一种室外移动机器人组合导航装置的制作方法

本实用新型涉及移动机器人导航领域，具体是一种室外移动机器人组合导航装置。

背景技术：

对于在室外环境工作的移动机器人通常使用惯导/卫星组合导航方式。惯性导航系统具有完全自主、抗干扰强、隐蔽能力好和输出参数全面等优点，但它的鲁棒性极低，误差会不断随时间累积发散。卫星导航系统具有精度高、定位范围广和误差不随时间累积等优点，但其自主性差、易受外界遮挡和干扰、接收机数据更新频率低等缺点。因此工程上常常将两者互补结合使用，组成卫星/惯性组合导航系统。

技术实现要素：

本实用新型提供一种室外移动机器人组合导航装置，能够同时实现卫星导航(GNSS)接收机、惯性测量单元(IMU)、气压高度等导航信息的高速采集与高速合路传输，并进行初步导航定位信息融合，可为室外移动机器人提供直接的导航服务，也可作为高精度组合导航系统的原始测量信息高速采集系统。

本实用新型的技术方案：一种室外移动机器人组合导航装置，包括进行信息处理的微控制器，微控制器分别与电源模块、惯性测量单元、GNSS接收机、大气压力传感器、SPI转UART模块以及原始数据输出接口，

所述电源模块接入5V电源，输出3.3V稳定电压、1A电流以满足组合导航装置供电需求；

所述惯性测量单元实时测量移动机器人的三轴姿态角以及加速度信息并将测量的信息发送到微控制器；

所述GNSS接收机实时获取移动机器人的位置和速度信息并将获取的信息发送到微控制器；

所述大气压力传感器检测移动机器人所处位置的大气压力信息并将大气压力信息发送到微控制器；

所述SPI转UART模块给微控制器扩充一个UART接口满足微控制器与外接PC机间的通信；

所述原始数据输出接口用于将微控制器解析的原始数据包输出到外接PC机。

所述惯性测量单元和GNSS接收机与微控制器通过UART接口通信连接。

所述大气压力传感器、SPI转UART模块以及原始数据输出接口与微控制器通过SPI接口通信连接。

所述微控制器采用德州仪器的MSP430F149单片机。

所述电源模块采用AMS1117稳压芯片。

所述大气压力传感器采用MEAS公司生产的MS5803-02BA型大气压力传感器。

所述SPI转UART模块采用的是MAXIM公司推出的MAX3111E全功能收发器。

所述惯性测量单元和GNSS接收机与微控制器之间设置MAX3232芯片进行TTL电平与RS232电平转换。

本实用新型的技术效果：充分利用了MSP430F149单片机的能力，具有结构简单、低功耗、对传感器具有普适性等优点，能够同时实现卫星导航(GNSS)接收机、惯性测量单元(IMU)、气压高度等导航信息的高速采集与高速合路传输，并进行初步导航定位信息融合，可为室外移动机器人提供直接的导航服务，也可作为高精度组合导航系统的原始测量信息高速采集系统。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是本实用新型电源电路示意图；

图3是本实用新型惯性测量单元和GNSS接收机接口电路示意图；

图4是本实用新型MS5803-02BA接口电路示意图；

图5是本实用新型SPI转UART电路示意图。

图中标号分别表示：1-微控制器，2-电源模块，3-惯性测量单元，4-GNSS接收机，5-大气压力传感器，6-SPI转UART模块，7-原始数据输出接口。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明：

如图1所示，一种室外移动机器人组合导航装置，包括进行信息处理的微控制器1，微控制器1分别与电源模块2、惯性测量单元3、GNSS接收机4、大气压力传感器5、SPI转UART模块6以及原始数据输出接口7，

所述电源模块2接入5V电源，输出3.3V稳定电压、1A电流以满足组合导航装置供电需求；

所述惯性测量单元3实时测量移动机器人的三轴姿态角以及加速度信息并将测量的信息发送到微控制器1；

所述GNSS接收机4实时获取移动机器人的位置和速度信息并将获取的信息发送到微控制器1；

所述大气压力传感器5检测移动机器人所处位置的大气压力信息并将大气压力信息发送到微控制器1；

所述SPI转UART模块6给微控制器1扩充一个UART接口满足微控制器与外接PC机间的通信；

所述原始数据输出接口7用于将微控制器1解析的原始数据包输出到外接PC机。

所述惯性测量单元3和GNSS接收机4与微控制器1通过UART接口通信连接。

所述大气压力传感器5、SPI转UART模块6以及原始数据输出接口7与微控制器1通过SPI接口通信连接。

所述微控制器1采用德州仪器的MSP430F149单片机。

所述电源模块2采用AMS1117稳压芯片。

所述大气压力传感器5采用MEAS公司生产的MS5803-02BA型大气压力传感器。

所述SPI转UART模块6采用的是MAXIM公司推出的MAX3111E全功能收发器。

所述惯性测量单元3和GNSS接收机4与微控制器1之间设置MAX3232芯片进行TTL电平与RS232电平转换。

整个组合导航装置需要三个UART接口和两个SPI接口。其中两个UART接口由430单片机自带的UART资源提供，另外一个UART接口由GPIO模拟SPI通过MAX3111E芯片转化得到；两个SPI接口由GPIO模拟得到。另外需要一个外部中断引脚捕获秒脉冲信号(PPS)、一个外部中断引脚捕获MAX3111E中断信号。MSP430F149管脚资源分配如表1所示。

表1 MSP430F149管脚资源分配

IMU器件及GNSS接收机都采用UART接口方式接入，采用RS232协议。因此可使用430单片机上自带的两个UART接口，但是需要进行TTL电平与RS232电平转换。这里采用常见的MAX3232芯片，电路设计如图3所示。

MS5803-02BA是由MEAS公司生产的数字压力传感器，分辨率达10cm.芯片内部包含一个高线性的压力传感器和一个内部工厂标定系数的超低功耗24位ΔΣ型ADC.该款芯片有SPI和I2C两种接口方式，通过芯片的PS引脚配置了选择不同的接口方式(PS置低时，采用SPI工作模式；PS置高时，采用I2C工作模式)。本文所阐述的定位系统将气压计配置为SPI工作模式。MS5803-02BA与微控制器间的接口电路设计如图4所示。

由于MSP430F149的片上UART资源都被IMU器件和GNSS接收机占用，因此需要扩充一个UART接口才能满足定位系统与PC机间的通信。为此将MSP430F149上的GPIO模拟SPI，再通过MAX3111E芯片转成UART接口。

MAX3111E是MAXIM公司推出的全功能收发器，内部包含UART和RS232电平转换两个独立的部分。UART部分包括兼容于SPI的串行接口、可编程波特率发生器、发送移位寄存器、接收移位寄存器、8字长的FIFO以及4种可屏蔽中断发生器；RS232部分包括电泵电容、硬件关断(SHDN管脚)，具有±15kV静电保护作用。它可以选择1.8432MHz或3.6864MHz两种晶振作为外部晶振，芯片能够工作在300bps～230kbps波特率，本文使用的是3.6864MHz晶振。MAX3111E与MSP430F149连接电路如图5.

本实用新型的一种室外移动机器人组合导航装置，充分利用了MSP430F149单片机的能力，具有结构简单、低功耗、对传感器具有普适性等优点，能够同时实现卫星导航(GNSS)接收机、惯性测量单元(IMU)、气压高度等导航信息的高速采集与高速合路传输，并进行初步导航定位信息融合，可为室外移动机器人提供直接的导航服务，也可作为高精度组合导航系统的原始测量信息高速采集系统。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。