CN219178586U - 一种传感器组合飞行导航系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种传感器组合飞行导航系统，涉及飞机导航系统应用技术领域，其技术方案要点是：包括主控单元、惯性测量单元、GPS单元、气压测量单元和辅助电路；主控单元为ARM内核处理器和DSP内核处理器构成的双核异构处理器OMAPL138；ARM内核处理器与DSP内核处理器间通过共享内存与中断通信；ARM内核处理器负责各传感器原始数据采集，DSP内核处理器负责数据融合处理，解算出飞行器的姿态、位置、航向、高度和速度的信息，并将信息传给ARM内核处理器，发送给外部飞控进行导航控制。本实用新型的组合飞行导航系统，能提高导航系统量测数据的精确度，增强数据的可靠性，增强系统的抗干扰能力，减轻处理器负担，提高系统实时性。

Description

一种传感器组合飞行导航系统

技术领域

本实用新型涉及飞机导航系统应用技术领域，更具体地说，它涉及一种传感器组合飞行导航系统。

背景技术

飞行导航系统是飞行器的“眼睛”，负责飞行器姿态、位置、航向、高速、速度等信息量测，为自主飞行控制提供数据支撑，其准确性是影响飞行器自主飞行和飞行安全的关键因素。从20世纪30年代至今，研究人员不断研究与发展飞行导航技术，目前常见的机载导航技术有卫星导航、视觉导航、地磁导航、惯性导航以及组合导航等。

卫星导航系统有美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳(GLONASS)、欧洲伽利略(GALILEO)和中国北斗系统(BEIDOU)，卫星导航系统可提供全天候、全天时、全地域、高精度、误差不随时间发散的导航信息，但其信息更新频率慢、抗干扰性较差、易失锁产生周跳。视觉导航系统自主性高，测量精度高，但其受环境干扰大、测量盲区大、视觉算法开发难度大，且要求视觉传感器和视觉解算控制器具有较高性能。地磁导航具有无源、无辐射、隐蔽性强，不受敌方干扰、全天时、全天候、全地域、能耗低、不存在误差积累等特点，但需存储大量的地磁数据来做位姿匹配，较适合航海制导。惯性导航系统又可分为平台式和数字捷联式两种，平台式用高精度陀螺仪和加速度计搭建平台，导致体积和重量较大、价格昂贵；捷联式基于MEMS(微机电系统)技术制造的陀螺仪、加速度、磁力计等搭建“数学平台”代替实体平台，具有体积小、重量轻、功耗低等特点，MEMS陀螺仪测量姿态角短期精度高，但角速度的漂移误差会随时间累积发散，加速度计和磁力计输出误差长期稳定性好，但易受外界环境干扰，动态性能较低。因此对MEMS惯性器件误差建模、标定方法及滤波算法提出了更高的要求；平台式和捷联式惯性导航系统是完全自主推算式的导航定位系统，其自主性强、隐蔽性好，输出信息连续全面、频率高，但误差随时间不断累积，精度降低，甚至会导致发散。

为此，本实用新型旨在提出一种传感器组合飞行导航系统，以解决上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决上述问题，提供一种传感器组合飞行导航系统，本实用新型采用惯性传感器和GPS传感器组合，结合气压传感器与其余辅助电路，形成传感器组合飞行导航系统，能够提高导航系统量测数据的精确度，增强数据的可靠性，增强系统的抗干扰能力，减轻处理器负担，提高系统实时性。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种传感器组合飞行导航系统，包括主控单元、惯性测量单元、GPS单元、气压测量单元和辅助电路；

所述主控单元为ARM内核处理器和DSP内核处理器构成的双核异构处理器OMAPL138；所述ARM内核处理器与DSP内核处理器间通过共享内存与中断通信；所述ARM内核处理器负责各传感器原始数据采集，DSP内核处理器负责数据融合处理，解算出飞行器的姿态、位置、航向、高度和速度的信息，并将信息传给ARM内核处理器，发送给外部飞控进行导航控制；

