专利名称：一种具有ecef模型的mimu系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微型惯性测量组合(MIMU)系统，更特别地说，是指一种具有ECEF 模型的MIMU系统，以及用本发明MIMU系统辅助GPS跟踪环路的方法。
背景技术：
微型惯性测量组合(MIMU,miniature inertial measurement unit)是一种重要 的MEMS，它是由微型陀螺仪、微型加速度计，专用集成电路(ASIC)、嵌入式微机及相应的导 航软件组成，可以提供运动载体的位置、速度和姿态信息。2010年第2期总第244期的《计算机与数字工程》中公开了 “北斗双星/SINS组 合导航中的捷联惯导算法研究”。在该文章的图1中介绍了一种由计算机、导航计算机、控 制显示、加速度计组合和陀螺组合形成的捷联惯导系统(1赂)。该INS是基于地理坐标系作 为导航坐标系的。2008年2月第37卷第1期《测绘学报》中公开了 “MEMS IMU辅助的高性能GPS接 收机设计”。为了改善GPS接收机在高动态条件下或低信噪比条件下的性能，在GPS跟踪环 路中引入MIMU辅助信息。MIMU辅助的卫星接收机示意图如图1所示。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有ECEF模型的MIMU系统，该MIMU系统基于ECEF模 型，利用磁通、加表和GPS的参数得到初始对准的姿态矩阵，通过利用陀螺输出的角速度和 加表输出的比力信号，获得三轴速度+力和三轴位置+力作为辅助GPS接收机跟踪 环路的信息。本发明融合后的数据能够辅助GPS接收机对环路的跟踪，以及提高跟踪环路 的相对带宽，从而提高了 GPS接收机的抗干扰能力；同时本发明设计MIMU系统也解决了光 纤惯导辅助GPS接收机平台体积大、成本高的问题。本发明的一种具有ECEF模型的MIMU系统，MIMU系统用于接收加速度计组合(10) 输出的载体加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZltJ、陀螺组合Q0)输出的载体角速度信 M, AG20 = {AGX2Q，AGY2tl，AG^J、以及磁力计组合(30)输出的磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I ；该MIMU系统包括有信号调理模块(1)、模数转换模块O)、平滑滤波模块(3)、模式 设置模块(4)、误差模型模块( 、模式解码模块(6)、ECEF模型(7)、惯性与DPS同步信息产 生模块(8)、状态控制字产生模块(9) ；AFXltl表示加速度计的X轴输出的载体加速度信息， AFY10表示加速度计的Y轴输出的载体加速度信息，AFZ10表示加速度计的Z轴输出的载体 加速度信息，AGX^1表示陀螺的X轴输出的载体角速度信息，AGY2tl表示陀螺的Y轴输出的载 体角速度信息，AG^1表示陀螺的Z轴输出的载体角速度信息，AHX3tl表示磁力计的X轴输出 的磁通信息，AHY3tl表示磁力计的Y轴输出的磁通信息，AHZ3tl表示磁力计的Z轴输出的磁通 fn息；信号调理模块⑴用于对载体加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZ10I、载体角速 度信息 AG2tl = (AGX20, AGY20, AG;}、以及磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I 进行噪声抑制滤波，得到调理后的调理-陀螺AG1、调理-加表AFp以及调理-磁通AH1 ；模数转换模块⑵对接收的AGpAF1和AH1进行模数转换，得到数字_陀螺AG2、数 字-加表AF2和数字-磁通AH2 ；平滑滤波模块⑶对接收的数字-陀螺AG2、数字-加表AF2和数字-磁通AH2进 行野点剔除和两级平滑滤波处理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁 