CN203203600U

CN203203600U - 一种用于海洋传感器的捷联惯性姿态检测电路

Info

Publication number: CN203203600U
Application number: CN 201320236212
Authority: CN
Inventors: 章雪挺; 徐宇程; 余星; 王�华; 王莹; 闫云鹏
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2013-05-03
Filing date: 2013-05-03
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2023-05-03

Abstract

本实用新型涉及一种用于海洋传感器的捷联惯性姿态检测电路。本实用新型中的电源电路给传感测量电路提供+3.3V电源，给主控电路提供+3.3V电源，给通信电路提供+5V电源和+3.3V电源。传感测量电路将测量到的原始数据传输给主控电路，通过主控电路计算出载体的实时姿态。主控电路通过通信电路的RS232接口或TTL接口与外界通信。本实用新型采用捷联惯性测量技术构成水下姿态检测电路，利用了捷联式惯性测量芯片的低功耗、高精确度特点，选择了同时集成MEMS三轴陀螺仪与三轴加速度计的惯性测量芯片，使得电路连接简单，避免了采用分立加速度计与陀螺仪时的时钟差异与安装误差导致的轴向差异。

Description

一种用于海洋传感器的捷联惯性姿态检测电路

技术领域

本实用新型属于惯性导航技术与海洋技术领域，具体涉及一种基于惯性器件的海洋传感器姿态检测电路。

背景技术

我国海域辽阔，海底资源开发和海洋环境的探测日益频繁，海洋传感器的应用面越来越广。在海洋传感器的开发中，如何通过高精度、小体积、低成本的惯性导航技术，来实时获取海洋传感器的姿态角度，是目前普遍遇到的技术难题。

目前陆地上使用的惯性导航技术，核心部件是一个三轴陀螺仪，用来测量载体绕三个轴的转动角速度，经过对三个轴角速度的积分计算，得出载体的实时姿态信息。但由于陀螺仪的零度漂移，姿态解算大多需要借助GPS数据或是磁罗盘校正数据进行校正，否则很难进入实用。而面对海洋技术应用领域，传感器无法获得GPS数据，并且由于在海底铁磁矿区的探查任务中，海洋传感器周围的地磁场异常情况多发，并且地磁场本身就是测量参数的一部分，因而地磁数据也不应成为校正手段。同时，由于海洋传感器的开发成本、体积、功耗等限制条件，光纤陀螺等技术无法适用于海洋传感器的姿态检测。因此，借助三轴加速度计对俯仰角与横滚角进行校正，组成三轴加速度计与三轴陀螺仪的六自由度姿态检测平台，是目前唯一适合海洋传感器姿态检测的技术方法。已有基于此平台的相关姿态解算算法，但由于集成电路技术的更新问题，目前还缺乏基于单芯片的六自由度姿态检测电路。

发明内容

本实用新型的目的在于通过设计一种基于单芯片的，包含三轴陀螺仪和三轴加速度计的六自由度姿态检测电路，为海洋传感器提供一种普适的捷联惯性导航姿态检测与解算硬件平台。

本实用新型包括电源电路、传感测量电路、主控电路、通信电路。

电源电路包括电源转换芯片IC1、二极管D1、贴片电阻R1、两个电解电容C1和C2、三个瓷片电容C3、C4和C5、一个发光二极管LED1、一个电感L1。其中二极管D1的正极为电源输入端，与+5V电源正极连接，二极管D1的负极与电源转换芯片IC1的3脚连接。电解电容C1的正极与电源转换芯片IC1的3脚连接，负极接地。电源转换芯片IC1的1脚接地，2脚分别与电解电容C2的正极、瓷片电容C3的一端、发光二极管LED1的正极以及电感L1的一端相连接。电解电容C2的负极、瓷片电容C3的另一端接地。发光二极管LED2的负极与贴片电阻R1的一端连接，贴片电阻R1的另一端接地。电感L1的另一端与瓷片电容C4的一端、瓷片电容C5的一端相连，作为电源电路的3.3V输出端。电解电容C2的另一端、瓷片电容C3的另一端接地。

