专利名称：基于dsp的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于MEMS技术的载体姿态测量装置，具体是一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置。
背景技术：
长期以来，针对载体姿态进行测量的惯性测量系统一直采用传统的IMU(Inertial Measurement Unit，即惯性测量组合)与通用PC的体系结构。该系统结构最大优点是解算精度高，在对惯性测量精度要求比较高的场合下仍然占据着主导地位，但该系统也存在着诸如体积大、成本高、重量大、功耗大等不足。因此，在要求系统微/小型化的场合如战术导弹、智能弹药、飞机导航、导弹制导、车辆自动驾驶上就无法应用。然而，系统微/小型化已成为必然发展趋势，自20世纪90年代中期，世界各发达国家都在发展微机电系统(MicroelectRomechanical systems，简称MEMS)，其中由微机电陀螺仪和加速度计集成的微惯性测量组合(Micro Inertial Measurement Unit，简称MIMU)是微机电系统(MEMS)的一个重要分支，但是微惯性测量组合的研究工作处于刚刚起步阶段，可见的报道较少，最为典型的产品是美国Draper实验室用三只微硅陀螺仪和三只微硅加速度计构成的MEMS惯测组合(MIMU)，其陀螺的漂移不定性为10°/h，加速度计精度为25×10-4m/s2。美国BEI公司已有Motionpak和Motionpak-II两款MEMS惯性组合产品(没有实时处理功能的位置与姿态集成检测装置)推向市场，并在飞机导航、导弹制导、车辆自动驾驶等领域得到应用。其中Motionpak的三轴MEMS陀螺和加速度计可以根据用户自己的需要进行取舍。
同时，就应用于微/小型化的载体姿态测试系统来说，迫切需要脱离通用计算机、具有实时处理位置与姿态功能的集成检测装置。因此必须采用其他合适的微处理器实时实现姿态解算算法。这就涉及到选用合适数字信号处理器的问题。DSP器件采用了与传统微处理器系统不同的总线结构，同时增加了硬件运算单元，因此极大地增加了系统的数字处理速度，满足了微型惯性测量组合测试系统实时进行姿态解算算法的要求。这使得整个微型惯性测量组合测试系统的微型化成为可能，而且大大降低了系统成本。
以美国为首的西方国家，在70年代初就对基于DSP的实时姿态解算技术展开了研究，并且开发出了每秒执行数亿条乘加指令的DSP器件，实现了惯性信息的实时分析处理。本世纪80年代初，随着DSP器件的技术成熟，实时姿态解算技术得到了较大的进步，并且首先在军事领域得到了应用和推广。现在该项技术已在军事领域得到广泛应用，极大地改善了武器装备的性能，提高了战斗力，取得了巨大的经济效益和社会效益。同时该技术还运用于民用领域，包括汽车、航运、高级玩具、虚拟设备、工业控制和自动化、智能机器人等方面。该技术可直接应用于在通用航空、车辆自动驾驶和控制、机器人以及工业自动化等领域。另外在宇航员和驾驶员虚拟学习系统、汽车力学研究、飞行动力测量、机器人过程控制、工业震动仪器、机床监控、计算机外围设备和医院病人的活动监控等方面都有着较大的应用前景。
发明内容
本发明为了解决现有载体姿态测量装置体积大、成本高、重量大、功耗大等问题，提供了一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置。
本发明是采用如下技术方案实现的一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，包括微惯性测量组合MIMU和后续数据处理电路，所述后续数据处理电路包括与微惯性测量组合MIMU输出端连接的信号处理电路、接于信号处理电路输出端的由数字信号处理器DSP构成的DSP姿态解算模块、及输出端与信号处理电路、DSP姿态解算模块的时序控制端连接的时序控制模块CPLD；所述信号处理电路包含信号调理模块、数据采集模块、数据缓冲模块、电压适配模块；所述信号调理模块连接于微惯性测量组合MIMU的输出端，由高性能运算放大器构成；所述信号处理电路的数据采集模块连接于信号调理模块的输出端，包括多路模拟开关及连接于多路模拟开关输出端的A/D转换器；所述信号处理电路的数据缓冲模块连接于数据采集模块的输出端，由存储器构成；所述信号处理电路的电压适配模块连接于数据缓冲模块的输出端，电压适配模块的输出端与DSP姿态解算模块的输入端连接，由电压适配器构成。
安装在载体上的微惯性测量组合MIMU实时测量出沿载体各个方向的转动角速率及运动加速度信号，经信号处理电路调理、采集、缓冲及电压适配后，输入至DSP姿态解算模块，(在相关软件支持下)经解算得出载体的姿态数据和位置数据，并将解算出的姿态、位置数据存储或者输出，最终实现对载体实时姿态、位置的测量。