所述惯性测量单元包括三轴陀螺仪、三轴加速计和三轴磁力计；

所述辅助电路包括供电单元、调试单元、存储单元和对外接口单元；所述供电单元给用电设备供电；所述调试单元设有JTAG下载口和调试接口，用于程序开发调试；所述存储单元设有NANDFLASH数据存储空间和SDRAM程序运行空间，用于存储飞行数据和为主控单元提供内存空间；

所述GPS单元用于测量机体所处的经度、纬度、高度、航迹角、北东地向速度和时间的信息，所述GPS单元包括GPS接收机和GPS天线；

所述气压测量单元包括静压计和全压计。

通过采用上述技术方案，三轴陀螺仪、三轴加速计、三轴磁力计相互融合进行姿态测算，实现优势互补，提高了系统测姿精度，利用GPS单元长时期较高精度的位置信息修正惯性导航的累计误差，提高导航数据的可靠性，能够提高导航系统量测数据的精确度，增强系统可靠性；当GPS信号受到高强度干扰或出现故障时，惯性测量单元可辅助GPS天线快速对准卫星，惯性导航系统可以独立进行导航定位，从而能够减小干扰对系统的影响，增强系统的抗干扰能力；ARM内核处理器基于实时操作系统进行数据采集，DSP内核处理器负责数据融合解算，实现处理器负荷合理分担，能够有效提高系统实时性；利用惯性传感器短时间内定位精度高和数据采样率高的优势，内插所求事件发生的实时位置，为GPS单元提供辅助信息，从而提高系统采样率和实时性；采用集成度更高、功耗更低的MEMS器件，有利于系统小型化、轻量化，也有利于降低系统的功耗。

本实用新型进一步设置为：所述GPS接收机采用诺瓦泰OEM718D，具有RTK功能，且所述GPS接收机支持所有GNSS系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU。

通过采用上述技术方案，便于GPS单元与地面差分系统结合，使空间位置测量精度可以达到厘米级。

本实用新型进一步设置为：所述惯性测量单元采用战术级10自由度惯性传感器ADIS16488，所述三轴陀螺仪、三轴加速计和三轴磁力计内置于战术级10自由度惯性传感器ADIS16488。

通过采用上述技术方案，能够对传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度进行校准，使其具有很小的偏置误差和角度随机游走，且拥有精确的动态误差补偿公式，显著提高测量精度。

本实用新型进一步设置为：所述三轴陀螺仪、三轴加速计和三轴磁力计均设有均值或抽取滤波器。

通过采用上述技术方案，三轴陀螺仪用来侧量机体三个轴向的角速度，其具有良好的噪声性能和温度性能，且拥有低功耗高分辨率的特点，三轴加速度计用于测量三个轴向的加速度，三轴磁力计用于测量三个轴向的磁场强度；其均设有均值或抽取滤波器，有利于提高角速度、加速度和磁场强度等一次量的精确度。

本实用新型进一步设置为：所述供电单元具有6-28V的宽电压输入和95％电源转换效率，且所述供电单元为三路电源热备份。

通过采用上述技术方案，便于为系统进行供电。

本实用新型进一步设置为：所述对外接口单元为1路RS422接口，且RS422接口可通过接线转变为RS485。

通过采用上述技术方案，使得通信距离远，抗干扰性强，可有效保障远距离传输。

综上所述，与现有技术中的单一导航系统相比，本实用新型具有以下有益效果：

(1)能够提高导航系统量测数据的精确度，提高系统可靠性，卡尔曼滤波和互补滤波器同时对陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS数据和气压数据进行融合测算，实现优势互补，提高了系统测量精度；

(2)能够提高系统的抗干扰能力，利用惯性传感器短时间内定位精度较高和数据采样率高的特点，可以为GPS提供辅助信息，当GPS受干扰失效时，也可利用惯性系统导航，增强系统的抗干扰能力；

