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

          作者:火箭軍士官學(xué)院,宋仔標(biāo),崔洪亮,范小虎(宋睿奇瑞新能源汽車股份有限公司,安徽信息工程學(xué)院) 時間:2020-10-16 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏
          編者按:隨著慣性技術(shù)的發(fā)展,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)在軍事和民用領(lǐng)域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系統(tǒng)的行之有效的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?;诖?,設(shè)計了一套基于MEMS的慣性導(dǎo)航教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)由六軸慣性測量組合,上位機(jī),雙軸電動轉(zhuǎn)臺及轉(zhuǎn)臺控制器組成。實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)能滿足導(dǎo)航、制導(dǎo)等相關(guān)專業(yè)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求。


          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202010/419276.htm

          引言

          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系統(tǒng)的行之有效的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)?;诖?,設(shè)計了一套基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),系統(tǒng)由慣性測量單元,上位機(jī),雙軸電動轉(zhuǎn)臺及轉(zhuǎn)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、三軸,該實(shí)驗(yàn)平臺能滿足導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制專業(yè)的學(xué)生了解原理,有助于學(xué)生理解、熟悉、掌握慣性導(dǎo)航和運(yùn)動狀態(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,也是一個二次開發(fā)平臺,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。

          1   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CS-IMU-04A,該MEMS可精確測量載體坐標(biāo)系中三個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。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(俯仰角和滾動角)的漂移。CS-IMU-04A硬件原理如圖1所示。

          image.png

          圖1 CS-IMU-04A硬件框圖

          慣性測量單元CS-IMU-04A啟動時間小于1s,角速度(X軸,Y軸和Z軸)測量范圍為±150°/s,零偏≤±0.5°/s,(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定義如表1所示。

          表1 CS-IMU-04A接口定義

          image.png

          在搭建硬件系統(tǒng)時,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)計時,MEMS接口只需要用到VCC、GND、RS422 TX+和RS422 TX-四個端口。

          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軸加速度計的低、高字節(jié),第5、6字節(jié)為Y軸加速度計的低、高字節(jié),第7、8字節(jié)為Z軸加速度計的低、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,為帶符號整數(shù),取值范圍-32511~32511。各通道測量值可通過公式計算得到,計算公式如下:

          image.png   (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)臺及轉(zhuǎn)臺控制器

          實(shí)驗(yàn)用到的雙軸電動轉(zhuǎn)臺型號為TT-3DM-2E-10,轉(zhuǎn)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,配套有雙軸電動轉(zhuǎn)臺測控軟件。

          2.1 雙軸電動轉(zhuǎn)臺

          雙軸電動轉(zhuǎn)臺TT-3DM-2E-10采用UO形鋁合金框架結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)臺由外環(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。雙軸電動轉(zhuǎn)臺外形如圖2所示。

          image.png

          圖2  TT-3DM-2E-10雙軸電動轉(zhuǎn)臺

          2.2 雙軸電動轉(zhuǎn)臺控制器

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

          image.pngimage.png

          圖3  CC-3DM-2E-10雙軸電動轉(zhuǎn)臺控制器

          前面板:

          “啟動”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雙軸電動轉(zhuǎn)臺TT-3DM-2E-10的CZ連接;

          “AC 220”插座:交流220V輸入。

          2.3 雙軸電動轉(zhuǎn)臺測控軟件

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

          image.png

          圖4  雙軸電動轉(zhuǎn)臺測控軟件

          3   軟件設(shè)計

          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],通過多線程計數(shù)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、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,如果從MEMS有數(shù)據(jù)傳輸過來,就自動觸發(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,將串口數(shù)據(jù)存儲在臨時數(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,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,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: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)計預(yù)期效果。系統(tǒng)主界面如圖5所示。

          image.png

          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),可以對串口端口號和波特率進(jìn)行設(shè)置。在端口號下拉控件里顯示當(dāng)前上位機(jī)可用的串口號,選擇用于接收MEMS數(shù)據(jù)的串口號即可;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),此時該按鍵重新變成“開始測試”?!爸刂谩卑存I可以復(fù)位接收的字節(jié)數(shù)計數(shù)器并更新界面。另外,設(shè)置了兩個CheckBox,分別是“十六進(jìn)制顯示”和“自動新行”,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顯示十六進(jìn)制數(shù)據(jù),并自動換行;有效數(shù)據(jù)文本框?qū)崟r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(shù)據(jù)曲線的形式顯示在程序界面上。同時通過7個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),雙軸電動轉(zhuǎn)臺及轉(zhuǎn)臺控制器設(shè)計了一套基于MEMS的慣性導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),經(jīng)過長時間的使用,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,也是一個二次開發(fā)平臺,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。


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

          參考文獻(xiàn)

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



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