基于MCU的機器人導航定位系統(tǒng)設計

對于在室外環(huán)境工作的移動機器人通常使用慣導/衛(wèi)星組合導航方式。慣性導航系統(tǒng)[1]具有完全自主、抗干擾強、隱蔽能力好和輸出參數(shù)全面等優(yōu)點，但它的魯棒性極低，誤差會不斷隨時間累積發(fā)散。衛(wèi)星導航系統(tǒng)具有精度高、定位范圍廣和誤差不隨時間累積等優(yōu)點，但其自主性差、易受外界遮擋和干擾、接收機數(shù)據(jù)更新頻率低等缺點。因此工程上常常將兩者互補結合使用，組成衛(wèi)星/慣性組合導航系統(tǒng)。

本文以低功耗MSP430F149為核心，設計了能夠同時實現(xiàn)衛(wèi)星導航(GNSS)接收機、慣性測量單元(IMU)、氣壓高度等導航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進行初步導航定位信息融合的導航系統(tǒng)，即可為室外移動機器人提供直接的導航服務，也可作為高精度組合導航系統(tǒng)的原始測量信息高速采集系統(tǒng)。

系統(tǒng)設計的關鍵是利用單片機有限的接口資源實現(xiàn)了多傳感器信息并行采集，設計了有效的數(shù)據(jù)同步方法，解決了氣壓傳感器數(shù)據(jù)手冊疏漏導致的無法接入問題，給出了機器人組合定位的基本方法。系統(tǒng)充分利用了MSP430F149單片機的能力，具有結構簡單、低功耗、對傳感器具有普適性等優(yōu)點。

1 總體設計

本系統(tǒng)由電源、氣壓計接口、IMU接口、GNSS接收機接口、SPI轉UART模塊及MSP430F149構成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

組合導航系統(tǒng)的功能實現(xiàn)分為IMU數(shù)據(jù)接收與解析、GNSS數(shù)據(jù)接收與解析、氣壓計數(shù)據(jù)接收與解析、組合導航解算以及數(shù)據(jù)輸出五個部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導航解算中需要的加速度和角速度信息;GNSS數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取導航解算中需要的位置和速度信息(松耦合組合)或者GNSS偽距和偽距率(緊耦合組合);氣壓計數(shù)據(jù)接收與解析功能用來獲取高度信息;組合導航解算功能為系統(tǒng)核心，用來進行組合導航解算;數(shù)據(jù)的輸出包括原始數(shù)據(jù)包的整合輸出和解算結果的輸出。

圖1 系統(tǒng)組成結構圖

本文所使用的慣性器件和GNSS接收機都是RS-232電平的UART接口，具有通用性，用戶可根據(jù)成本考慮不同精度的設備。氣壓計選用美國MEAS公司生產的MS5803-02BA，已經固化在電路中。

2 硬件電路設計

2.1 微控制器接口

整個組合導航定位系統(tǒng)需要三個UART接口和兩個SPI接口。其中兩個UART接口由430單片機自帶的UART資源提供，另外一個UART接口由GPIO模擬SPI通過MAX3111E芯片轉化得到;兩個SPI接口由GPIO模擬得到。另外需要一個外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號(PPS)、一個外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號。MSP430F149管腳資源分配如表1所示。

2.2電源電路

本系統(tǒng)供電需求為3.3V供電，因此采用AMS1117穩(wěn)壓芯片，接入5V電源即可輸出3.3V穩(wěn)定電壓，可提供1A電流，滿足系統(tǒng)供電需求。電路設計如圖2所示。

圖2 電源電路

2.3 IMU器件及GNSS接收機接口電路

IMU器件及GNSS接收機都采用UART接口方式接入，采用RS232協(xié)議。因此可使用430單片機上自帶的兩個UART接口，但是需要進行TTL電平與RS232電平轉換。這里采用常見的MAX3232芯片，電路設計如圖3所示。

