基于MEMS傳感器的實時位置解算系統設計與實現

王曉娟，馬游春，索艷春，郭 淳

（中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051)

基于MEMS傳感器的實時位置解算系統設計與實現

王曉娟，馬游春，索艷春，郭 淳

（中北大學儀器與電子學院，山西 太原 030051)

為適應實際工程應用中導航系統小型化、低成本和高性能的要求，設計一種基于MEMS陀螺儀和加速度計的微慣性導航解算系統。綜合考慮系統成本、計算速度、體積功耗等各方面的因素，該系統以FPGA作為核心控制，用DSP完成導航解算，通過串口將解算結果回傳上位機進行姿態、速度、位置實時顯示，并進行實地跑車試驗。根據實際測試要求，完成系統在自檢、對準、導航3種不同狀態下DSP程序的編寫。實驗結果表明：基于DSP/FPGA的微慣導系統能夠滿足應用的要求，行車實驗中車輛行駛100s，最終位置誤差絕對值小于25m，實現實時位置解算系統的功能并縮小體積，降低成本。

微慣性導航；數據傳輸；實時性；MEMS傳感器

0 引 言

慣性導航以其既不需要外界信息，也不向外輻射信息，隱蔽性好的特點，成為導航領域的主要導航方式。隨著MEMS技術的發展，慣性導航技術進入到小型化、低功耗、低成本的時代，并廣泛應用于現代航天、航海、航空等領域。

目前國外在MEMS技術方面已經有了較深的研究，主要是向高準確度以及高集成度的方向發展，尤為突出的就是MEMS陀螺的發展。美國的Draper實驗室最早開始研究微慣性導航，并將微慣性導航與GPS導航組合起來，不僅將其應用于制導炮彈上，而且進一步發展，將其應用于城市地面作戰的單兵武器上，加強士兵的城市巷戰；integrated guidance system LLC利用Honeywell研究的矢量跟蹤算法和Rockwell Collins的抗干擾接收機，制造了組合導航系統，大量應用于無人機、微型飛行器等載體的導航[1-2]。但是在結構設計、電路構成、集成等技術方面仍存在諸多弊端，有待進一步解決。

而國內針對MEMS技術的研究起步較晚，經過多年的努力，雖然在微型慣性器件和慣性測量組合方面取得了很好的成效，但由于研究基礎薄弱，導致我國在技術方面跟國外相比還有一定的差距，主要體現在批量生產時性能的穩定性和器件的完好率方面。早期的SINS對系統的準確度要求不是很高，需要進行的數據處理不是很復雜，所以使用單處理器系統就可以滿足要求，多數使用Inter系列的處理器或是PowerPC作為導航計算機的核心[3-4]。但此類導航計算機體積和功耗很大，不僅不能滿足導航系統小型化的要求，而且由于其功耗大，產生的熱量會提高硬件平臺的溫度，影響導航系統的準確度。南京航空航天大學設計了一款導航計算機[5-6]，以單片機C8051F021作為控制系統實現數據的采集，以DSP TMS320VC5416為數據處理系統實現數據的復雜運算，其大小為80mm×80mm，功耗小于2 W，能夠實現GPS/INS組合導航系統對導航準確度的要求。西北工業大學和東南大學都制作完成了ARM+DSP的雙處理器導航計算機[7-8]，制作了高準確度、小體積、低功耗的組合導航系統。

基于目前MEMS慣性器件的發展現狀，本文主要是從該器件的體積、功耗、可靠性以及集成性等方面做了進一步研究，完成了基于DSP和FPGA的微慣性導航解算系統的硬件及軟件設計，并完善了上位機實時顯示軟件。在系統調試及測試過程中，系統軟硬件工作穩定可靠，實現了慣導系統的基本功能。

