基于MEMS的惯性导航系统

1、基于MEMS的惯性导航系统惯性导航技术是一门综合性技术，用于对运动物体的姿态、速度和位置参数的确定，该技术广泛用于航天、航空、航海和大地测量领域。由于捷联惯性导航不受外界电磁和气象环境干扰，不依赖于外界条件，并且具有良好的隐蔽性，真正地实现了自主导航，成为自主式测量的最佳手段。目前，在发达国家，捷联惯性导航系统广泛用于机器人、无人飞机和精确制导炸弹等飞行器的导航控制中。常用的导航系统大都采用同学用型的微型处理器货专用的导航计算机完成。这种处理器处理速度慢、体积大、功耗高、电路复杂、可靠性低，无法满足捷联式惯性导航系统对于微型化、高精度、实时性的要求。嵌入式ARM9处理器具有高速、稳定、功耗低、

2、简单易用、接口丰富等特点，在智能仪器设备中得到广泛的应用。采用ARM9处理器与MEMS期间设计的观星导航系统不但可以满足导航系统对于小体积、低功耗等的要求。同时也可满足导航系统对于高处理速度、高实时性的要求。本文涉及了一种基于ARM9处理器和MEMS传感器的惯性导航系统，给出了该系统的硬件平台，为满足导航系统中对于实时计算的要求，设计了基于嵌入式实时操作系统的软件设计方法。1 系统硬件组成捷联式惯性导航系统的硬件主要包括：MEMS期间、导航计算机、外部监控计算机。在传统的惯性导航系统忠还含有数据采集单元。随着MEMS技术的发展，目前的观星器件大多具有数字输出接口，可以 直接与微处理器的数字接口

3、连接，简化了惯性导航系统硬件设计。1.1 导航处理器的选型在需要大数据量计算与实时处理的场合，主处理器的性能是系统性能的决定性因素。本文采用具有ARM920T内核的S3C2440处理器作为整个系统的核心处理器。S3C2440是一款32为具有精简指令集的处理器，特别适合具有低功耗、高计算量要求的场合。具有内存管理单元、哈佛双总线结构、数据指令缓冲区、5级流水线结构，制品可高达400MHz。S3C2440具有简单易用，程序可移植性好等特点，完全符合惯性导航系统的要求。本本文选用S2C2440处理器，负责传感器信息的采集，导航参数的计算，导航结果的输出。1.2 MEMS传感器的外形及外围电路在捷联式

4、惯性导航系统中常用的MEMS传感器为陀螺仪、加速度计、电子罗盘等。MEMS传感器的选型主要考虑传感器的轴向特性、量程、接口形式、封装、抗冲击性、温漂等。惯性导航系统的姿态位置计算都是在三维笛卡尔坐标系中进行，单轴或双轴的传感器芯片在设计时必须保证芯片的输出轴按三维坐标方向严格垂直，但由于焊接、安装等误差的存在，在选用单轴或双轴的传感器芯片是，并不能严格保证芯片输出轴的正交，这也成为惯性导航系统中仪器误差的主要来源。为避免单轴或双轴传感器芯片存在的轴向安装误差，本文选用三轴MEMS传感器芯片。陀螺仪芯片选用InvenSense公司的三轴陀螺仪芯片ITG-3200，具有2 000度/s的量程，可抗

5、10 000g的冲击，具有温度补偿功能，具有的I2C数字输出接口。图1 陀螺仪电路图图2 加速度计电路图加速度芯片选用ADO公司的ADXL345三轴加速度计芯片，具有最大16g的可配置量程，可在-40°C85°C的温度下正常工作，可抗1000g的冲击，具有SPI/12C克配置数字输出接口。电子罗盘选用Honeywell公司的HMC5843芯片，LCC封装，内置ASIC，放大器，12位AD转换，SET/RESET电路，可有效消除杂散磁场，温度漂移，放大器偏置和漂移的影响。通过I2C接口以数字量直接输出三轴传感信息。1.3 系统电气结构由于选用的陀螺仪、加速度计和磁阻式传感器图

6、3 电子罗盘电路图都具有I2C数字总线接口，将它们都挂接在S3C2440处理器的I2C总线上，可以极大地简化整个系统的硬件设计，不需要设计复杂的信号采集及调理电路。其电气结构如图4所示。图4 导航定位模块结构图2 导航系统软件设计2.1 惯性导航的基本原理捷联式惯性导航的基本原理如图2所示，惯性元件的敏感轴安装在载体坐标系(b系)三轴方向上，由于固连在载体上，所以测得的都是载体坐标系下的物理量。陀螺仪和加速度计输出投影于载体坐标系为ibb和ibb，其中下标ib表示沿b系i轴的投影。对于捷联式惯性导航系统而言，导航计算不在在体系中进行，而要在导航坐标系（n系）完成。图5 捷联惯性导航系统基本原理

