特種物品儲運記錄儀的設計與研究

摘 要： 特殊物品儲運記錄儀是能夠對車輛行駛速度、路線進行記錄存儲，并通過慣性器件自主導航的智能裝置。以往的儲運設備只能粗略記錄物品受沖擊力的狀況，針對這一問題，提出一種基于慣性導航系統的儲運記錄儀。實驗結果表明，設計的基于MEMS器件的捷聯式慣性導航系統能夠輸出滿足要求的載體瞬時速度、加速度、姿態、位置等，可以明顯加強危險品、敏感材料的運輸監控力度。

關鍵詞： 慣性導航； MEMS； 四元數法； 初始對準

中圖分類號： TN965.7?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）03?0131?04

Design and realization of transportation recorder for special goods

ZHANG Hai?ning， WANG Bo

（School of Electronics and Information Engineering， Xi’an Technological University， Xi’an 710032， China）

Abstract： In The special goods transportation recorder is an intelligent device which can record the vehicle speed and route， and realize autonomous navigation by inertial devices. The available transportation equipments can only make a rough record on the state when the goods is impacted. A transportation recorder based on inertial navigation system is proposed in this paper to solve this problem. The experimental results show that the designed SINS （strap down inertial navigation system） based on MEMS is able to output instantaneous velocity， acceleration， attitude， position， etc. It can significantly strengthen the monitoring of dangerous goods transportation.

Keywords： inertial navigation； MEMS； quaternion algorithm； initial alignment

0 引 言

本文首先根據四元數姿態角更新算法，求解慣性導航的姿態角，將MEMS器件的輸出結果經過濾波后進行比力變換與積分，求得位置參數。基于ARM處理器，本文描述了慣性導航系統的硬件設計方法，設計了基于ITG?3200陀螺儀、ADXL345加速度計、HMC5843電子羅盤的外圍電路。在導航軟件設計方面，采用了嵌入式Linux操作系統，詳細描述了MEMS器件數據采集，導航計算，位置信息輸出任務的設計方法。

1 導航系統硬件部分

1.1 導航處理器

主處理器承擔著大量數據運算以及實時處理的任務，它的選型尤為重要。本文采用韓國三星公司32位的RISC微處理器[1]S3C2440作為主處理器。S3C2440微處理器是一款由Samsung公司為手持設備設計的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微處理器。它適用于多種領域，比如嵌入控制、消費教育類多媒體、DSP和移動式應用等。

S3C2440微處理器基于ARM920T內核的，0.13 μm CMOS標準單元和存儲單元復合體。它功耗小，簡單，穩定的設計非常適合用于對電源要求較高的產品上。 它采用了新的總線構架（AMBA），提供了杰出的特性。因為其內核為32 b的先進處理器，ARM920T 實現了哈佛緩存體系構架，主頻可達到400 MHz。基于以上原因，S3C2440微處理器可承擔傳感器數據采集，導航數據運算，數據保存的任務。

1.2 MEMS器件選擇與外圍電路

慣性測量組合[2]（Inertial Measurement Unit，IMU）是慣性導航的硬件基礎。一般包含三軸正交的陀螺儀和三軸正交的加速度計，分別用來測量運載體的三自由度角運動和三自由度線加速度。在MEMS傳感器中，目前已經研究成熟的產品有壓力、力矩、加速度、流量、磁場、溫度等。本文選擇MEMS加速度計、陀螺儀和電子羅盤。

MPU?6050對陀螺儀和加速度計分別采用了3個16位的ADC，為了精確跟蹤快速和慢速的運動，傳感器測量范圍可控，為±250 （°）/s，±500 （°）/s，±1 000 （°）/s，加速度可測范圍為±16 g。

圖1 陀螺儀電路圖

電子羅盤是通過地磁場來確定方向的傳感器。霍尼韋爾公司的數字羅盤芯片HMC5843可測出三個軸向的地磁強度信息，進而可以計算出運動物體從北方算起的航向角。

1.3 硬件總體設計

所選用的運動傳感器MPU?6050和數字羅盤HMC5843均可掛接在S3C2440C處理器的I2C總線上，無需復雜的信號調理電路，其結構圖[3]如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

2 導航算法

2.1 捷聯慣導系統的基本原理

捷聯式慣性導航系統（SINS）是指慣性傳感器沒有經過物理平臺進行載體角運動的隔離，而是直接將陀螺儀和加速度計安裝在載體上，采用計算機導航平臺完成制導，其系統原理圖如圖3所示。

陀螺儀測得的角加速度是載體坐標系相對導航坐標系轉動的加速度在載體坐標系三軸上的投影[ωbnb。]加速度計測得的數據是根據載體坐標系相對慣性坐標系運動加速度在載體坐標系三軸上的投影[fbib。]捷聯式慣導中的導航計算是在導航坐標系中完成[ωbin]的，因此，需要將慣性元件在載體坐標系中的測量值轉換到慣性坐標系中。這種轉換需要捷聯矩陣完成。捷聯矩陣通過數學平臺計算得到的，具體方法是利用陀螺儀值，減去導航計算機計算出的導航坐標系相對于慣性坐標系轉動的角速度在載體坐標系中的投影[ωbin，]得到載體坐標系相對于導航坐標系轉動的角速度在載體坐標系中的投影，進而得出姿態矩陣，得到姿態矩陣后，就可以把加速度計輸出的載體的比力信息轉換到導航坐標系軸向，方便展開后續計算。