1 總體方案設計

該系統的硬件平臺主要由DSP+FPGA架構而成，DSP專注于捷聯算法解算，FPGA負責控制整個系統的精確時序邏輯，配合DSP豐富的外部中斷資源，實現導航信息的實時提取、解算和輸出。系統總體設計框圖如圖1所示，該慣性測量單元由3個單軸陀螺儀和3個單軸電容式加速度計組成，在系統結構兩兩正交的3個平面上，每個平面安裝1個加速度計和1個陀螺儀。微慣性測量單元采集到的6路模擬電壓信號經過信號調理模塊后進入A/D采集模塊進行模數轉換，轉換完成后將數字化的導航信息存入A/D內部自帶FIFO中，一旦FPGA檢測到模數轉換完成，觸發DSP中斷，隨后DSP將轉換完成的數字信號讀入，采用“四元數”法進行姿態解算，通過比力變換、積分運算確定載體的姿態、速度、位置信息[9-10]。DSP的寫信號與FPGA相連，DSP響應FPGA的中斷，將解算結果寫入FPGA的2個FIFO中。FPGA將DSP回傳的導航解算結果從FIFO2中取出寫入外接Flash，同時通過模擬串口將FIFO1中數據上傳至上位機進行實時顯示。外接Flash保存了導航解算的原始數據，便于實驗結束后實驗數據的記錄與分析。

2 系統硬件設計

圖1 總體設計框圖

該系統主要由電源模塊，數據采集解算模塊，串口通信模塊構成。系統以FPGA為主控單元，通過FPGA豐富的邏輯功能進行精確的時序控制，配合DSP在數據處理方面快速、高精度的優勢及其豐富的中斷資源，進行了多種導航信息之間的相互融合，實現了導航系統姿態、速度、位置的實時解算。其中，FPGA完成了對整個系統的時序邏輯控制、中斷信號控制、數據的緩存和模擬串口進行外部通信。

2.1 電源模塊

本系統采用外接電源供電，由于供電電源與A/D轉換芯片內部基準電壓是緊密相連的，基準電壓噪聲電平的大小決定了ADS的采樣精度，所以為了提高采樣精度，選用TI公司生產的高功率、高性能、低噪聲電壓轉換芯片REG104-5，輸出噪聲峰-峰值小于33μV，滿足本設計需求。REG104-5輸出端與2片MAX8882級聯，將5 V穩壓電源轉換為FPGA工作所需的3.3V和2.5V以及DSP工作所需的3.3V和1.8V。微慣性測量傳感器和ADS8365等芯片則直接由REG104-5的5 V穩壓輸出供電，電源模塊原理圖如圖2所示。

2.2 數據采集及解算模塊

為實現對微慣性傳感器的高精度數據采集，設計了以OPA4340為運算放大器，2片6路輸入、16位高精度輸出的ADS8365為模數轉換器，Xilinx的XC2S30和DSP TMS320VC33為控制器的數據采集電路。由微慣性傳感器輸入的6路模擬信號和2路溫度信號經過濾波、放大處理后，通過ADS8365進行模數轉換，AD的工作模式設置為FIFO模式，量化后的數字信號以8位并行方式經由數據總線直接送入DSP中處理，保證了數據讀取的實時性。DSP通過計數器1給AD提供5kHz的HOLD信號（啟動轉換)，控制了該系統的采樣率為5kS/s；通過計數器0輸出5MHz的CLK信號作為AD的外部時鐘信號。當ADS8365工作在FIFO模式下時，判斷到/HOLD為低電平，則會啟動相應通道開始一次A/D轉換，轉換完成后會產生AD-EDC信號，經FPGA判斷后觸發DSP外部中斷/INT0，DSP將轉換結果讀出送入內部RAM中，數據采集階段完成。在A/D轉換結束后的第30μs打開中斷/INT2，把DSP解算后的結果送入FPGA內部FIFO中[11]。

2.3 串口通信模塊

本設計中，FPGA利用MAX232芯片將串口設備需要發送的TTL/CMOS電平與RS232電平進行相互轉換，將FPGA內部FIFO中的并行數據進行并串轉換后提供給上位機。串口數據傳輸的時鐘通過FPGA對系統時鐘（晶振時鐘)進行分頻得到，與上位機通信所采用的波特率一致（115200b/s)，實現了時鐘同步。

3 系統軟件設計

首先，將慣性傳感器所敏感到的電壓值通過標度因數和零點轉化為載體坐標系中的加速度和角速率的值，角速率積分得到姿態角，進一步處理得到載體坐標系與導航坐標系之間的姿態變換矩陣，通過姿態變換矩陣對四元數進行更新；然后將由加速度計敏感到的電壓值轉換得到的比力信息通過坐標變換得到導航坐標系下的比力信息，扣去重力分量的影響，再通過速度方程和位置方程，得到導航坐標系下的實時速度與位置信息[12-13]。TMS320VC33的導航參數解算流程圖如圖3所示。