通 AH3 ；模式设置模块(4)用于接收上位机下发的模式命令，然后根据该命令进行不同模 式启动，并将模式设置命令M4输出给模式解码模块(6)；所述的模式命令包括有松组合模 式切换命令、紧组合模式切换命令、辅助解算模式切换命令和GPS更新率；误差模型(5)用于接收上位机下发的MIMU误差模型参数，然后根据该MIMU误差 模型参数进行不同模式启动，并将误差模型数据M5输出给模式解码模块(6)；该MIMU误差 模型参数主要包括有三轴陀螺和三轴加表的误差模型参数；模式解码模块(6)用于对接收的模式设置命令M4和误差模型数据M5进行解码和 校验，然后输出CRC校验后命令MD6给ECEF模型(7)；状态控制字产生模块(9)用于产生状态控制字命令ST9,并将该状态控制字命令 ST9输出给ECEF模型(7)；惯性与GPS同步信息产生模块⑶对接收的平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3 和平滑后-磁通AH3和GPS数据仏=行数据状态字、GPS数据和惯性
传感器数据的整合，产生与接收信息相同步的同步陀螺信息祐、同步加表信息冗、同步磁通 信息Magb、ECEF下初始三轴速度)和ECEF下初始三轴位置)，然后将生产的同步 信息输出给ECEF模型(7)；所述的数据状态字分别为系统状态字、传感器数据标识状态字、 GPS数据标识控制字；ECEF模型(7)依据CRC校验后的命令MD6、状态控制字命令ST9对接收到的三轴陀 螺数据祐、三轴加表数据冗6、三轴磁通数据Magb、ECEF下初始三轴速度《(Γ )、ECEF下初始 三轴位置d(^)、GPS初始纬度L、GPS初始经度λ信息进行ECEF模型解算，得到ECEF的速 度信息< (Τ + r)和位置信息& (Τ + τ)；然后将ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息& (Τ + τ) 传送给GPS接收机进行跟踪环路的辅助，提高GPS接收机的抗干扰能力。本发明具有ECEF模型的MIMU系统的优点在于1.以ECEF模型，并结合GPS数据对GPS接收机跟踪环路进行辅助，从而提高了 GPS 接收机的抗干扰能力。2.以GPS数据为基准来进行惯性数据的速度与位置的高速融合。3.采用野点剔除和两级平滑滤波相结合的方法对陀螺组合数据AG2、加速度计组 合数据AF2和磁力计组合数据AH2进行处理，处理后数据的方差比原始数据的方差降低了 10 倍左右，从而提高了惯性传感器数据的信噪比，从而从根源上提高了导航解算的精度。4.惯性与GPS同步信息产生模块利用系统状态字、传感器数据标识状态字和GPS 数据标识控制字对GPS数据和惯性数据进行打包同步控制，以作为第二 DSP解算的控制标志ο5.通过MD6和ST9对第二 DSP处理器进行设置，能够灵活控制MIMU系统的模式选择，以及GPS接收机数据更新率的选择，以及MIMU数据的模型参数。6.采用在ECEF下获取初始姿态矩阵G (Γ )，实现了 MIMU系统在ECEF坐标下的姿 态矩阵G (Γ + 0的实时更新。7.本发明采用DSP和FPGA处理器的硬件平台，其尺寸小(由四块电路板组成，分 别为97mmX 70mm、92mmX 65mm、45mmX 25mm、:35mmX 25mm)、成本低(由微机械传感器芯片组 成，相对光纤惯性传感器成本较低)。8.在硬件平台上，作为系统逻辑和时序控制核心的FPGA不仅是系统的总控制器， 同时能在FPGA内部完成传感器数据的平滑滤波，实现传感器数据的消噪。