与现有技术相比，本发明采用微惯性测量组合进行高精度测量，并采用易于嵌入各种信号处理、信息融合算法的通用数字信号处理器DSP作为中央处理器，在提高装置测量精度的同时，保证了装置测量的实时性，而且使整个装置具备了微体积、微功耗、低成本、轻重量及抗恶劣环境等特殊性能。
所述微惯性测量组合(MIMU)是现有公知产品，是对六维惯性参量进行集成检测的微型惯性器件。它采用MEMS的设计方法和微封装工艺，将微加速度计、微陀螺、微信号变换处理电路和信号校正电路进行综合集成，具有结构坚固、体积小、精度高、重量轻、性能稳定、能耗低、响应快等优点。微型惯性测量组合将微加速度计、微陀螺、微信号变换处理电路和信号校正电路进行综合集成，从而获得运动物体的综合惯性参数测量。采用三维集成微型加速度测试表头和三个正交的微型陀螺进行二次集成构成一个正交三轴组合测量系统(如图10所示)。
所述数字信号处理器DSP是现有公知产品，是一种实时、快速、特别适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器。由于它由具有丰富的硬件资源、改进的哈佛结构、高速数据处理能力和强大的指令系统，而在通信、航空、航天、雷达、工业控制、网络及家用电器等各个领域得到广泛应用。
本发明将前端模拟信号输出系统——微惯性测量组合(MIMU)，与后端DSP实时解算系统的硬件电路集成于一体，使系统具备了微体积、微功耗、低成本、轻重量及抗恶劣环境等特殊性能，为基于MEMS技术的微/小型惯性测量组合系统在具体系统(例如飞机导航、导弹制导、车辆自动驾驶等)的应用提供了可靠的技术保障。
图1为本发明的电路方框图；图2为本发明信号调理模块的电路原理图；图3为本发明数据采集模块的电路原理图；图4为本发明数据缓冲模块、电压适配模块的电路原理图；图5为本发明DSP姿态解算模块的电路原理图；图6为本发明程序存储模块的电路原理图；图7为本发明D/A控制模块电路原理图；图8为本发明异步串行通信模块的电路原理图；图9为本发明时序控制模块CPLD的电路原理图；图10为微惯性测量组合MIMU的表头示意图；图11为本发明的样机图；图中1-微加速度计；2-微陀螺。(电路图中同标号相连)具体实施方式
一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，包括微惯性测量组合MIMU和后续数据处理电路，所述后续数据处理电路包括与微惯性测量组合MIMU输出端连接的信号处理电路、接于信号处理电路输出端的由数字信号处理器DSP构成的DSP姿态解算模块、及输出端与信号处理电路、DSP姿态解算模块的时序控制端连接的时序控制模块CPLD；所述信号处理电路包含信号调理模块、数据采集模块、数据缓冲模块、电压适配模块；所述信号调理模块连接于微惯性测量组合MIMU的输出端，由高性能运算放大器构成；
所述信号处理电路的数据采集模块连接于信号调理模块的输出端，包括多路模拟开关及连接于多路模拟开关输出端的A/D转换器；所述信号处理电路的数据缓冲模块连接于数据采集模块的输出端，由存储器构成；所述信号处理电路的电压适配模块连接于数据缓冲模块的输出端，电压适配模块的输出端与DSP姿态解算模块的输入端连接，由电压适配器构成。
所述微惯性测量组合MIMU和后续数据处理电路封装于同一盒体内。
具体实施时，DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP选用TI(TexasInstru ment)公司的DSP--TMS320VC33，它是一款较新的浮点型数字信号处理器，采用高达120/150MHz的主频(通过内部×5倍频实现)，有120/150MFLOPS(百万条浮点数操作指令)的峰值运算能力，片内1Mb RAM，程序代码与先前的C3X完全兼容，采用3.3V I/O电压和1.8V处理器核电压使功耗降低到200mW，如图5所示。
DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有程序存储器，例如由于数字信号处理器DSP--TMS320VC33内部无程序存储器，所以需外挂存储器。如图6所示，外挂于数字信号处理器DSP--TMS320VC33存储器采用了AMD公司的快速闪存--AM29LV800，它所具有的特点是可在线编程，这极大方便了用户。其中快速闪存FLASH的地址线及数据线直接与DSP相连，具体使用时，数字信号处理器DSP-TMS320VC33计算得出的数据也存储于外挂存储器中，便于对被测载体的各方面性能检测时查用。
对逻辑控制信号进行译码、分频及控制处理的时序控制模块CPLD选用了Altera公司的EPM7064来实现。
信号调理模块的主要功能是对MIMU的信号进行增益变换、增强驱动能力以及模拟滤波。如图2所示，构成信号调理模块的高性能运算放大器采用TI公司的TLC2274，它是一款高输入阻抗、高增益带宽(2.2MHz)、低噪声 的轨到轨(Rail To Rail)的高性能运放。
