CN218035073U - 基于单轴光纤陀螺的imu和gnss组合的定位导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，属于惯性导航技术领域，包括IMU、GNSS模块、通信接口、信号采集与导航解算模块以及电源电路。IMU包括单轴光纤陀螺、双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计，GNSS模块包括北斗/GPS双天线、RTK定位及双天线定向解算芯片，通信接口包括RS422、SPI、UART、GPIO、第一对外接口和第二对外接口，信号采集与导航解算模块包括FPGA和两ARM处理器；单轴光纤陀螺、双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计、GNSS模块分别用RS422、SPI、UART与FPGA连接，FPGA通过FMC总线与两ARM处理器连接，两ARM处理器间通过GPIO连接实现同步；ARM处理器2连接第一对外接口，FPGA连接第二对外接口。本实用新型具有航向角精度高、低成本及多场景适用的优点。

Description

基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统

技术领域

本实用新型涉及惯性导航技术领域，具体涉及一种基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统。

背景技术

惯性测量单元简称IMU,是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置，其中，陀螺仪及加速度计是IMU的主要元件。一般情况，IMU包含了三个单轴的陀螺仪和三个单轴的加速度计，陀螺仪检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，而加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。

全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS），是一种能在地球表面或近地空间的任何地点，为用户提供全天候的三维坐标、速度以及时间信息的空基无线电导航定位系统。国之重器北斗三号导航系统（BDS3）就属于GNSS的一种。GNSS主要由空间卫星星座、地面控制站和接收机三部分组成。

中国实用新型专利CN212905484U公开了一种用于无人机的六轴光纤惯导冗余装置，其包括数据处理模块、信号采集模块、接口模块、三轴MEMS陀螺、三轴MEMS加表、温度传感器和卫星模块，其中，信号采集模块与数据处理模块电连接，接口模块包括第一SPI接口、第二SPI接口、第三SPI接口、RS422接口、第一IO接口和第二IO接口，温度传感器通过第一SPI接口与信号采集模块连接，三轴MEMS陀螺通过第二SPI接口与信号采集模块连接，三轴MEMS加表通过第三SPI接口与信号采集模块连接，无人机上的三轴光纤陀螺通过RS422接口与信号采集模块连接，无人机上的三轴石英加表通过第一IO接口与信号采集模块连接，卫星模块通过第二IO接口与信号采集模块连接。该专利采用的技术方案成本较高、冗余设计比较复杂，不适应自动驾驶汽车等民用领域低成本、多场景适用的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，未采用背景技术中专利的冗余设计技术方案，能够满足自动驾驶汽车等民用领域低成本、多场景适用的需求。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，包括IMU、GNSS模块、通信接口、信号采集与导航解算模块以及电源电路；

所述IMU包括单轴光纤陀螺、双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计；所述单轴光纤陀螺用于测量Z轴的角速度信号，所述双轴MEMS陀螺仪用于测量X轴和Y轴的角速度信号，所述三轴MEMS加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信号；

所述GNSS模块包括北斗/GPS双天线、RTK定位及双天线定向解算芯片；所述通信接口包括RS422、SPI、UART、GPIO、第一对外接口和第二对外接口；所述单轴光纤陀螺用RS422与FPGA连接，所述双轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计均用SPI与FPGA连接，所述GNSS模块用UART与FPGA连接；

所述信号采集与导航解算模块包括FPGA和两ARM处理器，所述两ARM处理器为ARM处理器1、ARM处理器2；所述FPGA通过FMC总线与两ARM处理器连接，所述两ARM处理器之间通过GPIO连接实现同步；

所述ARM处理器2连接第一对外接口，所述FPGA连接第二对外接口；所述电源电路为IMU、GNSS模块、通信接口以及信号采集与导航解算模块供电。

进一步地，所述第一对外接口包括USB/SD卡、以太网接口、CAN、GPIO中的一种或几种。

进一步地，所述第二对外接口包括RS232和/或RS422。

进一步地，还包括温度传感器，所述温度传感器设置在单轴光纤陀螺内部。

进一步地，所述电源电路包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路。

进一步地，所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将12VDC转换为5VDC为单轴光纤陀螺、通信接口供电，所述第二转换电路将5VDC转换为3.3VDC 为双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计、RTK定位及双天线定向解算芯片、信号采集与导航解算模块供电，第三转换电路将3.3VDC转换为1.8VDC为USB、以太网接口供电。

进一步地，还包括里程计，所述里程计通过GPIO与FPGA连接。

进一步地，还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器通过IIC总线与ARM处理器2连接。

本实用新型提供的基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，相对现有技术的有益效果如下：

1、融合了光纤陀螺精度高和MEMS陀螺仪成本低的优点，航向角精度高；

2、能够满足自动驾驶汽车等民用领域低成本、高可靠性及多场景适用的需求。

附图说明

图1是本实用新型的基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统的工作原理框图。

图2是本实用新型的基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统的产品外观图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参照图1所示，本实用新型提出的基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，包括IMU10、GNSS模块20、通信接口、信号采集与导航解算模块以及电源电路30。所述IMU10包括单轴光纤陀螺101、双轴MEMS陀螺仪102和三轴MEMS加速度计103；所述单轴光纤陀螺101用于测量Z轴的角速度信号，所述双轴MEMS陀螺仪102用于测量X轴和Y轴的角速度信号，所述三轴MEMS加速度计103用于测量三个正交轴上的加速度信号。所述单轴光纤陀螺101为数字闭环单轴光纤陀螺，其采用数字相位阶梯波实现闭环，采用方波信号进行偏置调制，获得数字角速度值后转换为低采样率的数字量向外输出。本实施例中，载体坐标系以载体的质心为坐标原点，以载体前进方向为X轴，水平向右为Y轴，Z轴沿载体垂直向上，三轴构成右手直角坐标系。