传感测量电路包括惯性测量芯片IC2、四个贴片电阻R2、R3、R4和R5、四个瓷片电容C6、C7、C8和C9。其中贴片电阻R2的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的24脚。贴片电阻R3的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的23脚。贴片电阻R4的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的7脚。贴片电阻R5的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的6脚。瓷片电容C6的一端接惯性测量芯片IC2的20脚，另一端接地。瓷片电容C7的一端接惯性测量芯片IC2的13脚，另一端接地。瓷片电容C8的一端接惯性测量芯片IC2的10脚，另一端接地。瓷片电容C9的一端接惯性测量芯片IC2的8脚，另一端接地。惯性测量芯片IC2的8脚和13脚接电源模块的3.3V输出端，9脚和18脚接地，1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、19脚、21脚、22脚悬空，11脚接主控芯片IC3的17脚，12脚接主控芯片IC3的16脚，23脚接主控芯片IC3的42脚，24脚接主控芯片IC3的43脚。

主控电路包括主控芯片IC3、调试接口J1、两个贴片电阻R6和R7、七个瓷片电容C10、C11、C12、C13、C14、C15和C16、石英晶振Y1。其中调试接口J1的1脚接主控芯片IC3的34脚，2脚接主控芯片IC3的37脚，3脚接地，4脚接电源电路的3.3V输出端。贴片电阻R6的一端接电源电路的3.3V输出端，另一端接主控芯片IC3的7脚及瓷片电容C10的一端。瓷片电容C10的另一端接地。贴片电阻R7的一端接主控芯片IC3的20脚，另一端接地。瓷片电容C11的一端接石英晶振Y1的一端和主控芯片IC3的5脚，另一端接地。瓷片电容C12的一端接石英晶振Y1的另一端和主控芯片IC3的6脚，另一端接地。瓷片电容C14的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的24脚，另一端接地。瓷片电容C15的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的36脚，另一端接地。瓷片电容C16的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的48脚，另一端接地。瓷片电容C13的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的9脚，另一端接地。主控芯片IC3的1脚接电源电路的3.3V输出端，8脚、23脚、35脚、44脚和47脚接地，2脚、3脚、4脚、10脚、11脚、14脚、15脚、18就、19脚、21脚、22脚、25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、32脚、33脚、38脚、39脚、40脚、41脚、45脚、46脚悬空。

通信电路包括电平转换芯片IC4、四个瓷片电容C17、C18、C19、C20、通信接口J2、通信接口J3。其中通信接口J2的1脚接地，2脚接主控芯片IC3的13脚，3脚接主控芯片IC3的12脚，4脚接接电源电路二极管D1的正极。瓷片电容C17的一端接电源转换芯片IC4的4脚，另一端接电源转换芯片IC4的5脚。瓷片电容C18的一端接电源转换芯片IC4的6脚，另一端接电源转换芯片IC4的15脚。瓷片电容C19的一端接电源转换芯片IC4的2脚，另一端接电源转换芯片IC4的16脚。瓷片电容C20的一端接电源转换芯片IC4的3脚，另一端接电源转换芯片IC4的1脚。电源转换芯片IC4的7脚、8脚、9脚、10脚悬空、11脚接主控芯片IC3的30脚、12脚接主控芯片IC3的31脚、13脚接通信接口J3的3脚、14脚接通信接口J3的2脚。通信接口J3的1脚接地。

本实用新型中的电源转换芯片IC1，惯性测量芯片IC2，主控芯片IC3，电平转换芯片IC4均采用成熟产品。电源转换芯片IC1采用Advanced Monolithic Systems公司的AMS1117-3.3，惯性测量芯片IC2采用InvenSense公司的MPU6050，主控芯片IC3采用意法半导体公司的32位微控制器芯片STM32F103C8T6，电平转换芯片IC4采用美信公司的MAX3232。

