基于GFIMU微惯性测试系统

2024-06-21

基于GFIMU微惯性测试系统（共5篇）

篇1：基于GFIMU微惯性测试系统

基于GFIMU微惯性测试系统

文中介绍了无陀螺微惯性测试系统的`工作原理,系统框图,并进一步推导了比力方程和系统数学模型及适合系统软硬解算的程序编排.在此基础上对系统进行了仿真测试,测试结果验证该系统原理正确,系统解算模型稳定收敛.测试系统满足恶劣环境的测试要求.

作者：张学松秦丽余靖娜 ZHANG XUESONG QIN LI YU JINGNA 作者单位：中北大学微米纳米中心,山西太原,030051刊名：微计算机信息 PKU英文刊名：CONTROL & AUTOMATION年，卷(期)：24(4)分类号：V249关键词：GFIMU 比力方程四元数仿真测试

篇2：基于GFIMU微惯性测试系统

陀螺用来感测运载体的角速度信息, 而加速度计用来感测运载体的线运动信息, 并通过一次积分和二次积分得到载体的速度与位置信息, 两者都是构造惯性系统的核心器件, 其精度高低和性能优劣基本上决定了惯性系统的精度和性能[1]。在中高精度的加速度计和陀螺中, 通常采用模拟的形式输出信号, 比如石英挠性加速度计、静电陀螺、动调陀螺等。为了充分发挥惯性器件的性能, 对惯性器件采集电路提出了更高的要求, 特别是随着石英挠性加速度计精度的提高, 加速度计的输出信号呈现微弱变化的特点, 随时都有可能淹没在周围工作环境的噪声中, 不配备更高精度的惯性器件模拟采集电路, 就不能精确测量出惯性器件的信号, 造成加速度计和陀螺精度的损失, 使高精度失去意义[2]。因此, 采用N I公司成熟的Compact DAQ设备U SB -9239作为惯性器件性能评估系统的采集核心, 与传统专用惯性器件采集器相比, 其具有即插即用的特点, 不但缩短研发周期, 提高重复使用率, 而且提高系统稳定性。目前该系统已交付使用, 实验表明, 系统不仅具有高精度、高动态范围、高可靠性的特点, 而且具有低温漂、抗震动的特性, 为惯性器件的性能分析与进一步改进提供基础。

2 NI Compact DAQ综述

对于使用R S-232或R S-485串口通信的远程数据采集应用, 串口通信的速率常常会使数据吞吐量受到限制[3]。N I最新的数据采集系统Com pact DAQ通过结合U SB 2.0接口即插即用的简便性与模块化仪器的高性能和灵活性, 可以满足更高传输速率的需求。

N I Compact DAQ系统包含了机箱、N I C系列I/O模块及软件。机箱可以通过U SB 、以太网或802.11无线网络连接到主机, 或通过内置控制器进行独立操作。C系列I/O模块中采用业界半导体领先厂商的电子器件, 其中数模转换器为Σ -Δ 24位的精密ADC, 并集成有信号调理与隔离电路。

每个N I Com pact DAQ设备平台都有配套的N IDAQ m x驱动程序, 使用设备前, 需要先安装驱动程序。N I-DAQ m x驱动软件功能远强于基本的数据采集驱动, 它在数据采集和控制应用的开发中, 体现出更高的效率和性能。N I-DAQ m x的多线程性可实现同时进行多个数据采集操作, 从而大大提高了多操作应用的性能, 同时极大地简化此类应用的编程。N I-DAQ m x支持N I L ab V IE W 、N I L ab V IE W S ig nalE xpress、N I L ab W indow/CV I、C/C++、V isual B asic、V isual B asic .N E T和C#。和L ab V IE W一样, N I-DAQ m x也是N I成为虚拟仪器和基于PC的数据采集领域领导者的主要原因之一[4]。N I-DAQ m x包括四大部分:

M easurement & Automation E xplorer (M AX ) 。用于完成配置, 校准, 测试, 和管理相关硬件设备。

DAQ Assistant。这个工具可帮助用户无需编程, 仅通过图形化界面配置各种简单或复杂的数据采集任务。结合N I应用软件, 可通过DAQ助手生成在应用程序中使用的代码。

L ab V IE W Sig nalE xpress L E 。在一个交互式且无需编程的软件平台上为用户带来快速的数据采集、分析和显示功能。这一全新的软件可以让我们无需编写任何程序就可完成工业条件下的数据测量、显示和记录, 极大地缩短了测量时间, 让用户进行软件配置的过程和构建硬件一样简单。

N I Device M onitor。N I设备监视器可以实现真正意义上的即插即用的功能, 能自动识别任何N I的相关设备。

3 系统硬件架构

本惯性元件性能评估系统由单轴速率转台、控制台和惯性器件数据采集器三大部分组成, 具体如下:

高速高精度速率位置转台 (控制台通过R S422控制转台控制器, 实现转台控制)

控制台 (含箱体、二次电源、开关与转台功放电路等)

