基于MEMS的慣性導航教學(xué)實(shí)驗系統*

引言

慣性導航系統具有導航信息完備、連續，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)國家武器裝備現代化的水平。隨著(zhù)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(lái)越廣泛的應用。目前，國內高校很多都已經(jīng)開(kāi)設了導航及相關(guān)專(zhuān)業(yè)，但是長(cháng)期以來(lái)都缺乏一個(gè)系統的行之有效的教學(xué)實(shí)驗系統?；诖?，設計了一套基于MEMS的慣性導航實(shí)驗系統，系統由慣性測量單元，上位機，雙軸電動(dòng)轉臺及轉臺控制器組成。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，該實(shí)驗平臺能滿(mǎn)足導航、制導與控制專(zhuān)業(yè)的學(xué)生了解慣性導航原理，有助于學(xué)生理解、熟悉、掌握慣性導航和運動(dòng)狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及應用。該系統不僅僅是教學(xué)實(shí)驗系統，同時(shí)，也是一個(gè)二次開(kāi)發(fā)平臺，可以作為其他實(shí)驗和項目的數據采集驗證平臺。

1   MEMS慣性測量單元

本系統使用的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CS-IMU-04A，該MEMS可精確測量載體坐標系中三個(gè)正交軸的角速率和線(xiàn)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(xiàn)性等誤差項進(jìn)行了修正，提高了系統測量精度。該產(chǎn)品體積小、可靠性高、功耗小、重量輕、性能穩定，可用于平臺穩定、姿態(tài)航向參考系統、導彈制導和控制、飛行器穩定控制、天線(xiàn)穩定、汽車(chē)電子等系統。

1.1 工作原理及性能指標

慣性測量單元CS-IMU-04A采用陀螺儀來(lái)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(guò)陀螺輸出數據的特定的解算方法（如四元數法）來(lái)獲得。加速度計可用于確定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（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位數據位，1位起始位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗，波特率115200bps，數據更新率為200Hz。接口的外部特征及信號定義如表1所示。

表1 CS-IMU-04A接口定義

在搭建硬件系統時(shí)，上位機與CS-IMU-04A慣性測量單元之間通過(guò)RS-422串口進(jìn)行通信。MEMS通電后，自動(dòng)通過(guò)串口向上位機發(fā)送測量數據，因此在硬件設計時(shí)，MEMS接口只需要用到VCC、GND、RS422 TX+和RS422 TX-四個(gè)端口。

1.3 數據幀格式

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

每路輸出值由兩字節租出，為帶符號整數，取值范圍-32511~32511。各通道測量值可通過(guò)公式計算得到，計算公式如下：

   （1）

其中：x為通道輸出的測量數據；

Fs為該通道量程，其中加速度計的量程為±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   轉臺及轉臺控制器

實(shí)驗用到的雙軸電動(dòng)轉臺型號為T(mén)T-3DM-2E-10，轉臺控制器型號為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信號，配套有雙軸電動(dòng)轉臺測控軟件。

2.1 雙軸電動(dòng)轉臺

雙軸電動(dòng)轉臺TT-3DM-2E-10采用UO形鋁合金框架結構，轉臺由外環(huán)軸俯仰軸框架和內環(huán)橫滾軸框架和組成，內外框架軸組成相互垂直的兩維旋轉坐標系，采集控制器串行接口連接上位機實(shí)現測量控制。雙軸電動(dòng)轉臺外形如圖2所示。

圖2  TT-3DM-2E-10雙軸電動(dòng)轉臺

2.2 雙軸電動(dòng)轉臺控制器

雙軸電動(dòng)轉臺控制器用于控制雙軸電動(dòng)轉臺。轉臺控制器前后面板如圖3所示。

圖3  CC-3DM-2E-10雙軸電動(dòng)轉臺控制器

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(kāi)關(guān)（AC220V）；

“COM1”串口1：通過(guò)DL-232和上位機的COM1口連接；

“COM2”串口2：通過(guò)DL-232和上位機的COM2口連接；

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

“AC 220”插座：交流220V輸入。

2.3 雙軸電動(dòng)轉臺測控軟件

雙軸電動(dòng)轉臺測控軟件是系統配套軟件，軟件界面主要分四個(gè)功能區：參數設置、主演示、控制臺、串口狀態(tài)顯示，另外還有一個(gè)數據操作功能選項，如圖4所示。

圖4  雙軸電動(dòng)轉臺測控軟件

3   軟件設計

上位機軟件通過(guò)RS422串行接口與MEMS單元進(jìn)行通信，完成MEMS輸出數據的采集工作，然后對數據進(jìn)行相關(guān)的處理，再完成數據的存儲與顯示。軟件使用C#語(yǔ)言編程完成[6,7]，操作系統Windows7，在功能實(shí)現上，通過(guò)SerialPort類(lèi)實(shí)現串口通信功能[8]，通過(guò)多線(xiàn)程計數完成數據的實(shí)時(shí)采集、處理和顯示。

3.1 系統模塊及功能

軟件主要由串口設置、數據采集、數據處理、數據顯示、數據存儲等模塊組成。

（1）串口設置：此模塊主要用來(lái)設置串口端口號及波特率。根據MEMS的通信協(xié)議，上位機串口的波特率設置為115200，在軟件窗口初始化時(shí)通過(guò)SerialPort類(lèi)的GetPortNames方法獲取當前上位機的串行端口名稱(chēng)數組，并顯示在窗口端口號的ComboBox控件中，以供用戶(hù)進(jìn)行選擇。串口設置完畢后，通過(guò)按鍵，根據當前串口狀態(tài)控制串口的開(kāi)啟或關(guān)閉。

