專利名稱：Gps、imu、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種GPS、MU、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置。
背景技術：
GPS是指基于全球衛星導航信號的實時動態高精度定位技術，通過單個或者參考站網絡的差分信號提供，基于特定的差分解算計算模型，用戶端實時地獲得真三維地球空間坐標。主要適用于室外定位場合。MEMS:Micro Electro Mechanical systems的縮寫，即微電子機械系統。指對微米/納米材料進行設計、加工、制造、測量和控制的技術。它可將機械構件、光學系統、驅動部件、電控系統組合為一個整體單元的微型系統。這種微電子機械系統不僅能夠采集、處理與發送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據外部的指令采取行動。系統組合:是在系統工程科學方法的指導下，根據用戶需求，優選各種技術和產品，將各個分離的子系統連接成為一個完整可靠經濟和有效的整體，并使之能彼此協調工作，發揮整體效益，達到整體性能最優。無縫定位:Seamless positioning,是指在任何環境或場合、任何時間，基于多種空間信息傳感器，通過特定終端設備獲取真三維空間坐標位置、速度、姿態等參數的技術，主要滿足于室內/外任意切換過渡的定位情景。GPS地面增強系統:是指通過建設分布在全球/區域的若干個衛星導航地面參考站，進行合理組網，對全球衛星導航信號進行實時接收、處理，并形成有效的服務如精密星歷、鐘差、電離層改正、差分電文等，再而通過計算機網絡、移動通信網絡等高效傳輸技術，發播至廣大用戶。
IMU:1nertial Measurement Unit,是指測量物體三軸姿態角(或角速率)以及加速度的裝置，一般一個頂U包含了三個單軸的加速度計和三個單軸的陀螺，測量物體在三維空間中的角速度和加速度，并以此解算出物體的姿態。在導航中用著很重要的應用價值。高精度無縫定位技術主要解決的問題就是在各種環境以及場合中，都能夠提供高精度的定位結果以供后續的導航運用需求。結合目前的實際技術環境進行分析，本技術的實現重點就在于充分利用廣泛存在的如GPS、W1-F1、ZIGBEE等成熟且能夠提供高精度定位結果的無線電定位技術作為基礎，結合技術實現難度較高的慣性導航技術在無線電定位信號盲區對裝置載體的運動姿態、運動速度等進行采集并解算得到盲區中的定位結果，再對兩種系統的定位結果進行融合處理，從而實現在任何環境、場合的應用情景中，實時地獲取用戶所關心的高精度位置、速度、姿態等參數。其背景技術主要分為以下兩類:
1、基礎定位技術:基礎定位是指在多數場合下能提供當前技術水平下最高精度定位結果的的定位系統，在目前主要就是指實時差分全球衛星導航系統(GPS RTD)。在天空無明顯遮擋、衛星信號良好的定位場合，通過已經固化的GPS手持機模塊，充分依托全球覆蓋的導航衛星信號，聯合GPS地面增強系統如連續運行參考站提供的高精度衛星差分改正信號，基于精密測量的載波相位測量值，利用差分技術，實現高達厘米量級的定位結果的輸出。但是這種技術對于衛星信號要求較高，雖在野外或開闊地域能夠提供高精度的定位結果，可一旦進入信號受遮擋、干擾，甚至無信號的區域，其精度將會受到極大影響，直至無法定位。2、輔助定位技術:輔助定位技術在這里具體指在基礎定位技術失效情況下所采用的延續定位結果的技術，目前普遍采用的就是捷聯慣性導航技術，通過融合陀螺儀以、加速度計以及磁阻計的數據，分別計算載體的運動姿態、運動速度，然后再計算得到位移矢量數據，從而得到定位結果。作為一種完全自主的、不依賴外界的導航技術，對于全環境適應型的應用，這一技術無疑是再合適不過的，它完全可以在基礎定位技術失效的環境中繼續運作，并持續提供定位結果。但從捷聯慣導誕生以來，由于此種技術在后期計算中需要進行2次積分，極小的誤差都會被不斷累積導致最后結果的千差萬別，所以一直無法被廣泛運用。目前，室外定位的場合及應用越發普遍且手段不多，主要都是以衛星定位為主的無線電定位系統，從簡單的個人/大眾電子消費品，如GPS/DR/C0MPASS組合的移動電話、PDA等手持終端，到復雜 的專業定位設備，如RTD接收機終端、多功能專業GPS手持機等。目前完成一套組合導航系統主要面臨有以下技術難點:
1、傳感器合理布局