惯性器件数据采集器 (U SB -9239) , 负责模拟信号采集。

惯性器件性能评估系统组成框图如图1所示:

测试中, 惯性器件以及采集器固定于台体表面, 以避免台体高速旋转时, 出现惯性器件的轴向偏移, 造成测量误差。通过综合比较, 结合惯性器件的输出特性, 选用N I Compact DAQ设备的U SB -9239。N I U SB -9239 (± 10 V ) 作为4通道、24位C系列模块, 具有高速、准确的设计特点。分辨率、扫描率和输入范围方面的特征, 令其成为优秀的通用模拟输入模块, 模块由信号采集器N I 9239和N I c DAQ -9171机箱两部分组成。

测试时, 将待测惯性器件固定于台面, 台面有DB 15连接器, 分别引至台体下方, 转台内部采用双绞线导电滑环连接。惯性器件数据采集器安装于转台台面, 以减小信号传输误差, 实施加速度计、动调陀螺等模拟量采集;将采集的惯性元件数据发送到控制台。但台面没有相应的U S B接口, 需要对U SB -9239的数据线进行改造, 将其改造成标准的DB 15接口, 通过导电滑环从台体下方输出, 在经过U S B电缆线连接至工控机。

通常情况下U SB采用四线制:5V 、G N D、D+、D-, 其中D+和D-为一对差分信号, 为实现良好的信号传输, 采用带有信号放大器的U S B电缆, 以补偿信号长距离传输的损失。该信号放大器为差分信号放大器, 实现U S B差分信号的放大, 经放大后的差分信号采用高纯度无氧铜作为传输材质, 两根数据导线D+和D-双绞缠绕, 最大程度减少数据线信号交叉窜扰, 确保高速无错数据传输。在传输材质外使用编织铜网和铝铂双层屏蔽, 可大大降低电磁干扰和无线电干扰。采用P V C外套, 柔韧不易折断, 持久耐用。同时为了消除高频干扰, 在控制台端和台体端采用多个磁环进行高频滤波, 具体实现为将传输电缆上穿入多个磁环, 并使磁环和电缆紧凑接触, 如果可以可将电缆多次缠绕到磁环上。通过以上的措施, 可以实现U S B信号的传输稳定, 信号清晰。

4 系统软件设计

在加速度计性能评估系统中, 惯性器件测试与分析软件采用C/C++语言在V isual C++6.0编译环境下进行开发。虽然利用M AX和DAQ助手可以简化程序设计难度, 但会造成多个上位机软件同时运行, 可靠性、稳定性、友好性欠佳, 为了将惯性器件采集程序与主程序整合, 故采用N I-DAQ m x提供的C语言AP I函数进行编程, 构成完整的惯性器件测试与分析软件。软件具有自动测试功能, 通过R S 422串口发送转台命令, 使转台按照预先设定好的速率运行, 同时惯性器件采集器采集固定于台面的惯性器件的模拟输出, 进行实时测量和动态分析显示, 最大程度的提高自动化测试水平。

4.1 串口通信

串口通信采用R S 422协议, 差分传输可以有效抑制传输中的共模干扰。串口通信模块采用采用多线程串口编程工具类CSerialP ort类, 该类使用步骤如下:初始化函数InitP ort () 设置好串口参数 (如需要打开的串口号、波特率、奇偶校验方式、数据位、停止位) , 使用StartM onitoring () 开启串口监测工作线程, 当监测到串口接收到的数据、流控制事件或其它的串口事件后就发送消息通知主程序, 主程序中相应的消息处理函数就会进行数据处理。发送数据时, 可直接使用W rite T o P ort () 函数向串口发送, 关闭串口使用类函数Close P ort () [5]。可以说该多线程串口类的使用在提高数据传输可靠性的同时, 基于消息消息循环的机制同时大大提高了数据传输的实时性。

4.2 数据采集模块

利用N I-DAQ m x提供的C语言API函数进行编程, 可以有效地将数据采集程序整合到惯性器件测试与分析软件中。在当前工程目录下添加N IDAQ m x.h头文件和N IDAQ m x.lib链接库文件后, 就可以利用API函数进行C编程, 采集程序程序流程图如图2所示:

主要编程函数如下:

1) int32 DAQmx CreateT ask (const ch ar taskN ame[], T askH andle *taskH andle) , 该函数用来创建一个任务, taskN am e用来设置任务名, taskH andle为任务句柄, 用来标识在该函数中创建的任务, 函数返回0表示创建任务成功, 为正值表示为一个警告, 负值表示创建失败 (以后每个函数都一样) 。如果使用该函数创建了任务, 在采集任务结束时, 必须使用DAQ m x Clear T ask () 函数销毁任务。

