基于STM32的捷聯慣導系統軟硬件設計

任曉峰

（北京星網宇達科技股份有限公司，北京 100176）

0 引 言

本飛行姿態控制系統的慣性導航系統的陀螺儀、加速度計采用MEMS陀螺儀、MEMS加速度計。此設計慣性導航系統在經濟成本、設備體積大小、設備的質量大小方面更具有優勢，被廣泛地應用在軍事、民用的多個方面[1]。陀螺儀主要是用來測量幾個方位的角速率的大小；加速度計主要用來計算和測量慣性導航系統及相關載體之間存在的引力加速度、絕對加速度。然后通過相關的傳感器將測得這幾項數據指標發送到處理器中進行處理。

1 發展過程與國內外現狀

1.1 發展過程與國外現狀

慣性導航屬于一種先進的科學技術，20世紀才逐漸開始發展，最早出現在德國。當時德國科學家通過陀螺儀與加速器來設計火箭當中的慣性系統，用于火箭的定位。二戰后，美國與蘇聯也開始發展慣性技術，并且用于制造軍事武器，從而推動了慣性技術在軍事現代化中的發展，被應用在飛機、導彈、艦船中，促進了它們的高速發展與運用。20世紀50年代初期，美國研發出了具有穩定性的三軸陀螺慣性導航系統，進一步將導航技術推向新的臺階。接著20世紀50年代至20世紀60年代，慣性導航系統已經被廣泛應用在火箭發射、導彈、宇宙飛行器定位、艦船航行、測繪等領域。進入20世紀80年代，慣性導航系統開始融入在計算機控制技術中，并且推動了數學平臺的發展。20世紀90年代后，慣性導航系統開始被應用在各種運載體中。

計算機系統、電子線路、慣性儀表及各種精密機械儀器等的不斷發展與改進，各種繁雜技術、矯正技術等的軟件得以完善，進一步加大了慣性導航系統的運用，提高了其精度與可靠度。慣性導航系統現已在艦艇、潛艇、戰機、戰車、導彈以及人造衛星等各個領域中被廣泛應用，并且隨著經濟成本降低以及技術的普及，各式各樣的飛機、機器人、檢測設備等都對其要求更高。

近年來，雖然無線電導航、天文導航及衛星導航等技術不斷地發展，但是依然取代不了慣性導航系統所特有的作用與特點。尤其對于軍事領域，慣性導航系統始終處于主導地位。因此，慣性導航系統的性能會發展得越來越好，結構會更加優化。

1.2 國內現狀

20世紀50年代以來，我們國家開始逐漸研發慣性相關的儀表，到目前已經完成了導彈、衛星等慣性導航系統，并且已經投入了生產。運載火箭的成功發射，標志著我國慣性技術的發展已經有了一定的水平，具備了自主設計、研發、生產的能力。但是，與發達國家相比，我國的慣性導航技術與規模都還有很遠的距離，需要科研人員迎難而上，取得更大的進步。

2 主要組成元件

不同的慣性導航系統的組成存在一定的差異，而且同一類型的導航系統如果運載體不同，那么慣性導航系統的組成也會不同。本文以STM32平臺為基礎，設計出了一種用來監測體姿態的慣性導航系統。慣性導航系統的硬件組成包括陀螺儀、加速度計、采集與解算單元、電源單元及對外交互單元。

2.1 陀螺儀

本設計選用的是MEMS陀螺儀，實現測量載體的運動角速度。MEMS陀螺儀選用的是芯動聯科的MGZ206XHC，此器件的對外通信接口為4線全雙工SPI總線，陀螺儀作為SPI總線從設備。陀螺儀需要5 V數字電源、5 V模擬電源和3.3 V接口I/O電源三路電源供電。STM32通過物理層SPI總線實現數據讀取，首先讀取data_ready寄存器，當data_ready有效后，讀取角速度數據和溫度數據。數據讀取頻率可以達到2 000 Hz，滿足設計需求。

2.2 加速度計

本設計選用的是MEMS加速度計為芯動聯科的MAX535LC，此加速度計的測量范圍為±30 g，零偏重復性小于5 mg。加速度計內部集成了高精度模數轉換器，使得器件的分辨率達到0.004 mg。外部接口亦是SPI接口。數據讀取的流程類似于上述陀螺儀的讀取工程。數據讀取頻率同樣可以達到2 000 Hz，滿足設計需求。

2.3 采集與解算單元

慣性器件的采集單元負責完成原始數據的實時讀取和實時解包解算，本設計的采集頻率為1 000 Hz，由主控器STM32通過兩路SPI接口采集慣性數據。其中一路SPI接口負責順序采集3軸陀螺儀的角速度信息，另一路SPI接口負責順序采集3軸加速度計的加速度信息。STM32將收到的數據解包解算出慣性信息和溫度信息，再將數據按照協議要求打包送到導航解算系統。導航解算單元主要基于慣性器件的采集系統，對慣性數據進行補償運算和捷聯運算，輸出角速度、加速度、姿態、速度及位置等信息。

2.4 電源單元

選用隔離式DC-DC模塊，內部集成了輸出短路、輸出過流自恢復保護電路，2 000 V的隔離耐壓具有較寬的電壓輸入范圍9～36 V，滿足大部分供電標準。工作溫度范圍為-40～85 ℃，全溫的轉換效率達到85%以上。使用EMI電源濾波器，降低電磁干擾，同時電路上選用肖特基二極管和TVS二極管（P4SMA36CA），用來應對供電錯接和瞬態突波。此外，采用按照標準設計的EMC電路，將電磁兼容性的影響降到最低。圖1為隔離電源原理框圖。