組合導航系統中包含各種基于不同原理、不同技術的傳感器，比如基于MEMS原理的加速度計、陀螺儀、氣壓計，基于霍爾效應的磁力計，基于衛星系統的GPS模塊，基于無線電通信系統的ZigBee模塊,它們之間會產生十分顯著的互相干擾,例如ZigBee模塊的通信在布局設計考慮不全時會嚴重干擾磁力計，因此各個傳感器的合理布局安排是組合導航系統中的一項比較關鍵、比較重要的技術難點問題。2、模塊小型化
作為一套著眼于廣泛應用的組合導航系統，裝置的小型化勢在必行，但其自身所集成的傳感器的數量已經多于原來單一系統的導航裝置，再加上這些傳感器所需要的大量的外圍電路，使得模塊的小型化成為了另一個需要解決的技術難點。3、數據處理優化
由于組合導航系統所集成的傳感器數量眾多，導致數據量較傳統導航系統急劇增加，且眾多不同裝置輸出的數據又需要較高的同步性，故裝置的主控制器在裝置盡可能小型化的同時又盡量高效率的執行數據采集。因此，數據處理的任務也是本發明的一項技術要點。4、低功耗
由于本發明的裝置在實際運用中主要由電池進行供電，為了盡可能延長使用時間、增強裝置的實用性，在設計過程中必須考慮低功耗設計，如何在不減弱主要性能的情況下降低功耗也是本發明的一項技術要點。綜上所述，本發明可解決組合導航系統的傳感器合理布局、模塊小型化、數據處理優化以及低功耗等四個問題。
發明內容
本發明的目的在于提供了一種GPSUMU、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置，它具有環境適應強、定位精度高和低能耗的優點。本發明是這樣來實現的，它包括主控制單元、主線控制器、USART總線、I2C總線、SPI總線、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊、ZigBee模塊、低噪聲電源、電源轉換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發模塊，其特征在于電源轉換模塊輸出的低噪聲電源分別連接主控制單元、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊和ZigBee模塊，電源轉換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發模塊相連，主控制單元通過主線控制器分別連接USART總線、I2C總線、SPI總線和USART收發模塊，USART總線分別連接加速度計和磁力計，I2C總線分別連接陀螺儀和氣壓計，SPI總線分別連接GPS模塊和ZigBee模塊，USART收發模塊與RS-232芯片相連；所述的低噪聲電源的噪聲水平在IOHz到IOOkHz頻帶內，電源的輸出噪聲小于200uVrms。本發明的主要目的旨在組合目前的GPS定位系統，采用多種傳感器、采集運動數據進行定位的慣導系統/磁力計/氣壓計，從而實現實時無縫高精度高可靠定位導航。具體內容如下:
一般來說，進行GPS定位的必要條件是衛星數目不少于4顆，以完成導航定位計算，當衛星數少于4顆時候，GPS定位將無法得到定位結果；而即便衛星數大于4顆時，如果受到環境制約，GPS定位設備的接收天線受到遮擋、屏蔽等影響，使得衛星信號信噪比較低，一般認為在20dB-Hz以下的時候，也無法得到實用的定位結果。為了解決這個問題，本發明的做法就是使用一套以基于MEMS技術的傳感器件組成的慣性導航系統作為輔助手段，提供進行定位所必須的運動姿態、運動速度等參數，來解算得到無衛星信號的盲區中的繼續定位。慣性導航系統中的加速度計與陀螺儀分別采集三個坐標軸的線加速度、角速度，磁力計采集三軸地磁信息，氣壓計采集大氣壓力值，這些數據由主控制器分別從各個傳感器中獲取后，根據從GPS模塊取得的精確授時信息進行時間同步處理，打上時間標簽，而后一并打包，由主控制器向外傳輸。在這一組合裝置中，最大的改進是在傳統GPS定位裝置的基礎上進一步捆綁、集成更多、更豐富的傳感器，使得原本輸出的單一的GPS定位信息變為多源組合的各種可用于定位的數據的集合，令本裝置在GPS系統不可靠或無法運行時能夠依賴線加速度來計算運動幅度、角速度來計算運動姿態、地磁數據計算航向角、大氣壓數據計算海拔高度，從而繼續提供可靠的定位信息。在上述一系列組合的背后是硬件電路上的復雜集成，包括選擇性能合適的主控制器、設計能夠使傳感器運行在最低噪聲下的電源模塊、合理設計各個傳感器的外圍電路并布局、編寫能高效采集處理多傳感器數據的主控制器固件程序等。本發明的技術效果是:本發明結構緊湊，整體體積小型化、功耗低、數據處理速度快，采用多種傳感器聯合定位，不僅解決了單一定位模式的地理應用的局限性，還提高了定位精度和準確度。
