專利名稱：Gps、imu、磁力計和氣壓計組合導(dǎo)航系統(tǒng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GPS、MU、磁力計和氣壓計組合導(dǎo)航系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
GPS是指基于全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號的實時動態(tài)高精度定位技術(shù)，通過單個或者參考站網(wǎng)絡(luò)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(biāo)。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(tǒng)。指對微米/納米材料進行設(shè)計、加工、制造、測量和控制的技術(shù)。它可將機械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動部件、電控系統(tǒng)組合為一個整體單元的微型系統(tǒng)。這種微電子機械系統(tǒng)不僅能夠采集、處理與發(fā)送信息或指令，還能夠按照所獲取的信息自主地或根據(jù)外部的指令采取行動。系統(tǒng)組合:是在系統(tǒng)工程科學(xué)方法的指導(dǎo)下，根據(jù)用戶需求，優(yōu)選各種技術(shù)和產(chǎn)品，將各個分離的子系統(tǒng)連接成為一個完整可靠經(jīng)濟和有效的整體，并使之能彼此協(xié)調(diào)工作，發(fā)揮整體效益，達到整體性能最優(yōu)。無縫定位:Seamless positioning,是指在任何環(huán)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(shè)備獲取真三維空間坐標(biāo)位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)的技術(shù)，主要滿足于室內(nèi)/外任意切換過渡的定位情景。GPS地面增強系統(tǒng):是指通過建設(shè)分布在全球/區(qū)域的若干個衛(wèi)星導(dǎo)航地面參考站，進行合理組網(wǎng)，對全球衛(wèi)星導(dǎo)航信號進行實時接收、處理，并形成有效的服務(wù)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(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等高效傳輸技術(shù)，發(fā)播至廣大用戶。

IMU:1nertial Measurement Unit,是指測量物體三軸姿態(tài)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(tài)。在導(dǎo)航中用著很重要的應(yīng)用價值。高精度無縫定位技術(shù)主要解決的問題就是在各種環(huán)境以及場合中，都能夠提供高精度的定位結(jié)果以供后續(xù)的導(dǎo)航運用需求。結(jié)合目前的實際技術(shù)環(huán)境進行分析，本技術(shù)的實現(xiàn)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(jié)果的無線電定位技術(shù)作為基礎(chǔ)，結(jié)合技術(shù)實現(xiàn)難度較高的慣性導(dǎo)航技術(shù)在無線電定位信號盲區(qū)對裝置載體的運動姿態(tài)、運動速度等進行采集并解算得到盲區(qū)中的定位結(jié)果，再對兩種系統(tǒng)的定位結(jié)果進行融合處理，從而實現(xiàn)在任何環(huán)境、場合的應(yīng)用情景中，實時地獲取用戶所關(guān)心的高精度位置、速度、姿態(tài)等參數(shù)。其背景技術(shù)主要分為以下兩類:
1、基礎(chǔ)定位技術(shù):基礎(chǔ)定位是指在多數(shù)場合下能提供當(dāng)前技術(shù)水平下最高精度定位結(jié)果的的定位系統(tǒng)，在目前主要就是指實時差分全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS RTD)。在天空無明顯遮擋、衛(wèi)星信號良好的定位場合，通過已經(jīng)固化的GPS手持機模塊，充分依托全球覆蓋的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，聯(lián)合GPS地面增強系統(tǒng)如連續(xù)運行參考站提供的高精度衛(wèi)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(shù)，實現(xiàn)高達厘米量級的定位結(jié)果的輸出。但是這種技術(shù)對于衛(wèi)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(jié)果，可一旦進入信號受遮擋、干擾，甚至無信號的區(qū)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(shù):輔助定位技術(shù)在這里具體指在基礎(chǔ)定位技術(shù)失效情況下所采用的延續(xù)定位結(jié)果的技術(shù)，目前普遍采用的就是捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)，通過融合陀螺儀以、加速度計以及磁阻計的數(shù)據(jù)，分別計算載體的運動姿態(tài)、運動速度，然后再計算得到位移矢量數(shù)據(jù)，從而得到定位結(jié)果。作為一種完全自主的、不依賴外界的導(dǎo)航技術(shù)，對于全環(huán)境適應(yīng)型的應(yīng)用，這一技術(shù)無疑是再合適不過的，它完全可以在基礎(chǔ)定位技術(shù)失效的環(huán)境中繼續(xù)運作，并持續(xù)提供定位結(jié)果。但從捷聯(lián)慣導(dǎo)誕生以來，由于此種技術(shù)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(dǎo)致最后結(jié)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(yīng)用越發(fā)普遍且手段不多，主要都是以衛(wèi)星定位為主的無線電定位系統(tǒng)，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(fù)雜 的專業(yè)定位設(shè)備，如RTD接收機終端、多功能專業(yè)GPS手持機等。目前完成一套組合導(dǎo)航系統(tǒng)主要面臨有以下技術(shù)難點:
1、傳感器合理布局
組合導(dǎo)航系統(tǒng)中包含各種基于不同原理、不同技術(shù)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(yīng)的磁力計，基于衛(wèi)星系統(tǒng)的GPS模塊，基于無線電通信系統(tǒng)的ZigBee模塊,它們之間會產(chǎn)生十分顯著的互相干擾,例如ZigBee模塊的通信在布局設(shè)計考慮不全時會嚴(yán)重干擾磁力計，因此各個傳感器的合理布局安排是組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的一項比較關(guān)鍵、比較重要的技術(shù)難點問題。2、模塊小型化
