室外移動機(jī)器人的組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳平,張海

(北京航空航天大學(xué) 飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

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吳平,張海

(北京航空航天大學(xué) 飛行器控制一體化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100191)

設(shè)計(jì)了一款基于MSP430F149微控制器的室外移動機(jī)器人自主定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過GPIO引腳模擬SPI時序擴(kuò)展接口電路，重點(diǎn)解決該款微控制器的硬件接口資源不足的問題，能夠有效地接入衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)、慣性測量單元、高度氣壓計(jì)，完成導(dǎo)航服務(wù)，同時可輸出原始測量信息用于進(jìn)一步高精度組合導(dǎo)航解算。此外，該系統(tǒng)還解決了由于高度氣壓計(jì)MS5803-02BA使用手冊中的疏漏導(dǎo)致無法正常工作的問題，并分段線性化氣壓值與高度之間的函數(shù)關(guān)系，從而完成氣壓值到高度的轉(zhuǎn)換。最后，給出了衛(wèi)星數(shù)據(jù)與慣導(dǎo)數(shù)據(jù)時間對準(zhǔn)的工程解決方法。

MSP430F149；多路數(shù)據(jù)采集；組合導(dǎo)航；時間對準(zhǔn)

引 言

本文以低功耗MSP430F149為核心，設(shè)計(jì)了能夠同時實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)、慣性測量單元(IMU)、氣壓高度等導(dǎo)航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進(jìn)行初步導(dǎo)航定位信息融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，既可為室外移動機(jī)器人提供直接的導(dǎo)航服務(wù)，也可作為高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原始測量信息高速采集系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由電源、氣壓計(jì)接口、IMU接口、GNSS接收機(jī)接口、SPI轉(zhuǎn)UART模塊及MSP430F149構(gòu)成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)分為IMU數(shù)據(jù)接收與解析、GNSS數(shù)據(jù)接收與解析、氣壓計(jì)數(shù)據(jù)接收與解析、組合導(dǎo)航解算以及數(shù)據(jù)輸出5個部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導(dǎo)航解算中需要的加速度和角速度信息；GNSS數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導(dǎo)航解算中需要的位置和速度信息(松耦合組合)或者GNSS偽距和偽距率(緊耦合組合)；氣壓計(jì)數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取高度信息；組合導(dǎo)航解算功能為系統(tǒng)核心，用來進(jìn)行組合導(dǎo)航解算；數(shù)據(jù)的輸出包括原始數(shù)據(jù)包的整合輸出和解算結(jié)果的輸出。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 微控制器接口

整個組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要3個UART接口和2個SPI接口。其中2個UART接口由MSP430F149單片機(jī)自帶的UART資源提供，另外一個UART接口由GPIO模擬SPI通過MAX3111E芯片轉(zhuǎn)換得到；2個SPI接口由GPIO模擬得到。另外，需要一個外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號(PPS)，一個外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號。MSP430F149引腳[2]分配表略——編者注。

2.2 電源電路

本系統(tǒng)供電需求為3.3 V供電，因此采用AMS1117穩(wěn)壓芯片，接入5 V電源即可輸出3.3 V穩(wěn)定電壓，可提供1 A電流，滿足系統(tǒng)供電需求。

2.3 IMU器件及GNSS接收機(jī)接口電路

IMU器件及GNSS接收機(jī)都采用UART接口方式接入，采用RS232協(xié)議。因此可使用MSP430F149單片機(jī)上自帶的兩個UART接口，但是需要進(jìn)行TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。這里采用常見的MAX3232芯片，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 IMU及GNSS接口電路

2.4 氣壓計(jì)MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA[3]是由MEAS公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力傳感器，分辨率達(dá)10 cm。芯片內(nèi)部包含一個高線性的壓力傳感器和一個內(nèi)部工廠標(biāo)定系數(shù)的超低功耗24位Δ-Σ型ADC。該款芯片有SPI和I2C總線兩種接口方式，通過芯片的PS引腳配置選擇不同的接口方式(PS置低時，采用SPI工作模式；PS置高時，采用I2C總線工作模式)。本文所闡述的定位系統(tǒng)將氣壓計(jì)配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器的接口電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA的控制命令包括復(fù)位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令。控制命令表略——編者注。

控制命令通過SDI口移位輸入，響應(yīng)結(jié)果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，需要利用芯片內(nèi)部PROM中的系數(shù)來補(bǔ)償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結(jié)果；PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補(bǔ)償系數(shù)。