所述GNSS模块20包括北斗/GPS双天线、RTK定位及双天线定向解算芯片；所述北斗/GPS双天线包括主天线和从天线。在实际运用中，GNSS模块20可以设置在GNSS板卡上，也可以和惯性器件设置在同一个电路板上，此处不作限定。

所述通信接口包括RS422、SPI、UART、GPIO、第一对外接口40和第二对外接口50。所述信号采集与导航解算模块包括FPGA60和两ARM处理器，所述两ARM处理器为ARM处理器1、ARM处理器2；所述FPGA60通过FMC总线与两ARM处理器连接，所述两ARM处理器之间通过GPIO连接实现同步。所述ARM处理器2通过GPIO实现电源控制、LED状态指示灯的控制。

单轴光纤陀螺101用RS422与FPGA60连接，所述双轴MEMS陀螺仪102、三轴MEMS加速度计103均用SPI与FPGA60连接，所述GNSS模块20用UART与FPGA60连接。所述FPGA60有接入秒脉冲（PPS）同步信号。本实施例中，单轴光纤陀螺101内部设有温度传感器。

所述ARM处理器2连接第一对外接口40，所述FPGA60连接第二对外接口50。所述第一对外接口40包括USB/SD卡、以太网接口、CAN、GPIO中的一种或几种；所述第二对外接口50包括RS232和/或RS422。为保证基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统的高可靠性，还设置有两个分别与ARM处理器1、ARM处理器2连接的RS232作为调试或备用的串口；另外，FPGA与USB/SD卡的连接作为备用。

本实施例中，本实用新型还包括气压温度一体传感器70，所述气压温度一体传感器70通过IIC总线与ARM处理器2连接。可选的，基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统还包括里程计80，所述里程计80通过GPIO与FPGA60连接。

所述电源电路30包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路。所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将12VDC的输入电源转换为5VDC为单轴光纤陀螺101、通信接口供电，所述第二转换电路将5VDC转换为3.3VDC 为双轴MEMS陀螺仪102和三轴MEMS加速度计103、RTK定位及双天线定向解算芯片、信号采集与导航解算模块供电，第三转换电路将3.3VDC转换为1.8VDC为USB、以太网接口供电。所述电源电路30为IMU10、GNSS模块20、通信接口、信号采集与导航解算模块供电。

请参照图2所示，本实用新型在装配成产品时还包括结构件，所述结构件包括能围成封闭容纳腔的底座100和盒体200。所述底座100和盒体200的内部设有安装固定单轴光纤陀螺101、电路板的安装柱，安装柱的一端设有内螺纹，所述底座100和盒体200的侧面设有适配第一对外接口40和第二对外接口50的开口。所述单轴光纤陀螺101固定在底座上；所述双轴MEMS陀螺仪102和三轴MEMS加速度计103、GNSS模块20、通信接口、信号采集与导航解算模块、电源电路30都设置在电路板上。所述底座100设有螺孔，盒体200设有内螺纹，底座100和盒体200装配后用螺丝固定。优选的，底座100和盒体200的材质为铝合金，在实际运用中还可以采用镁铝合金或铜合金。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。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 (8)

1.基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：包括IMU、GNSS模块、通信接口、信号采集与导航解算模块以及电源电路；

所述IMU包括单轴光纤陀螺、双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计；所述单轴光纤陀螺用于测量Z轴的角速度信号，所述双轴MEMS陀螺仪用于测量X轴和Y轴的角速度信号，所述三轴MEMS加速度计用于测量三个正交轴上的加速度信号；

所述GNSS模块包括北斗/GPS双天线、RTK定位及双天线定向解算芯片；所述通信接口包括RS422、SPI、UART、GPIO、第一对外接口和第二对外接口；所述单轴光纤陀螺用RS422与FPGA连接，所述双轴MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计均用SPI与FPGA连接，所述GNSS模块用UART与FPGA连接；

所述信号采集与导航解算模块包括FPGA和两ARM处理器，所述两ARM处理器为ARM处理器1、ARM处理器2；所述FPGA通过FMC总线与两ARM处理器连接，所述两ARM处理器之间通过GPIO连接实现同步；

所述ARM处理器2连接第一对外接口，所述FPGA连接第二对外接口；所述电源电路为IMU、GNSS模块、通信接口以及信号采集与导航解算模块供电。

2.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：所述第一对外接口包括USB/SD卡、以太网接口、CAN、GPIO中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：所述第二对外接口包括RS232和/或RS422。

4.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：还包括温度传感器，所述温度传感器设置在单轴光纤陀螺内部。

5.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：所述电源电路包括打开或关闭电源的控制电路、滤波电路和DC/DC转换电路。

6.根据权利要求5所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：所述DC/DC转换电路包括第一转换电路、第二转换电路和第三转换电路；所述第一转换电路将12VDC转换为5VDC为单轴光纤陀螺、通信接口供电，所述第二转换电路将5VDC转换为3.3VDC 为双轴MEMS陀螺仪和三轴MEMS加速度计、RTK定位及双天线定向解算芯片、信号采集与导航解算模块供电，第三转换电路将3.3VDC转换为1.8VDC为USB、以太网接口供电。

7.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：还包括里程计，所述里程计通过GPIO与FPGA连接。

8.根据权利要求1所述基于单轴光纤陀螺的IMU和GNSS组合的定位导航系统，其特征在于：还包括气压温度一体传感器，所述气压温度一体传感器通过IIC总线与ARM处理器2连接。

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