作為一套著眼于廣泛應(yīng)用的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，裝置的小型化勢在必行，但其自身所集成的傳感器的數(shù)量已經(jīng)多于原來單一系統(tǒng)的導(dǎo)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(shù)難點。3、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化
由于組合導(dǎo)航系統(tǒng)所集成的傳感器數(shù)量眾多，導(dǎo)致數(shù)據(jù)量較傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)急劇增加，且眾多不同裝置輸出的數(shù)據(jù)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(zhí)行數(shù)據(jù)采集。因此，數(shù)據(jù)處理的任務(wù)也是本發(fā)明的一項技術(shù)要點。4、低功耗
由于本發(fā)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(shè)計過程中必須考慮低功耗設(shè)計，如何在不減弱主要性能的情況下降低功耗也是本發(fā)明的一項技術(shù)要點。綜上所述，本發(fā)明可解決組合導(dǎo)航系統(tǒng)的傳感器合理布局、模塊小型化、數(shù)據(jù)處理優(yōu)化以及低功耗等四個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種GPSUMU、磁力計和氣壓計組合導(dǎo)航系統(tǒng)裝置，它具有環(huán)境適應(yīng)強、定位精度高和低能耗的優(yōu)點。本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)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(zhuǎn)換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發(fā)模塊，其特征在于電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發(fā)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(fā)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(fā)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(nèi)，電源的輸出噪聲小于200uVrms。本發(fā)明的主要目的旨在組合目前的GPS定位系統(tǒng)，采用多種傳感器、采集運動數(shù)據(jù)進行定位的慣導(dǎo)系統(tǒng)/磁力計/氣壓計，從而實現(xiàn)實時無縫高精度高可靠定位導(dǎo)航。具體內(nèi)容如下:
一般來說，進行GPS定位的必要條件是衛(wèi)星數(shù)目不少于4顆，以完成導(dǎo)航定位計算，當(dāng)衛(wèi)星數(shù)少于4顆時候，GPS定位將無法得到定位結(jié)果；而即便衛(wèi)星數(shù)大于4顆時，如果受到環(huán)境制約，GPS定位設(shè)備的接收天線受到遮擋、屏蔽等影響，使得衛(wèi)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(jié)果。為了解決這個問題，本發(fā)明的做法就是使用一套以基于MEMS技術(shù)的傳感器件組成的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)作為輔助手段，提供進行定位所必須的運動姿態(tài)、運動速度等參數(shù)，來解算得到無衛(wèi)星信號的盲區(qū)中的繼續(xù)定位。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的加速度計與陀螺儀分別采集三個坐標(biāo)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(shù)據(jù)由主控制器分別從各個傳感器中獲取后，根據(jù)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(biāo)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(tǒng)GPS定位裝置的基礎(chǔ)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?yōu)槎嘣唇M合的各種可用于定位的數(shù)據(jù)的集合，令本裝置在GPS系統(tǒng)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(tài)、地磁數(shù)據(jù)計算航向角、大氣壓數(shù)據(jù)計算海拔高度，從而繼續(xù)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(fù)雜集成，包括選擇性能合適的主控制器、設(shè)計能夠使傳感器運行在最低噪聲下的電源模塊、合理設(shè)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(shù)據(jù)的主控制器固件程序等。本發(fā)明的技術(shù)效果是:本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，整體體積小型化、功耗低、數(shù)據(jù)處理速度快，采用多種傳感器聯(lián)合定位，不僅解決了單一定位模式的地理應(yīng)用的局限性，還提高了定位精度和準(zhǔn)確度。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)方框示意圖。圖2為本發(fā)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(fā)明是這樣來實現(xiàn)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(zhuǎn)換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發(fā)模塊，其特征在于電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發(fā)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(fā)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(fā)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(zé)各個傳感器的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、緩沖。電源轉(zhuǎn)換模塊:把外部輸入的主電源轉(zhuǎn)換成不同電壓，分別為裝置的各個部分供電。USART收發(fā)模塊與RS-232芯片:把主控制單元輸出的USART接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電腦可以直接采集的RS-232接口數(shù)據(jù)。加速度計:測量裝置在三個坐標(biāo)軸上線加速度的傳感器。陀螺儀:測量裝置在三個坐標(biāo)軸上角加速度的傳感器。磁力計:測量裝置在三個坐標(biāo)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(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實時進行定位的數(shù)據(jù)輸出模塊。