2) int32 DAQmx Create AIV oltage Chan (T askH andle taskH andle, const ch ar ph y sicalC h annel[], const ch ar nameT o Assign T o Ch annel[], int32 terminalC onfig , float64m in V al, float64 m ax V al, int32units, const ch ar custom ScaleN ame[]) , 该函数创建模拟电压采集通道并把创建的通道加入到taskH andle任务中。实际上在N I Compact DAQ设备接入计算机中时, 驱动程序自动识别并对每个数据采集通道分配唯一标识, 要想使用某一通道采集数据, 该函数的参数ph y sicalC h annel就设为这个通道的名称。min V al和max V al表示采集通道输入模拟量的最小值和最大值, units表示以何种比例尺度显示测量的电压数值, 一般此参数设为DAQ m x_V al_V olts, 当uints设为DAQ m x_V al_V olts时, 最后一个参数必须设置为N U L L 。

3) int32 DAQmx Cfg Samp ClkT iming (T askH andle taskH andle, const ch ar source[], float64 rate, int32active E dg e, int32sam ple M ode, u Int64sampsP er Ch an T o Acquire) , 该函数设置采样时钟源、采样时钟频率和采样点数。因为U SB -9239的封闭性为采用外部时钟带来了困难, 因此通常时钟源采用内部时钟, source设置为N U L L即可, rate设置采样频率, activeE dg e用于设置采样边缘, 当sam ple M ode设为DAQ m x _V al_C on t S am ps (连续采样) 时, 参数sampsP er Ch an T o Acquire就表示采样缓冲区大小。

4) int32DAQ m x StartT ask (T askH andle taskH andle) 、int32 DAQ m x Stop T ask (T askH andle taskH andle) 和int32 DAQ m x Clear T ask (T askH andle taskH andle) 这三个函数分别代表启动先前创建的任务、停止任务、清除任务, taskH andle为先前创建的任务句柄, 每个任务有唯一的任务标识。

5) int32 DAQ m x R ead Analog F 64 (T askH andle taskH andle, int32 num SampsP er Ch an, float64 timeout, bool32fillM ode, float64read Array [], uI nt32array Size In Samps, int32 *sampsP er Ch an R ead, bool32*reserved) ,

该函数用于读取缓冲区中的数据。参数num SampsP er Ch an表示在每个数据采集通道缓冲区中一次读取多少个采样数据;在同时有多路通道采集数据时, fillM ode用于设置读取数据的方式, 而read Array用于存储读取的采样值, 其会随着F illm ore的不同采用不同的组织形式, array Size In Samps表示数组read Array的大小, R eserved为系统预留设置为N U L L 。

4.3 定时器的使用

基于W indow s的应用程序通常会使用定时器资源, 来实现信息的实时处理, 特别是数据采集与处理系统中。在这种实时的信号采集系统中, 对定时器的定时精度要求较高, 有的系统要求通过软件定时达到几毫秒, 甚至更小。在W indows环境下, 常见的软件开发工具都提供T im er定时控件, 这个控件使用函数SetT im er () 进行初始化, 然后由应用程序响应这个函数发出的W M _T IM E R消息。T imer控件是IB M PC硬件和R O M B IO S构造的定时器的简单扩充。P C的R O M初始化8253定时器来产生硬件中断08H , 而08H中断的频率为18.2H z, 即至少每隔54.925m s中断一次。此外, 这个定时消息的优先权太低只有在除W M _P AIN T外的所有消息被处理完后, 它才能得到处理。因此T im er定时器只能用于一般的定时, 远不能满足实时数据采集的要求[6]。

多媒体定时器不依赖于W M _T IM E R消息, 使用自己单独的线程来调用一个自己的回调函数。它的优先级很高, 每隔一定时间就发送一个消息而不管其它消息是否执行完。所以无论应用程序在进行什么工作, 操作系统都能在多媒体定时器事件到来时中断该程序, 而先去调用多媒体定时器的回调函数。综合考虑, 设计中发送控制转台指令后的等待时间以及在界面显示转台运动信息和加速度计的测量数据时使用了T im er定时器。数据定时采集使用多媒体定时器。多媒体定时器使用函数tim e SetE vent初始化和启动时间事件, 同时给出定时器回调函数的入口地址, 该函数原型为:

U IN T T imbered = timeS etE vent (U IN T underlay , U IN T uR esolutionL, P T IM E CAL L B ACK lp T imeP roc, DW O R D dw U ser, U IN T fuE vent) , 其中uD elay表示事件定时触发的时间间隔, uR esolution表示事件精度, lp T im e P roc为定时触发的事件的回调函数的地址, dw U ser为用户自定义的返回值, fuE vent为定时类型, fuE vent为T IM E _PE R IO DIC表示事件每uD elay毫秒发生一次, 使用time K illE vent (T imbered) 终止多媒体定时器, T im bered为先前创建的定时器标识。

完成后, 惯性器件测试与分析软件及数据采集模块如图3所示:

