CN201600142U - 一种捷联航姿系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种捷联航姿系统，包括：惯性测量单元(10)，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；数字采集及接口单元(20)，用于采集惯性测量单元(10)测量的信息，及实现与航姿计算单元(30)和CAN总线控制器(60)的数据传输；航姿计算单元(30)，用于对通过数据采集及接口单元(20)采集的信息进行航姿参数计算；CAN总线控制单元(60)，用于通过数字采集及接口单元(20)获得的航姿计算单元(30)计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。本实用新型解决了现有捷联航姿系统集成度低、系统体积大的问题，实现一种体积小、集成度高的捷联航姿系统，以实现较为可靠的航姿参数运算。

Description

一种捷联航姿系统

技术领域

本实用新型涉及一种航姿系统，特别是指一种捷联航姿系统。适用于功耗低、体积小、抗冲击振动的能力强、性价比高的应用场合中。

背景技术

捷联航姿系统是指将惯性器件(陀螺和加速度计)直接安装在载体上的系统。从结构上说，捷联航姿系统去掉了实体的惯性平台而代之以存贮在计算机里的“数学平台”。在计算机中实时计算姿态矩阵，即计算出载体坐标系与导航坐标系之间的关系，从而可以把来自于载体固联的加速度计测量的飞行器沿集体坐标系轴向的加速度信息转换为导航坐标系上的信息，然后从姿态矩阵的元素中提取出姿态和航向信息。

由于捷联航姿系统的系统结构、算法和软件都已发展了许多年，已接近于成熟和完善。因此在实际应用中的主要要求集中在硬件实现上，即如何在系统运行中最大可能地实现先进算法和软件所能达到的精度。因此设计一个高性能的导航计算机，已成为提高捷联航姿系统性能的关键因素。目前在捷联航姿系统的导航计算机实现上，仍然停留在以Intel系列等通用型处理器为核心的阶段，这种传统的捷联航姿系统由于其集成度低，运算速度慢，使得系统实现起来体积较大，电路结构复杂，使系统的可靠性大为降低。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种体积小、运算速度快的捷联航姿系统，以实现较为可靠的航姿参数运算。

本实用新型提供的一种捷联航姿系统，其特征在于，包括：惯性测量单元10、数据采集及接口单元20、航姿计算单元30和CAN总线控制单元60，其中：

惯性测量单元10，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；

数字采集及接口单元20，用于采集惯性测量单元10测量的信息，及实现与航姿计算单元30和CAN总线控制器60的数据传输；

航姿计算单元30，用于对通过数据采集及接口单元20采集的信息进行航姿参数计算；

CAN总线控制单元60，用于通过数字采集及接口单元20获得的航姿计算单元30计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。

由上可以看出，由于数字采集及接口单元20负责捷联航姿系统的所有I/O功能，可以让航姿计算单元30只专注于航姿参数计算，使捷联航姿系统运算速度更快。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述惯性测量单元10还包括：

光纤陀螺仪11，用于测量所述载体的角速度；

数字双轴倾角仪12，用于测量所述载体静态重力加速度的变化并以相对于水平面的倾斜角和俯仰角数据进行输出。

由上可以看出，本实用新型的惯性测量单元10具有功耗低、体积小等特点。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述航姿计算单元30包括随机存储器31，用来存储航姿计算单元30实时运行程序和数据。

由上可以看出，随机存储器31可以实时辅助航姿计算单元30快速运行程序和数据。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，还包括：

第一存储单元40，用来保存航姿计算单元30的系统程序和初始化数据；

第二存储单元50，用来作为随机存储器31的外部扩展存储器；

温度传感器70，用于测量光纤陀螺仪11的温度；

所述数据采集及接口单元20还用于采集所述温度传感器70测量的温度。

由上可以看出，本实用新型可扩展能力强，并可以对光纤陀螺仪11进行有效的温度补偿。

上述的捷联航姿系统，其特征在于，所述数据采集及接口单元20包括：

脉冲计数器21用来采集光纤陀螺仪11测量出的角速度量以二进制数据形式输出；

异步串行接口22用于实现与数字双轴倾角仪12的接口，接收其发送来的倾斜角和俯仰角数据；

温度采集时序接口23用于实现与温度传感器70的接口，接收其发送来的温度。

由上可以看出，由于数字采集及接口单元20集成了捷联航姿系统所有I/O功能，使得捷联航姿系统集成度更高。

附图说明

图1为本发明捷联航姿系统的硬件结构图；

图2为本发明捷联航姿系统DSP的结构图；

图3为本发明捷联航姿系统FPGA和DSP的接口逻辑结构图。

具体实施方式

下面，结合附图对本实用新型的实施方式进行详细说明。

图1为捷联航姿系统的硬件结构图，如图所示，本实用新型的捷联航姿系统包括：惯性测量单元10，数据采集与接口单元20，航姿计算单元30，第一存储单元40，第二存储单元50，CAN总线控制单元60和温度传感器70。其中，惯性测量单元10包括三只相同的光纤陀螺仪11和一只数字双轴倾角仪12；数据采集与接口单元20包括脉冲计数器21，异步串行接口22和温度采集时序接口23；航姿计算单元30包括随机存储器31。其中：

