低成本慣性多冗余導航控制一體機設計

牛志朝，任磊，賀韜，崔孟楠

（北京航天自動控制研究所，北京 100854）

0 引言

為了實現對室外智能體的穩定運動控制[1]，需要對其精確定位和定姿。現階段，普遍采用慣性/差分衛星組合導航系統進行定位和定姿，文獻[2]給出了一種四石英撓性加速度計和四光纖陀螺組成的多傳感器冗余捷聯慣性導航系統，文獻[3]研究了一種多冗余捷聯慣組配置優化與應用方案，采用慣性導航信息融合的方法，提升相應測量通道的穩定性和系統使用精度。文獻[4]設計了SINS/GPS 組合導航系統方案，并在ARM 平臺進行了設計與驗證。由于控制理論和計算機技術的發展，采用冗余配置技術提高導航系統的可靠性和精度成為慣性導航技術的發展方向[5-7]。雖然市面上組合導航種類眾多，但是普遍集成度低、體積大、價格偏高，不具備導航控制一體化功能，不能滿足實際需求。本文設計了一種低成本慣性多冗余導航控制一體機，給出了具體的軟硬件設計方法。穩壓電源單元、三冗余慣性/差分衛星組合導航定位單元和穩態運控單元的設計，實現了室外移動智能體的導航控制功能。

1 實現方案

慣性多冗余導航控制一體機主要由穩壓電源單元、三冗余慣性/差分衛星組合導航定位單元和穩態運控單元構成。系統結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統功能框圖

穩壓電源單元的開關電源MP2482DN 和線性電源JW29300U-3.3 為一體機提供穩定5 V 和3.3 V 的較大功率電源，3.3 V 電源紋波電壓峰峰不超過50 mV。

導航運算單元選用480 MHz 高性能浮點運算控制器STM32H7，通過SPI 星形拓撲總線結構與3 片六軸慣性芯片BMI088 通信，采集智能體的三軸陀螺角速度和三軸加速度進行導航解算，得到智能體的姿態；2 路串口分別與定位板雙向通信，實現智能體的定位和定向。

穩態運控單元采用低功耗控制器STM32F4，通過CAN 總線接口與智能體底盤雙向通信，實現運動控制和底盤的狀態監測；1 路串口實現與控制器STM32H7 的雙向通信，實現智能體的實時路徑規劃和導航。

導航運算單元和穩態運控單元通過無線網絡與上位機連接組成局域網，實現數據交換和狀態監測，可以實現工業園區或生活社區的全覆蓋。

2 硬件電路設計

2.1 穩壓電源單元

穩壓電源單元電路主要包括穩壓電路和過流保護電路兩部分。穩壓電路主要是獲得穩定的輸出電壓。過流保護電路主要是限制用電電路的超負載使用，避免線性電源芯片因過熱造成損壞。

穩壓電路部分LDO 電源的電流輸出能力為3 A，能夠滿足多負載的需求。

過流保護是電路設計中的很重要的部分，當負載發生重大變化時，可以將電源的輸出功率限制在額定范圍內，防止穩壓電路長時間過載使用，燒毀電路。

過流保護的具體電路如圖2 所示。

圖2 過流保護電路

上述電路中的MT9700 可以將3.3 V 的電源輸出限定在2 A 范圍，實際設計過程中可根據負載需求，調整設計，符合降額設計要求即可。

2.2 導航運算單元

為了提高系統導骯精度，選用三冗余慣性測量芯片BMI088[8]，為了降低系統的復雜度，通過SPI 星形拓撲總線結構與運算控制器STM32H7 進行通信，保證了實時性和一致性，避免了單一低成本微機械慣性測量元件帶來的精度降低和偶發失效造成導航失敗。BMI088 星形拓撲總線連接如圖3 所示。BMI088 參數表如表1 所示。