讀取ADC的C語言代碼略——編者注。

結(jié)合器件的使用手冊及手冊疏漏的地方，使用MS5803-02BA時需要注意：

① 溫度和氣壓ADC命令發(fā)送之后，芯片內(nèi)部需要一定的時間進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，具體時間與過采樣率(OSR)有關(guān)，最大需求時間為10 ms，因此本文采用的延時時間為10 ms；

② 片選信號CS的下降沿到時鐘SCLK信號的第一個上升沿至少要有21 ns的時間延遲，否則命令無法正確寫入芯片；

③ 8位的ADC讀取命令之后，必須保持CS片選信號持續(xù)為低，再產(chǎn)生24位時鐘信號輸入，將24位的ADC結(jié)果讀取出來(即一個命令字為8位，但實(shí)際需要32個連續(xù)的時鐘周期才能完整讀取ADC結(jié)果)；

④ 對于PROM讀取命令同ADC讀取命令，一共需要24個連續(xù)的時鐘周期完成，其中8位命令字輸入，16位數(shù)據(jù)讀出。

⑤ 從SDO移位輸出數(shù)據(jù)的同時，都需要SDI輸入端保持低電平。

2.5 SPI轉(zhuǎn)UART電路

由于MSP430F149的片上UART資源都被IMU器件和GNSS接收機(jī)占用，因此需要擴(kuò)充一個UART接口以滿足定位系統(tǒng)與PC機(jī)間的通信。為此將MSP430F149上的GPIO模擬SPI，再通過MAX3111E芯片轉(zhuǎn)成UART接口。

MAX3111E[4]是MAXIM公司推出的全功能收發(fā)器，內(nèi)部包含UART和RS232電平轉(zhuǎn)換兩個獨(dú)立的部分。UART部分包括兼容于SPI的串行接口、可編程波特率發(fā)生器、發(fā)送移位寄存器、接收移位寄存器、8字長的FIFO以及4種可屏蔽中斷發(fā)生器。RS232部分包括電泵電容、硬件關(guān)斷(SHDN引腳)，具有±15 kV靜電保護(hù)作用。

它可以選擇1.8432 MHz或3.6864 MHz兩種晶振作為外部晶振，芯片能夠工作在300 bps～230 kbps波特率，本文使用的是3.6864 MHz晶振。MAX3111E與MSP430F149連接電路如圖4所示。

圖4 MAX3111E與MSP430F149連接電路

MAX3111E的控制命令分為寫配置命令、讀配置命令、寫數(shù)據(jù)命令以及讀數(shù)據(jù)命令4種。本文寫入芯片的配置命令是0xE809，8位數(shù)據(jù)長度、使能FIFO、發(fā)送中斷使能、波特率38 400 bps。數(shù)據(jù)的寫入需要在每個字節(jié)前面加上0x81，例如若要發(fā)送字節(jié)0x55，則需要從DIN端移位輸入0x8155。

連續(xù)發(fā)送n個字節(jié)的C語言代碼略——編者注。

使用MAX3111E時需要注意：

① 片選信號CS的下降沿到時鐘SCLK信號的第一個上升沿至少要有100 ns的時間延遲；

② 芯片判定片選信號CS失效時，需要CS引腳保持高電平的時間至少為200 ns。因此當(dāng)需要連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時，兩個寫數(shù)據(jù)命令之間至少需要200 ns，建議間隔250 ns；

③ 寫配置命令需要晶振工作穩(wěn)定，因此可以在寫配置命令后再讀配置，直到寫入和讀出的配置數(shù)據(jù)相應(yīng)位相同時才保證芯片按需求配置完畢。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 GPIO模擬SPI實(shí)現(xiàn)方法

使用GPIO模擬SPI，對選定的I/O口進(jìn)行時序上的電平操作，模擬出SPI時序。本文將SPI的電平操作采用宏定義的方式，可參考表1中的源代碼。

表1 GPIO模擬SPI操作方法

程序按照SPI邏輯關(guān)系使用上述的宏定義，可以在選定的I/O端口產(chǎn)生SPI信號，并且可以靈活的控制每個CS有效期間的時鐘數(shù)。使用GPIO模擬的SPI具有操作直觀、靈活可變等優(yōu)點(diǎn)。相比較模擬得到的SPI，控制器上自帶的SPI接口基本不占用控制器資源，發(fā)送和接收的移位、時鐘信號的產(chǎn)生都交由內(nèi)部SPI模塊處理。而GPIO模擬的SPI需要控制器不斷對I/O接口進(jìn)行操作，因此會占用控制器處理時間。時鐘信號也因?qū)﹄娖讲僮飨臋C(jī)器周期，導(dǎo)致時鐘信號速度有限。

