基于MEMS的慣性導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)*

引言

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有導(dǎo)航信息完備、連續(xù)，完全自主性和高可靠性的特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，慣性技術(shù)的發(fā)展直接影響了一個(gè)國家武器裝備現(xiàn)代化的水平。隨著慣性技術(shù)的發(fā)展^[1]，尤其是MEMS技術(shù)的日益成熟，慣性系統(tǒng)的成本大幅度降低，慣性技術(shù)在民用領(lǐng)域也得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)高校很多都已經(jīng)開設(shè)了導(dǎo)航及相關(guān)專業(yè)，但是長期以來都缺乏一個(gè)系統(tǒng)的行之有效的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?；诖?，設(shè)計(jì)了一套基于MEMS的慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，系統(tǒng)由慣性測量單元，上位機(jī)，雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器組成。該慣性測量單元由六軸慣性測量組合[2-4]，包含三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能滿足導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)的學(xué)生了解慣性導(dǎo)航原理，有助于學(xué)生理解、熟悉、掌握慣性導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及應(yīng)用。該系統(tǒng)不僅僅是教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)，也是一個(gè)二次開發(fā)平臺(tái)，可以作為其他實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證平臺(tái)。

1   MEMS慣性測量單元

本系統(tǒng)使用的MEMS慣性測量單元為西安中星測控有限公司研發(fā)的六自由度慣性測量單元，型號(hào)CS-IMU-04A，該MEMS可精確測量載體坐標(biāo)系中三個(gè)正交軸的角速率和線加速度[5]。采用最新MEMS慣性測量元件，并對傳感器輸出噪聲進(jìn)行了濾波，對溫度漂移、交叉耦合、非線性等誤差項(xiàng)進(jìn)行了修正，提高了系統(tǒng)測量精度。該產(chǎn)品體積小、可靠性高、功耗小、重量輕、性能穩(wěn)定，可用于平臺(tái)穩(wěn)定、姿態(tài)航向參考系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制、飛行器穩(wěn)定控制、天線穩(wěn)定、汽車電子等系統(tǒng)。

1.1 工作原理及性能指標(biāo)

慣性測量單元CS-IMU-04A采用陀螺儀來測量載體的絕對加速度，然后載體的姿態(tài)角（俯仰角、偏航角、滾動(dòng)角）就可以通過陀螺輸出數(shù)據(jù)的特定的解算方法（如四元數(shù)法）來獲得。加速度計(jì)可用于確定CS-IMU-04A系列初始姿態(tài)角，并修正和確定陀螺在水平方向（俯仰角和滾動(dòng)角）的漂移。CS-IMU-04A硬件原理如圖1所示。

圖1 CS-IMU-04A硬件框圖

慣性測量單元CS-IMU-04A啟動(dòng)時(shí)間小于1s，角速度陀螺儀（X軸，Y軸和Z軸）測量范圍為±150°/s，零偏≤±0.5°/s，加速度計(jì)（X軸，Y軸和Z軸）測量范圍±10g，零偏≤0.02g，工作電壓+10~+30V DC，輸入電流≤200mA（+20VDC）。

1.2 接口定義

CS-IMU-04A慣性測量單元，采用九芯屏蔽電纜與外部設(shè)備相連，接口使用RS-422串口通信方式，串口通信協(xié)議為8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗(yàn)，波特率115200bps，數(shù)據(jù)更新率為200Hz。接口的外部特征及信號(hào)定義如表1所示。

表1 CS-IMU-04A接口定義

在搭建硬件系統(tǒng)時(shí)，上位機(jī)與CS-IMU-04A慣性測量單元之間通過RS-422串口進(jìn)行通信。MEMS通電后，自動(dòng)通過串口向上位機(jī)發(fā)送測量數(shù)據(jù)，因此在硬件設(shè)計(jì)時(shí)，MEMS接口只需要用到VCC、GND、RS422 TX+和RS422 TX-四個(gè)端口。