圖3 IMU及GNSS接口電路

2.4 氣壓計MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA[3]是由MEAS公司生產的數(shù)字壓力傳感器，分辨率達10cm。芯片內部包含一個高線性的壓力傳感器和一個內部工廠標定系數(shù)的超低功耗24位ΔΣ型ADC。該款芯片有SPI和I2C兩種接口方式，通過芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式(PS置低時，采用SPI工作模式;PS置高時，采用I2C工作模式)。本文所闡述的定位系統(tǒng)將氣壓計配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器間的接口電路設計如圖4所示。

圖4 MS5803-02BA接口電路

MS5803-02BA的控制命令包括復位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令?？刂泼钊绫?所示。

控制命令通過SDI口移位輸入，響應結果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進行溫度補償，需要利用芯片內部PROM中的系數(shù)來補償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結果;PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補償系數(shù)。

下面是讀取ADC的C語言代碼：

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(CMD);//SDI移入8位CMD

delay_ms(10); //延時10ms

CSN_ON_MS();//CS置高

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(0x00);//SDI移入8位0x00

result = SPI_READ_24BIT();//SDO移出24位

CSN_ON_MS();//CS置高

下面是讀取PROM的C語言代碼：

CSN_OFF_MS();//CS置低

SPI_WRITE_8BIT(CMD); //SDI移入8位CMD

result=SPI_READ_16BIT();//SDO移出24位

CSN_ON_MS();//CS置高

結合器件的使用手冊及手冊疏漏的地方，使用MS5803-02BA時需要注意：

1、溫度和氣壓ADC命令發(fā)送之后，芯片內部需要一定的時間進行采樣轉換，具體時間與過采樣率(OSR)有關，最大需求時間為10ms，因此本文采用的延時時間為10ms;

2、片選信號CS的下降沿到時鐘SCLK信號的第一個上升沿至少要有21ns的時間延遲，否則命令無法正確寫入芯片;

3、8位的ADC讀取命令之后，必須保持CS片選信號持續(xù)為低，再產生24位時鐘信號輸入，將24位的ADC結果讀取出來(即一個命令字為8位，但實際需要32個連續(xù)的時鐘周期才能完整讀取ADC結果);

4、對于PROM讀取命令同ADC讀取命令，一共需要24個連續(xù)的時鐘周期完成，其中8位命令字輸入，16位數(shù)據(jù)讀出。

5、對于所有從SDO移位輸出數(shù)據(jù)的同時，都需要SDI輸入端保持低電平。

2.5 SPI轉UART電路

由于MSP430F149的片上UART資源都被IMU器件和GNSS接收機占用，因此需要擴充一個UART接口才能滿足定位系統(tǒng)與PC機間的通信。為此將MSP430F149上的GPIO模擬SPI，再通過MAX3111E芯片轉成UART接口。

MAX3111E是MAXIM公司推出的全功能收發(fā)器，內部包含UART和RS232電平轉換兩個獨立的部分。UART部分包括兼容于SPI的串行接口、可編程波特率發(fā)生器、發(fā)送移位寄存器、接收移位寄存器、8字長的FIFO以及4種可屏蔽中斷發(fā)生器;RS232部分包括電泵電容、硬件關斷(SHDN管腳)，具有±15kV靜電保護作用。它可以選擇1.8432MHz或3.6864MHz兩種晶振作為外部晶振，芯片能夠工作在300bps～230kbps波特率，本文使用的是3.6864MHz晶振。MAX3111E與MSP430F149連接電路如圖5。

圖5 SPI轉UART電路

MAX3111E的控制命令分為寫配置命令、讀配置命令、寫數(shù)據(jù)命令以及讀數(shù)據(jù)命令四種。本文寫入芯片的配置命令是0xE809，8bit數(shù)據(jù)長度、使能FIFO、發(fā)送中斷使能、波特率38400bps。數(shù)據(jù)的寫入需要在每個字節(jié)前面加上0x81，例如若要發(fā)送字節(jié)0x55，則需要從DIN端移位輸入0x8155。

下面是連續(xù)發(fā)送n個字節(jié)的C語言代碼：

SPI_WRITE_16BIT(0xE809);//寫配置命令

delay_ms(10);//延時10ms

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATA1);//發(fā)送第1個數(shù)據(jù)DATA1

delay_ns(250);//延時250ns

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATA2);//發(fā)送第2個數(shù)據(jù)DATA2