惯性测量单元10用于感应载体的角速度和倾角变化信息。其中，惯性测量单元10包括三个同样的光纤陀螺仪11，用于将感应到的角速度量分别以差分脉冲信号的方式输出，其脉冲输出频率随载体的角速度的变化而变化。惯性测量单元1还包括一个数字双轴倾角仪12，用于将感应到的载体静态重力加速度的变化以相对于水平面的倾斜角和俯仰角数据输出以定时校正航姿参数。

数据采集与接口单元20集成了本实施例捷联航姿系统的I/O接口，实现了对本实施例捷联航姿系统内的数据采集和数据通信等I/O任务。

其中，脉冲计数器21用来将采集到的光纤陀螺仪11以脉冲频率形式输出的角速度量转换为二进制数据；异步串行接口22用于实现与数字双轴倾角仪12的接口，接收其发送来的倾斜角和俯仰角数据；温度采集时序接口23用于实现与温度传感器70的接口，接收其发送来的温度数据。接收的上述数据提供给航姿计算单元30由其进行解算。

航姿计算单元30用来根据捷连航姿系统解算算法，对数据采集及接口单元20处理后的数据进行运算处理，以求解所需的航姿参数。

其中，随机存储器31用来作为航姿计算单元30实时运行程序和存储数据的空间。

温度传感器70可以采用分布式数字温度传感器，与数据采集与接口单元20相连，用于测量光纤陀螺仪11的温度并经由数据采集与接口单元20提供给航姿计算单元30，以由航姿计算单元30在计算航姿参数过程中加入温度补偿的运算，以提高航姿系统的工作精度。

其中，惯性测量单元10和温度传感器70的输出信息输入到数据采集与接口单元20中，通过数据采集与接口单元20输入到航姿计算单元30中进行数据处理与运算。

第一存储单元40用来保存航姿计算单元30的系统程序和初始化数据。捷联航姿系统通电运行时，航姿计算单元30自动将系统程序和初始化数据从快速记忆存储器装载到随机存储器31。

第二存储单元50用来作为随机存储模块31的外部扩展存储器，以备方便将来升级捷联航姿系统。

航姿计算单元30由于其内部随机存储器31容量有限，通过地址总线和数据总线来访问相互独立的外部存储器—第一存储单元40和第二存储单元B50，作为其内部存储资源的扩展

CAN总线控制单元60用来控制航姿计算单元30与捷联航姿系统内其他子系统以及子系统之间的数据通信，如将每个子系统作为一个独立节点连接到CAN总线控制单元60上，所有子系统间的信息交换都是通过CAN总线控制单元60来进行。

接下来，结合图2、3来说明本实用新型的一个实施例。

作为捷联航姿系统的核心计算部分数据采集与接口单元20和航姿计算单元30可以由可编程逻辑门阵列(FPGA，Field-ProgrammableGate Array)和数字信号处理器(DSP，Digital Signal Processor)组成，其中FPGA实现外围输入输出接口，主要完成数据采集和数据传输等任务；DSP主要专注于导航的复杂算法。当然也可以采用其他的设计，例如，以通用计算机或者基于DSP和单片机的双CPU系统作为捷联航姿系统的核心计算部分。

本实施例中采用复用性强且升级方便的Altera公司ACEX1K系列的EP1K100QC208-2大容量芯片作为完成数据采集和数据通信等I/O任务的FPGA，并采用Verilog硬件描述语言对FPGA编程实现。

其中，脉冲计数器21将光纤陀螺仪11的脉冲频率转化为用于捷联航姿系统的解算的二进制数据。光纤陀螺仪11的脉冲频率随载体角速度的变化而变化，即捷联航姿系统某一方向的角速度量小是脉冲输出频率也就很低。由于捷联航姿系统本身结构的限制，输出脉冲采用长线传输，考虑到长线传输带来的电磁干扰和相互串扰以及来自整个系统的干扰，设计中要对脉冲信号进行滤波处理，同时将脉冲信号同步化以适应脉冲同步计数方式。