在惯性器件测试与分析软件中点击采集模块按钮, 弹出数据采集模块对话框。采集模块功能类似于DAQ助手, 可以选择通道、相应通道的模拟输入范围、采样模式以及采样率。在经过软件处理后, 在惯性器件测试与分析软件动态显示处理结果。在读取数据的过程中, 取平均数可改善对噪声或迅速变化信号的测量精度。取平均数可消除频率为50或60H z的电源线路噪声。对于没有屏蔽的传感器连线, 电源线周围的磁场振荡可产生噪声。由于电源线的噪声为正弦波, 或者类似于正弦波, 其一个周期的平均值为0。扫描率为噪声周期的整数倍时, 对整数个周期取平均值就可清除电源线的噪声[7]。

5 结束语

N I Compact DAQ可以说是目前最灵活的数据记录平台, 可用于便携式数据采集、长期监测与高通道数测量系统。结合L ab V IE W等强大的虚拟设计软件, 提供了便携、坚固耐用的混合测量系统。不可否认其强大性的同时, 我们也好看到其不足的地方。在惯性测量中, 由于空间的狭小性以及载体的高负载, 对数据采集系统的体积和抗震性提出了很高的要求。而U SB -9239对惯性测量来说, 机箱过于庞大, 其抗震性指标注定其只能用于低动载条件下。另外从数据手册中可以知道U SB -9239的输入噪声为70uV rm s, 计算其有效分辨率为18.1242位, 可见在并没有其宣称的24位有效精度, 这与电路中的各种噪声特性有关。虽然有效分辨率已满足本系统要求, 但为了进一步发挥高精度惯性器件的性能, 有必要采用更高精度的数据采集系统。文献[2]采用ADC套片CS5372+CS5376的组合实现加速度计高精度测量, 其有效分辨率达到了20.6位。T I公司推出了用于地震监测和能源开发的具有PG A的超高分辨率 Σ -Δ ADC ADS1282, 其分辨率为32位, 这样高的分辨率显然能满足惯性测量中的精度要求, 对提高导航精度意义非凡。

摘要：惯性元件性能评估系统, 是以单轴速率转台为基础的对陀螺仪或加速度计基本技术指标进行测试、标定和评估的系统。惯性器件作为捷联惯导系统的心脏, 其测量系统精度性能的优劣直接影响到惯导系统的精度。选用NICompactDAQ设备USB-9239作为惯性元件性能评估系统采集核心。NICompactDAQ提供简单易用USB接口, 并在一个简单、用户可配置的系统中集成了传感器的直接连接、信号调理、模数转换等多种特性。实验表明该采集系统运行可靠, 提高了测试的精度和效率, 为惯性器件的性能分析与进一步改进提供基础, 具有巨大的使用价值。

关键词：惯性器件,单轴速率转台,数据采集,N I Compact,USB-9239

参考文献

[1]秦永元.惯性导航[M].北京:科学出版社, 2006.

[2]吴坤民.加速度计高精度信号采集器的设计与实现[D].西安:西北工业大学, 2009.

[3]NI Corporation.NI数据采集文摘[EB/OL].www.ni.com/china/daq.2009-3-12/2012-12-15.

[4]NI-DAQmx软件[DB/OL].http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/zhs/nid/10181.2012-11-19/2012-12-15.

[5]裴志英, 杨国安.多线程在数据采集处理中的应用[J].计算机与现代化, 2007 (7) :125-126.

[6]常发亮, 刘静.多线程下多媒体定时器在快速数据采集中的应用[J].计算机应用, 2003 (23) :177-178.

篇3：基于GFIMU微惯性测试系统

惯性传感器包括加速度计、加速度传感器,角速度传感器以及它们的单、双、三轴组合IMU(惯性测量单元),AHRS(包括磁传感器的姿态参考系统),它的应用领域十分广泛。近年来,基于MEMS[1](微机电系统)技术的微机械惯性器件日渐成熟,用MEMS惯性器件构成惯性系统已成为目前惯性技术领域的一个研究热点。

传统研究方法是先建立数学模型,后期采用数据处理算法来纠正误差。在惯性系统的应用中,这不仅要求数学模型准确可靠,而且普通的微控制器由于处理速度限制,而很难处理如此大的数据量,采用高性能DSP无疑增加了成本。为此,设计了以LM3S8962为核心处理器,以ADIS16365为惯性传感器的惯性系统。该系统利用ADIS16365自身的数据处理功能对三轴角速度和角加速度数据进行处理。在外部再经过滤波与积分[2,3],得到了精确的角度信号,满足了系统的可靠性和控制要求。此外,面对系统对惯性数据需求量的增多,将该惯性系统设计为一个CAN节点应用于整个系统。

1 ADIS16365概述

ADIS16365[4]是ADI公司于2008年9月推出的一款全新的数字输出的高性能微惯性测量系统。这款传感器结合了ADI公司的iMEMS和混合信号处理技术,提供校准的数字惯性检测。系统除分别提供3个轴方向上的角速度、角加速度以外,还包括自动偏置校准、数字滤波与采样速率、自检、电源管理、条件监控、模数转换,以及辅助数字输入/输出,这些功能都通过快速的数据访问接口(SPI)与MCU进行交互,提供方便的数据和配置控制。ADIS16365的一些性能参数如下:角度分辨率为±80(°)/s;典型带宽为0.33 kHz;线性加速度补偿因子为0.05(°)/s/g;运动偏移稳定性为0.009(°)/s。

