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

作者: 時(shí)間:2015-05-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  對(duì)于在室外環(huán)境工作的移動(dòng)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)。

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

  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)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)致的無法接入問題,給出了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獲取高度信息;組合導(dǎo)航解算功能為系統(tǒng)核心,用來進(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??刂泼钊绫?所示。

  控制命令通過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,否則命令無法正確寫入芯片;

  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(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。



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