圖1為本發明的結構方框示意圖。圖2為本發明的固件流 程方框示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明是這樣來實現的，它包括主控制單元、主線控制器、USART總線、I2C總線、SPI總線、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊、ZigBee模塊、低噪聲電源、電源轉換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發模塊，其特征在于電源轉換模塊輸出的低噪聲電源分別連接主控制單元、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊和ZigBee模塊，電源轉換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發模塊相連，主控制單元通過主線控制器分別連接USART總線、I2C總線、SPI總線和USART收發模塊，USART總線分別連接加速度計和磁力計，I2C總線分別連接陀螺儀和氣壓計，SPI總線分別連接GPS模塊和ZigBee模塊，USART收發模塊與RS-232芯片相連。其中裝置的主控制單元為32位微處理器，負責各個傳感器的數據采集、預處理、緩沖。電源轉換模塊:把外部輸入的主電源轉換成不同電壓，分別為裝置的各個部分供電。USART收發模塊與RS-232芯片:把主控制單元輸出的USART接口數據轉換為電腦可以直接采集的RS-232接口數據。加速度計:測量裝置在三個坐標軸上線加速度的傳感器。陀螺儀:測量裝置在三個坐標軸上角加速度的傳感器。磁力計:測量裝置在三個坐標軸上地磁強度的傳感器。氣壓計:測量裝置所處海拔位置大氣壓的傳感器。GPS模塊:利用GPS定位衛星，在全球范圍內實時進行定位的數據輸出模塊。ZigBee模塊:利用ZigBee無線通信系統，在小范圍內進行定位的數據輸出模塊。如圖2所示，任務處理、指派主進程:主控制器的基礎運行進程，提供對于不同任務的調度、指派、創建等功能。FIFO進程:先入先出緩存管理進程，負責對各種數據進行緩存管理。數據采集進程:負責安排主控制器分別對不同傳感器進行數據采集。數據上傳程序:具體實現把采集來的數據處理并打包上傳。數據采集程序:具體實現對各個傳感器進行數據采集。任務指派:主進程對不同程序進程指派具體操作。DMA總線:主控制器的高速內存直接訪問總線，負責在各個進程間傳送數據。中斷響應:在子程序發生錯誤時能以最高優先級及時告知主控制器。本裝置在使用多層電路板并大幅度提高元件布局密度的同時，使用把主控制器部分和傳感器部分分別設計兩塊電路板的方法，擴展垂直空間的利用率來盡可能縮小模塊的實際體積。在傳感器布局設計上，本發明分別進行了以下特殊設計:
1、對其他傳感器具有最大干擾的、需要進行無線數據發送的ZigBee模塊被安排在最角落且電路板背面的位置，盡可能的遠離了各個傳感器。2、對射頻噪聲十分敏感的GPS模塊射頻接收部分被安排在了遠離ZigBee模塊的另一個角落，同時也盡可能離開其他所有發出電磁噪聲的單元。3、對含鐵鎳鈷金屬成分十分敏感的磁力計被特別安排在電路板背面，以使其盡量不受其它器件的阻擋，能正確獲取地磁數據。在低功耗設計方面，本發明采用了 1+1電源的形式。針對傳感器應用的電源，傳統一般都是直接使用I級LDO進行電源轉換來為傳感器供電，以達到盡可能低的噪聲幅度，但是其在電壓轉換過程中浪費的功率十分巨大，使得系統總體功耗較大。 而本發明的1+1電源形式是指由DC-DC開關電源作為主電源轉換部分，把供電電壓先大致降至合適的水平；之后使用低噪聲、高共模抑制比的LDO從初級取電后分別為不同傳感器供電，以達到為傳感器提供純凈電流的目的。此部分的低噪聲電源的噪聲水平實際達到了在IOHz到IOOkHz頻帶內，電源的輸出噪聲小于200uVrms。DC-DC開關電源因其自身轉換效率較高，普遍達85%以上，所以很好的降低了系統總功耗；而其自身原理所導致的高頻開關噪聲又被下一級低噪聲、高共模抑制比的LDO濾除，使得整個電源模塊既取得了較高的效率，又提供足夠純凈的電流。系統的主供電電壓為5V，傳感器的輸入電壓要求為3.3V，系統運行時負載功率在1.3W至1.7W間。