2 惯性测量系统硬件设计

2.1 总体设计

该系统硬件主要包括ADIS16365,CTM8251,LM3S8962。系统硬件框图如图1所示。

LM3S8962[5]是TI公司一款用于工业控制的32位高速控制器,内部集成了工业控制用到的各种常用协议,其中CAN模块支持CAN 2.0B协议,位速率高达1 Mb/s,具有可编程FIFO模式,使实时应用成为可能。此外,其内部拥有256 KB的单周期FLASH,可用于数据存储,方便外部读取。CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器模块,该模块内部集成了所有必须的CAN隔离及CAN收、发器件。模块的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC 2 500 V的隔离功能。

2.2 硬件电路设计

陀螺仪硬件电路原理图如图2所示[4],选用LM3S8962自带的SPI硬件接口对ADIS16365进行操作,在电路设计中只需要直接将LM3S8962的SPI硬件I/O接口与ADIS16365相应的接口连接起来。

CAN接口原理图如图3所示,LM3S8962对应的CAN接口分别为PD0和PD1,将其与CTM8251进行电气连接,通过对CTM8251进行相应的电路配置,并且在信号输出端做好相应的屏蔽工作以防止噪声干扰传输和静电带来的不安全因素,最后将CTM8251输出的高、低端分别与器件相应引脚连接。

3 惯性测量系统软件设计

3.1 总体设计

微控制器直接控制惯性传感器的工作状态并采集角速度、角加速度等信息,为了达到处理的实时性,当ADIS16365有数据需要发送时,中断通知微控制器进行读取。微控制器将采集到的数据进行积分及滤波处理,并将处理后的信息存储在片内FLASH中。当微控制器接收到数据请求时,通过CAN总线发送数据。图4为系统主流程图[6]。

3.2 数据采集设计

微控制器通过SPI模式3与惯性传感器通信,在时钟下降沿时建立数据,上升沿时读取数据。图5为通信时序图。

从图5可以看出,一个SPI传输包有16位。由于LM3S8962是32位处理器,因此每次可以传输一个SPI传输包。传输包高字节包括1位的读/写状态位和7位寄存器地址信息,低字节为读/写寄存器数据。ADIS16365的内部寄存器为16位,拆分为2个8位,分为高低地址,因此读/写操作都需要2个传输包。如果是写操作,则第一个传输包的高字节说明寄存器的低8位地址,低字节为写入寄存器低8位的值,第二个传输包则相应地写入寄存器的高8位;如果是读操作,则第一个传输包的高字节说明寄存器低8位地址,低字节无效,寄存器的值出现在第二个传输包。

ADIS16365拥有较为完善的数据处理方案[7],经测试,使用其内部校正功能可以明显改善系统性能。根据写入GLOB_CMD寄存器命令的不同,可以采用不同的处理方法。表1和表2列出了内部普通校准和精确校准与未校准数据的比较。

3.3 CAN总线节点设计

控制器区域网(CAN)[8]总线属于现场总线范畴,它是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多测试与控制仪器的数据交换而开发的串行数据通信协议。经过多年的应用发展,CAN以其极高的可靠性、实时性和灵活性而广泛应用在各种领域。鉴于此,该系统采用CAN协议来完成数据的交换。

CAN2.0B协议规定了4种帧类型[8,9]:数据帧、远程帧、错误帧和过载帧。其中数据帧将数据从发送器传输到接收器,远程帧用于请求具有同一标志符的数据帧。CAN协议没有规定地址的概念,所有数据传输均基于报文标识符,当总线上出现一个报文时,所有节点的CAN验收滤波器将该报文的标识符与自身的验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器比较,来决定是否接收该报文。因此,该系统将惯性传感器数据标识为“GYRn”,其中n为接收端编号,对于扩展帧的29位标识符而言,除去前缀“GYR”24位外,最多可以有32个接收端,满足一般系统需求。为使LM3S8962的CAN模块能响应所有数据请求,只需将验收屏蔽寄存器的后5位置1即可。当接收端n需要数据时,发送标识符为“GYRn”的远程帧,LM3S8962的CAN模块在接收到之后从内部FLASH中读取数据,再回发相同标识符的数据帧完成通信。

4 结语

这里所设计的惯性系统主要采用MEMS器件ADIS16365,测量目标的三种角速度。采用含CAN控制器的LM3S8962微控制器进行控制,只需很少的外围器件即获得了优异的性能。结构简单、体积小,使用方便,具备较强的使用性。

摘要：系统以ADIS16365为惯性传感器,LM3S8962为核心处理器,IAR为开发平台,卡尔曼滤波和辛普森积分为数据处理方法,研制基于ADIS16365的惯性传感系统。结果表明,该系统具有较高的角度稳定性和准确性。为了使该系统具有应用的灵活性,将该传感系统作为CAN节点应用在整个系统设计中。该系统已用于亚太机器人比赛中,实现了准确定位。

关键词：惯性传感系统,ADIS16365,LM3S8962,CAN总线

参考文献

[1]杨友文,王建华.MEMS技术现状及应用[J].微纳电子技术,2003(3):29-32.