圖2 電源模塊原理圖

圖3 DSP解算流程圖

4 實驗驗證

4.1 硬件平臺搭建

本系統進行了實物焊接與調試。電路板分為模擬板和數字板兩部分，電源轉換芯片、穩壓模塊、數據采集模塊在模擬板上；時序邏輯及中斷控制模塊FPGA和導航數據解算模塊DSP等在數字板上，模擬板與數字板通過打孔用線連接。本系統布板階段考慮了模擬信號與數字信號的隔離，一方面，通過合理布線和接地能有效抑制噪聲干擾；另一方面，將模擬部分與數字部分獨立為兩塊電路板，這樣既能顯著減小整個系統的體積，又能對信號的隔離起到一定作用。為了提高系統的穩定可靠性，將電路板放入鋁質結構中，DSP、FPGA、Flash、電源等各類接口通過軍座引出。

立足于實際工程項目背景，設計了以下跑車實驗流程。首先，通過工裝將微慣導系統與試驗車固連，保證微慣導系統與試驗車三維軸軸向重合。傾角傳感器通過串口與FPGA相連，并與微慣導系統安裝到同一平面上，以便后續初始姿態角的測量與裝訂。

微慣導系統上電并經過DSP程序初始化后，上位機通過串口向微慣導系統發送對準命令字，經過字符判定，DSP進入初始對準程序模塊，傾角傳感器給出的初始姿態角通過串口進行初始裝訂。初始對準階段結束后微慣性系統進行判斷，當讀到上位機發送的導航命令字時，DSP進入跑車導航程序模塊，完成ADC電壓信號到導航參數的轉換以及載體三維運動信息的實時解算，在上位機上實現載體運動信息的實時顯示[14]。

4.2 實驗結果分析

實驗在校園內進行，每次實驗均按照初始對準350s，跑車100s的流程進行，跑車路段可近似為直線。本文所設計的導航系統輸出的導航信息經過Matlab繪制成圖。其中，圖4依次是北、天、東3個方向上的速度隨時間變化圖；圖5是3個姿態角 （滾轉、航向、俯仰)隨時間變化圖；圖6依次分別是北、天、東3個方向解算出的載體位置隨時間變化圖。圖4～圖6在前350 s系統處于初始對準階段。在350s載體試驗車開始運動，各個導航數據正常輸出，反映在圖像上就是曲線的起伏變化。

校園實際經緯度為東經 112°53′，北緯 37°89′，100 s跑車實驗后，解算得到的經緯度起點與終點無明顯差異。取出5組實驗數據，實驗結果對比如表1所示。實驗表明該系統100s內位置誤差絕對值小于25 m，能夠滿足中低誤差導航系統的要求[15]。

圖4 跑車實驗三軸速度解算

圖5 跑車實驗三軸姿態角解算

圖6 跑車實驗三軸位置解算

表1 實驗結果對比

本文所設計的基于MEMS傳感器的實時位置解算系統大小為60mm×80mm，功耗為1.8W。與現有同類的研究結果對比，南京航空航天大學設計的導航計算機大小為80 mm×80 mm，功耗小于2 W[16]。從誤差上來講，兩者均能達到百秒位置解算誤差小于30m，但本文研究成果略優于國內同類型。

本系統基于FPGA+DSP架構，傳感器為MEMS慣性器件，在小體積、低成本、低功耗方面有突出優勢。同時，由于FPGA的多線程并行處理模式，使得本系統對數據的傳輸和讀寫能力增強，速度加快，優于一般CPU只有單片機的同類系統。

5 結束語

本文提出了一種DSP與FPGA相結合的微慣性導航系統的設計方案，FPGA可編程器件的使用簡化了電路設計，同時有效減輕了DSP的負擔，使其專注于導航計算與運動狀態判斷，提高了系統的集成度和可靠性。搭建了慣性測量組合，模擬數據采集模塊以及上位機實驗與顯示平臺，實地跑車實驗證明了該系統能夠滿足設計要求，由于MEMS傳感器的固有特性降低了系統的體積與成本，但是也限制了系統的導航準確度。下一步考慮將實驗系統與高準確度的母慣導系統搭載在同一實驗平臺做對比試驗，進一步驗證本設計能夠滿足導航系統一般準確度的定位定向需求，并在低成本、高性能、小型化等方面有很大優勢。

[1] 于華男，張勇，馬小艷.制導彈藥用MEMS慣性導航系統發展與關鍵技術綜述[C]∥中國慣性技術學會.微機電慣性技術的發展現狀與趨勢——慣性技術發展動態發展方向研討會文集.中國慣性技術學會，2011：32-36.