本实用新型采用捷联惯性测量技术构成水下姿态检测电路，利用了捷联式惯性测量芯片的低功耗、高精确度特点，并且在惯性测量电路设计中，选择了同时集成MEMS三轴陀螺仪与三轴加速度计的惯性测量芯片，使得电路连接简单，避免了采用分立加速度计与陀螺仪时的时钟差异与安装误差导致的轴向差异。电路设计上还考虑了两个数据实时传输接口，分别使用RS232电平与TTL电平，可向不同的水下仪器输出实时姿态信息及提供调试通道。

附图说明

图1为本实用新型的整体电路示意图；

图2为图1中的电源电路示意图；

图3为图1中的传感测量电路示意图；

图4为图1中的主控电路示意图；

图5为图1中的通信电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型包括电源电路1、传感测量电路2、主控电路3、通信电路4。电源电路1给传感测量电路2提供+3.3V电源，给主控电路3提供+3.3V电源，给通信电路4提供+5V电源和+3.3V电源。传感测量电路2将测量到的原始数据传输给主控电路，通过主控电路3计算出载体的实时姿态。主控电路3通过通信电路4的RS232接口或TTL接口与外界通信。

如图2所示，电源电路包括电源转换芯片IC1、二极管D1、贴片电阻R1、两个电解电容C1和C2、三个瓷片电容C3、C4和C5、一个发光二极管LED1、一个电感L1。其中电源转换芯片IC1采用 Advanced Monolithic Systems公司的AMS1117-3.3。二极管D1的正极为为输入端，与+5V电源输入端连接。D1的负极作为输入与电源转换芯片IC1的3脚相连，同时并联一个电解电容C1到地。电源转换芯片IC1的1脚直接与地相连,2脚并联一个电解电容C2和一个瓷片电容C3到地，同时连接发光二极管LED1的正极，发光二极管LED1的负极串联贴片电阻R1后连接到地。电源转换芯片IC1的2脚同时连接电感L1，L1的另一端作为电源电路的+3.3V输出端，同时并联两个瓷片电容C4和C5到地。

如图3所示，传感测量电路包括惯性测量芯片IC2、四个贴片电阻R2、R3、R4和R5、四个瓷片电容C6、C7、C8和C9。其中惯性测量芯片IC2采用InvenSense公司的MPU6050。惯性测量芯片IC2的6脚通过贴片电阻R5上拉至电源电路的+3.3V输出端。惯性测量芯片IC2的7脚通过贴片电阻R4上拉至电源电路的+3.3V输出端。惯性测量芯片IC2的23脚作为传感测量电路的一个端口连接至主控芯片IC3的42脚，并通过贴片电阻R3上拉至电源电路的+3.3V输出端。惯性测量芯片IC2的24脚作为传感测量电路的一个端口连接至主控芯片IC3的43脚，并通过贴片电阻R2上拉至电源电路的+3.3V输出端。惯性测量芯片IC2的9脚、18脚接地，8脚连接至电源电路的+3.3V输出端，同时并联一个瓷片电容C9到地。惯性测量芯片IC2的13脚连接至电源电路的+3.3V输出端，同时并联一个瓷片电容C7到地。惯性测量芯片IC2的10脚连接一个瓷片电容C8，C8的另一端接地。惯性测量芯片IC2的20脚连接一个瓷片电容C6，C6的另一端接地。惯性测量芯片IC2的11脚作为传感测量电路的一个端口接主控芯片IC3的17脚，12脚作为传感测量电路的一个端口接主控芯片IC3的16脚。