[2]陆芳,刘俊.卡尔曼滤波在陀螺仪随机漂移中的应用[J].微计算机信息,2007,23(23):222-224.

[3]王能超.数值分析简明教程[M].北京:高等教育出版社,2003.

[4]Analog Devices Corporation.ADIS16365 datasheet(Rev B)[R].USA:Analog Devices,2009.

[5]Texas Instruments Corporation.LM3S8962 datasheet[R].USA:Texas Instruments,2010.

[6]禄坡远,刘诗斌,刘昭元,等.基于ADIS 16354的姿态角传感器设计[J].传感器技术学报,2010,23(2):192-195.

[7]Analog Devices Corporation.IMU quick start guide and biasoptimization tips[R].USA:Analog Devices,2008.

[8]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1996.

篇4：基于GFIMU微惯性测试系统

自动导引运输车 (AGV) 系统是当今柔性制造系统 (FMS) 和自动化仓储系统中物流运输的主要手段。作为一种无人驾驶工业搬运车辆, 高速高效、高定位精度、智能化、网络化是目前自动导引小车系统的重要研究内容。

国内自动导引运输车较多采用电磁导引与激光导引技术, 电磁导引是在AGV行驶路径上埋设导引线进行导引, 电磁导引方式不适合复杂路径, 路径不可任意规划。激光导引是在AGV行驶路径的周围安装位置精确的激光反射板, AGV通过发射激光束, 同时采集由反射板反射的激光束来确定其当前的位置与方向, 其导引路径可以任意规划, 但其导引方式不适合激光反射板容易被货物遮挡或者不易安装的场合, 同时激光导引技术在导引过程中存在盲区多的缺点。

惯性导引技术在航天和军事上较早运用, 是AGV领域新兴的一项技术, 其主要优点是技术先进, 定位准确性高, 灵活性强, 便于组合和兼容, 适用领域广。惯性导引技术已被国外的许多AGV生产厂家所采用。近年来MEMS惯性敏感元件的高速发展使惯性导引在工业领域得到广泛应用, 其高集成度、高性价比等特点极大推动了惯性导引技术在自动导引小车系统领域研究的发展。本论文研究一种惯性测量方法, 采用捷联结构的惯性导引技术, 提出一种AGV控制系统的解决方案。

1 系统总体结构

系统由AGV调度系统与AGV控制系统两大部分组成。AGV调度系统为固定式基站, AGV控制系统则为车载控制系统由电池进行供电, 两大系统之间通过Zig Bee无线模块进行通讯, 如图1所示, AGV调度系统是由计算机外接Zig Bee模块组成, 而AGV控制系统则分别由AGV控制器、位置检测装置及AGV驱动器三大部分组成。

AGV调度系统作为基站控制系统通过无线通讯模块发送AGV调度与控制指令, AGV控制系统通过无线模块接收到AGV调度系统的指令后, 先通过位置检测装置的角陀螺与编码器得到AGV的当前位置, 然后发送AGV控制指令给AGV驱动器, 控制驱动器的行进电机与转向电机动作, 调整AGV的状态前进。在前进过程中, AGV通过RS-232接口实时采集AGV当前位置信息并与终点信息进行比较, 计算出实时行进路径, 再通过RS-485接口发送位置控制指令给AGV驱动器, 控制电机调整AGV的位置与姿态行进。在AGV行进过程中AGV控制器通过障碍检测传感器检测路径是否通畅, 当AGV行进遇到障碍时AGV控制器按照避障程序进行避障。

2 系统硬件设计

2.1 AGV控制器设计

AGV控制系统中AGV控制器是由Cortex-M3内核的ARM—STM32F103VET6为核心, 主频为72MHz, 片内512KB Flash, 内置五个高速串行通讯接口, 并通过FSMC高速前端总线控制显示专用ASIC驱动TFT全彩液晶屏。AGV控制系统如图2所示。

USART1外接MAX3232可以实现ISP程序下载, USART2外接RS485收发器MAX3082与Zig Bee无线通讯模块通讯, USART3则与位置检测装置通讯, 实时采集AGV的位置信号。UART4与AGV驱动器连接, 驱动AGV行进。AGV控制器的电源由24V电池经过DCDC开关电源芯片LM2576输出5V3A, 再由LM1117-3.3LDO线性电源输出3.3V的控制器电源。

2.2 位置检测装置设计

位置检测原理

位置检测的原理是将AGV的运行路径用极坐标的方式进行处理, 以出发点为原点, 以原点出发某条射线为极轴, 空间某点坐标到原点距离为l, 与原点连线与极轴夹角为α, α以极轴出发逆时针为正, 如图3所示。以AGV的质点为中心, 将AGV的移动分解为极径与极角两个分量, 极径以驱动轮编码器测量, 极角以安装在质心的角陀螺测量。