表1 BMI088 參數表

圖3 BMI088 SPI 星形拓撲總線連接（單片示意）

差分衛星流動站電路如圖4 所示，圖4 電路中的2 路串口分別與定位板雙向通信，實現智能體的定位和定向。差分衛星板選用雙天線UB482。

圖4 差分衛星流動站電路

2.3 穩態運控單元

2.3.1 底盤控制接口

CAN 總線接口與智能體底盤雙向通信，實現運動控制。一體機通過不同的節點下發控制指令，并接收底盤上報速度和運行狀態信息。CAN 總線控制接口如圖5 所示。

圖5 CAN 總線控制接口

2.3.2 TTL 串行通信接口

為了良好的通信可靠性，穩態運控單元和導航運算單元采用板間電纜的方式連接。同時，為了產品小型化節約空間，板間采用柔性扁平線纜接口，實現了產品的可操作性。

2.3.3 以太網通信接口

以太網通信接口選用PHY 網絡芯片LAN8720Ai 和網絡變壓器TG110-E050N5 實現網絡資源的電平轉換，實現網絡收發控制。因RMII 總線在同等傳輸效果情況下比MII 占用接口更少，因此本文采用RMII 方式。

為了實現產品冗余導航和穩態控制功能的快速集成和拆分，一體機的結構采用層疊可分離式結構。為實現上位機與一體機的功能搭配，在導航運算單元和穩態運控單元電路中均設計以太網通信接口，既滿足模塊化的需求，又為產品的可靠通信做了備份，可謂是一舉多得。

3 軟件設計

慣性多冗余導航控制一體機軟件包括多冗余慣性數據讀取與融合、慣性差分衛星組合解算、定位導航輸出、導引控制計算、遙控數據處理、控制指令生成與輸出、智能體狀態監測等，實現室外智能體的導航控制功能。軟件工作流程如圖6 所示。

圖6 軟件工作流程圖

智能體從傳感器端感受外界信息，傳感器性能的精度和穩定性對智能體動作的正確性影響很大，所以得到傳感器的誤差模型，并將固有誤差補償后再輸入到智能體是實現其高精度導航控制的重要環節，因此需要引入對慣性傳感器的標定[9]。

3.1 IMU 標定

3.1.1 加速計刻度因數及零偏標定

加速度計的誤差模型A=SU+B，其中，UT=[uaxuayuaz]為加速度計的測量值，AT=[axayaz]為加速度計校準后各軸的值，S、B分別為加速度計比例因子和零偏。

利用多位置構造估計方程：

則最小二乘解為：

因此IMU 加速度計的刻度因數和零偏為：

3.1.2 陀螺儀零偏標定

陀螺儀零偏標定在靜止狀態下采集各個軸的輸出，并對測量值取均值從而獲取零偏值。

3.2 IMU 陀螺冗余輸出[11]

陀螺儀測量模型如式（10）所示：

式中，ωm為陀螺儀的測量值，Iω為真實的角速率，bg為陀螺儀的零偏，ng為測量高斯白噪聲，且：

3.3 導引控制設計

智能體的導引控制采用比例導引控制方法[12,13]，根據智能體與目標點位的方位差信息作為穩態控制單元的輸入，在綜合調度中心的監視和配合下，結合避障傳感器的信息，進行智能體的減速和躲避處理。

為避免打滑產生危險，在爬坡過程中提取坡面的角度[14-15]，采用防滑爬坡的控制方法，實現智能體的導引穩態控制。

4 試驗驗證

在46 m×22 m 的區域內進行智能體的導航控制試驗，智能體能夠按照調度中心的指令進行軌跡跟蹤控制，控制精度較好，位置誤差在0.1 m 內，只在衛星受到部分遮擋的情況下，位置精度控制在0.3 m 內，如表2 和表3 所示。

表2 位置誤差（X 向）（m）

表3 位置誤差（Y 向）（m）

從表2 與表3 對比來看，融合IMU 后的位置誤差在Y向有較大的改善，可以提高智能體在前進方向Y向上的可達性；同時在X向上也有較好的抑制效果，可以有效避免智能體脫離規劃軌跡，引起不必要的碰撞。

5 結論

本文介紹了基于STM32H7 和STM32F4 微控制器的多冗余六軸慣性芯片BMI088 的導航控制一體機的設計過程，首先對穩壓電源單元、導航運算單元和穩態運控單元等硬件電路進行了詳細的介紹，然后介紹了軟件工作流程及慣性器件標定和導航控制的軟件實現。最后通過試驗驗證了多冗余慣性傳感器對導航控制功能精度的改善效果，驗證了導航控制一體機的設計成果，可以用于智能體的高精度導航和穩態控制。