如图4所示，主控电路包括主控芯片IC3、调试接口J1、两个贴片电阻R6和R7、七个瓷片电容C10、C11、C12、C13、C14、C15和C16、石英晶振Y1。其中主控芯片IC3采用意法半导体公司的32位微控制器芯片STM32F103C8T6。主控芯片IC3的5脚与6脚之间跨接晶振Y1，5脚与6脚分别跨接电容C11和C12到地。主控芯片IC3的20脚串联电阻R7到地，7脚串联R6至电源电路的+3.3V输出端，同时并联一个瓷片电容C10到地。主控芯片IC3的1脚连接至电源电路的+3.3V输出端。主控芯片IC3的9脚、24脚、36脚、48脚连接至电源电路的+3.3V输出端，并分别并联瓷片电容C13、C14、C15、C16到地。主控芯片IC3的8脚、23脚、35脚、44脚、47脚接地。主控芯片的34脚、37脚分别与调试接口J1的1脚和2脚连接，调试接口J1的3脚接地，4脚接电源电路的+3.3V输出端。主控芯片IC3的16脚、17脚、42脚、43脚分别与传感测量电路的四个端口即传感测量芯片IC2的12脚、11脚、23脚和24脚连接。主控芯片IC3的12脚、13脚、30脚、31脚分别与通信电路的四个端口通信接口J2的3脚、2脚、电平转换芯片IC4的11脚、12脚连接。

如图5所示，通信电路包括电平转换芯片IC4、四个瓷片电容C17、C18、C19、C20、通信接口J2、通信接口J3。其中电平转换芯片IC4采用美信公司的MAX3232。通信接口J2的1脚接地，2脚作为通信电路的一个端口接主控芯片IC3的13脚，3脚作为通信电路的一个端口接主控芯片IC3的12脚，4脚接电源电路的电源输入端。通信接口J3的1脚接地，2脚接电平转换芯片IC4的14脚，3脚接电平转换芯片IC4的13脚。电平转换芯片IC4的1脚和3脚间跨接瓷片电容C20，4脚和5脚间跨接瓷片电容C17，15脚接地，6脚跨接一个瓷片电容C18后接地，16脚接电源电路的+3.3V输出端，2脚跨接一个瓷片电容C19后接电源电路的+3.3V输出端。电平转换芯片IC4的11脚作为通信电路的一个端口接主控芯片IC3的30脚，12脚作为通信电路的一个端口接主控芯片IC3的31脚。

本实用新型所涉及的电路可适用于大多数海洋传感器的开发过程。为需要实时检测三维姿态数据的海洋传感器，提供一种捷联惯性导航算法的硬件平台。在此硬件平台基础上，嵌入相关的六自由度姿态解算算法，即可为海洋传感器实时提供俯仰角、横滚角、偏航角三个姿态参数，同时也可为海洋传感器所搭载的水下载体的自主式导航提供参考依据。

通过以上技术最终构成的这种新的水下姿态检测电路，具体技术指标如下：

输入电压：+5VDC

分辨率：0.1°

俯仰、横滚误差：<0.5°

偏航角误差: < 5°/30min

数据通道：全双工RS232串行接口，全双工TTL串行接口

电路功耗：0.1W。

Claims

1. 一种用于海洋传感器的捷联惯性姿态检测电路，包括电源电路、传感测量电路、主控电路、通信电路，其特征在于：

电源电路包括电源转换芯片IC1、二极管D1、贴片电阻R1、两个电解电容C1和C2、三个瓷片电容C3、C4和C5、一个发光二极管LED1、一个电感L1；其中二极管D1的正极为电源输入端，与+5V电源正极连接，二极管D1的负极与电源转换芯片IC1的3脚连接；电解电容C1的正极与电源转换芯片IC1的3脚连接，负极接地；电源转换芯片IC1的1脚接地，2脚分别与电解电容C2的正极、瓷片电容C3的一端、发光二极管LED1的正极以及电感L1的一端相连接；电解电容C2的负极、瓷片电容C3的另一端接地；发光二极管LED2的负极与贴片电阻R1的一端连接，贴片电阻R1的另一端接地；电感L1的另一端与瓷片电容C4的一端、瓷片电容C5的一端相连，作为电源电路的3.3V输出端；电解电容C2的另一端、瓷片电容C3的另一端接地；