图1是本发明具有ECEF模型的MIMU系统的结构框图。图2是本发明ECEF模型的结构框图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。参见图1所示，本发明的一种具有ECEF模型的MIMU系统，该MIMU系统包括有信 号调理模块1、模数转换模块2、平滑滤波模块3、模式设置模块4、误差模型模块5、模式解码 模块6、ECEF模型7、惯性与DPS同步信息产生模块8、状态控制字产生模块9。本发明MIMU系统用于接收加速度计组合10输出的载体加速度信息AF1(I、陀螺组 合20输出的载体角速度信息AG2Q、以及磁力计组合30输出的磁通信息AH3q ；本发明MIMU系统用于输出ECEF(Earth Centered Earth Fixed，地固地心直角 坐标系)坐标系下的三轴速度ve\(r + r)、三轴位置《(Γ + Ο给GPS接收机40。该三轴速度
+ 和三轴位置《(r + r)用于辅助GPS接收机40中的跟踪环路，从而提高了 GPS接收 机的抗干扰能力。 在本发明中，平滑滤波模块3、模式解码模块6、惯性与DPS同步信息产生模块8和 状态控制字产生模块9由FPGA处理器实现。FPGA芯片用Verlog HDL硬件描述语言编程。在本发明中，模式设置模块4和误差模型5由第一 DSP处理器实现。ECEF模型7 由第二 DSP处理器实现。DSP芯片上用C语言编程。下面将对本发明具有ECEF模型的MIMU系统中的各个模块实现的功能进行详细说 明。(一 )信号调理模块1信号调理模块主要是对传感器数据进行噪声抑制滤波。输入三轴陀螺数据 AG20 (即Ah。= (AGX20, AGY20, AGZ20I，X、Y和Z表示陀螺的三个轴)、三轴加表数据AFltl (即 AF10 = {AFX10, AFY10, AFZ10I，X、Y和Z表示加表的三个轴)和三轴磁通数据AG3tl (即AH30 = IAHX30, AHY30, AHZ30I，X、Y和Z表示磁通的三个轴)，经过信号调理输出调理后的三轴陀螺 数据AG1 (简称为调理-陀螺AG1)、三轴加表数据AF1 (简称为调理-加表AF1)、以及三轴磁 通数据AH1 (简称为调理-磁通AH1)。在本发明中，AG1JF1和AH1中分别也包括了 X、Y和Z 三轴，即9路信息，为了方便说明，此后的文字不作X、Y和Z三轴的分别叙述。由于传感器输出的原始信号存在高频噪声，若直接进入模数转换模块会导致误差较大，所以要对传感器数据输出的数据进行调理。在进行模数转换前选用TI公司的运算 放大器0PA2350，构成一阶有源低通滤波器，不仅可以消除高频噪声，而且还可以解决输入 输出阻抗不匹配的问题。0PA2350及其外围电路组成的低通滤波电路的截止频率应为MIMU 信号带宽的5倍，这里通过0PA2350附加外围电路设计的一阶有源低通滤波的截止频率是 1000HZ，这样有效的滤除了高频噪声的干扰。( 二)模数转换模块2模数转换模块2对AG1JF1和AH1进行模数转换，得到数字_陀螺AG2、数字-加表 AF2和数字-磁通AH2,并将A(i2、AF2和AH2输出给平滑滤波模块3。模数转换模块2选用三片TI公司的ADS1274芯片，其最大的采集速率是144kSPS， M位高精度数据输出。(三)平滑滤波模块3平滑滤波模块3对数字-陀螺AG2、数字-加表AF2和数字-磁通AH2进行野点剔 除和两级平滑滤波处理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁通AH3,并 将AG3、AF3和AH3输出给惯性与DPS同步信息产生模块8。微惯性传感器输出的原始值噪声较大，若直接用原始数据进行导航解算会大大影 响解算的精度，通过(一)的信号调理模块从硬件设计上已经对噪声进行了抑制，在利用传 感器数据进行解算前在FPGA处理器中还需要软件方面的平滑滤波。为了消除传输过程中 个别点受到干扰以及提高信噪比，本发明提出了野点剔除和两级平滑滤波相结合的方法。上述平滑滤波模块是在FPGA中完成的，利用了 FPGA处理器的强大的并行处理能 力，经过模数转换后的数据AG2、AF2和AH2数据分别同时进入平滑滤波模块进行并行处理， 经过平滑滤波后的数据输出并行的AG3、AF3和AH3，下面以陀螺输出的角信息进行平滑滤波 为例进行平滑滤波步骤说明，依据同样的方法能够计算出加表、磁通的阈值。步骤3-1 首先记录下惯性传感器前后两次采样的阈值。