(3)能够提高系统的实时性，ARM负责数据采集和存储，DSP负责数据解算，实现负荷合理分担，减轻了处理器负担，提高系统实时性；

(4)能够实现导航系统小型化，降低系统功耗，采用MEMS器件、诺瓦泰GPS板卡和小型气压传感器，提高了系统的小型化、轻量化，也降低了系统的功耗。

附图说明

图1是本实用新型实施例中传感器组合飞行导航系统的框图。

图中：1、主控单元；2、惯性测量单元；3、GPS单元；4、气压测量单元；5、供电单元；6、调试单元；7、存储单元；8、对外接口单元；9、ARM内核处理器；10、DSP内核处理器；11、三轴陀螺仪；12、三轴加速计；13、三轴磁力计；14、静压计；15、全压计；16、GPS接收机；17、GPS天线；18、电源一；19、电源二；20、电源三；21、JTAG下载口；22、调试接口；23、SDRAM程序运行空间；24、NANDFLASH数据存储空间。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型的实施例及附图，对本实用新型的技术方案进行进一步详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本实用新型。

实施例：

如图1所示，一种传感器组合飞行导航系统，包括主控单元1、惯性测量单元2、GPS单元3、气压测量单元4和辅助电路；

主控单元1为ARM内核处理器9和DSP内核处理器10构成的双核异构处理器OMAPL138；ARM内核处理器9与DSP内核处理器10间通过共享内存与中断通信；ARM内核处理器9负责各传感器原始数据采集，DSP内核处理器10负责数据融合处理，解算出飞行器的姿态、位置、航向、高度和速度的信息，并将信息传给ARM内核处理器9，发送给外部飞控进行导航控制；

惯性测量单元2采用战术级自由度惯性传感器ADIS16488，内置三轴陀螺仪11、三轴加速度计12、三轴磁力计13和内部温度传感器，产商通过对传感器的灵敏度、偏置、对准和线性加速度进行校准，使其具有很小的偏置误差和角度随机游走，且拥有精确的动态误差补偿公式，显著提高测量精度；三轴陀螺仪11用来侧量机体三个轴向的角速度，其具有良好的噪声性能和温度性能，且拥有低功耗高分辨率的特点，三轴加速度计12用于测量三个轴向的加速度，三轴磁力计13用于测量三个轴向的磁场强度，每个传感器都有均值或抽取滤波器，有利于提高角速度、加速度和磁场强度等一次量的精确度；

辅助电路包括供电单元5、调试单元6、存储单元7和对外接口单元8；供电单元5给用电设备供电；调试单元6有JTAG下载口21和调试接口22，用于程序开发调试；存储单元7有NANDFLASH数据存储空间24和SDRAM程序运行空间23，用于存储飞行数据和为主控单元1提供内存空间；

GPS单元3用于测量机体所处的经度、纬度、高度、航迹角、北东地向速度和时间等信息，GPS单元3包括GPS接收机16和GPS天线17；GPS接收机16采用诺瓦泰OEM718D，具有RTK功能，支持所有GNSS系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU；GPS单元3用于测量机体所处的经度、纬度、高度、航迹角、北东地向速度和时间等信息，并与地面差分系统结合，空间位置测量精度可以达到厘米级_。

气压测量单元4包括静压计14和全压计15，采用MS4525系列小型陶瓷压力传感器，具有温度补偿、数字化输出等，用于采集静压、全压和温度数据，解算出气压高度、空速、温度等。

在本实施例中，供电单元5为系统中所有用电设备供电，具有6-28V的宽电压输入和高达95％电源转换效率，其设计为三路电源热备份，电源使用优先级从高到低为电源一18、电源二19和电源三20，高优先级通道电源故障时，电源监控电路可无缝切换至下一优先级通道的电源，来为系统供电。

对外接口单元8为1路RS422接口，RS422接口可通过接线转变为RS485，且通信距离远，抗干扰性强，有效保障远距离传输。

本实用新型的上述实施例中，本实用新型的系统采用传感器组合，将陀螺仪、加速度计、磁力计、GPS数据和气压数据进行融合解算，实现优势互补，提高导航系统量测数据的精确度，增强数据的可靠性；并且，惯性传感器短时间内定位精度较高和数据采样率高，可为GPS提供辅助信息，当受外界干扰GPS失锁时，惯性系统也可独立导航，增强系统的抗干扰能力；此外，采用ARM+DSP双核异构处理器，ARM负责数据采集和存储，DSP同时采用卡尔曼滤波算法和互补滤波算法分别进行数据融合解算，实现负荷合理分担，减轻了处理器负担，提高系统实时性。