传感测量电路包括惯性测量芯片IC2、四个贴片电阻R2、R3、R4和R5、四个瓷片电容C6、C7、C8和C9；其中贴片电阻R2的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的24脚；贴片电阻R3的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的23脚；贴片电阻R4的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的7脚；贴片电阻R5的一端接电源模块的3.3V输出端，另一端接惯性测量芯片IC2的6脚；瓷片电容C6的一端接惯性测量芯片IC2的20脚，另一端接地；瓷片电容C7的一端接惯性测量芯片IC2的13脚，另一端接地；瓷片电容C8的一端接惯性测量芯片IC2的10脚，另一端接地；瓷片电容C9的一端接惯性测量芯片IC2的8脚，另一端接地；惯性测量芯片IC2的8脚和13脚接电源模块的3.3V输出端，9脚和18脚接地，1脚、2脚、3脚、4脚、5脚、14脚、15脚、16脚、17脚、19脚、21脚、22脚悬空，11脚接主控芯片IC3的17脚，12脚接主控芯片IC3的16脚，23脚接主控芯片IC3的42脚，24脚接主控芯片IC3的43脚；

主控电路包括主控芯片IC3、调试接口J1、两个贴片电阻R6和R7、七个瓷片电容C10、C11、C12、C13、C14、C15和C16、石英晶振Y1；其中调试接口J1的1脚接主控芯片IC3的34脚，2脚接主控芯片IC3的37脚，3脚接地，4脚接电源电路的3.3V输出端；贴片电阻R6的一端接电源电路的3.3V输出端，另一端接主控芯片IC3的7脚及瓷片电容C10的一端；瓷片电容C10的另一端接地；贴片电阻R7的一端接主控芯片IC3的20脚，另一端接地；瓷片电容C11的一端接石英晶振Y1的一端和主控芯片IC3的5脚，另一端接地；瓷片电容C12的一端接石英晶振Y1的另一端和主控芯片IC3的6脚，另一端接地；瓷片电容C14的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的24脚，另一端接地；瓷片电容C15的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的36脚，另一端接地；瓷片电容C16的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的48脚，另一端接地；瓷片电容C13的一端接电源电路的3.3V输出端和主控芯片IC3的9脚，另一端接地；主控芯片IC3的1脚接电源电路的3.3V输出端，8脚、23脚、35脚、44脚和47脚接地，2脚、3脚、4脚、10脚、11脚、14脚、15脚、18就、19脚、21脚、22脚、25脚、26脚、27脚、28脚、29脚、32脚、33脚、38脚、39脚、40脚、41脚、45脚、46脚悬空；

通信电路包括电平转换芯片IC4、四个瓷片电容C17、C18、C19、C20、通信接口J2、通信接口J3；其中通信接口J2的1脚接地，2脚接主控芯片IC3的13脚，3脚接主控芯片IC3的12脚，4脚接接电源电路二极管D1的正极；瓷片电容C17的一端接电源转换芯片IC4的4脚，另一端接电源转换芯片IC4的5脚；瓷片电容C18的一端接电源转换芯片IC4的6脚，另一端接电源转换芯片IC4的15脚；瓷片电容C19的一端接电源转换芯片IC4的2脚，另一端接电源转换芯片IC4的16脚；瓷片电容C20的一端接电源转换芯片IC4的3脚，另一端接电源转换芯片IC4的1脚；电源转换芯片IC4的7脚、8脚、9脚、10脚悬空、11脚接主控芯片IC3的30脚、12脚接主控芯片IC3的31脚、13脚接通信接口J3的3脚、14脚接通信接口J3的2脚；通信接口J3的1脚接地；

其中电源转换芯片IC1采用Advanced Monolithic Systems公司的AMS1117-3.3，惯性测量芯片IC2采用InvenSense公司的MPU6050，主控芯片IC3采用意法半导体公司的32位微控制器芯片STM32F103C8T6，电平转换芯片IC4采用美信公司的MAX3232。