[2] 杜小菁，翟峻儀.基于MEMS的微型慣性導航技術綜述[J].飛航導彈，2014（9)：77-81.

[3] 李海洋.基于DSP和FPGA的多功能嵌入式導航計算機系統設計[D].南京：南京航空航天大學，2005.

[4]張志永，王鵬.嵌入式PC104測試儀的開發[J].工業控制計算機，2003，16（10)：28-29.

[5] 薛志宏，劉建業.基于DSP和單片機的雙CPU導航計算機設計[J].電子產品世界，2003（8)：54-57.

[6]QIN H L， CONG L， SUN X L.Accuracy improvement of GPS/MEMS-INS integrated navigation system during GPS signal outage for land vehicle navigation[J].Journal of Systems Engineering and Electronics，2012，23（2)：256-264.

[7] 龔柏春，李歲勞，顏開思，等.基于DSP和ARM的車載組合導航計算機設計[J].測控技術，2011，30（7)：101-104.

[8]LEE J，RHIM J.Temperature compensation method for the resonant frequency of a differential vibrating accelerometer using electrostatic stiffness control[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2012，22 （9)：95016-95026.

[9]BAHARIJ， FENG R， LEUNG A M.Robust MEMS gyroscope based on thermal principles[J].Journal of Microelectromechanical Systems，2014，23（1)：100-116.

[10]MIAO L，SHI J.Model-based robust estimation and fault detection for MEMS-INS/GPS integrated navigation systems[J].Chinese Journal of Aeronautics，2014，27（4)：947-954.

[11]許辰希.捷聯慣導系統慣性器件的溫度誤差補償[D].合肥：中國科學技術大學，2014.

[12]KING K，YOON S W，PERKINS N C，et al.Wireless MEMS inertial sensor system for golf swing dynamics[J].Sensors and Actuators A Physical，2008，141（2)：619-630.

[13]YANG Y X， LI J L， WANG A B， et al.Preliminary assessment of the navigation and positioning performance of BeiDou regional navigation satellite system[J].Science China（Earth Sciences)，2014，57（1)：144-152.

[14]郝曉明，李杰，黃玉崗.基于ADS8568的八路數據采集系統設計[J].傳感技術學報，2016，29（1)：150-154.

[15]劉秀鋒，李杰，侯利朋，等.高旋彈用慣性測量系統多量程傳感器組合設計[J].傳感器與微系統，2015，34（11)：82-84.

[16]戴陳靚.導航計算機測試系統的研究與實現[D].南京：南京航空航天大學，2014.

Design and implementation of real-time position solution system based on MEMS sensors

WANG Xiaojuan， MA Youchun， SUO Yanchun， GUO Chun
（School of Instrument and Electronics，North University of China，Taiyuan 030051，China)

In order to meet the requirements of miniaturization，low cost and high performance of navigation system in practical engineering applications，a micro inertial navigation solution system based on MEMS gyroscope and accelerometeris designed.In view ofthe system cost，computation speed， volume work loss and other aspects of factors， the system takes FPGA as the core control， uses DSP to complete the navigation solution， and passes back the solution results through serial port to the host computer for real-time display of posture，speed and position.Besides， field driving test is also carried out.According to the actual test requirements， the preparation of DSP program under self-test，alignment and navigation states is completed.Test results show that the micro inertial navigation system based on DSP/FPGA can meet application requirements， vehicles are driven for 100s during driven test， and the absolute error of the final position is less than 25 m.The function of the real-time position solution system is realized，the volume and the cost are reduced.

micro inertial navigation； data transmission； real-time；MEMS sensor

A

1674-5124（2017）10-0069-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.10.014

2016-12-08；

2017-02-10

山西省青年基金項目（2012021013-6)

王曉娟（1989-)，女，山西平遙市人，碩士研究生，專業方向為數據采集。

（編輯：商丹丹）