基于arm和dsp的微小型组合导航系统的分析

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1、第1章绪论1．1课题的研究背景和意义导航就是将载体引导到目的位置的技术，是一门涉及多个学科的技术，根据导航原理不同可以分为：惯性导航、无线电导航、卫星导航和天文导航【1]；导航技术在军用领域和民用领域均有广泛的应用前景【2】，军用领域有：卫星、潜艇、军舰、战术导弹、精确制导炸弹、鱼雷、飞机及陆战战车。在民用领域有：测量、海洋开发、汽车导航、油井钻探、生物医学以及机器人的运动控制[3]。本文以社区监控机器人为项目背景，以Seel(ur机器人的室外导航定位为实际需求，展开微惯性测量单元(MEMs111enialMeasurementU

2、nit，MIMU)和全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)组合的理论与实验研究。惯性导航系统(InenialNavigationSystem，INS)是一种自主式导航方式，通过自身的惯性传感器测量运动载体的姿态变化量和速度变化量，经过计算得到运动载体在导航坐标系下的速度、位置和姿态信息，因为它不需要任何额外的辅助信息就能进行导航，所以具有保密性强，抗干扰能力强、短时导航精度高等特点[5】。进入20世纪60年代，随着阿波罗登月计划的发展，另外一种基于惯性导航原理的导航系统诞生——捷联式惯性导航系统

3、(StrapdownInenialNavigationSystem，SINS)，它用“数学平台“代替实际的物理平台，使惯性导航系统的体积、重量、功耗以及成本都大为降低。但是惯性导航系统存在固有的原理性缺陷，在进行导航计算时运用大量的积分运算，导致误差能够随着时间积累。GPS是南美国国防部研发，于1994年正式投入使用的一种基于卫星的导航系统，能够提供三维位置和速度信息【7]。在空旷的环境中，卫星信号良好，GPS信号接收仪能够接收超过4颗GPs卫星发出的定位信号，定位精度能够达到米级。但是当卫星信号不好时，即信号受到地形、建筑物、树

4、木以及隧道等的遮挡，GPS信号接收仪接收不到GPS卫星信号或者接收到少于4颗卫星的信号，系统不能进行连续实时的导航定位，这对高性能的导航系统是不可接受的。GPS的优点在于定位误差不会随时问变化而增大。由此可见单一的导航系统存在一定的局限，很难完成高精度、高可靠的导航任务，因此构建基于多种导航系统的组合导航系统是十分必要的。组合导航系统能够充分发挥各子系统的优点，弥补其不足，达到扬长避短，优势互补的目的，是未来导航技术发展的主要发展方向之一【7J。随着电子技术和通信技术的发展，特别是嵌入式系统的飞速发展，促使GPS／SINS组合导航

5、系统逐渐向小型化、微型化发展。近年来，随着汽车行业的发展基于微机电制造技术的微机电系统(MicroE1ec们MechanicalSystems，MEMS)得到快速发展，由MEMS哈尔滨工程大学硕士学位论文惯性器件组成的MIMu因其体积小、功耗低以及价格便宜等因素使组合导航系统的应用范围更加广泛，也促使组合导航系统向微型化和芯片化发展【8】。目前已有多款MIMu产品投入市场，并且精度也逐渐提高。根据美国国防部2006发布的研究报告中，MIMU的精度已经完全达到战术武器级惯性导航系统的应用标准【11]o本文基于上述几点，以基于Seek

6、ur机器人的社区监控机器人项目为依托，采用MIMu构建基于A蹦和DSP的微小型组合导航系统。本文所搭建的导航计算机采用先进的双CPU结构能够满足系统多任务管理和高速数据处理的要求。1．2微小型组合导航系统国内外发展现状1．2．1微惯性传感器实现MEMS的只要途径有：(1)硅基微加工技术，是以集成电路加工技术为基础，主要以美国为代表；(2)LIGA技术，采用X射线光刻技术，通过电铸成型和铸塑形成微结构，主要以德国为代表；(3)精密加工技术，主要以日本为代表【121。随着MEMS技术的发展，各种微型传感器也得到迅猛发展，由于微惯性传感

7、器在军事上的巨大作用，因而微惯性传感器成为世界各国的研究重点。微惯性传感器是使用MEMS技术生产制造出来的惯性传感器，微惯性传感器可以集成在一块芯片上，这样就组成微惯性测量单元。微惯性传感器具有很多传统的惯性传感器不具有的长处，主要优点如下：1)．体积小：微惯性传感器的工作原理基于半导体的高频振动原理，通过使用集成电路加工技术，采用半导体加工工艺制作，因此能够将芯片做的非常微小，能够在一片硅片上制作成百上千个微惯性传感器。2)．成本低：微惯性传感器是采用成熟的集成电路的生产工艺和加工过程，成品率很高，单个传感器的耗材成本几乎可以忽

8、略不计，成本主要集中在传感器的封装和测试上。而当微惯性传感器和其它配合芯片集成MIMU时，能够实现真正意义上的机电一体化，其封装和测试成本也将会降低。3)．可靠性高：微惯性传感器的工作寿命长，一般微惯性传感器的使用寿命和整个导航系统的使用寿命相当；