位置检测装置由Cortex-M3内核的ARM—STM32F103RB6为核心。ARM内置的AD接口连接角陀螺ADXRS300, ADXRS300SIC是一款角速度范围为300°/S的MEMS角速度传感器, 如图4所示ADXRS300角速度输出与转向之间的关系。ARM通过实时采集ADXRS300的角速度值并进行积分得出ADXRS300的角度值, ADXRS300安装在AGV车体的质心上, 这种捷联结构使得AGV车体的角度值就等于ADXRS300的角度值。极径的测量通过安装在后轮上的编码器取得。位置检测装置的系统结构图如图5所示。

2.3 AGV驱动器设计

A3G6VV 1驱动电机采用无刷直流电机的驱动方BL式D, C驱动器采用AVR单片机进行控制, 型号为 ATMEGA16, H驱a动ll器采用“两两导通”的驱动方式, 功率模块中桥臂的上管采用PWM调制, 下管在每个扇区中通断。AGV驱动器的系统结构如图6所示。

3 系统软件设计

本次设计的AGV控制系统是分布式控制系统, 各个子系统单独承担各自的运行任务, 通过通讯协议将各个系统有效地联接, 降低了单个系统的计算强度并提高整个系统的速度与精度。根据系统的分布, 系统中各单元的功能划分如图7所示。

3.1调度系统

调度系统是在计算机上通过桌面设计软件编写的, 调度系统的任务包括通讯管理、车辆管理和任务管理。通讯管理负责与车载系统的通讯, 车辆管理负责监控AGV的状态, 任务管理负责分配AGV的任务。

3.2车载控制系统

车载控制系统中位置检测装置将导引信息中的极径l与极角a, 通过式 (1) 的计算由极坐标系换算成x, y坐标系。由于极坐标的增量特性, 在每次任务的开始需要从AGV固定车站进行原点复位。

AGV控制器由位置检测装置得到的AGV位置信息实时修改路径信息并进行路径搜索形成行走段表同时结合障碍检测产生对AGV驱动器的行走控制与转向控制。对于AGV驱动器, 对于每个行走与转向任务都相应分配启停控制与加减速控制。

4 结论

通过设计与样机验证, 用分布式系统将AGV车载控制系统按主要功能分成了AGV控制器、位置检测装置和AGV驱动器。提出了一种AGV控制系统的设计方法。

摘要：简要地介绍了基于惯性导引的AGV控制系统的原理和组成, 并对AGV控制系统结构和软硬件设计进行了阐述, 提出了一种采用惯性导引控制的AGV设计方法, 并通过样车实验结果表明, 样车运行过程稳定, 定位精度较好、控制性能良好。

篇5：基于GFIMU微惯性测试系统

U-Blox公司提供的LEA-6R GPS芯片,将外部传感器的信号和接收到的GPS信号相组合,较好地提供了实现GPS和传感器惯性导航技术组合的平台。

1 车载传感器组合惯性导航系统设计

1.1 LEA-6R

U-Blox公司的产品是全球灵敏度最高的民用级芯片,跟踪灵敏度可达-162 dBm。产品支持标准NMEA Protocol协议和公司自定义精简的UBX Protocol通讯协议。在该公司的KichStart×信号捕获加速引擎的支持下,可快速捕获微小的信号。LEA-6R能实现2.5 m高精度GPS/1 m伽利略双系统混合精确定位,并采用革新的多径检测以及消除技术,在高动态环境、5 Hz的数据刷新率下,仍能保持较高的定位精度。LEA-6R芯片内部的Flash中集成了U-Blox公司专用的传感器与惯性导航融合技术。通过将高性能 U-Blox 6 定位引擎与 U-Blox 的惯性导航技术相结合,配以少量的外围传感器电路,即可在隧道、深度室内和高楼林立的城区等地点实现不间断地精确导航。

1.2 系统组成

LEA-6R芯片与有源天线、天线监测电路、方向传感器、陀螺仪、温度传感器、里程计共同构成传感器组合惯性导航系统。LEA-6R和U-Blox公司其他系列芯片相同,都具有USB接口,R-232接口,可方便的与主机通讯。LEA-6R总体框图如图1所示。

1.3 天线监测电路设计

LEA-6R支持无源天线和有源天线。有源天线的内部设有一个低噪声放大器(LNA),用于补偿信号的衰减,提高信号的信噪比,增加GPS的灵敏度。在采用有源天线的同时,为防止有源天线内部的放大器短路和开路时损坏或影响GPS的正常工作,LEA-6R内部设置了天线监管器,提供了天线关断及短路检测功能。开路检测由外部电路输入到AADET-N端进行检测完成。GPS内部的天线监管器和外围的开路检测电路,能有效地防止有源天线在短路或开路时损坏GPS芯片。天线监管电路如图2所示。