2.2 四元數基本理論

姿態解算[4]屬于慣性導航的核心部分。如果姿態解算能夠實時地反應出車輛的狀態，那么對于速度位置測算而言就相對比較容易。姿態轉化有很多種表示方法，例如歐拉角法、方向余弦矩陣法、四元數法、旋轉矢量法等。本文采用的是應用廣泛的四元數法，而旋轉矢量法則是一種基于四元數法的改進四元數法。

四元數本是用于描述四維空間向量的一種方法，對于他的線性變換也就是在四維空間中的拉伸和旋轉，顯而易見，我們用四元數的向量乘法來表示三維空間中的旋轉是綽綽有余的。

根據歐拉定理，作定點旋轉運動的剛體內存在惟一固定的轉軸[U，]圍繞該轉軸以惟一確定的轉角[?，]使得剛體由坐標系[a]旋轉到坐標系[b，]設[u]為單位矢量，[ξ]是圍繞[U]的轉角，定義四元數為：

x2.4 系統仿真

捷聯慣性導航[6]系統的研究、設計、分析可以先采取計算機仿真的方法進行驗證。這樣做的目的是排除硬件系統本身的誤差對算法的驗證造成的干擾。這些誤差的存在不利于對捷聯慣性導航系統及其核心捷聯算法的調試和分析。為此，在本文提出的慣性導航研究中，先進行仿真。

本文利用Matlab/GUI工具箱存儲車輛運行中產生的各項數據，對四元數算法以及速度求解過程進行仿真，為后面軟硬件設計提供堅實的基礎。

Matlab是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境。

本文將加速度計和陀螺儀輸出的數據由單片機采集，通過串口發送給PC機。Matlab將這些數據以txt文件的形式記錄并存儲下來。仿真的結果與真實的行駛軌跡相比較，從而判斷數學模型的合理性以及算法的正確性。

慣性導航系統是一種航位推算系統[7]，運行時需要標定10個初始條件：2個初始位置坐標，2個初始速度坐標，3個平臺失準角，3個平臺失準角速度。微分方程的解和初始條件緊密相關，慣性導航的精度和初始條件的準確性更是密不可分。因此，必須明確標定加速度計測量軸相對重力加速度矢量的方向和真北方向，以及運載體的初始位置和初始速度。

表1 慣性導航初始值設定

[初始高度 /m＼加速度常量 /（m/s）＼自轉角速度 /（rad/s）＼0＼9.780 327＼7.292 115×10-5＼地球長軸 /m＼地球扁率＼載體初始速度 /（m/s）＼6 378 137＼[1298.257]＼0＼]

3 軟件設計

根據嵌入式軟件的開發特點，首先完成引導程序設計[8]、操作系統內核移植以及根文件系統制作三個步驟。內核的大小對目標系統的穩定性和運行效率有著至關重要的作用。內核的裁剪需要針對目標硬件系統。針對導航硬件系統，內核支持：ARM處理器、Frame Buffer設備、ext2文件系統、串口設備等。對于可能用到的功能或各有側重的相似功能可設置成加載模塊。

在創建了rootfs目錄[9]后，在該目錄下按照文件系統的組織結構建立子目錄。通過busybox的配置，在bin目錄下實現了shell命令和支持庫，并配置后續所需的文件編輯、數據壓縮等工具。在完成對配置文件的修改后，通過mkcramfs工具來制作cramfs根文件系統。

在應用程序看來，硬件設備只是一個設備文件，應用程序可以如同操作普通文件一樣對硬件進行操作。它的功能是對設備初始化，把數據從內核傳送到硬件并讀取硬件數據；讀取程序傳送給設備文件的數據并回傳程序請求的數據。

根據上面的電氣連接關系可以看出，要想操作MCU?6050，必須要做兩方面的驅動。

（1） S3C2440中I2C控制器的驅動，有了這部分驅動，才可以操作控制器來產生I2C的時序信號，來發送數據和接收數據。

（2） MCU?6050的驅動，有了這部分驅動，才能使用控制器正確操作芯片，從而讀取和存放數據。

在Linux系統中，對上述第（1）的實現稱為I2C總線驅動[10]，對第（2）的實現稱作I2C設備驅動[7]。一般來說，如果CPU中集成了I2C控制器并且Linux內核支持這個CPU，那么總線驅動方面不用另做改動，內核已經完成了這部分的功能。但如果CPU中沒有I2C控制器而是外接，那么就需要自己實現總線驅動。本文選用的S3C2440微處理器具有I2C控制器，所以只需編寫MCU?6050的驅動程序即可。利用Qt制作操作界面，選擇軌跡顯示選項，輸入當地經緯度參數，即可顯示出行駛軌跡，完成導航任務。如圖4所示。

4 結 語

本文在三星S3C2440 ARM9處理器的基礎上，分別采用MPU?6050、電子羅盤HMC5843設計了捷聯式慣性導航硬件系統。結合慣性導航算法，在Matlab中建立了數學模型，并進行了車輛的運行軌跡仿真。同時將仿真軌跡與事先設定的行駛軌跡函數相比較，得出了導航算法可行的結論。軟件方面給出了嵌入式Linux操作系統移植的過程以及設備驅動開發的過程。32位的ARM9處理器極高的運算速度完全符合導航算法大運算量的需求，ARM9豐富的接口特性使得本文設計的導航系統可方便地移植到其他平臺上，進而參與組合導航的使用。

參考文獻

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