具体方法为由于陀螺的 量程为士300° /s,以IOkHz的前端采样率进行采样，正常情况下两个数之间转过的最大角 度为300/10k，由于陀螺的刻度系数为0.05，根据陀螺的数据手册换算到3 δ (3倍方差)的 电压值计算可以得到阈值大约等于18。步骤3-2 =FPGA中设置一个存储寄存器存储上一个采样点的数据，下一个数据到 来后和前一个做差，若其差的绝对值大于第一步求得的阈值，即认为是野值，则野点剔除模 块输出的值是上一个正确的IMU ；若当前的IMU值不是野值，则将当前IMU值输出，并且存 储寄存器的值更新为当前的IMU值。步骤3-3 对步骤3-2野点剔除输出的数据每10个进行一次相加取平均值，将 这个平均值作为最终数据输出给步骤3-4，通过这步操作，相当于将IOk的采集速率降为 IOOOHz。步骤3-4 对步骤3-3输出的数据进行窗口长度为8的滑窗平滑。所谓的窗口类 似长度为8的FIFO队列，每次把窗口中的8个数据进行加权平均，然后把最早到窗口的数 据移出窗口，其它窗口数据依次移位，收取一个当前新的数据到窗口的末尾。步骤3-5 对步骤3-4输出的窗口输出数据每10个再进行一次相加取平均值，通 过这步操作，将这个平均值作为最终数据输出给步骤3-6，相当于将步骤3-4输出的数据采 集速率降为IOOHz。
步骤3-6 对步骤3-5输出的数据进行同步骤3-4的窗口长度为8的滑窗平滑。并 将平滑后的数据作为最终的平滑滤波输出数据。通过以上几个操作步骤，将原始数据的干扰点剔除，并且消除了传感器数据的原 始噪声，使数据更加平滑数据平滑，经过实际证明，经过野点剔除和两级平滑滤波模块的数 据其方差比原始数据的方差降低了 10倍左右，从而提高了惯性传感器数据的信噪比，从而 从根源上提高了导航解算的精度。(四)模式设置模块4模式设置模块4用于接收上位机下发的模式命令，然后根据该命令进行不同模式 启动(简称为模式设置命令M4),并将模式设置命令M4输出给模式解码模块6。该模式设置 命令M4主要包括有模式切换命令(松组合、紧组合和辅助解算)和GPS更新率。在本发明中，模式设置模块4在第一 DSP处理器上实现，该第一 DSP处理器通过 RS232总线接受上位机的模式设置命令。上位机(即计算机)是一种能够按照事先存储的 程序，自动、高速地进行大量数值计算和各种信息处理的现代化智能电子设备。最低配置为 CPU 2GHz，内存2GB，硬盘180GB ；操作系统为windows2000/2003/XP。接收的上位机的命令 格式如下面所示每一个数据包中采用的数据类型描述如下BYTE 8-bit 无符号整数。SINGLE :32-bit0-byte)单精度浮点数，采用〃 ANSI/IEEE Std 754SINGLE 〃格 式。发送的第一、二个字节发送的是小数的低16位，第三个字节包含偏移阶码的最低位 和小数的高7位；第四个字节包含尾数符号位和偏移阶码的高7位。实际阶码=偏移阶 码-127。加上隐含的小数点前面的1，SINGLE尾数实际包含M-bit有效位。低字节先发送。信息的发送和接收，都采用下面的数据包结构，每一个数据包顺序以下面两个字 节开头<DLE>ASCII 字符，1-byte，= IOh<id> 数据包标志符，Ι-byte，可取 OOh FFh 中除 IOh(ASCIKDLE〉)和 03h (ASCIKETX 中任何值，其取值和定义见后面说明。每一个数据包顺序以下面两个字符结束<DLE>ASCII 字符，1-byte，= IOh<ETX>ASCII 字符，1-byte，= 03h模式命令M4格式采用集合形式表达为M4 = {<DLE>, <id>, <DATA>, <CRC>, <DLE>, <ETX>}。数据包中每个“data byte”可取任何8-bit数，但如果data byte = 10h DLE>)， 则该byte必须发两次。<CRC>帧校验字，2bytes，校验算法采用CRC校验，对id和DATA进行校验，但多发 的DLE不参与校验。如果CRC byte = IOh (<DLE>)，则该byte必须发两次。本系统规定系统模式切换命令的id号06H，其具体含义如下
