基于ARM技術的捷聯慣導系統信號降噪分析與設計

龍俊銘++王宏松

摘 要： 利用ARM技術，設計了捷聯慣導系統。為了提高慣導系統的穩定性，需要對陀螺信號的零位進行校正以及對漂移進行抑制。首先對加速度傳感器、磁場傳感器、陀螺輸出的信號進行采樣與濾波，尤其在對陀螺信號的處理過程中，需要設計一個高性能、低運算量的低通數字濾波器，并合理設計信號調理電路，以提高敏感器件的工作效率和有效抑制器件所引起的零位漂移。實驗結果表明，零位漂移≤0.1 （°）/s/h，其他的多項技術指標也達到了應用的標準。

關鍵詞： 傳感器； 捷聯慣性導航系統； 零位漂移； 陀螺儀； ARM； ADXRS300； FIR

中圖分類號： TN96?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）17?0072?03

Analysis and design of signal noise elimination for strapdown inertial

navigation system based on ARM technology

LONG Junming1， WANG Hongsong2

（1. Xiangnan University， Chenzhou 423000， China； 2. Chongqing Institute of Engineering， Chongqing 400056， China）

Abstract： The strapdown inertial navigation system （SINS） was designed by using ARM technology. To improve the stability of inertial navigation system， the zero position of the gyroscope signal is needed to correct， and the drift is restrained. Signals output from acceleration sensor， magnetic sensor and gyroscope should be sampled and filtered. A low?pass digital filter with high performance and low operation should be designed for processing the gyroscope signal， and the signal conditioning circuit is designed reasonably to improve operation efficiency of the sensitive components and restrain zero drift caused by the components effectively. The experimental results show that the zero drift≤0.1 （°）/s/h， and other technical indexes can achieve application standard.

Keywords： sensor； SINS； zero drift； gyroscope； ARM； ADXRS300； FIR

0 引 言

陀螺作為飛行設備中的關鍵部件，必須具有足夠的精度和較高的可靠性。因此，怎樣對陀螺信號進行零位校正以及抑制漂移，就成了一項非常重要的工作。傳統的方法是根據陀螺零位漂移的規律，預置漂移速率，再由漂移抑制算法消除零位漂移。若采用預置方式來抑制陀螺的零位漂移，則必須做大量的試驗，才能比較正確地得到陀螺的漂移規律，這種方法難度大、周期長， 結果會導致陀螺成本大幅度提高。而本設計所采用的陀螺型號是ADXRS300，iMEMS微機械陀螺儀是ADI公司正在發展的動態信號處理解決方案的一部分。iMEMS陀螺儀具有更高的可靠性、更低的功耗、更小的尺寸、更低的成本。本文從陀螺儀自身的特性和運載體工作的特點出發，對該方法的優點和應用時需要注意的問題進行分析并提出一種動態的快速校零方法。

1 ADXRS300陀螺隨機漂移的統計與數學模型

的建立

由大量的實驗可知，陀螺隨機漂移是一個隨機過程。在陀螺漂移測試中，每進行一次試驗，可以得出陀螺的零位漂移是一個緩變的直流分量，它隨時間的變化緩慢。根據陀螺的零位漂移這一特性，假設能夠從陀螺的輸出信號中提取這個直流分量，也就意味著可以找出陀螺的零位電壓。

陀螺隨機漂移由常值零漂和周期分量兩部分組成，陀螺的輸出信號還包括內部噪聲（白噪聲和有色噪聲）以及各種外部干擾[1]。陀螺漂移（用[ε]來表示）的單位為（°）/h，在初始對準時間內，可以用式（1）表示陀螺隨機漂移的模型：

[ε（t）=ε0+Asin（2πft+θ0）+q（t）+δ?n（t）+N（t）] （1）

式中：[N（t）]為有色噪聲；[n（t）]為高斯白噪聲，其強度為[δ；][q（t）]為量化噪聲；[A]為周期分量的振幅；[θ0]為初始相位，[ε0]為陀螺常值零漂。

本文所采用的是iMEMs微機械陀螺儀，該陀螺的數字模型參數可參考：[ε0]=2.5，[A=]0.3，[f=200] Hz，[θ0=π，][δ]=0.2，對于有色噪聲[N（t）]是白噪聲通過非線性系統后產生的，因此有色噪聲[N（t）]可用下式表示：

[N（t）=fn（t），n（t-1）=4n（t-1）×sin（n（t））1+n2（t）] （2）

因為ADXRS300陀螺的量程為[±300]（°）/s，比例因子在5 mV/（°）/s其量程在0～5.25 V之間，這里的捷聯慣性導航儀的陀螺信號是A/D轉化的芯片，型號為12位的AD7888。這樣模擬的噪聲[q（t）]為：