数据采集模块主要负责完成将微型惯性测量组合(MIMU)输出的角速度和加速度信息转换成数字信号。设计时必须充分考虑到MIMU尤其是微陀螺仪实际输出信号的带宽和动态范围，因此采用了多路模拟开关+A/D的用法，如图3所示，其中多路模拟开关采用Maxium公司的MAX508，它是8通道的模拟开关，具体实施时，采用了其中的6个通道，其余不用的两个通道接地；A/D转换器采用AD公司的AD9221，它是一种12位的高精度模/数转换器，其最高采样率可达10MHz，其接口简单易于操作，其输入电压范围可以通过不同种接法进行调节。
构成数据缓冲模块的存储器采用了IDT公司的IDT7202，它是一种先进先出(Fist In Fist Out)存储器，用它来作DSP和其他设备间的数据缓冲，可以减少DSP为读写数据而进行的握手操作。由于A/D采用了12位，再加上判断6路模拟信号的3个标志位/A0，/A1，/A2，所以共15根数据线，而IDT7202的容量是1024×9bits，即只有9根数据线，所以具体实施时，采用两个IDT7202并联使用；又因为我们选用的数字信号处理器DSP-TMS320VC33的I/O口只能承受+3.3V的电压，而存储器IDT7202的供电电压是+5V，其数据线上的电压接近+5V，所以由存储器IDT7202(FIFO)向数字信号处理器DSP传送数据时，需进行电压变换，即将+5V的电平转换为+3.3V，需采用电压适配器。如图4所示，电压适配器采用了FAIRCHILD公司的74LVT16245，它是一种双向收发隔离器件，它的供电电压是+3.3V，却能承受+5V的电压。
另外，为了数字信号处理器DSP在接收数据并处理的同时，还可以对外设进行反馈与控制，DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有D/A控制模块，本发明中D/A控制模块采用了AD公司的AD7945，它是12位的高精度D/A，可+3.3V或+5V供电，而且具备快速接口，其写信号脉宽只有40ns，如图7所示；数字信号处理器DSP--TMS320VC33中的串口是一种同步串行接口，并不支持通用异步接收器/发送器(UART)标准。当用户需要使用RS232串口时，需要用户自己来实现UART。因此，DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有异步串行通信模块，在本发明中异步串行通信模块采用了TI公司生产的UART芯片TL16C550实现DSP与上位机的通信，配合使用MAX232来实现到RS232串口电平的转换，如图8所示。
具体使用时，将本发明所述的“基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置”安装在载体上，本装置内的微型惯性测量组合MIMU实时测量出沿载体各方向的转动角速率及运动加速度信号，由微型惯性测量组合MIMU测量出的转动角速率及运动加速度信号经信号处理电路内的信号调理模块、数据采集模块、数据缓冲模块、电压适配模块进行调理、采集、缓冲及电压适配后，输入至DSP姿态解算模块；所述的DSP姿态解算模块内嵌入有关于惯性测量组合姿态解算的算法传统上关于惯性测量组合姿态解算的算法采用的是欧拉角方法，由于该算法在大姿态角的情况下存在奇异性，而且非线性程度比较高，用于解决大角度姿态机动问题不大合适。目前国内外关于姿态解算的四元数算法已经成熟。四元数算法则克服了欧拉角方法奇异性的缺陷。而且用四元数表示的姿态运动学方程是关于四元数的线性方程。通常在求解四元数的矩阵方程时采用多阶的龙格库塔法，这样容易写出适合于计算的递推表达式，为使用专门的数字信号处理器进行算法的计算处理提供了前提。
因此，本发明中嵌入DSP姿态解算模块内的姿态解算算法的算法设计主要包括以下几个方面①选定导航坐标系n和载体坐标b，推导姿态变换矩阵Cnb；②推导用四元数表示的姿态变换矩阵；③依据选定的坐标系推导出四元数微分方程；④由初始对准的结果确定出初始四元数；⑤利用陀螺实时输出的角速率信号，用旋转矢量算法求解四元数微分方程；⑥依据所求得的四元数实时提取姿态角；⑦由所求得的姿态矩阵，结合加速度计输出的比力信息解算出载体的实时速度和位置信息。
在根据上述姿态解算算法编制的相关软件支持下，经DSP姿态解算模块解算得出载体的姿态数据和位置数据，然后将解算出的姿态、位置数据存储于外挂于DSP姿态解算模块的存储器内；或者经由D/A控制模块输出用于对外设进行反馈和控制；甚至经由异步串行通信模块与PC机通信，并由PC机显示，最终实现对载体实时姿态、位置的测量。