权利要求
1. 一种具有ECEF模型的MIMU系统，MIMU系统一方面用于接收加速度计组合(10)输出 的载体加速度信息AFltl = {AFX10, AFY10, AFZ1J、陀螺组合Q0)输出的载体角速度信息AG2tl ={AGX2Q，AGY2tl，AGZ2J、以及磁力计组合(30)输出的磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I, MIMU系统另一方面用于输出ECEF坐标系下的三轴速度ve\(r + r)、三轴位置d(Γ +r)给GPS 接收机(40)，实现对GPS接收机00)的跟踪环路进行跟踪；其特征在于该MIMU系统包括 有信号调理模块(1)、模数转换模块( 、平滑滤波模块C3)、模式设置模块(4)、误差模型模 块(5)、模式解码模块(6)、ECEF模型(7)、惯性与DPS同步信息产生模块⑶、状态控制字 产生模块(9) ；AFXltl表示加速度计的X轴输出的载体加速度信息，AFYltl表示加速度计的Y 轴输出的载体加速度信息，AFZltl表示加速度计的Z轴输出的载体加速度信息，AGX2tl表示陀 螺的X轴输出的载体角速度信息，AGY2tl表示陀螺的Y轴输出的载体角速度信息，AGZ2tl表示 陀螺的Z轴输出的载体角速度信息，AHX3tl表示磁力计的X轴输出的磁通信息，AHY3tl表示磁 力计的Y轴输出的磁通信息，AHZ30表示磁力计的Z轴输出的磁通信息；信号调理模块⑴用于对载体加速度信息AFltl= {AFX1(1，AFYltl，AFZiaK载体角速度信息 AG20 = (AGX20, AGY20, AGZ20I、以及磁通信息 AH3tl = (AHX30, AHY30, AHZ30I 进行噪声抑制滤波， 得到调理后的调理-陀螺AG1、调理-加表AFp以及调理-磁通AH1 ；模数转换模块⑵对接收的AGpAF1*AH1进行模数转换，得到数字-陀螺A(i2、数字-加 表AF2和数字-磁通AH2 ；平滑滤波模块C3)对接收的数字-陀螺AG2、数字-加表AF2和数字-磁通々吐进行野点 剔除和两级平滑滤波处理，得到平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平滑后-磁通AH3 ； 模式设置模块(4)用于接收上位机下发的模式命令，然后根据该命令进行不同模式启 动，并将模式设置命令M4输出给模式解码模块(6)；所述的模式命令包括有松组合模式切 换命令、紧组合模式切换命令、辅助解算模式切换命令和GPS更新率；误差模型( 用于接收上位机下发的MIMU误差模型参数，然后根据该MIMU误差模型 参数进行不同模式启动，并将误差模型数据M5输出给模式解码模块(6)；该MIMU误差模型 参数主要包括有三轴陀螺和三轴加表的误差模型参数；模式解码模块(6)用于对接收的模式设置命令M4和误差模型数据M5进行解码和校验， 然后输出CRC校验后命令MD6给ECEF模型(7)；状态控制字产生模块(9)用于产生状态控制字命令ST9，并将该状态控制字命令ST9输 出给ECEF模型(7)；惯性与GPS同步信息产生模块⑶对接收的平滑后-陀螺AG3、平滑后-加表AF3和平 滑后-磁通AH3和GPS数据仏=· <(Γ),Γ(Γ),Ζ,^进行数据状态字、GPS数据和惯性传感器数据的整合，产生与接收信息相同步的同步陀螺信息纪、同步加表信、同步磁通信息 Mag\ ECEF下初始三轴速度<(Γ)和ECEF下初始三轴位置，然后将生产的同步信息输 出给ECEF模型(7)；所述的数据状态字分别为系统状态字、传感器数据标识状态字、GPS数 据标识控制字；ECEF模型(7)依据CRC校验后的命令MD6、状态控制字命令STJf接收到的三轴陀螺数 据硿、三轴加表数据冗、三轴磁通数据Magb、ECEF下初始三轴速度ν〗 (Τ )、ECEF下初始三轴 位置<P)、GPS初始纬度L、GPS初始经度λ信息进行ECEF模型解算，得到ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息& (Τ + τ)；然后将ECEF的速度信息< (T + r)和位置信息力(T + r)传送 给GPS接收机进行跟踪环路的辅助，提高GPS接收机的抗干扰能力。