在本發明中，主供電先經由DC-DC開關電源轉換至3.6V，此級電源轉換電路的轉換效率為大于93% ;再由經由低噪聲LDO轉換至3.3V，此級電源轉換的效率為91.67%。電源的總轉換效率為85.25%，系統總功耗被有效控制在小于2W的水平。本發明這種1+1的結構在系統運行狀態總功耗僅為2W的情況下也能夠提供足以達到傳感器要求的噪聲幅度的電流。在數據優化處理方面，本發明的關鍵點在于盡可能高效地運用主控制器的全部資源。 首先，針對不同傳感器模塊，該發明分別采用了 3中不同速率的總線來進行連接、通信。針對采樣率最高、數據量最大的加速度計和陀螺儀，本發明采用了速率最高的SPI總線，采樣率及數據量中等的磁力計和氣壓計采用了速率適中的I2C總線，而采樣率最低、突發數據量大，需要有較好數據緩存能力的GPS及ZigBee模塊則采用了自帶硬件緩存區的USART總線。本發明這種針對外部傳感器的不同特點采用不同總線的方式極大程度的提高了對主控制器的資源的利用率，使得主控制器能夠同時操作多個不同傳感器，極大地減少了處理器的空閑等待時間。其次，數據傳輸盡可能采用DMA總線，DMA總線能夠直接在主控制器的不同外部總線與內存直接傳輸數據，無須主控制器介入，極大程度地解放了主控制器，使其能把更多的處理能力用于任務的調度、指派以及數據的處理當中，相當于完成了一種變相“多核”的系統設計。最后，高效、嚴謹的硬件+軟件FIFO緩存設計，使得系統采集的數據在第一時間先放入緩存區，隨后再按進入次序逐個輸出，在通過盡可能進行大帶寬傳輸數據來提高傳輸速度的同時，又極好地保證了數據的完整性。
權利要求
1.一種GPS、MU、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置，它包括主控制單元、主線控制器、USART總線、I2C總線、SPI總線、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊、ZigBee模塊、低噪聲電源、電源轉換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發模塊，其特征在于電源轉換模塊輸出的低噪聲電源分別連接主控制單元、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊和ZigBee模塊，電源轉換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發模塊相連，主控制單元通過主線控制器分別連接USART總線、I2C總線、SPI總線和USART收發模塊，USART總線分別連接加速度計和磁力計，I2C總線分別連接陀螺儀和氣壓計，SPI總線分別連接GPS模塊和ZigBee模塊，USART收發模塊與RS-232芯片相連。
2.如權利要求1所述的一種GPS、IMU、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置，其特征在于所述的低噪聲電源的 噪聲水平在IOHz到IOOkHz頻帶內，電源的輸出噪聲小于200uVrms。
全文摘要
一種GPS、IMU、磁力計和氣壓計組合導航系統裝置，其結構特點是電源轉換模塊輸出的低噪聲電源分別連接主控制單元、加速度計、磁力計、陀螺儀、氣壓計、GPS模塊和ZigBee模塊，電源轉換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發模塊相連，主控制單元通過主線控制器分別連接USART總線、I2C總線、SPI總線和USART收發模塊，USART總線分別連接加速度計和磁力計，I2C總線分別連接陀螺儀和氣壓計，SPI總線分別連接GPS模塊和ZigBee模塊，USART收發模塊與RS-232芯片相連。本發明結構緊湊，整體體積小型化、功耗低、數據處理速度快，采用多種傳感器聯合定位，不僅解決了單一定位模式的地理應用的局限性，還提高了定位精度和準確度。
文檔編號G01S19/49GK103217700SQ20131012175
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月10日 優先權日2013年4月10日
發明者郭杭, 余敏, 李文斌 申請人:南昌大學
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