异步串行接口22用于与数字双轴倾角仪12接口，接收其倾斜角与俯仰角输出。在本实施例中异步串行接口22的设计包含波特率发生器、发送模块和接收模块、发送FIFO、接收FIFO、CPU接口等，其中CPU接口包括地址译码/总线接口和UART寄存器。

如图2所示，选用TI公司的TMS320VC33-120型DSP芯片作为航姿计算单元30。航姿计算单元30所需的电压分别由电源芯片LT1587CM-1.8和LT1587CM-3.3将+5V的电压转换成1.8V和3.3V。TMS320VC33的内部存储资源有限且无片内ROM，采用低速FLASH作为第一存储单元40加高速SRAM作为第二存储单元B50的配置方式外扩了存储器，其中FLASH存储器选用AMD公司的AM29LV800BB-90EC型芯片，该芯片结构为512K×16位，体积小且功耗低。由于TMS320VC33的内部RAM足够满足实时运行程序和存储数据的空间，选用IS64LV25616AL-12TAI(256×16位)芯片外扩SRAM以备将来升级。

如图3所示，FPGA与DSP的数据接口为双向口，FPGA中的上述各功能模块共用该接口总线，因此FPGA中还需实现地址译码、各模块与DSP接口的三态数据线电路以及选择各模块输出数据线的复用器。

系统中选用CAN总线实现各CAN节点间的通信。CAN总线控制器选用PHILIP公司的SJA1000，CAN总线控制器接口选用T1040以实现CAN控制器和物理总线间的接口，同时也提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接受能力。使用CAN总线通信提高了系统的数字化水平及其综合性能。现行的CAN总线规范中只规定了CAN总线的物理层和数据链路层，因此需制定本系统的应用层协议。实际中用于鱼雷型号上的CAN总线应用层协议是比较复杂的，本实施例只实现了四个CAN智能节点间的通讯，即航姿系统节点、控制微机节点、XX总调时态节点和扩展测试设备节点。

下面就实验室条件下组建的样机为例来说明航姿系统节点与其它节点间的通讯流程。

系统上电后进行系统自检，0.5s后准备接收可能来自控制微机节点、XX总调时态节点和扩展测试设备节点的“状态/航行数据查询”信息，一般情况下，航姿系统上电后只会有一个外部节点向其发送数据查询信息，若有多个节点向其发送查询信息，航姿系统只需正常应答最先与其通讯的节点，对其他节点只需应答一个“信息请求失败”即可，避免航姿系统处理过多的CAN通讯操作。

整个航姿系统的DSP中的软件流程，主要包括系统上电自检、初始装订、初始校准、读取惯性测量单元10的数据、导航解算、卡尔曼滤波等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种捷联航姿系统，其特征在于，包括：惯性测量单元(10)、数据采集及接口单元(20)、航姿计算单元(30)和CAN总线控制单元(60)，其中：

惯性测量单元(10)，用于测量安装所述捷联航姿系统的载体的角速度和倾角变化信息；

数字采集及接口单元(20)，用于采集惯性测量单元(10)测量的信息，及实现与航姿计算单元(30)和CAN总线控制器(60)的数据传输；

航姿计算单元(30)，用于对通过数据采集及接口单元(20)采集的信息进行航姿参数计算；

CAN总线控制单元(60)，用于通过数字采集及接口单元(20)获得的航姿计算单元(30)计算出的航姿参数传输给其他CAN总线上的设备。

2.根据权利要求1所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述惯性测量单元(10)还包括：

光纤陀螺仪(11)，用于测量所述载体的角速度；

数字双轴倾角仪(12)，用于测量所述载体静态重力加速度的变化并以相对于水平面的倾斜角和俯仰角数据进行输出。

3.根据权利要求1或2所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述航姿计算单元(30)包括随机存储器(31)，用来存储航姿计算单元(30)实时运行程序和数据。

4.根据权利要求3所述的捷联航姿系统，其特征在于，还包括：

第一存储单元(40)，用来保存航姿计算单元(30)的系统程序和初始化数据；

第二存储单元(50)，用来作为随机存储器(31)的外部扩展存储器；

温度传感器(70)，用于测量光纤陀螺仪(11)的温度；

所述数据采集及接口单元(20)还用于采集所述温度传感器(70)测量的温度。

5.根据权利要求4所述的捷联航姿系统，其特征在于，所述数据采集及接口单元(20)包括：

脉冲计数器(21)用来采集光纤陀螺仪(11)测量出的角速度量以二进制数据形式输出；

异步串行接口(22)用于实现与数字双轴倾角仪(12)的接口，接收其发送来的倾斜角和俯仰角数据；

温度采集时序接口(23)用于实现与温度传感器(70)的接口，接收其发送来的温度。

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