一种低成本、高集成度的微型无人机组合导航系统设计＊

2013-08-10杨华冰

舰船电子工程 2013年9期

杨华冰

（河南省军区郑州 450014）

1 引言

微型无人机因具有体积小、重量轻、携带方便、隐蔽性好和无人员伤亡等特点，多种型号的微型无人机，如“指针”、“大乌鸦”和“龙眼”等，已在近代几次局部战争中获得了广泛应用，越来越多地展示了其潜在的巨大军事价值，已成为当今主要军事各国的研究热点。

而微型导航、制导与控制技术是微型无人机的核心技术，是制约着微型无人机技术进步的主要瓶颈之一。由于微型无人机承载能力低、机内空间狭小有限，要求机载导航设备高度集成化和微型化，而且重量轻、成本低、功耗小，一般无人机／靶机上常用的机载传感与导航设备已无法满足微型无人机的需求。

受精度、体积、功耗、成本等各种因素的制约，目前微型导航系统的典型方案是采用由基于微机电（Micro Electromechanical System，MEMS）惯性测量器件的捷联惯性导航系统与全球定位系统形成的组合导航系统。基于MEMS的捷联惯性导航系统自主性强、受外界干扰影响小，实时性强，但积累误差大等特点，难以完成精度较高的长航时的导航任务；GPS全球定位系统的定位精度高，但自主性差、易受干扰、数据更新频率低，单独使用也难以满足高速、实时导航的要求。因此，利用二者优势，组合成可长时间工作、成本较低的SINS／GPS组合导航系统，非常适用于微型无人机的导航、制导与控制。

目前，国外已有一些精度高、实时性强而且可以长时间工作的微型导航产品，但价格非常高，而且内由于技术封锁，很不容易获得。国内，清华大学、北京理工大学、东南大学、南京航空航天大学等一些高校和研究所也开展了深入研究，多以理论和实验室研究为主，能满足航空工程应用需求的产品还未见报道，而且导航计算机也多是以国外生产的DSP芯片居多，对于军事应用来说，非常不利，会受制于人。

2 总体方案设计

针对微型无人机导航系统要具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等特点，为实现对无人机位置、姿态等信息的实时和高精度测量，采用捷联惯导与GPS组合导航的方案，以国产SEP4020ARM微处理器为数据采集与导航解算核心，以九自由度惯性测量单元ADI16405和GPS接收机为主要敏感元件，构成一个微型化的组合导航系统，总体设计方案如图1所示。

图1 系统组成方框图

SEP4020处理器通过串口和SPI口实时采集惯性测量单元输出的3轴角速度、3轴加速度信息、3轴磁力计信息以及GPS输出的位置、速度信息；然后对这些原始数据进行预处理并进行导航初始化，再通过姿态解算、双速卡尔曼滤波算法计算出稳定的姿态角、位置、速度等信息；最终将导航信息通过串口实时输出到上位机显示，同时通过定制协议也可与飞行控制系统对接，为飞行控制系统提供导航信息。

3 硬件设计

根据组合导航系统的总体方案，硬件设计分为三个模块：微处理器及其外围电路、惯性测量单元、GPS接收机，各部分组成和功能如下。

微处理器及其外围电路是以SEP4020ARM微处理器为核心的一个片上最小系统，包括时钟电路、复位电路、电源电路和JTAG仿真接口等几部分。主要功能是对IMU及GPS的数据进行采集和处理，实现初始化、导航参数解算、卡尔曼滤波等算法，并将导航输出数据传送至上位机。

本系统的惯性测量单元为ADI公司的ADIS16405，其是一个完整的包含三轴陀螺、三轴加速度计和三轴磁力计的惯性传感系统，内部完成了三轴加速度计、三轴角速率陀螺、三轴磁力计的正交化和模数转换。采用SPI接口数字输出，具有分辨率高、温飘小、体积小等特点。其主要功能是测量载体运动的角速度和线加速度，并转换成数字量输出。

GPS接收机及天线，本系统采用ublox公司的ublox5系列GPS接收板及配套天线。主要功能是采集载体运动的经度、纬度、高度、航向、速度、时间等信息。

系统中影响硬件可靠性的主要因素有以下几个方面：电磁场干扰、供电方式、元器件性能、PCB布局与走线、机械结构设计等。针对这些因素，设计中采用了如下措施：采用滤波技术、去耦电容、屏蔽技术、隔离技术和接地技术减小电磁场的干扰；数字部分和模拟部分分开布置，并且独立供电；尽量选用高集成度、高稳定性的表贴元件；电路板上元器件按功能分区；选择高可靠性接插件，紧固安装；此外，ADIS16405模块尽量远离电源转换芯片及功耗较大、易发热的芯片。

4 软件设计

4.1 软件总体设计

根据组合导航系统要求，组合导航软件系统需要实现以下功能：

1）对ARM微处理器进行初始化编程，编写定时器中断服务程序和串口中断子程序。

2）通过SPI口与ADIS16405进行通讯，采集IMU输出的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力计信息，并对原始信息进行预处理。

3）通过串口与GPS接收机通讯，得到GPS输出的经度、纬度和高度等信息，并通过坐标变换获得机体坐标系下的三个方向的速度和位置信息。

4）利用采集到的ADIS16405数据和GPS数据进行双速卡尔曼滤波融合，其中利用ADIS16405输出的三轴加速度、三轴角速度和三轴磁力计信息进行高速卡尔曼滤波融合，利用GPS输出的位置速度信息进行低速卡尔曼滤波融合，最终获得系统所需的位置、速度和姿态信息。组合导航系统软件总体框图如下图2所示。系统软件主要包括DSP底层驱动软件和导航算法软件两部分。

图2 组合导航系统软件总体框图

4.2 底层驱动软件

底层驱动软件是为了使导航算法程序能够正常运行，实现系统导航功能，所必须做的一些初始化及与外围器件通讯工作。主要包括对内部寄存器的初始化赋值、中断向量表的初始化、SPI接口、串口、定时器等片上资源的初始化，以及ARM处理器与惯性测量单元ADI164055、GPS接收机之间的通讯。

4.3 导航算法软件

SINS／GPS组合导航的核心问题就是对导航系统误差进行估计和补偿，基于最优估计理论的数据融合技术是解决这一问题的有效方法。通过对卡尔曼滤波算法的研究，针对本系统硬件所采用的惯性测量单元ADI16405的角速率陀螺精度低但数据更新率高，而GPS接收机定位精度较高而数据更新率却低这一特点，为提高系统精度，设计了一种易于工程实现的双速卡尔曼滤波器。该双速卡尔曼滤波组合导航由三部分组成：惯导姿态解算部分、高速卡尔曼滤波部分和低速卡尔曼滤波部分。利用三轴角速度通过四元数算法解算出姿态角，与利用三轴加速度及三轴磁力计测得的姿态角进行姿态融合，融合结果对惯导漂移进行修正，既是所谓的高速融合，实现组合导航系统的姿态测量的更新，由于ADI16405的数据更新周期为20ms，因此，高速卡尔曼滤波器的执行周期约为20ms。三轴加速度计输出的加速度通过位置速度更新算法解算出惯导位置和速度，并与GPS信息中提取的位置和速度进行位置速度融合，对惯性测量组件自身引起的漂移进行二次修正，提高系统精度，完成位置和速度的更新，也即所谓的低速融合。由于GPS数据更新周期为4Hz，该低速卡尔曼滤波器执行周期约为250ms。