₀,h₁为滤波系数。

信号转换是将实际测得的电压信号转化为对应的物理量，其处理算式为：

u(n)=(v(n)-v₀)/k_v式中v(n)为输入的电压信号，u(n)为对应的物理量，v₀为零点电压，k_v为变化幅值，各传感器的零点和幅值由预先标定确定。

本发明的姿态解算方法为：

建立载体所在位置的地理坐标系北-东-地(即N-E-D)、固连于载体的载体坐标系X-Y-Z(X-处于载体对称平面内，由质心指向载体运动前向；Y-垂直于载体对称平面并指向右方；Z-在载体对称平面内且垂直于X轴指向下方。)，见图2(载体以飞机为例)。

载体在空间中的姿态可用载体坐标系相对于地理坐标系的运动来表示，运动角度称为载体的姿态角。导航学中常用航向角ψ、俯仰角θ和滚转角γ作为载体的姿态角，起始时两坐标系重合(N与X轴、E与Y轴、D与Z轴相对应)，随后载体绕D轴(Z)偏行ψ角，再绕水平Y’轴俯仰θ角，最后绕X”轴滚转γ角。载体坐标系与地理坐标系中的矢量可通过以下方向余弦矩阵进行相互转换：

C_{n}^{h} = [\begin{matrix} \cos (N, X) & \cos (E, X) & \cos (D, X) \\ \cos (N, Y) & \cos (E, Y) & \cos (D, Y) \\ \cos (N, Z) & \cos (E, Z) & \cos (D, Z) \end{matrix}] = {[T_{ij}]}_{3 \times 3}

其上标b表示载体坐标系，下标n表示地理坐标系，T_ij为矩阵中的第i行第j列元素。

将三个磁强计分别沿载体坐标系的三轴放置，分别测量地球磁感应强度H在载体坐标系三轴上的投影分量，设：X轴磁强计的测量值为x_M,Y轴磁强计的测量值为y_M,Z轴磁强计的测量值为z_M；同样将加速度计的三轴分别沿载体坐标系的三轴放置，分别测量重力加速度f_g在X、Y和Z轴上的分量，设：X轴的分量为x_g、Y轴的分量为y_g,Z轴的分量为z_g。地磁场H和重力加速度f_g在地理坐标系和姿态坐标系中的表示通过方向余弦矩阵C_n ^b进行转换，并考虑干扰[e_Mx e_My e_Mz]^T和[e_gx e_gy e_gz]^T的影响(包括随机和常值)，从而得到以下姿态角解算算式，其中H为地磁感应强度，β为地磁倾角。

干扰信号的常值和相关部分可以通过信号处理和建模加以消除。

本发明的图形接口模块、用户操作演示界面模块均采用Microsoft Visual C++软件编制而成。

本发明的特点及效果：

本发明在前述数字磁阻罗盘的基础上，对其结构组成和软件算法都作了较大的更改，采用三轴硅微加速度计构成倾斜传感器，由于加速度机能够提供三维空间中成直角坐标系的三个垂直方向上的重力加速度分量，所以由加速度计组成的倾斜仪不仅可以起到为航向角进行倾斜补偿的作用，更可以作为测量载体全倾斜姿态(指任意倾斜)的有效工具。通过方位余弦矩阵建立地理坐标系和载体坐标系之间的联系，从而可以解算出全姿态的俯仰、滚动和航向角。总之，本发明所涉及的微型导航系统是集硅微加速度计和磁强计等多种MEMS传感器为一体，通过本发明中的算法处理能够得到运动载体的全姿态信息。该系统中所使用的MEMS器件相比于传统惯性导航系统中的惯性器件(如惯性陀螺)，具有全固态结构、体积小、重量轻、低功耗、启动快、成本低等特点；该系统在功能上和性能上都优于美国Honeywell公司的HMR3000，如可以实现全姿态的测量，并当环境作用场大小发生变化时，该系统仍具有较好的鲁棒性；此外，本系统还使高精度在全姿态(包括小、中、大角度)测量中得以实现。