7、示意图捷联式惯性导航主要包括以下几个方面的内容：系统初始化、惯性仪表的误差补偿、姿态矩阵计算、导航和控制信息提取。其中姿态矩阵的实时计算以及位置速度的积分是惯性导航的关键任务，算法很多，常用的有欧拉角法、方向余弦算法、四元数法、旋转矢量算法等。导航参数的计算都是在离散的时间轴上进行的，时间误差是惯性导航系统误差的主要来源之一。保证导航系统实时数据采集与计算式惯性导航系统的关键任务之一。2.2 导航系统的程序处理方法惯性导航系统的程序设计常用的方法有前后台系统，基于非实时操作系统和基于嵌入实时操作系统的设计方法。在传统的的前后台系统中，前台中断程序负责运行一些时间要求比较严格的实时性任务，后台主

8、函数负责导航系统算法的计算以及导航参数的输出，前台和后台程序之间通过共享的全局变量传递信息，后台程序处于不断的等待过程中，根据前台传递进来的参数选择不同的处理流程。本文涉及的惯性导航系统中惯性器件全部基于I2C总线，I2C总线上的数据通常需要等待固定的时间，以使I2C数据出现在SDA总线上，这就必须在中断程序中设计一定的延时。而主函数中要处理的惯性导航算法任务很多，需要不断等待前台系统采集到的数据，这种程序设计方法过多占用了中断时间，CPU大部分处于等待状态，系统运行效率不高。基于嵌入式Linux操作系统也是常用的程序设计方法，特别是在基于带MMU在ARM处理器中应用广泛，Linux操作系统是

9、一种非实时操作系统，其时间片轮转的任务调度算法不能保证数据采集与计算的时间刻度；Linux操作系统本身过于庞大，本身在运行时需要占用大量的CPU时间，因此，嵌入式Linux操作系统不适合用于惯性导航系统。C/OS-是一种公开源码、结构小巧，具有可剥夺型实时内核的硬实时操作系统，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良、可扩展性强等特点，具备任务管理，时间管理，内存管理，任务间通信和同步等基本功能。C/OS-也是系统时钟，蛋系统时钟被用来进行时间管理，并不是任务切换的必备条件。在C/OS-中引起系统任务调度的是事件，事件或来源于其它优先级的任务，或来源于中断。具有最高优先级的任务在等待某个事件时

10、，只要该事件发生，则系统立即进行任务切换，高优先级的任务立即获得CPU的使用权。C/OS-可以保证系统需要实时运行的任务运行的几率是100%，是一种硬实时操作系统，特别适用于惯性导航系统中实时性任务的设计。本文基于C/OS-操作系统设计了惯性导航系统的软件，其中需要处理的任务主要有MEMS传感器数据采集、姿态矩阵计算及姿态角提取、姿态角与磁阻式传感器测得角度的卡尔曼滤波算法、比例变换算法、导航参数输出等。传感器信息的采集是系统实时性要求最高的任务，由于导航机选都是沿时间轴上的计算，要求传泛起信息采集的时间点的精确度，为保证每两次数据采集的中间，导航周期的准确性，必须将传感器信息采集设计为优先级

11、最高的任务，一旦计时时间到，CPU立即切换至传感器信息采集任务，姿态矩阵计算及姿态角提取、姿态角与磁阻式传感器测得角度的卡尔曼滤波算法、比例变换这三个部分的算法是一种顺序执行关系，将它们放到一个任务中，任务的优先级比传感器信息采集任务要低。最后 ，导航参数的输出放在优先级最低的任务中。系统的任务划分如图所示。图6 系统任务结构图系统在启动完成后，完成一系列的初始化，包括从加载域到运行域的转换，硬件初始化，操作系统初始化等。然后创建三个任务和两个消息队列。当系统启动初始化完成之后，便将CPU控制权交给优先级最高的任务，即数据采集任务。除这三个任务外，还有个系统空闲任务，在系统三个任务都没有运行时，将运行空闲任务。数据采集任务通过调用操作系统函数OSTimeDly()来达到周期性采集数据的。图7 导航计算任务流程图目的。其中，由于系统的时钟周期被设置为10ms，本文设计的导航周期亦为10ms。当数据采集任务采集到数据后，便通过消息队列将采集到的数据发送给导航计算任务。导航计算任务的流程图如图7所示。3 结论本文在S3C2440 ARM9处理器基础上，分别采用ADXL345加速度计、ITG-3200陀螺仪、HMC5843电子罗盘设计了惯性导航的硬件系统，在软件商基于嵌入式硬