1.3 數(shù)據(jù)幀格式

每幀CS-IMU-04A向外部發(fā)送的數(shù)據(jù)包含17個(gè)字節(jié)。其中，第1，2字節(jié)為幀起始字節(jié)，取值分別為0x7F和0x80。第3~14字節(jié)為陀螺儀和加表輸出，共6路數(shù)據(jù)，其中第3、4字節(jié)為X軸加速度計(jì)的低、高字節(jié)，第5、6字節(jié)為Y軸加速度計(jì)的低、高字節(jié)，第7、8字節(jié)為Z軸加速度計(jì)的低、高字節(jié)，第9、10字節(jié)為X軸陀螺儀的低、高字節(jié)，第11、12字節(jié)為Y軸陀螺儀的低、高字節(jié)，其中第13、14字節(jié)為Z軸陀螺儀的低、高字節(jié)。第15、16位為內(nèi)部溫度的低、高字節(jié)。第17字節(jié)為數(shù)據(jù)幀校驗(yàn)字，取第3~16字節(jié)的算術(shù)和的反碼。

每路輸出值由兩字節(jié)租出，為帶符號(hào)整數(shù)，取值范圍-32511~32511。各通道測量值可通過公式計(jì)算得到，計(jì)算公式如下：

   （1）

其中：x為通道輸出的測量數(shù)據(jù)；

Fs為該通道量程，其中加速度計(jì)的量程為±10g，角速率陀螺儀量程為±150°/s，溫度的量程為±200℃；

y為通道的實(shí)際測量值。

2   轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器

實(shí)驗(yàn)用到的雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)型號(hào)為TT-3DM-2E-10，轉(zhuǎn)臺(tái)控制器型號(hào)為CC-3DM-2E-10，均由上海紫航電子科技有限公司研發(fā)制造，為MEMS慣性測量單元提供激勵(lì)信號(hào)，配套有雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)測控軟件。

2.1 雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)

雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)TT-3DM-2E-10采用UO形鋁合金框架結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)臺(tái)由外環(huán)軸俯仰軸框架和內(nèi)環(huán)橫滾軸框架和組成，內(nèi)外框架軸組成相互垂直的兩維旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，采集控制器串行接口連接上位機(jī)實(shí)現(xiàn)測量控制。雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)外形如圖2所示。

圖2  TT-3DM-2E-10雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)

2.2 雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制器

雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制器用于控制雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)。轉(zhuǎn)臺(tái)控制器前后面板如圖3所示。

圖3  CC-3DM-2E-10雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)控制器

前面板：

“啟動(dòng)”按鈕：測試控制器加電和斷電（直流電）。

后面板：

“ON/OFF”：測試控制器供電開關(guān)（AC220V）；

“COM1”串口1：通過DL-232和上位機(jī)的COM1口連接；

“COM2”串口2：通過DL-232和上位機(jī)的COM2口連接；

“CZ1”插座：通過DL1雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)TT-3DM-2E-10的CZ連接；

“AC 220”插座：交流220V輸入。

2.3 雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)測控軟件

雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)測控軟件是系統(tǒng)配套軟件，軟件界面主要分四個(gè)功能區(qū)：參數(shù)設(shè)置、主演示、控制臺(tái)、串口狀態(tài)顯示，另外還有一個(gè)數(shù)據(jù)操作功能選項(xiàng)，如圖4所示。

圖4  雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)測控軟件

3   軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件通過RS422串行接口與MEMS單元進(jìn)行通信，完成MEMS輸出數(shù)據(jù)的采集工作，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的處理，再完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與顯示。軟件使用C#語言編程完成[6,7]，操作系統(tǒng)Windows7，在功能實(shí)現(xiàn)上，通過SerialPort類實(shí)現(xiàn)串口通信功能[8]，通過多線程計(jì)數(shù)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示。

3.1 系統(tǒng)模塊及功能

軟件主要由串口設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等模塊組成。

（1）串口設(shè)置：此模塊主要用來設(shè)置串口端口號(hào)及波特率。根據(jù)MEMS的通信協(xié)議，上位機(jī)串口的波特率設(shè)置為115200，在軟件窗口初始化時(shí)通過SerialPort類的GetPortNames方法獲取當(dāng)前上位機(jī)的串行端口名稱數(shù)組，并顯示在窗口端口號(hào)的ComboBox控件中，以供用戶進(jìn)行選擇。串口設(shè)置完畢后，通過按鍵，根據(jù)當(dāng)前串口狀態(tài)控制串口的開啟或關(guān)閉。

