北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，包括三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計、磁場計、北斗/GPS雙模芯片、信號轉(zhuǎn)換及接口電路、數(shù)字信號處理器及二次電源芯片，所述數(shù)字信號處理器用于接收來自信號轉(zhuǎn)換及接口電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并對角速度及加速度所對應(yīng)的數(shù)字信號進行計算以得到載體的速度和位移，還用于對載體的速度、位移、行程信息、高度信息、磁場信息、北斗信號、GPS信號所對應(yīng)的數(shù)字信號進行卡爾曼濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)。本發(fā)明將北斗、陀螺、加速度、磁場計、高度計、信號轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理等功能芯片有機融合在一起，可實現(xiàn)全參數(shù)導(dǎo)航，無縫隙導(dǎo)航，提高了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性和應(yīng)用的可靠性。
【專利說明】北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種導(dǎo)航系統(tǒng)，特別涉及一種北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]在導(dǎo)航領(lǐng)域，衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航具有各自的優(yōu)點:衛(wèi)星導(dǎo)航能提供絕對位置、速度、時間，且無時間漂移、能長期間保持高精度；慣性導(dǎo)航具有連續(xù)性、隱蔽性、可測量全部運動參數(shù)、短時精度高。同時兩者也都有各自的局限性:衛(wèi)星導(dǎo)航容易受到干擾，在城市、山區(qū)、隧道、森林等復(fù)雜地形條件下無法提供準確的導(dǎo)航參數(shù)，甚至無法導(dǎo)航；而慣性導(dǎo)航由于受傳感器的限制，導(dǎo)航精度隨時間推移快速下降，無法長時間保持精度導(dǎo)航。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明實施例所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種能同時具有衛(wèi)星導(dǎo)航及慣性導(dǎo)航的優(yōu)點的導(dǎo)航系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明所提供的一種北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:包括:
[0005]三軸微機械陀螺，用于采集載體的運動角速度信息；
[0006]三軸微機械加速度計，用于采集載體的線性加速度信息；
[0007]里程計編碼器，用于采集載體的行程信息；
[0008]高度計，用于采集載體的高度信息；
[0009]磁場計,用于米集載體周圍的磁場信息；
[0010]北斗/GPS雙模芯片，用于接收北斗信號及GPS信號；
[0011]信號轉(zhuǎn)換及接口電路，與三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計及北斗/GPS雙模芯片均相連，用于將采集得到的運動角速度信息、線性加速度信息、行程信息、高度信息、磁場信息及北斗信號及GPS信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；
[0012]數(shù)字信號處理器，用于接收來自信號轉(zhuǎn)換及接口電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并對角速度及加速度所對應(yīng)的數(shù)字信號進行計算以得到載體的速度和位移，所述數(shù)字信號處理還用于對載體的速度、位移、行程信息、高度信息、磁場信息、北斗信號、GPS信號所對應(yīng)的數(shù)字信號進行深組合卡爾曼濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)；以及
[0013]二次電源芯片，與所述三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計、磁場計、北斗/GPS雙模芯片、信號轉(zhuǎn)換及接口電路以及數(shù)字信號處理器相連，用于為所述三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計、磁場計、北斗/GPS雙模芯片、信號轉(zhuǎn)換及接口電路以及數(shù)字信號處理器提供工作電源。
[0014]進一步的，所述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)還包括輸入輸出接口電路及至少一接口，所述輸入輸出接口電路與數(shù)字信號處理器相連，所述至少一接口與輸入輸出接口電路相連。
[0015]進一步的，所述至少一接口包括RS232接口。
[0016]進一步的，所述至少一接口包括RS422接口。
[0017]進一步的，所述至少一接口包括CAN總線。
[0018]上述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)將北斗、陀螺、加速度、磁場計、高度計、信號轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理等功能芯片有機融合在一起，可實現(xiàn)全參數(shù)導(dǎo)航，無縫隙導(dǎo)航，提高了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性和應(yīng)用的可靠性。當(dāng)有衛(wèi)星信號時，上述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)可提供高精度全部導(dǎo)航參數(shù)，并提高導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，提高抗干擾能力；當(dāng)無衛(wèi)星信號時，其仍然可提供導(dǎo)航參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖；
[0020]圖1是本發(fā)明北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的較佳實施方式的方框圖。
[0021]圖2是圖1中北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的工作原理圖。
[0022]圖3是圖1中北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的工作流程圖。
具體實施例
[0023]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0024]應(yīng)當(dāng)理解的是，雖然此處可以使用“第一”、“第二”等術(shù)語來描述各種元件，但是這些元件不應(yīng)當(dāng)由這些術(shù)語所限制。這些術(shù)語僅用來區(qū)分一個元件和另一個元件。因此，下文所討論的“第一”元件也可以被稱為“第二”元件而不偏離本發(fā)明的教導(dǎo)。應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)提及一元件“連接”或者“聯(lián)接”到另一元件時，其可以直接地連接或直接地聯(lián)接到另一元件或者也可以存在中間元件。相反地，當(dāng)提及一元件“直接地連接”或“直接地聯(lián)接”到另一元件時，則不存在中間元件。