（2）數據采集：此模塊主要完成對MEMS輸出的數據進(jìn)行采集。使用串口的DataReceived事件實(shí)現對串口數據的接收處理，當串口處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，如果從MEMS有數據傳輸過(guò)來(lái)，就自動(dòng)觸發(fā)DataRecevied事件，再通過(guò)該事件注冊的方法完成對串口數據的采集。

（3）數據處理：當接收到MEMS傳輸的一組數據時(shí)，將串口數據存儲在臨時(shí)數組里，根據MEMS數據幀格式和數據的長(cháng)度判斷當前數據的有效性。當數據有效時(shí)，提取數據幀里的有效數據（陀螺儀角速率信息，加速度計信息，溫度信息），通過(guò)公式1得到實(shí)際測量值。當數據無(wú)效時(shí)，直接舍棄當前數據并開(kāi)始采集下一組數據。

（4）數據存儲：根據數據處理的結果，將最后得到的模擬量數據存儲在數據庫里，可用于后續數據的分析和處理。

（5）數據顯示：根據數據處理的結果，將數據以圖表的形式顯示在系統主界面上。

3.2 系統主界面和運行效果

本系統經(jīng)過(guò)長(cháng)期運行工作，數據能夠正常采集、處理和顯示。能夠將MEMS輸出數據正確讀取、處理、并按規定格式處理，達到了設計預期效果。系統主界面如圖5所示。

圖5  MEMS微慣組演示系統界面

系統界面分為參數設置區、串口數據接收區、數據顯示區。

（1）參數設置區：在參數設置區，可以對串口端口號和波特率進(jìn)行設置。在端口號下拉控件里顯示當前上位機可用的串口號，選擇用于接收MEMS數據的串口號即可；在波特率設置選擇波特率，根據MEMS的通信協(xié)議，選擇115200即可。參數設置完畢后，點(diǎn)擊“開(kāi)始測試”按鍵，系統開(kāi)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前測試任務(wù)，此時(shí)該按鍵重新變成“開(kāi)始測試”?！爸刂谩卑存I可以復位接收的字節數計數器并更新界面。另外，設置了兩個(gè)CheckBox，分別是“十六進(jìn)制顯示”和“自動(dòng)新行”，可設置串行數據接收區的數據顯示格式。

（2）串口數據接收區：默認選中“十六進(jìn)制顯示”和“自動(dòng)新行”，采集的MEMS原始數據將在串口數據接收區的文本框實(shí)時(shí)顯示十六進(jìn)制數據，并自動(dòng)換行；有效數據文本框實(shí)時(shí)顯示當前接收到的MEMS有效數據。通過(guò)分析串行數據接收區的數據，可對數據的有效性進(jìn)行判斷。

（3）數據顯示區：通過(guò)動(dòng)態(tài)顯示的方式，將MEMS輸出的7路信號（三路陀螺儀，三路加表，一路溫度計）以數據曲線(xiàn)的形式顯示在程序界面上。同時(shí)通過(guò)7個(gè)textBox顯示當前慣組各通道的測量值。

4   小結

本文使用MEMS慣性測量單元，上位機，雙軸電動(dòng)轉臺及轉臺控制器設計了一套基于MEMS的慣性導航實(shí)驗系統，經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間的使用，系統能夠正常采集、處理和顯示MEMS輸出的數據。該系統有助于學(xué)生了解慣性導航原理，理解、熟悉、掌握慣性導航和運動(dòng)狀態(tài)采集的原理、技術(shù)及應用。該系統不僅僅是教學(xué)實(shí)驗系統，同時(shí)，也是一個(gè)二次開(kāi)發(fā)平臺，可以作為其他實(shí)驗和項目的數據采集驗證平臺。

^[1]   基金項目：軍內科研項目支持

參考文獻

[1]   薛連莉，陳少春，陳效真. 2017年國外慣性技術(shù)發(fā)展與回顧[J]. 導航與控制，2018，17(2)：1-9.

[2]   成宇翔，張衛平，陳文元，等. MEMS微陀螺儀研究進(jìn)展[J]. 微納電子技術(shù)，2011，48(5)：277-285.

[3]   曹玉珍，蔡偉超，程旸. 基于MEMS加速度傳感器的人體姿態(tài)檢測技術(shù)[J]. 納米技術(shù)與精密工程，2010，8(1)：37-41.

[4]   伍文雙，馮華君，徐之海，等. 基于MEMS陀螺儀的光學(xué)圖像拼接[J]. 光子學(xué)報，2018，47(3)：221-224.

[5]   楊夢(mèng)雨，管雪元，李文勝. 基于MEMS/GPS/地磁組合的彈體姿態(tài)解算[J]. 電子測量技術(shù)，2017，40(4)：60-63.

[6]   王琦，王磊，江豪，等. 基于C#的PLC 數據采集監控系統研發(fā)與應用[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表，2019，8：176-178.

[7]   姜拓，張劍平. 基于C#的數據采集系統上位機軟件設計與實(shí)現[J]. 電子測試，2009，9：58-61.

[8]   周陽(yáng)，周美嬌，黃波，等. 基于C# 的串口通信系統的設計與研究[J]. 電子測量技術(shù)，2015，38（7）：135-140.

（注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期）