ZigBee模塊:利用ZigBee無線通信系統(tǒng)，在小范圍內(nèi)進行定位的數(shù)據(jù)輸出模塊。如圖2所示，任務(wù)處理、指派主進程:主控制器的基礎(chǔ)運行進程，提供對于不同任務(wù)的調(diào)度、指派、創(chuàng)建等功能。FIFO進程:先入先出緩存管理進程，負責(zé)對各種數(shù)據(jù)進行緩存管理。數(shù)據(jù)采集進程:負責(zé)安排主控制器分別對不同傳感器進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)上傳程序:具體實現(xiàn)把采集來的數(shù)據(jù)處理并打包上傳。數(shù)據(jù)采集程序:具體實現(xiàn)對各個傳感器進行數(shù)據(jù)采集。任務(wù)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(nèi)存直接訪問總線，負責(zé)在各個進程間傳送數(shù)據(jù)。中斷響應(yīng):在子程序發(fā)生錯誤時能以最高優(yōu)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(shè)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(shè)計上，本發(fā)明分別進行了以下特殊設(shè)計:
1、對其他傳感器具有最大干擾的、需要進行無線數(shù)據(jù)發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)。在低功耗設(shè)計方面，本發(fā)明采用了 1+1電源的形式。針對傳感器應(yīng)用的電源，傳統(tǒng)一般都是直接使用I級LDO進行電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程中浪費的功率十分巨大，使得系統(tǒng)總體功耗較大。 而本發(fā)明的1+1電源形式是指由DC-DC開關(guān)電源作為主電源轉(zhuǎn)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(nèi)，電源的輸出噪聲小于200uVrms。DC-DC開關(guān)電源因其自身轉(zhuǎn)換效率較高，普遍達85%以上，所以很好的降低了系統(tǒng)總功耗；而其自身原理所導(dǎo)致的高頻開關(guān)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(tǒng)的主供電電壓為5V，傳感器的輸入電壓要求為3.3V，系統(tǒng)運行時負載功率在1.3W至1.7W間。在本發(fā)明中，主供電先經(jīng)由DC-DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換至3.6V，此級電源轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換效率為大于93% ;再由經(jīng)由低噪聲LDO轉(zhuǎn)換至3.3V，此級電源轉(zhuǎn)換的效率為91.67%。電源的總轉(zhuǎn)換效率為85.25%，系統(tǒng)總功耗被有效控制在小于2W的水平。本發(fā)明這種1+1的結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)運行狀態(tài)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(shù)據(jù)優(yōu)化處理方面，本發(fā)明的關(guān)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(fā)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(shù)據(jù)量最大的加速度計和陀螺儀，本發(fā)明采用了速率最高的SPI總線，采樣率及數(shù)據(jù)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(fā)數(shù)據(jù)量大，需要有較好數(shù)據(jù)緩存能力的GPS及ZigBee模塊則采用了自帶硬件緩存區(qū)的USART總線。本發(fā)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(shù)據(jù)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(nèi)存直接傳輸數(shù)據(jù)，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(wù)的調(diào)度、指派以及數(shù)據(jù)的處理當(dāng)中，相當(dāng)于完成了一種變相“多核”的系統(tǒng)設(shè)計。最后，高效、嚴(yán)謹?shù)挠布?軟件FIFO緩存設(shè)計，使得系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)在第一時間先放入緩存區(qū)，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(shù)據(jù)來提高傳輸速度的同時，又極好地保證了數(shù)據(jù)的完整性。
權(quán)利要求
1.一種GPS、MU、磁力計和氣壓計組合導(dǎo)航系統(tǒng)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(zhuǎn)換模塊、高效率電源、RS-232芯片和USART收發(fā)模塊，其特征在于電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發(fā)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(fā)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(fā)模塊與RS-232芯片相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種GPS、IMU、磁力計和氣壓計組合導(dǎo)航系統(tǒng)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(nèi)，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(dǎo)航系統(tǒng)裝置，其結(jié)構(gòu)特點是電源轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換模塊輸出的高效率電源分別與RS-232芯片和USART收發(fā)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(fā)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(fā)模塊與RS-232芯片相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊，整體體積小型化、功耗低、數(shù)據(jù)處理速度快，采用多種傳感器聯(lián)合定位，不僅解決了單一定位模式的地理應(yīng)用的局限性，還提高了定位精度和準(zhǔn)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(yōu)先權(quán)日2013年4月10日
發(fā)明者郭杭, 余敏, 李文斌 申請人:南昌大學(xué)