[0025]在此使用的術(shù)語僅僅用于描述具體的實施方式的目的而無意作為對本發(fā)明的限定。如此處所使用的，除非上下文另外清楚地指出，則單數(shù)形式意圖也包括復(fù)數(shù)形式。
[0026]應(yīng)當(dāng)進一步理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包括”和/或“包括有”時，這些術(shù)語指明了所述特征、整體、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一個以上其他特征、整體、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在和/或附加。
[0027]請參見圖1，本發(fā)明北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的較佳實施方式包括三軸微機械陀螺1、三軸微機械加速度計2、里程計編碼器3、高度計5、磁場計18、北斗/GPS雙模芯片
6、信號轉(zhuǎn)換及接口電路7、數(shù)字信號處理器8、輸入輸出接口電路9、二次電源芯片10、RS232接口 11、RS422 接口 12 及 CAN 總線 16。
[0028]所述二次電源芯片10與三軸微機械陀螺1、三軸微機械加速度計2、里程計編碼器
3、高度計5、磁場計18、北斗/GPS雙模芯片6、信號轉(zhuǎn)換及接口電路7、數(shù)字信號處理器8、輸入輸出接口電路9、RS232接口 11、RS422接口 12及CAN總線16均相連，以為其提供工作電源。所述RS232接口 11、RS422接口 12及CAN總線16用于將整個北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)與外界設(shè)備(諸如電腦或者顯示屏等)相連。
[0029]所述三軸微機械陀螺I用于測得載體的運動角速度，所述三軸微機械加速度計2用于測得載體的線性加速度信息，所述信號轉(zhuǎn)換及接口電路3用于將由三軸微機械陀螺I測得的運動角速度信息及由三軸微機械加速度計2所測得的線性加速度信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8用于對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進行計算以得到載體的速度和位移。
[0030]所述里程計編碼器3用于測得載體的行程信息，所述高度計5用于測得載體的高度信息，所述磁場計18用于測得載體周圍的磁場信息，上述行程信息、高度信息及磁場信息均由信號轉(zhuǎn)換及接口電路7轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并傳輸至數(shù)字信號處理器8。所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合得到的載體的速度和位移、行程信息、高度信息、磁場信息以及來自北斗/GPS雙模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息采用卡爾曼(KALMAN)濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)。
[0031]下面將對整個北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的工作原理進行詳細的說明:
[0032]請參閱圖2所示，其為整個系統(tǒng)的工作原理圖，下面將對照圖2對上述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的工作原理進行描述。
[0033]所述三軸微機械加速度計2采集載體的比力信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路7進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的比力信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8對轉(zhuǎn)換后的比力信息進行誤差補償計算，以得到載體相對于慣性空間的比力。所述三軸微機械陀螺I采集載體的角速度信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路7進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的角速度信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8對轉(zhuǎn)換后的角速度信息進行誤差補償計算，以得到載體相對于慣性空間的角速率。
[0034]所述北斗/GPS雙模芯片6用于采集得到北斗及GPS信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路7進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的北斗及GPS信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合載體相對于慣性空間的比力信息、角速率及北斗及GPS信息進行預(yù)處理和補償計算，以得到載體的速度和位移，即完成整個北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的初始對準。
[0035]初始對準完成后，所述數(shù)字信號處理器8繼續(xù)結(jié)合上述信息通過解四元數(shù)微分方程得到四元數(shù)向量，以獲得姿態(tài)矩陣及姿態(tài)角；并結(jié)合已得到的載體的角速率及由比力轉(zhuǎn)換得來的速度信息計算得到載體的位置信息。之后，所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合已得到的姿態(tài)角、由里程計編碼器得到的里程信息、由高度計計算得到的高度信息、磁場計計算得到的磁場信息以及由北斗/GPS雙模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息，并利用卡爾曼(KALMAN)濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)，具體的導(dǎo)航參數(shù)包括:航向、俯仰、滾動角、經(jīng)度、緯度、速度及航跡角信息。
[0036]如果出現(xiàn)北斗/GPS雙模芯片6無法采集到北斗及GPS信息時，所述數(shù)字信號處理器8即視采集到的北斗及GPS信息為“0”，之后仍然利用卡爾曼濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)。當(dāng)然，此時的計算結(jié)果誤差稍大于北斗/GPS雙模芯片6能采集到北斗及GPS信息時所得到的導(dǎo)航參數(shù)，不過其仍然可以滿足導(dǎo)航的要求。本發(fā)明所述的北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)充分利用了北斗衛(wèi)星/GPS導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的優(yōu)點，是二者的完美結(jié)合，實現(xiàn)了真正的無縫隙導(dǎo)航。