2.根据权利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系统，其特征在于平滑滤波模块(3)、 模式解码模块(6)、惯性与DPS同步信息产生模块⑶和状态控制字产生模块(9)由FPGA 处理器实现；模式设置模块(4)和误差模型(5)由第一 DSP处理器实现；ECEF模型(7)由 第二 DSP处理器实现。
3.根据权利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系统，其特征在于平滑滤波模块(3) 对陀螺输出的角信息进行平滑滤波包括有下列处理步骤步骤3-1 首先记录下惯性传感器前后两次采样的阈值；具体方法为由于陀螺的量程 为士300° /s,以IOkHz的前端采样率进行采样，正常情况下两个数之间转过的最大角度为 300/10k,由于陀螺的刻度系数为0. 05，根据陀螺的数据手册换算到3 δ的电压值计算可以 得到阈值大约等于18 ；步骤3-2 =FPGA中设置一个存储寄存器存储上一个采样点的数据，下一个数据到来后 和前一个做差，若其差的绝对值大于第一步求得的阈值，即认为是野值，则野点剔除模块输 出的值是上一个正确的IMU ；若当前的IMU值不是野值，则将当前IMU值输出，并且存储寄 存器的值更新为当前的IMU值；步骤3-3 对步骤3-2野点剔除输出的数据每10个进行一次相加取平均值，将这个平 均值作为最终数据输出给步骤3-4，通过这步操作，相当于将IOk的采集速率降为1000Hz ；步骤3-4:对步骤3-3输出的数据进行窗口长度为8的滑窗平滑；所谓的窗口类似长度 为8的FIFO队列，每次把窗口中的8个数据进行加权平均，然后把最早到窗口的数据移出 窗口，其它窗口数据依次移位，收取一个当前新的数据到窗口的末尾；步骤3-5 对步骤3-4输出的窗口输出数据每10个再进行一次相加取平均值，通过这 步操作，将这个平均值作为最终数据输出给步骤3-6，相当于将步骤3-4输出的数据采集速 率降为IOOHz ；步骤3-6 对步骤3-5输出的数据进行同步骤3-4的窗口长度为8的滑窗平滑；并将平 滑后的数据作为最终的平滑滤波输出数据。
4.根据权利要求1所述的具有ECEF模型的MIMU系统，其特征在于ECEF模型解算执行 下列步骤步骤7-1 依据MD6、ST9，进行自身程序初始化控制；步骤7-2 在初始对准单元中对L、λ、Magb、《信息进行初始化，获取载体坐标系到 ECEF下的坐标转换矩阵的初始姿态矩阵G (Γ )；载体姿态航向角记为Ψ、俯仰角记为θ和横滚角记为Φ ；具体航迹推算为推导步骤一求初始航向角初始对准要求磁阻传感器测得的值在水平面内，如果不在水平面内，应当进行坐标变 换，变换方法为
全文摘要
本发明公开了一种具有ECEF模型的MIMU系统，该MIMU系统包括有信号调理模块(1)、模数转换模块(2)、平滑滤波模块(3)、模式设置模块(4)、误差模型模块(5)、模式解码模块(6)、ECEF模型(7)、惯性与GPS同步信息产生模块(8)和状态控制字产生模块(9)；MIMU系统是基于DSP和FPGA处理器的嵌入式平台，实现了以GPS数据为基准来进行惯性数据的速度与位置的高速融合。本发明融合后的数据能够辅助GPS接收机对环路的跟踪，以及提高跟踪环路的相对带宽，从而提高了GPS接收机的抗干扰能力。
文档编号G01S19/21GK102109349SQ20101058746
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月13日 优先权日2010年12月13日
发明者刘鑫鹏, 富立, 王玲玲 申请人:北京航空航天大学