1.4 LEA-6R监测保护功能

(1)有源天线电源的供给。

有源天线可独立的外部供电,也可使用GPS的工作电压。在使用GPS的工作电压时,工作电压Vcc经芯片内部的FB由Vcc_RF输出,Vcc_RF通过外接电阻R2至V_ANT,V_ANT经由芯片内部开关和FB,经由RF_IN输出,和同轴电缆的接地屏蔽层一同提供给有源天线。

(2)短路保护时的工作过程。

当有源天线内部发生短路时,流经R2的电流增大,当ANTSHORT检测到电流过大时,由ANTOFF断开开关,切断电源通路。

(3)开路保护时的工作过程。

当天线开路时,电流经R2流向T2,T2导通,AADET_N引脚上的电压上升为2.9 V,GPS在检测到AADET_N为高电平时,即可根据事先设置采取相应的动作。

1.5 外部传感器电路

外部传感器为GPS接收信号微弱或卫星信号不可见时提供了必要的信息。在卫星不可见时,陀螺仪、方向传感器、温度传感器和GPS卫星定位的最后一次数据在LEA-6R中进行运算,从而得出定位的数据。因此外围传感器是惯性导航系统中较为重要的一部分,电路如图3和图4所示。

XV-8000CB陀螺仪的工作电压是5 V,输出模拟电压经LTC1860的ADC模数转换成12位数字信号,通过SPI串行总线送入LEA-6R,经SPI总线传输数据的还有LM70温度传感器。SPEED的数据由里程计,或由车内的OBD口输出,经HCP-070L光电隔离、整型后送入LEA-6R。经LEA-6R内部运算后的定位数据直接由LEA-6R的串口或USB口输出,输出的数据格式符合NMEA协议或者U-Blox公司的UBX协议。

1.6 LEA-6R的协议

LEA-6R支持NMEA-183标准协议和U-Blox公司专用的UBX协议。两种协议可以互相切换。UBX协议的结构如图5所示。

其中,Sync char1 Sync char1为2 Byte UBX协议的特征符,分别为OXB5和0X62;CLASS为定义了信息的子集,UBX协议将所有可交换信息都进行了分类(Class);ID为每一类子集所属信息的信息编号;LENGTH LittleEndian为有效数据的长度,表示的时候是低位在前高位在后。长度包括特征符,Class,ID,和校验字节;Payload为变量长度字段;CK_A,CK_B为16位的校验字段。

校验方法如下:

其中,BUFFER[I]表示CLASS到Payload的所有无符号整型数。

陀螺仪,温度传感器,天线监管器的开启和关闭等外围设备的配置信息,其信息的子集类(Class)为CFG(Configuration input Messages),如果CFG类对LEA-6R的配置成功,LEA-6R会返回ACK-ACK信号,反之则返回ACK-NAK信号。

例:天线配置UBX-CFG-ANT。

UBX协议说明中可以查到,协议的格式如图6所示。默认状态下,开启电压控制信号AADET引脚,允许短路检测和自动短路修复,但电路未启动。其中,Sync char1 Sync char1为OXB5和0X62;CLASS为0X06;ID为0X13(天线控制);LENGTH LittleEndian为0X04,0X00(指Payload的长度为4 Byte);Payload为由Bitfiled flags和Bitfiled pins二个字长16位控制位组成。Bitfiled flags是对天线监管器开启等的控制。Bitfiled pins是对AADENT等管脚的控制。控制位对管脚的控制说明,在CFG-ANT格式中可以查到。文中,Bitfiled flags取0XC2,0X10,Bitfiled pins取0X0F,0X64;CK_A,CK_B为16位的校验字段。

发送到LEA-6R中开启天线监测电路的数据为B5 62 06 13 04 00 04 00 0F 64 94 5F。

1.7 UBX协议中数据的读取

UBX协议与NMEA协议的区别是:MNEA协议每秒自动发送一次数据,UBX协议是在收到发送命令的情况下,才发送数据。发送读取数据的命令格式除了Payload为空外,其他与UBX协议的格式相同。例如,读取天线配置状态,发送的数据如图7所示。

系统在收到此命令后,会返回天线配置状态的数据。

2 程序设计

LEA-6R的串口可直接与MCU相连接进行通讯。为及时处理GPS的信息,以及考虑到车载仪器和其他信息需要处理,在对GPS信息的处理上采取了多线程编程。

读线程流程如图8所示。

在Windows CE下,使用EVC语言对GPS的配置,数据的读写进行多线程编程。多线程的编程包括线程的创建、启动、运行状态控制、同步及数据通信和线程的正常/非正常退出。程序可分成3部分:(1)打开串口进行参数设置。(2)读写串口数据。(3)数据接收完成后有效数据的提取。

3 结束语

虽然该系统在隧道中长时间得不到信号时定位进度有所下降,但经实际验证,LEA-6R传感器组合惯性导航系统,在一般隧道和城市的高楼间能满足实际应用要求,能使运行中的车辆取得完整的车辆定位数据,对于车辆远程诊断仪有一定的实际意义。

参考文献

[1]王婷,俞维露.VME结构总线实现与研究[J].电子科技,2009,22(7):94-96.