3.2 數(shù)據(jù)的采集和處理方法

IMU和GNSS接收機(jī)的數(shù)據(jù)會主動發(fā)送到MSP430F149單片機(jī)的UART接口，本文采用中斷接收的方式接收數(shù)據(jù)，將每次到來的一個字節(jié)循環(huán)存儲在指定的存儲區(qū)；氣壓計(jì)需要MSP430F149單片機(jī)查詢式獲取高度信息。因此當(dāng)需求IMU或者GNSS信息的時候，需要在存儲區(qū)內(nèi)掃描數(shù)據(jù)，掃描依據(jù)是設(shè)備發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的協(xié)議(幀頭、幀尾、CRC等)，再根據(jù)協(xié)議獲取相應(yīng)物理量的數(shù)值；當(dāng)需要高度信息的時候，需要MSP430F149單片機(jī)對氣壓計(jì)發(fā)送控制字獲取信息。在對IMU和GNSS信息掃描時,需要一個變量ptr保存有效數(shù)據(jù)的首地址在存儲區(qū)內(nèi)的偏移地址，為了不重復(fù)使用已用數(shù)據(jù)，需要在利用完信息后，破壞這一幀有效數(shù)據(jù)的幀頭幀尾。

另外需要注意，使用循環(huán)存儲數(shù)據(jù)和掃描取用這種方式，需要數(shù)據(jù)的處理速度比數(shù)據(jù)的接收速度快，否則舊數(shù)據(jù)會被新數(shù)據(jù)覆蓋。

圖5 氣壓值對應(yīng)的高度計(jì)算流程圖

3.3 高度計(jì)算方法

高度信息的獲取需要通過MS5803-02BA獲取的氣壓信息轉(zhuǎn)換得到。對這款氣壓計(jì)的操作，需要先在芯片內(nèi)部的PROM獲取C1～C6六個參數(shù)，再獲取溫度ADC結(jié)果D1和氣壓ADC結(jié)果D2，最后利用官方提供的計(jì)算公式計(jì)算得到帶補(bǔ)償?shù)臍鈮褐怠鈮褐但@取的軟件流程圖如圖5所示。

按照氣壓計(jì)的用戶手冊中提供的計(jì)算公式，最后可以計(jì)算得到一個經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臉?biāo)準(zhǔn)氣壓值，單位為mbar。高度信息的獲取還需要將氣壓值經(jīng)過函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換[5]。高度h和標(biāo)準(zhǔn)大氣P之間有如下函數(shù)關(guān)系：

Th=288.15 K，是g0對應(yīng)高度下的溫度下限值；β=-6.5 K/km，是溫度的垂直變化率；H=0 m，是g0對應(yīng)的高度；Ph=101 325 Pa，是g0對應(yīng)高度下的氣壓下限值；R=287.05 287 m2/(K·s2)，是氣體常數(shù)；g0=9.80 665 m/s2，是海平面重力加速度。

在氣壓與高度的關(guān)系轉(zhuǎn)換中，本文采用分段線性化的方法擬合它們的非線性關(guān)系。在不同氣壓值區(qū)間內(nèi)，線性化公式得到h=a·P+b，取得不同的線性參數(shù)a、b，詳見表2。

表2 氣壓與高度的分段線性關(guān)系

3.4 組合導(dǎo)航的時間對準(zhǔn)

進(jìn)行組合導(dǎo)航濾波解算時，從IMU和GNSS接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)在時間上應(yīng)該是同步的，因?yàn)槿绻谝粋€數(shù)據(jù)融合點(diǎn)上，進(jìn)入Kalman濾波器的來自兩個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來自不同的時間點(diǎn)，會給濾波計(jì)算帶來誤差，同時也會給校正計(jì)算帶來影響。GNSS接收機(jī)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)都帶有精確的時間標(biāo)簽，而從 IMU 輸出的數(shù)據(jù)只有一個相對時間標(biāo)簽。以GNSS接收機(jī)的時間標(biāo)簽作為時間基準(zhǔn)，分析時間差的組成。系統(tǒng)時間示意圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)時間示意圖

