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基于MCU的室外移動機器人組合導航定位系統(tǒng)

作者: 時間:2015-05-13 來源:網絡 收藏

  3.2數據的采集和處理方法

本文引用地址:http://www.butianyuan.cn/article/274079.htm

  IMU和GNSS接收機的數據會主動發(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據,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)內掃描數據,掃描依據是設備發(fā)送一幀數據的協(xié)議(幀頭、幀尾、CRC等),再根據協(xié)議獲取相應物理量的數值;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保存有效數據的首地址在存儲區(qū)內的偏移地址,為了不重復使用已用數據,需要在利用完信息后,破壞這一幀有效數據的幀頭幀尾。

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

  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,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的氣壓值。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的標準氣壓值,單位mbar.高度信息的獲取還需要將氣壓值經過函數關系轉換。高度h和標準大氣P之間有如下函數關系:

  

 

  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;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接收機接收到的數據在時間上應該是同步的,因為如果在一個數據融合點上,進入Kalman濾波器的來自兩個子系統(tǒng)中的數據來自不同的時間點,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據都帶有精確的時間標簽,而從IMU輸出的數據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數據(1Hz)到來時,接收機產生一個秒脈沖信號(PPS),用于時間對準。GNSS接收機本身存在數據時延: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)輸出的數據分別經過McBSP和RS-232數據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數據幀的真實時刻。IMU數據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

  根據總時間差△T =△t1+△t2+△τ,找到IMU數據對應的插值時刻。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)時間點的慣性數據進行線性插值運算,就可以獲得了慣導數據和GNSS接收機數據在同一時間點上的同步化測量數據。

  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數據時,讀取計時器的值,即可得到IMU數據相對于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,同時可作為多路數據采集設備,將多路數據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,還可作為多路數據采集設備。


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關鍵詞: MCU 機器人

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