[發(fā)明專利]一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210516500.1
• 申請日: 2012-12-05
• 公開（公告）號: CN102980577A
• 公開（公告）日: 2013-03-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳帥;李璽安;張曉亮;雷浩然;王于坤;程晨;查鑫熠;鄧貴軍;張黎;薄煜明;杜國平;鄒衛(wèi)軍;吳盤龍;高玉霞;吉建嬌;單童;朱源魁
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于慣性技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法。

二、背景技術(shù)

在航天器、導(dǎo)彈、車輛的導(dǎo)航以及衛(wèi)星、機器人、平臺的姿態(tài)控制等領(lǐng)域中都需要用航姿系統(tǒng)來測量載體的姿態(tài)信息。目前發(fā)展較為迅速的為捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，捷聯(lián)航姿系統(tǒng)是指直接把慣性測量組件(陀螺儀和加速度計等)固聯(lián)在運載體上用數(shù)學(xué)平臺解算載體姿態(tài)信息的系統(tǒng)。捷聯(lián)航姿系統(tǒng)依靠算法建立起導(dǎo)航坐標(biāo)系，即平臺坐標(biāo)系以數(shù)學(xué)平臺形式存在，這樣省略了復(fù)雜的物理實體平臺，因此應(yīng)用越來越廣泛。但現(xiàn)有的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)集成度不夠高，體積偏大，使用的慣性測量組件成本太高，沒有考慮到外界信號(如GPS等)失效的情況下如何利用地球周圍固有的磁場來補償航姿精度使其長時間穩(wěn)定工作的問題，且隱蔽性不強，因此設(shè)計一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應(yīng)能力強的捷聯(lián)航姿系統(tǒng)成為航姿系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

文獻1：中國實用新型專利“航姿組合測量裝置”(公開號CN?201402140Y，公開日2010年02月10日)公開了一種可靠性高、成本較低的航姿組合測量裝置，由信號處理與解算模塊、慣性傳感器組合及三軸磁傳感器組成，其中的傳感器模塊由慣性傳感器組合和三軸磁傳感器兩個獨立部分組成，集成度不高；且該裝置外圍通信接口只有RS422，效率較低，數(shù)據(jù)傳輸不夠穩(wěn)定。

文獻2：中國發(fā)明專利“一種基于光纖陀螺的捷連航姿系統(tǒng)”(公開號CN?102135430A，公開日2011年07月27日)公開了一種集成度高的小型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的傳感器模塊由陀螺儀和數(shù)字雙軸傾角儀組成，在解算航姿信息的過程中，解算算法為積分運算，各種誤差也會經(jīng)過積分運算，導(dǎo)致系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算誤差隨時間不斷積累，并且不斷震蕩和發(fā)散，航姿信息精度越來越低；其慣性測量傳感器的陀螺儀為價格昂貴的光纖陀螺儀，使得航姿系統(tǒng)成本較高；該裝置外圍通信接口只有CAN總線，不夠豐富，應(yīng)用受限。

三、發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種體積小，集成度高，性能好，成本低和適應(yīng)能力強的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)及其工作方法。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理解算模塊和外圍通信接口模塊，其中：

數(shù)據(jù)采集模塊采用三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器和第1SPI接口集成一體化的微電子機械系統(tǒng)傳感器，其中三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別獨立工作；數(shù)據(jù)處理解算模塊采用32位ARM微控制器，該微控制器集成了數(shù)據(jù)處理解算單元、CAN控制器、UART接口和第2SPI接口；外圍通信接口模塊包括串口電平轉(zhuǎn)換芯片、RS_232接口、CAN收發(fā)器和CAN接口；

三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過第1SPI接口與第2SPI接口連接；第2SPI接口與數(shù)據(jù)處理解算單元連接；數(shù)據(jù)處理解算單元通過UART接口與串口電平轉(zhuǎn)換芯片連接，數(shù)據(jù)處理解算單元還通過CAN控制器與外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器連接；串口電平轉(zhuǎn)換芯片與RS_232接口連接，外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器與CAN接口連接；

第1SPI接口與第2SPI接口之間通過SPI總線連接，數(shù)據(jù)采集模塊的三軸陀螺儀、三軸加速度計、三軸磁阻傳感器分別通過SPI總線與數(shù)據(jù)處理解算模塊通信；數(shù)據(jù)處理解算模塊通過SPI總線讀取數(shù)據(jù)采集模塊的三軸角速度信息、三軸加速度信息和周圍三軸磁場強度信息，并傳輸給數(shù)據(jù)處理解算單元，解算的航姿信息通過UART接口或CAN控制器發(fā)送給外圍通信接口模塊；外圍通信接口模塊的串口電平轉(zhuǎn)換芯片把UART接口發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS_232電平數(shù)據(jù)，并通過RS_232接口發(fā)給外設(shè)；外圍通信接口模塊的CAN收發(fā)器將CAN控制器發(fā)來的TTL電平數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為物理總線的差分電平數(shù)據(jù)，然后通過CAN接口傳輸?shù)紺AN總線上的設(shè)備。

使用所述的微型捷聯(lián)航姿系統(tǒng)測量航姿的方法如下：

1)航姿系統(tǒng)上電后完成系統(tǒng)初始化工作，并進行系統(tǒng)自檢，通過采集數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)，檢查航姿系統(tǒng)有無異常；

2)磁場自標(biāo)定：在沒有磁干擾的環(huán)境，將航姿系統(tǒng)在水平面緩慢均勻轉(zhuǎn)動一周，數(shù)據(jù)處理解算單元通過SPI總線，從三軸磁阻傳感器讀取地球磁場強度在載體系三軸上的分量，通過橢圓補償自標(biāo)定法，標(biāo)定出磁場補償系數(shù)：載體系X軸的標(biāo)定因數(shù)Xsf、Y軸的標(biāo)定因數(shù)Ysf，以及磁場強度在載體系X軸上的漂移量Xoff、Y軸上的漂移量Yoff；