附图简要说明：

图1为已有的数字磁阻罗盘结构及工作原理示意图。

图2为本发明的载体坐标系与地理坐标系相对关系示意图。

图3为本发明的总体结构及工作原理示意图。

图4为本发明的软件模块总体结构框图。

图5为本发明的实施例的电路结构原理图。

图6为本发明的实施例的图形显示操作界面示意图。

本发明基于MEMS器件构成微型导航系统结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的硬件总体结构及工作原理如图3所示，其中，包括：三轴MEMS加速度计及其外围电路、三轴磁阻式磁强计及其外围电路、磁复位电路、稳压电路、A/D转换、微处理器(CPU)和RS232标准串行通讯电路。其中，三轴加速度计和三轴磁强计分别是由三路独立的加速度传感器和三路独立的磁阻传感器组成，可以分别测量三维空间中直角坐标系三个互相垂直方向X、Y、Z的重力加速度和磁场；磁复位电路是为了消除环境高磁场效应对传感器灵敏度的影响；稳压电路将外接的6-15V电源统一转化为5V的电源再接入系统；A/D转换将传感器输出的模拟量转化为12位的数字信号，由数据总线并行读入微处理器(CPU)；CPU接受传感器信号以后，由存储在CPU和PC机中的软件模块进行处理。

本发明的软件程序总体结构如图4所示，其软件包括：传感器信号融合(包括滤波、转换)、姿态解算、图形接口、用户操作演示界面等应用软件模块；其步骤包括：将信号进行数字滤波、物理量转换的信号融合，并进行姿态角的解算(以上过程均在CPU中完成)；解算出的角度可采用RS232标准串行的接口模块输出到PC机上显示，也可直接用于姿态角的控制，进行实时导航；测量结果先经过有条件的平滑处理，即对微小变化进行平滑，而对较大的和较明显的变化不加以平滑处理，最后在PC屏幕上用户操作演示界面模块进行显示。

本发明各部件的实施例及工作原理如图5所示：将电源和接口电缆连接，此时微处理器开始采集三路加速度计(本实施例由两个双轴的编号为U10和U12的IC301组成)和三路磁强计(本实施例由一个双轴的编号为U8的M102和一个单轴的编号为U9的M101组成)的输出，其中加速度计信号需要经过电压跟随器(本实施例采用编号为U11的TL404)以消除后接负载对其信号的影响，三路磁强计输出信号分别需要经过三个编号为U5、U6、U7的AD863(其中由编号为D2的D025为AD863提供2.5V的参考电压)放大；六路传感器的输出通过A/D转换(本实施例采用编号为U22的BB567)进入微处理器(本实施例采用编号为U21的Intel8052)，在微处理器中进行滤波、转化、角度解算得到三个姿态角，该姿态角通过RS232通讯(本实施例采用编号为U23的TL202)，使用简单的ASCII指令字符串进行与PC机的通讯；此时，在PC机的屏幕上将会出现信息块，显示当前姿态角的读数并由图形体现当前的姿态。

除上述介绍的基本功能外，装置还将外接电源经过编号为UD3的78D05稳压；在磁强计复位电路中，由两路脉宽信号通入场效应晶体管(本实施例采用编号为U13的ICL6054)产生周期性的正负大电流脉冲，电流大小由编号为U14的N7011(N7011将5V电源电压转换成所要求的电压，本实施例中要求电压采用12V)的输出电压大小来控制。脉冲电流通过磁强计，磁阻在正负大电流作用下，可以恢复正常的工作灵敏度。

本实施例的图形显示操作界面如图6所示，图中左上角为六路传感器的输出，右上角为姿态图形显示，图形下面为姿态角的数据显示，界面中还设置了启动、关闭系统的“开始”和“结束”按钮，和控制标定、复位的按钮。

本实施例可以实现全姿态测量，即俯仰角测量范围为-90°～+90°，滚转角测量范围为-180°～+180°，航向角测量范围为0°～360°；可以保证测量精度在全姿态测量范围内的稳定性，角度测量精度为：航向及倾斜角误差均小于1°；可以适应于不稳定或不确定作用场中的姿态测量(如磁场和重力场幅值不确定或不稳定的情况)。本实施例采用一体化MEMS芯片集成封装技术，使仪器更加小型化，其抗振性和抗过载性得到提高，从而使仪器能够适应各种恶劣环境下的应用。

Claims

1、一种基于微机电技术的微型导航系统，包括多个传感器，对该传感器测得的信号进行转换的A/D转换器，对该A/D转换器输出的数字信号进行计算的微处理器，将微处理器与PC机相连的RS232标准串行口，其特征在于，所说的传感器由三轴硅微加速度计及其外围电路和三轴磁强计及其外围电路组成，以及预先存储在所说的微处理器和PC机中的信号处理及显示软件模块。

2、如权利要求1所述的微型导航系统，其特征在于，所说的信号处理及显示软件模块包括依次连接的传感器信号融合模块、姿态解算模块、图形接口模块及用户操作演示界面模块。