3.4.1 時間差分析

當(dāng)一個GNSS數(shù)據(jù)(1 Hz)到來時，接收機(jī)產(chǎn)生一個秒脈沖信號(PPS)，用于時間對準(zhǔn)。GNSS接收機(jī)本身存在數(shù)據(jù)時延：接收機(jī)整個計(jì)算過程會產(chǎn)生一個解算時間延遲Δt1,從衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)和慣導(dǎo)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)分別經(jīng)過McBSP和RS232數(shù)據(jù)接口,輸入導(dǎo)航解算處理器會產(chǎn)生一定的傳輸延遲Δt2。因此,在PPS信號前的Δt1+Δt2時刻才是當(dāng)前接收到的GNSS數(shù)據(jù)幀的真實(shí)時刻。IMU數(shù)據(jù)處理時間相對于遞推時間來說很小，可以忽略。另外PPS脈沖信號和慣性測量信號之間的時間差Δτ，它描述GNSS絕對時間和IMU相對時間之間的關(guān)系，使得GNSS和IMU統(tǒng)一在同一個時間標(biāo)準(zhǔn)下。

3.4.2 處理思想

根據(jù)總時間差，找到IMU數(shù)據(jù)對應(yīng)的插值時刻。通過時間就可以獲得對準(zhǔn)時間點(diǎn)與最近的兩個慣性采集時刻，其后對時間同步點(diǎn)兩側(cè)時間點(diǎn)上，即圖中t(k-1)和t(k)時間點(diǎn)的慣性數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值運(yùn)算，就可以獲得慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和GNSS接收機(jī)數(shù)據(jù)在同一時間點(diǎn)上的同步化測量數(shù)據(jù)。

3.4.3 實(shí)施方法

GNSS接收機(jī)解算時間Δt2由接收機(jī)提供。傳輸時間通常為一個固定時間，使用示波器分別測量GNSS接收機(jī)發(fā)送時間和導(dǎo)航解算電路的接收時間，再將兩個時間作差即可獲得。

Δτ的獲取需要開啟MSP430F149的計(jì)時器和外部中斷，通過中斷計(jì)時的方式獲得。具體方法是：通過將PPS信號接入導(dǎo)航處理器的外部中斷接口，采用邊沿觸發(fā)方式觸發(fā)中斷事件的發(fā)生。中斷事件啟動計(jì)時器工作。當(dāng)通過串口中斷方式接收到IMU數(shù)據(jù)時，讀取計(jì)時器的值，即可得到IMU數(shù)據(jù)相對于PPS的延遲時間Δτ。

結(jié) 語

本文基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)的室外移動機(jī)器人組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)，通過接口的擴(kuò)展使得該款定位系統(tǒng)能夠接入IMU、GNSS接收機(jī)、氣壓計(jì)三路信息，完成初步導(dǎo)航定位服務(wù)功能。同時，可作為多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備，將多路數(shù)據(jù)整合到一路高速輸出接口，用于進(jìn)一步的高精度導(dǎo)航解算。該系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設(shè)備，只要滿足RS232協(xié)議即可。筆者將其實(shí)際運(yùn)用，整個系統(tǒng)充分利用該款單片機(jī)的資源，結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導(dǎo)航定位服務(wù)的設(shè)備，還可作為多路數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

[1] 張宗麟. 慣性導(dǎo)航與組合導(dǎo)航[M].北京：航空工業(yè)出版社，2000：7-8.

[2] TEXAS INSTRUMENTS. MSP430x1xx Family User's Guide[EB/OL].[2014-01].http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau049f/slau049f.pdf.

[3] Measurement Specialties Inc. MS5803-02BA Miniature Altimeter Module[EB/OL]. [2014-01].http://www.meas-spec.cn/downloads/MS5803-02BA.pdf.

[4] Maxim Integrated Products. MAX3110E/MAX3111EDatasheet[EB/OL]. [2014-01].http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX3110E-MAX3111E.pdf.

[5] 郝振海, 黃圣國. 高精度氣壓高度表的研制[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報, 2009, 41(1): 134-138.

吳平(碩士研究生)，主要研究組合導(dǎo)航技術(shù)；張海(副教授)，主要從事導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域和智能交通領(lǐng)域的研究工作。

Wu Ping，Zhang Hai

(Science and Technology on Aircraft Control Laboratory, Beihang University, Beijing 100191, China)

The paper designes an outdoor mobile robot autonomous positioning system based on MSP430F149 microcontroller.The system applies the method of simulation SPI timing by GPIO pin to extend interface circuit, and the system focuses on solving the problem of lack of interface resources in the microcontroller, which can effectively complete the robot navigation services by accessing the satellite navigation receiver and inertial measurement unit, as well as the barometer. At the mean time the raw measured informations can be output for further precision navigation.In addition, this system solves the running problem of barometer MS5803-02BA which caused by negligences in the “user guide”.The conversion from pressure to height is also achieved by piecewise linear the function of pressure and height.The engineering solutions of aligning GNSS data and IMU data are given at last.

MSP430F149;multi-channel data acquisition; integrated navigation; time alignment

TP332

A

迪娜

2013-01-12)