……

delay_ns(250);//延時250ns

SPI_WRITE_16BIT(0x8100+DATAn);//發(fā)送第n個數(shù)據(jù)DATAn

使用MAX3111E時需要注意：

1、片選信號CS的下降沿到時鐘SCLK信號的第一個上升沿至少要有100ns的時間延遲;

2、芯片判定片選信號CS失效時，需要CS管腳保持高電平的時間至少為200ns。因此當需要連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)時，兩個寫數(shù)據(jù)命令之間至少需要200ns，建議間隔250ns;

3、寫配置命令需要晶振工作穩(wěn)定，因此可以在寫配置命令后再讀配置，直到寫入和讀出的配置數(shù)據(jù)相應位相同時才保證芯片按需求配置完畢。

3 軟件設計

3.1 GPIO模擬SPI實現(xiàn)方法

使用GPIO模擬SPI，對選定的IO口進行時序上的電平操作，模擬出SPI時序。本文將SPI的電平操作采用宏定義的方式，可參考表3中的源代碼。

程序按照SPI邏輯關系使用上述的宏定義，可以在選定的IO端口產生SPI信號，并且可以靈活的控制每個CS有效期間的時鐘數(shù)。使用GPIO模擬的SPI具有操作直觀、靈活可變等優(yōu)點。相比較模擬得到的SPI，控制器上自帶的SPI接口基本不占用控制器資源，發(fā)送和接收的移位、時鐘信號的產生都交由內部SPI模塊處理。而GPIO模擬的SPI需要控制器不斷對IO進行操作，因此會占用控制器處理時間。時鐘信號也因對電平操作消耗機器周期，導致時鐘信號速度有限。

3.2 數(shù)據(jù)的采集和處理方法

IMU和GNSS接收機的數(shù)據(jù)會主動發(fā)送到430單片機的UART接口，本文采用中斷接收的方式接收數(shù)據(jù)，將每次到來的一個字節(jié)循環(huán)存儲在指定的存儲區(qū);氣壓計需要430單片機查詢式獲取高度信息。因此當需求IMU或者GNSS信息的時候，需要在存儲區(qū)內掃描數(shù)據(jù)，掃描依據(jù)是設備發(fā)送一幀數(shù)據(jù)的協(xié)議(幀頭、幀尾、CRC等)，再根據(jù)協(xié)議獲取相應物理量的數(shù)值;當需要高度信息的時候，需要430單片機對氣壓計發(fā)送控制字獲取信息。在對IMU和GNSS信息掃描時需要一個變量ptr保存有效數(shù)據(jù)的首地址在存儲區(qū)內的偏移地址，為了不重復使用已用數(shù)據(jù)，需要在利用完信息后，破壞這一幀有效數(shù)據(jù)的幀頭幀尾。

另外需要注意，使用循環(huán)存儲數(shù)據(jù)和掃描取用這種方式，需要數(shù)據(jù)的處理速度比數(shù)據(jù)的接收速度快，否則舊數(shù)據(jù)會被新數(shù)據(jù)覆蓋。

3.3 高度計算方法

高度信息的獲取需要通過MS5803-02BA獲取的氣壓信息轉換得到。對這款氣壓計的操作，需要先在芯片內部的PROM獲取C1~C6六個參數(shù)，再獲取溫度ADC結果D1和氣壓ADC結果D2，最后利用官方提供的計算公式計算得到帶補償?shù)臍鈮褐?。氣壓值獲取的軟件流程圖如圖6。

圖6 高度計算流程圖

按照氣壓計的用戶手冊中提供的計算公式，最后可以計算得到一個經過溫度補償?shù)臉藴蕷鈮褐担瑔挝籱bar。高度信息的獲取還需要將氣壓值經過函數(shù)關系轉換。高度h和標準大氣P之間有如下函數(shù)關系：

