基于MCU的室外移動(dòng)機(jī)器人組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)

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

　　本文以低功耗MSP430F149為核心，設(shè)計(jì)了能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)接收機(jī)、慣性測(cè)量單元(IMU)、氣壓高度等導(dǎo)航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進(jìn)行初步導(dǎo)航定位信息融合的導(dǎo)航系統(tǒng)，即可為室外移動(dòng)機(jī)器人提供直接的導(dǎo)航服務(wù)，也可作為高精度組合導(dǎo)航系統(tǒng)的原始測(cè)量信息高速采集系統(tǒng)。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是利用單片機(jī)有限的接口資源實(shí)現(xiàn)了多傳感器信息并行采集，設(shè)計(jì)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(cè)疏漏導(dǎo)致的無(wú)法接入問(wèn)題，給出了機(jī)器人組合定位的基本方法。系統(tǒng)充分利用了MSP430F149單片機(jī)的能力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低功耗、對(duì)傳感器具有普適性等優(yōu)點(diǎn)。

　　1總體設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)由電源、氣壓計(jì)接口、IMU接口、GNSS接收機(jī)接口、SPI轉(zhuǎn)UART模塊及MSP430F149構(gòu)成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

　　組合導(dǎo)航系統(tǒng)的功能實(shí)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(jì)數(shù)據(jù)接收與解析、組合導(dǎo)航解算以及數(shù)據(jù)輸出五個(gè)部分。IMU數(shù)據(jù)接收與解析功能用來(lái)獲取導(dǎo)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(lái)獲取導(dǎo)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(jì)數(shù)據(jù)接收與解析功能用來(lái)獲取高度信息;組合導(dǎo)航解算功能為系統(tǒng)核心，用來(lái)進(jìn)行組合導(dǎo)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(jié)果的輸出。

　　圖1系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

　　本文所使用的慣性器件和GNSS接收機(jī)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(shè)備。氣壓計(jì)選用美國(guó)MEAS公司生產(chǎn)的MS5803-02BA，已經(jīng)固化在電路中。

　　2硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1微控制器接口

　　整個(gè)組合導(dǎo)航定位系統(tǒng)需要三個(gè)UART接口和兩個(gè)SPI接口。其中兩個(gè)UART接口由430單片機(jī)自帶的UART資源提供，另外一個(gè)UART接口由GPIO模擬SPI通過(guò)MAX3111E芯片轉(zhuǎn)化得到;兩個(gè)SPI接口由GPIO模擬得到。另外需要一個(gè)外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號(hào)(PPS)、一個(gè)外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號(hào)。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(shè)計(jì)如圖2所示。

　　圖2電源電路

　　2.3 IMU器件及GNSS接收機(jī)接口電路

　　IMU器件及GNSS接收機(jī)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(jī)上自帶的兩個(gè)UART接口，但是需要進(jìn)行TTL電平與RS232電平轉(zhuǎn)換。這里采用常見(jiàn)的MAX3232芯片，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

　　圖3 IMU及GNSS接口電路

　　2.4氣壓計(jì)MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA[3]是由MEAS公司生產(chǎn)的數(shù)字壓力傳感器，分辨率達(dá)10cm.芯片內(nèi)部包含一個(gè)高線性的壓力傳感器和一個(gè)內(nèi)部工廠標(biāo)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(guò)芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式(PS置低時(shí)，采用SPI工作模式;PS置高時(shí)，采用I2C工作模式)。本文所闡述的定位系統(tǒng)將氣壓計(jì)配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器間的接口電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　圖4 MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA的控制命令包括復(fù)位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令。控制命令如表2所示。

　　控制命令通過(guò)SDI口移位輸入，響應(yīng)結(jié)果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿，輸出的電平判定在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿。輸出的氣壓值可以進(jìn)行溫度補(bǔ)償，需要利用芯片內(nèi)部PROM中的系數(shù)來(lái)補(bǔ)償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結(jié)果;PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補(bǔ)償系數(shù)。

　　下面是讀取ADC的C語(yǔ)言代碼：

　　CSN_OFF_MS();//CS置低

　　SPI_WRITE_8BIT(CMD);//SDI移入8位CMD

　　delay_ms(10); //延時(shí)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(yǔ)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(jié)合器件的使用手冊(cè)及手冊(cè)疏漏的地方，使用MS5803-02BA時(shí)需要注意：

　　1、溫度和氣壓ADC命令發(fā)送之后，芯片內(nèi)部需要一定的時(shí)間進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換，具體時(shí)間與過(guò)采樣率(OSR)有關(guān)，最大需求時(shí)間為10ms，因此本文采用的延時(shí)時(shí)間為10ms;

　　2、片選信號(hào)CS的下降沿到時(shí)鐘SCLK信號(hào)的第一個(gè)上升沿至少要有21ns的時(shí)間延遲，否則命令無(wú)法正確寫(xiě)入芯片;

　　3、8位的ADC讀取命令之后，必須保持CS片選信號(hào)持續(xù)為低，再產(chǎn)生24位時(shí)鐘信號(hào)輸入，將24位的ADC結(jié)果讀取出來(lái)(即一個(gè)命令字為8位，但實(shí)際需要32個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘周期才能完整讀取ADC結(jié)果);

　　4、對(duì)于PROM讀取命令同ADC讀取命令，一共需要24個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘周期完成，其中8位命令字輸入，16位數(shù)據(jù)讀出。

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