[q（t）=5212×n（t）] （3）

式中[n（t）]為高斯白噪聲。

圖1是通過實驗對iMEMS微機械陀螺儀的靜態輸出信號進行仿真試驗所得到的隨機漂移，其仿真長度為2 048，采用頻率為100 Hz。

2 ADXRS300陀螺信號的數字低通濾波器設計

數字濾波技術可以抑制載體的各種干擾信號，本文設計了FIR均值混合濾波，并用Matlab進行算法仿真，通過這種濾波方法降低iMEMs陀螺噪聲[2]。

FIR均值濾波是由5個FIR子濾波器組成，FIR的數字濾波器表達式為：

[y（n）=i=0Nh（i）?x（n-i）] （4）

式中：[N]為FIR濾波器的抽頭個數；[x（n）]為第[n]時刻的輸入樣本；[h（i）]為FIR濾波器第[i]級抽頭系數。[h（i）]可由式（5）求得：

[h（i）=4k-6i+2k（k+1），i=0，1，2，…，k] （5）

本文采用的是增長趨勢檢測FIR算法ITD（In Place Growing FIR Filter Based Trend Detection Algorithm），在此算法中，濾波器總的延遲是[2M+l，][M]表示濾波器的階數，[M]越大表示濾波的效果越好。3階FIR濾波器結構如圖2所示。

ITD算法結構提取算子：

[y（n）=x（n）y（n-1）=averagex（n），x（n-1），x（n-2）y（n-2）=average12x（n）+x（n-1），-x（n）+2?x（n-1），12x（n-3）+x（n-4），-x（n-3）+2?x（n-4）y（n-3）=average13x（n）+x（n-1）+x（n-2），13-2x（n）+x（n-1）+4x（n-2），13x（n-4）+x（n-5）+x（n-6），13-2x（n-4）+x（n-5）+4x（n-6]

試驗平臺在靜止的情況下，以1 600 Hz的采樣頻率記錄40%個iMEMs陀螺靜態漂移數據，并在Matlab下取2 000個數據濾波，基于增長趨勢檢測FIR算法ITD數據如圖3所示。

可見，經過ITD濾波后方差為0.001 28，噪聲水平為0.012 [（°）/s/Hz。]以此可以看出ITD算法濾波效果明顯，并可將ITD算法采用C語言程序實現。由于上述濾波算法執行32個點需要2.16 ms，算法執行的時間小于10 ms，完全滿足實時性的要求[3?4]。采用FIR均值混合濾波算法簡單，執行速度快，濾波器啟動后算法快速達到穩定，基本不存在窗口效應，因此無論是離線仿真還是在動態陀螺降噪系統應用中都取得了較好的效果，噪聲水平可以達到0.012 （°）/s[/Hz]。

3 ADXRS300陀螺信號處理系統的硬件和軟件

開發平臺

ADXRS300陀螺信號處理系統的核心是基于PHILIPS公司生產的ARM7芯片，型號為LPC2148，對陀螺信號進行實時采集處理，硬件框圖如圖4所示。在軟件仿真上，算法仿真由Matlab完成，Matlab憑借其功能強大的數值運算能力，可以使得抑制陀螺隨機漂移算法變得更加直觀[5]。

本文設計的捷聯慣性導航系統充分利用了LPC2148資源，整個系統共占用系統63%資源，圖5為整個捷聯慣性導航系統傳感器和處理電路的PCB圖。

圖5中所標注的是[X，][Y，][Z]三軸陀螺輸出信號，分別為[VX，][VY，][VZ，]經過AD7888后，LPC2148模擬出I2C接口，對AD7888進行讀取數據，并采取相應算法計算出三軸陀螺的凈輸出信號。

4 結 論

iMEMS微機械陀螺儀組合信號校正模塊制作完成后，裝入三軸陀螺組合，進行了反復多次試驗和測試，試驗證明其能夠較好地完成微機械陀螺零位校正和漂移抑制[6]，并達到了如下幾項技術指標：

測量的范圍為±300 （°）/s；分辨率≤0.03 （°）/s；靈敏度≤0.03 （°）/s；線性度≤0.2 （°）/s/g；零位電壓≤0.1 （°）/s；零位漂移≤0.1 （°）/s/h；工作溫度為-45°～85°。

參考文獻

[1] 程佩青.數字信號處理教程[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2] 李星海，劉勇，章瑜，等.小型低成本壓電陀螺組合信號校正模塊的研制[J].壓電與聲光，2005，27（6）：637?639.

[3] 金鈴.MEMS技術研究及應用[J].現代雷達，2004，26（12）：26?29.

[4] 張智永，范大棚，李凱，等.微機電陀螺零點漂移數據濾波方法的研究[J].中國慣性技術學報，2006，14（4）：67?69.

[5] 楊娟.基于DSP的MEMS陀螺信號降噪技術研究與實現[D].西安：西北工業大學，2007.

[6] 王巍.Matlab環境下的數字濾波器設計及其運用[D].蘇州：蘇州大學，2002.

[7] 陳旭光，楊平，陳意.MEMS陀螺儀零位誤差分析與處理[J].傳感技術學報，2012，25（5）：628?632.