Th=288.15K，是g0對應高度下的溫度下限值;β=-6.5K/km，是溫度的垂直變化率;H=0m，是g0對應的高度;Ph=101325Pa，是g0對應高度下的氣壓下限值;R=287.05287m2/(K●s2)，是氣體常數(shù);g0=9.80665m/s2，是海平面重力加速度。

在氣壓與高度的關系轉換中，本文采用分段線性化的方法擬合它們的非線性關系。在不同氣壓值區(qū)間內，線性化公式得到h=a●P+b，取得不同的線性參數(shù)a、b，參考表4。

3.4 組合導航的時間對準

進行組合導航濾波解算時，從IMU和GNSS接收機接收到的數(shù)據(jù)在時間上應該是同步的，因為如果在一個數(shù)據(jù)融合點上，進入Kalman濾波器的來自兩個子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)來自不同的時間點，會給濾波計算帶來誤差，同時也會給校正計算帶來影響。GNSS接收機輸出的導航數(shù)據(jù)都帶有精確的時間標簽，而從 IMU 輸出的數(shù)據(jù)只有一個相對時間標簽。以GNSS接收機的時間標簽作為時間基準，分析時間差的組成。系統(tǒng)時間示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)時鐘示意圖

3.4.1 時間差分析

當一個GNSS數(shù)據(jù)(1Hz)到來時，接收機產生一個秒脈沖信號(PPS)，用于時間對準。GNSS接收機本身存在數(shù)據(jù)時延：接收機整個計算過程會產生一個解算時間延遲△t1、從衛(wèi)星導航接收機和慣導系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)分別經過McBSP和RS-232數(shù)據(jù)接口輸入導航解算處理器會產生一定的傳輸延遲△t2。因此在PPS信號前的△t1+△t2時刻才是當前接收到的GNSS數(shù)據(jù)幀的真實時刻。IMU數(shù)據(jù)處理時間相對于遞推時間來說很小，可以忽略。另外PPS脈沖信號和慣性測量信號之間的時間差△τ，它描述GNSS絕對時間和IMU相對時間之間的關系，使得GNSS和IMU統(tǒng)一在同一個時間標準下。

3.4.2 處理思想

根據(jù)總時間差△T =△t1+△t2+△τ，找到IMU數(shù)據(jù)對應的插值時刻。通過時間△T就可以獲得對準時間點與最近的兩個慣性采集時刻，其后對時間同步點兩側時間點上，即圖中t(k-1)和t(k)時間點的慣性數(shù)據(jù)進行線性插值運算，就可以獲得了慣導數(shù)據(jù)和GNSS接收機數(shù)據(jù)在同一時間點上的同步化測量數(shù)據(jù)。

3.4.3 實施方法

GNSS接收機解算時間△t1由接收機提供。

傳輸時間△t2通常為一個固定時間，使用示波器分別測量GNSS接收機發(fā)送時間和導航解算電路的接收時間，再將兩個時間作差即可獲得。

△τ的獲取需要開啟MSP430F149的計時器和外部中斷，通過中斷計時的方式獲得。具體方法是：通過將PPS信號接入導航處理器的外部中斷接口，采用邊沿觸發(fā)方式觸發(fā)中斷事件的發(fā)生。中斷事件啟動計時器工作。當通過串口中斷方式接收到IMU數(shù)據(jù)時，讀取計時器的值，即可得到IMU數(shù)據(jù)相對于PPS的延遲時間△τ。

結論

本文基于MSP430F149單片機設計的室外移動機器人組合導航定位系統(tǒng)，通過接口的擴展使得該款定位系統(tǒng)能夠接入IMU、GNSS接收機、氣壓計三路信息，完成初步導航定位服務功能，同時可作為多路數(shù)據(jù)采集設備，將多路數(shù)據(jù)整合到一路高速輸出接口，用于進一步的高精度導航解算。該系統(tǒng)根據(jù)使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設備，只要滿足RS-232協(xié)議即可。筆者將其實際運用，整個系統(tǒng)充分利用該款單片機的資源，結構簡單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導航定位服務的設備，還可作為多路數(shù)據(jù)采集設備。

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