圖1 隔離電源原理框圖

2.5 對外交互單元

數字通信接口均采用隔離式設計，通過隔離式電源模塊將內部數字地與外部隔離地隔離開。同時采用TI公司高速隔離芯片，轉換速率高達10 Mb/s，芯片隔離內部采用3.3 V供電，隔離外部采用5 V供電。在通信接口就近接入ESD防護器件，防止接口靜電對系統的影響。

3 工作原理與數學建模

3.1 工作原理

慣性導航技術屬于先進的一種導航方法，采用運載體的加速度來執行導航任務。由慣性定律可知，采用陀螺儀與加速度計來測量STM32平臺載體的慣性信息，然后按照積分運算來獲得導航的速度與位置[2]。

3.2 數學建模

3.2.1 坐標系的建立

（1）地理坐標系的建立

建立oxyz的地理坐標系，以地球表面為原點o，東方為x軸，北方為y軸，垂直向上為z軸。慣性導航系統在分析時使用最多的坐標系就是地理坐標系，隨著地球的轉動、運載體的運動而進行運動。

（2）平臺坐標系的建立

建立oxGyGzG的平臺坐標系，將陀螺儀、加速度計安裝到基于STM32平臺的姿態監測系統中。zp軸與STM32的平臺平面垂直，平臺北面是yp軸，平臺東面是xp軸。地理坐標系oxyz與平臺坐標系oxpypzp之間的夾角記為α、β、γ[3]。

（3）陀螺坐標系的建立

建立oxGyGzG的陀螺坐標系，不計算回路中的誤差和陀螺的安裝誤差的情況下，陀螺坐標系與平臺坐標系會發生重合，所以在具體的分析過程中，可采用平臺坐標系來代替陀螺坐標系。

3.2.2 數學模型

為了降低計算機程序的復雜程度以及轉換慣性導航系統的工作狀態，需要將慣性系統的各種工作狀態用數學模型進行表示，從而用一組程序方程式就能對慣性導航系統的工作狀態進行轉換。因此，建立統一的數學模型有利于對慣性系統的進一步研究，也有利于在程序上進行調試和運用。通過切實可行的數學模型在一定程度上減少了計算機的內存單元，使得設備更加簡潔、易操作。

4 仿真實驗與誤差

4.1 仿真實驗

對慣性導航系統進行模擬仿真一方面是在計算機上根據慣性導航系統的工作原理、特性、誤差、參數等來進行選擇，另一方面是通過慣性導航系統來控制計算機，從而進行仿真。后一種方式包括對參數進行調整、對程序進行驗證和測試。這兩種模擬仿真方式都是將數學模型運用在計算機上來實現結果，所以要將數學模式和計算機進行結合使用。

4.2 誤差分析

慣性導航系統比較復雜，所以容易產生誤差的地方也比較多。對慣性導航系統進行誤差分析，也即是對系統中涉及到的各個參數進行分析。在本次實驗研究中所涉及到的誤差來源包括陀螺漂移、加速度計以及其他的一些誤差，按照誤差的來源性質可以分為如下5種。

（1）慣性元件帶來的誤差。慣性導航系統的主要慣性元件包括陀螺儀、加速度計及磁羅盤。其中，陀螺儀可能造成的誤差包括漂移、力矩的標度[4]；加速度計可能造成的誤差包括零位、標度因素等。

（2）安裝過程中造成的誤差。平臺在安裝時的三環框的垂直度可能造成的誤差。

（3）初始值的設置誤差。在安裝加速度計時，由于加速度計測量的是平臺方向的加速度，如果剛開始的平臺初始角度與計劃的不相符，也會導致慣性系統本身的一個誤差。

（4）系統原理與計算方法造成的誤差。在慣性系統的數學建模過程中，所涉及到的各種運算公式以及在計算機中的算法和運算都可能帶來誤差。

（5）外界信息所造成的誤差。慣性系統在工作狀態轉換的過程中，由于設備的信息問題而導致在測量過程中所產生的誤差，也會使得慣性系統產生誤差。

5 系統的軟件設計

對于計算機控制系統，相關的硬件結構與配置非常重要，但更重要的是軟件設計與程序開發的技術。慣性導航系統必須采取微處理器來監視整個運行的環境與運用的導航設備，對各種事件進行及時而準確地響應。按照慣性導航系統所需要的功能來設計軟件系統，主要包括3個方面。

第一，軟件系統的接口。軟件系統的接口模塊是實現硬件數據流的輸入輸出，從采集信號、數據解包到數據傳輸，并且實現慣性導航系統的數據的對外輸出等。

第二，軟件系統的計算。慣性導航系統的運算主要包括慣性導航系統工作狀態時的測量、漂移、定標、初始對準等，從而實現定位功能。

第三，軟件系統的交互設置。系統的交互是人與計算機之間的交互，包括導航系統的航向、速度，硬件設備的位置、速度、各項參數值、加速度、時間、加速度計的零位及陀螺儀的漂移參數等。此外，還可以設置與顯示相關的工作狀態、工作方式及工作切換等。

6 結 論

本文是基于STM32平臺來設計的一個監測姿態的系統，硬件部分核心部件包括陀螺儀、加速度計、采集與解算單元、電源單元和對外交互單元。在本次體姿態系統的慣性導航系統中使用的是MGZ206XHC的陀螺儀和MAX535LC的加速度計。

在設計之前，先闡述了姿態慣性導航系統的工作原理，然后通過數學建模來呈現慣性導航系統的各種工作狀態，再通過仿真實驗的方式將建立的數學模型運用在STM32中進行實現，最后介紹了系統的軟件設計部分，實現導航數據運算處理，將矯正后的數據發送到控制系統中來實現相關的控制與操作。