本发明所述的“基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置”具有明显的军民两用特点，在民用方面可用于通用航运、车辆自动驾驶和控制、机器人、精密制造、工业控制与自动化以及虚拟系统等需要惯性制导的民用领域。在军事应用方面，可以用于测试炮弹、导弹、火箭、坦克等武器系统实时实况加速度、姿态、位置信息等动态参数，为炮射武器膛炸、弹道早炸和瞎火原因提供依据；为武器系统惯性导航控制提供加速度、姿态、位置信息等。可以见得，本发明成果将产生重大的社会效益和经济效益。
权利要求
1.一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，包括微惯性测量组合MIMU和后续数据处理电路，其特征在于所述后续数据处理电路包括与微惯性测量组合MIMU输出端连接的信号处理电路、接于信号处理电路输出端的由数字信号处理器DSP构成的DSP姿态解算模块、及输出端与信号处理电路、DSP姿态解算模块的时序控制端连接的时序控制模块CPLD；所述信号处理电路包含信号调理模块、数据采集模块、数据缓冲模块、电压适配模块；所述信号调理模块连接于微惯性测量组合MIMU的输出端，由高性能运算放大器构成；所述信号处理电路的数据采集模块连接于信号调理模块的输出端，包括多路模拟开关及连接于多路模拟开关输出端的A/D转换器；所述信号处理电路的数据缓冲模块连接于数据采集模块的输出端，由存储器构成；所述信号处理电路的电压适配模块连接于数据缓冲模块的输出端，电压适配模块的输出端与DSP姿态解算模块的输入端连接，由电压适配器构成。
2.根据权利要求1所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有程序存储器。
3.根据权利要求1或2所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有异步串行通信模块。
4.根据权利要求1或2所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有D/A控制模块。
5.根据权利要求3所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP的输出端连接有D/A控制模块。
6.根据权利要求1或2所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于DSP姿态解算模块的数字信号处理器DSP选用TI公司的DSP-TMS320VC33。
7.根据权利要求6所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于外挂于数字信号处理器DSP--TMS320VC33存储器采用了AMD公司的快速闪存--AM29LV800。
8.根据权利要求1或7所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于构成信号调理模块的高性能运算放大器采用TI公司的TLC2274；多路模拟开关采用Maxium公司的MAX508；A/D转换器采用AD公司的AD9221；构成数据缓冲模块的存储器采用了IDT公司的IDT7202，并采用两个IDT7202并联使用；电压适配器采用了FAIRCHILD公司的74LVT16245。
9.根据权利要求3所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于异步串行通信模块采用了TI公司生产的UART芯片TL16C550。
10.根据权利要求4所述的基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置，其特征在于D/A控制模块采用了AD公司的AD7945。
全文摘要
本发明涉及一种基于MEMS技术的载体姿态测量装置，具体是一种基于DSP的微惯性实时姿态、位置一体化测量装置。解决了现有载体姿态测量装置体积大、成本高、重量大、功耗大等问题，包括微惯性测量组合MIMU和后续数据处理电路，所述后续数据处理电路包括与微惯性测量组合MIMU输出端连接的信号处理电路、接于信号处理电路输出端的由数字信号处理器DSP构成的DSP姿态解算模块、及输出端与信号处理电路、DSP姿态解算模块的时序控制端连接的时序控制模块CPLD；本发明具备了微体积、微功耗、低成本、轻重量及抗恶劣环境等特殊性能，为基于MEMS技术的微/小型惯性测量组合系统在具体系统的应用提供了可靠的技术保障。
文档编号G01C21/10GK1865854SQ20061001287
公开日2006年11月22日 申请日期2006年6月24日 优先权日2006年6月24日
发明者刘俊, 张文栋, 李 杰, 任勇峰, 石云波, 郭涛, 李锦明, 张斌珍, 甑国涌, 刘国营, 陆芳, 马幸 申请人:中北大学