[0037]請繼續(xù)參考圖3所示，其為本發(fā)明北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的工作流程圖:
[0038]步驟S1:進行系統(tǒng)初始化，設(shè)置各項系統(tǒng)參數(shù)；
[0039]步驟S2:慣性導(dǎo)航信號處理。其中，所述慣性導(dǎo)航信號包括由三軸微機械加速度計2所采集得到的載體的比力信息及由三軸微機械陀螺I所采集得到的載體的角速度信息。具體的，所述三軸微機械加速度計2采集載體的比力信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路I進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的比力信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8對轉(zhuǎn)換后的比力信息進行誤差補償計算，以得到載體相對于慣性空間的比力。所述三軸微機械陀螺I采集載體的角速度信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路7進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的角速度信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8對轉(zhuǎn)換后的角速度信息進行誤差補償計算，以得到載體相對于慣性空間的角速率。
[0040]步驟S3:北斗/GPS信號處理。具體的，所述數(shù)字信號處理器8接收經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的北斗/GPS信號，并對其進行抗野值濾波處理。
[0041]步驟S4:讀取系統(tǒng)溫度、狀態(tài)信息。
[0042]步驟S5:判斷是否完成初始對準。具體的，所述北斗/GPS雙模芯片6采集得到北斗及GPS信息，并將其傳輸至信號轉(zhuǎn)換及接口電路7進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的北斗及GPS信息被傳輸至數(shù)字信號處理器8，所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合載體相對于慣性空間的比力信息、角速率及北斗及GPS信息進行預(yù)處理和補償計算，以得到載體的速度和位移，即完成整個北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)的初始對準。若判斷初始對準未完成，則返回至步驟S2，即繼續(xù)實施初始對準。
[0043]步驟S6:若判斷初始對準完成，則判斷是否有接收到北斗/GPS信號。
[0044]步驟S7:若判斷接收到北斗/GPS信號，所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合已得到的姿態(tài)角、由高度計計算得到的高度信息、磁場計計算得到的磁場信息以及由北斗/GPS雙模芯片6所采集得到的北斗及GPS信息，并利用卡爾曼(KALMAN)濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)。
[0045]步驟S8:若判斷未接收到北斗/GPS信號，所述數(shù)字信號處理器8結(jié)合已得到的姿態(tài)角、由高度計計算得到的高度信息、磁場計計算得到的磁場信息，并利用卡爾曼(KALMAN)濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)。
[0046]上述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)將北斗、陀螺、加速度、磁場計、高度計、信號轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理等功能芯片有機融合在一起，可實現(xiàn)全參數(shù)導(dǎo)航，無縫隙導(dǎo)航，提高了整個導(dǎo)航系統(tǒng)的抗干擾性和應(yīng)用的可靠性。
[0047]以上所揭露的僅為本發(fā)明一種較佳實施例而已，當(dāng)然不能以此來限定本發(fā)明之權(quán)利范圍，因此依本發(fā)明權(quán)利要求所作的等同變化，仍屬本發(fā)明所涵蓋的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:包括: 三軸微機械陀螺，用于采集載體的運動角速度信息； 三軸微機械加速度計，用于采集載體的線性加速度信息； 里程計編碼器，用于采集載體的行程信息； 高度計，用于采集載體的高度信息； 磁場計，用于采集載體周圍的磁場信息； 北斗/GPS雙模芯片，用于接收北斗信號及GPS信號； 信號轉(zhuǎn)換及接口電路，與三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計及北斗/GPS雙模芯片均相連，用于將采集得到的運動角速度信息、線性加速度信息、行程信息、高度信息、磁場信息及北斗信號及GPS信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號； 數(shù)字信號處理器，用于接收來自信號轉(zhuǎn)換及接口電路轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，并對角速度及加速度所對應(yīng)的數(shù)字信號進行計算以得到載體的速度和位移，所述數(shù)字信號處理還用于對載體的速度、位移、行程信息、高度信息、磁場信息、北斗信號、GPS信號所對應(yīng)的數(shù)字信號進行卡爾曼濾波算法計算得到導(dǎo)航參數(shù)；以及 二次電源芯片，與所述三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計、磁場計、北斗/GPS雙模芯片、信號轉(zhuǎn)換及接口電路以及數(shù)字信號處理器相連，用于為所述三軸微機械陀螺、三軸微機械加速度計、里程計編碼器、高度計、磁場計、北斗/GPS雙模芯片、信號轉(zhuǎn)換及接口電路以及數(shù)字信號處理器提供工作電源。
2.如權(quán)利要求1所述的北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:所述北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)還包括輸入輸出接口電路及至少一接口，所述輸入輸出接口電路及至少一接口由二次電源芯片供電，所述輸入輸出接口電路與數(shù)字信號處理器相連。
3.如權(quán)利要求2所述的北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:所述至少一接口包括 RS232 接 口。
4.如權(quán)利要求2所述的北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:所述至少一接口包括 RS422 接 口。
5.如權(quán)利要求2所述的北斗慣導(dǎo)深組合導(dǎo)航微系統(tǒng)，其特征在于:所述至少一接口包括CAN總線接口。
【文檔編號】G01S19/33GK104181573SQ201410460698
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】李星海, 胡旭伯 申請人:中國電子科技集團公司第二十六研究所