（2）數(shù)據(jù)采集：此模塊主要完成對MEMS輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。使用串口的DataReceived事件實(shí)現(xiàn)對串口數(shù)據(jù)的接收處理，當(dāng)串口處于開啟狀態(tài)時(shí)，如果從MEMS有數(shù)據(jù)傳輸過來，就自動(dòng)觸發(fā)DataRecevied事件，再通過該事件注冊的方法完成對串口數(shù)據(jù)的采集。

（3）數(shù)據(jù)處理：當(dāng)接收到MEMS傳輸?shù)囊唤M數(shù)據(jù)時(shí)，將串口數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在臨時(shí)數(shù)組里，根據(jù)MEMS數(shù)據(jù)幀格式和數(shù)據(jù)的長度判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)的有效性。當(dāng)數(shù)據(jù)有效時(shí)，提取數(shù)據(jù)幀里的有效數(shù)據(jù)（陀螺儀角速率信息，加速度計(jì)信息，溫度信息），通過公式1得到實(shí)際測量值。當(dāng)數(shù)據(jù)無效時(shí)，直接舍棄當(dāng)前數(shù)據(jù)并開始采集下一組數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，將最后得到的模擬量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫里，可用于后續(xù)數(shù)據(jù)的分析和處理。

（5）數(shù)據(jù)顯示：根據(jù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，將數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示在系統(tǒng)主界面上。

3.2 系統(tǒng)主界面和運(yùn)行效果

本系統(tǒng)經(jīng)過長期運(yùn)行工作，數(shù)據(jù)能夠正常采集、處理和顯示。能夠?qū)EMS輸出數(shù)據(jù)正確讀取、處理、并按規(guī)定格式處理，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

圖5  MEMS微慣組演示系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面分為參數(shù)設(shè)置區(qū)、串口數(shù)據(jù)接收區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)。

（1）參數(shù)設(shè)置區(qū)：在參數(shù)設(shè)置區(qū)，可以對串口端口號(hào)和波特率進(jìn)行設(shè)置。在端口號(hào)下拉控件里顯示當(dāng)前上位機(jī)可用的串口號(hào)，選擇用于接收MEMS數(shù)據(jù)的串口號(hào)即可；在波特率設(shè)置選擇波特率，根據(jù)MEMS的通信協(xié)議，選擇115200即可。參數(shù)設(shè)置完畢后，點(diǎn)擊“開始測試”按鍵，系統(tǒng)開始工作，此時(shí)該按鍵變成“停止測試”，按下此按鍵即可停止當(dāng)前測試任務(wù)，此時(shí)該按鍵重新變成“開始測試”。“重置”按鍵可以復(fù)位接收的字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器并更新界面。另外，設(shè)置了兩個(gè)CheckBox，分別是“十六進(jìn)制顯示”和“自動(dòng)新行”，可設(shè)置串行數(shù)據(jù)接收區(qū)的數(shù)據(jù)顯示格式。

（2）串口數(shù)據(jù)接收區(qū)：默認(rèn)選中“十六進(jìn)制顯示”和“自動(dòng)新行”，采集的MEMS原始數(shù)據(jù)將在串口數(shù)據(jù)接收區(qū)的文本框?qū)崟r(shí)顯示十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，并自動(dòng)換行；有效數(shù)據(jù)文本框?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前接收到的MEMS有效數(shù)據(jù)。通過分析串行數(shù)據(jù)接收區(qū)的數(shù)據(jù)，可對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行判斷。

（3）數(shù)據(jù)顯示區(qū)：通過動(dòng)態(tài)顯示的方式，將MEMS輸出的7路信號(hào)（三路陀螺儀，三路加表，一路溫度計(jì)）以數(shù)據(jù)曲線的形式顯示在程序界面上。同時(shí)通過7個(gè)textBox顯示當(dāng)前慣組各通道的測量值。

4   小結(jié)

本文使用MEMS慣性測量單元，上位機(jī)，雙軸電動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器設(shè)計(jì)了一套基于MEMS的慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)過長時(shí)間的使用，系統(tǒng)能夠正常采集、處理和顯示MEMS輸出的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)有助于學(xué)生了解慣性導(dǎo)航原理，理解、熟悉、掌握慣性導(dǎo)航和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及應(yīng)用。該系統(tǒng)不僅僅是教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，同時(shí)，也是一個(gè)二次開發(fā)平臺(tái)，可以作為其他實(shí)驗(yàn)和項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證平臺(tái)。

^[1]   基金項(xiàng)目：軍內(nèi)科研項(xiàng)目支持

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（注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）