工作原理：本实用新型的该系统中的三轴陀螺仪11、三轴加速计12、三轴磁力计13相互融合进行姿态测算，实现优势互补，提高了系统测姿精度，利用GPS单元3长时期较高精度的位置信息修正惯性导航的累计误差，提高导航数据的可靠性，能够提高导航系统量测数据的精确度，增强系统可靠性；当GPS信号受到高强度干扰或出现故障时，可辅助GPS天线17快速对准卫星，惯性导航系统可以独立进行导航定位，从而能够减小干扰对系统的影响，增强系统的抗干扰能力；ARM内核处理器9基于实时操作系统进行数据采集，DSP内核处理器10负责数据融合解算，实现处理器负荷合理分担，能够有效提高系统实时性；利用惯性传感器短时间内定位精度高和数据采样率高的优势，内插所求事件发生的实时位置，为GPS单元3提供辅助信息，从而提高系统采样率和实时性；采用集成度更高、功耗更低的MEMS器件，有利于系统小型化、轻量化，也有利于降低系统的功耗。

本具体实施例仅仅是对本实用新型的解释，其并不是对本实用新型的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本实用新型的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (5)

1.一种传感器组合飞行导航系统，其特征是：包括主控单元(1)、惯性测量单元(2)、GPS单元(3)、气压测量单元(4)和辅助电路；

所述主控单元(1)为ARM内核处理器(9)和DSP内核处理器(10)构成的双核异构处理器OMAPL138；所述ARM内核处理器(9)与DSP内核处理器(10)间通过共享内存与中断通信；所述ARM内核处理器(9)负责各传感器原始数据采集，DSP内核处理器(10)负责数据融合处理，解算出飞行器的姿态、位置、航向、高度和速度的信息，并将信息传给ARM内核处理器(9)，发送给外部飞控进行导航控制；

所述惯性测量单元(2)包括三轴陀螺仪(11)、三轴加速计(12)和三轴磁力计(13)；

所述辅助电路包括供电单元(5)、调试单元(6)、存储单元(7)和对外接口单元(8)；所述供电单元(5)给用电设备供电；所述调试单元(6)设有JTAG下载口(21)和调试接口(22)，用于程序开发调试；所述存储单元(7)设有NANDFLASH数据存储空间(24)和SDRAM程序运行空间(23)，用于存储飞行数据和为主控单元(1)提供内存空间；

所述GPS单元(3)用于测量机体所处的经度、纬度、高度、航迹角、北东地向速度和时间的信息，所述GPS单元(3)包括GPS接收机(16)和GPS天线(17)；

所述气压测量单元(4)包括静压计(14)和全压计(15)；

所述对外接口单元(8)为1路RS422接口，且RS422接口可通过接线转变为RS485。

2.根据权利要求1所述的一种传感器组合飞行导航系统，其特征是：所述GPS接收机(16)采用诺瓦泰OEM718D，且所述GPS接收机(16)支持所有GNSS系统，包括GPS、GLONASS、GALILEO、BEIDOU。

3.根据权利要求1所述的一种传感器组合飞行导航系统，其特征是：所述惯性测量单元(2)采用战术级10自由度惯性传感器ADIS16488，所述三轴陀螺仪(11)、三轴加速计(12)和三轴磁力计(13)内置于战术级10自由度惯性传感器ADIS16488。

4.根据权利要求3所述的一种传感器组合飞行导航系统，其特征是：所述三轴陀螺仪(11)、三轴加速计(12)和三轴磁力计(13)均设有均值或抽取滤波器。

5.根据权利要求1所述的一种传感器组合飞行导航系统，其特征是：所述供电单元(5)具有6-28V的宽电压输入和95％电源转换效率，且所述供电单元(5)为三路电源热备份。

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