基于泛在位置服务的嵌入式导航计算机系统研究与设计

申庆辉,郭承军

(电子科技大学 电子科学技术研究院,四川 成都 611713)



基于泛在位置服务的嵌入式导航计算机系统研究与设计

申庆辉,郭承军

(电子科技大学 电子科学技术研究院,四川 成都 611713)

分析了全球定位系统(GPS)、捷联惯导系统(SINS)和无线定位技术(WLAN)在城市复杂环境下室内外定位时的优缺点,提出了在城市复杂环境下采用基于卡尔曼滤波松组合的SINS/GPS组合导航定位方式,在室内环境下时,单独使用WLAN无线定位技术时易受室内复杂环境的影响,比如天花板、墙壁造成的多径效应,在传播过程中易受相近频段电器的干扰等等;提出了采用基于卡尔曼滤波的SINS/WLAN的组合导航定位技术来实现,从而实现更加平滑的导航定位结果。同时兼顾全组合导航系统高精度、低功耗、小型化的要求,设计出基于TMS320C6713和FPGA架构的嵌入式导航计算机平台。通过该平台系统的搭建,能够有效解决人们对泛在位置服务的需求问题。

GPS;嵌入式导航计算机;TMS320C6713;FPGA;泛在位置服务

0 引 言

无所不在、泛在(Ubiquitous)源自拉丁语,意为普遍存在、无所不在(existing everywhere)。1991年,施乐实验室的首席技术官Mark Weiser首次提出“泛在计算”或“U计算”(ubiquitous computing)的概念。所谓泛在位置服务是将信息空间与物理空间实现无缝的对接,其服务将以无所不在、无所不包、无所不能为3个基本特征,帮助人类实现在“4A”条件——任何时间(anytime) 、任何地点 (anywhere)、任何人(anyone)、任何物(anything)都能顺畅地通信,都能通过合适的终端设备与接入网进行连接,获得无时无刻、无处不在的位置服务[1]。

全组合导航系统是组合不同特点的导航设备与导航方法,发挥各个导航系统的优势,同时弥补各自的不足,应用计算机技术对多种导航信息进行综合处理,以提高导航系统的性能,增加了导航系统的可靠性。

捷联惯性导航系统(SINS)具有自主导航能力,不需要任何外界电磁信号就可以独立给出载体的姿态、速度和位置信息,抗外界干扰能力强,但是纯惯导定位误差随时间积累,难以完成精度较高的长期导航任务[2]。

全球定位系统(GPS)是一高精度的全球三维实时卫星导航系统,具有全天候、高精度、定位误差不随时间积累等优点,但其自主性差,抗干扰能力差,难以满足快速实时导航要求[2]。

802.11协议是WLAN领域的国际通用协议。在802.11b协议信号传输帧结构中,包含同步头(SHR)、物理层报头(PHR)和物理层服务数据单元(PSDU)。其中同步头(SHR)由两部分组成——测距前导码(SYNC)和帧分隔符(SFD)。SYNC借助扰码可以判定接收信号是否为WLAN信号,SFD通过发送一长串同步码来确定接受信息的起始时刻,在同步与测距中,借助于这两点信息可以实现定位[3]。

SINS、GPS、WLAN在定位方面具有优势互补的特点,可以克服它们单独工作的缺点,采用卡尔曼滤波器将它们两两组合起来形成组合导航系统, 可以完成较高精度的长期导航任务,在军用、民用等小型化领域具有广阔的应用前景。

1 泛在导航方案设计

为了完成泛在无缝导航定位任务的要求,可以通过采用GPS+IMU的组合导航方案和WLAN+IMU的导航定位方式。两种模式的基本思路是:

在室外环境(城市复杂环境下)中,依靠GPS提供的位置和速度信息与惯导输出的位置和速度信息之差作为观测量,并通过卡尔曼滤波技术估计出各个状态量(姿态角误差、位置误差、速度误差等),从而达到修正惯性元器件随时间漂移累积的误差问题,最终在输出较高精度的导航定位信息。

在室内环境(商场、地下室等),由于GPS信号的失锁,GPS接收机不能提供精确的位置信息,所以通过依靠WLAN无线传感器网络室内定位系统输出载体的位置信息[8]与IMU捷联解算输出的位置信息之差作为观测量,通过卡尔曼滤波技术估计出导航参数误差(位置误差、速度误差、姿态误差),最后对INS系统进行实时误差补偿,从而得到在室内环境中较为精确的载体导航信息。从而在室内外环境中均能输出较为精确的导航定位信息。

IMU/GPS/WLAN多传感器数据融合方案设计如图1所示[4]。

图1 GPS/IMU/WLAN泛在无缝导航定位系统设计方案

2 系统体系架构设计

通过对泛在导航设计方案的分析,提出了该嵌入式导航计算机系统的架构,从整体的功能架构,硬件架构,软件架构,来阐述对该系统的研究,并且说明其设计的合理性和可行性。

本课题对泛在位置服务的需求及相关导航系统功能指标的要求,对该嵌入式导航系统进行了顶层的架构设计。如图2所示。嵌入式导航计算机系统架构设计分为设备层、接口层、处理层、人机交互层4层。设备层由系统内的硬件组成,接口层、处理层、人机交互层由系统内的软件部分实现。

2.1 设备层

设备层是导航计算机系统的主要硬件组成部分,用于导航计算机的功能测试。其中有各相关设备及通信网络设备,主要分为GPS卫星信号,IMU信号,WLAN无线网络信号及网络设备。

2.2 接口层

接口层是整个导航系统的操作软件和设备的实施者,各种功能有软件模块实现。它直接参与系统内各种设备进行交互,包括参数的配置,数据的传输,控制和管理各种设备,待传输信号接口协议和业务控制接口协议实施,完成导航信号的仿真计算,设备状态的采集和数据库管理,是整个导航计算机系统运行管理的基础。

2.3 处理层

处理层是对系统内各种数据进行分析处理,是整个系统的核心部分,对接口层的各个模块的数据进行处理并进行相应的控制。包括对各种导航信号数据的采集与处理,各个相应设备的调度管理,相关测试任务的流程控制。

图2 系统体系功能架构设计

2.4 人机交互层

人机交互层是为了方便用户与导航计算机系统进行交互。包括对处理层数据的显示,导航数据管理模块、导航数据存储模块及设备参数的配置,并根据导航显示的结果对测试流程进行控制。导航数据管理模块是完成导航数据的增删与修改;导航数据存储模块是完成对导航数据类型的选择及存储管理。

3 系统硬件体系架构设计

如前文所述,根据GPS/SINS/WLAN全组合导航的系统对导航计算机的现实工作要求,导航计算机釆用DSP+FPGA双核心工作模式。导航计算机硬件架构图如图3所示。

图3 导航系统硬件体系架构设计图

从中可以了解整个硬件主要由电源模块、FPGA、DSP和数据存储模块(FLASH和SDRAM)等组成[5]。按照功能可将导航计算机分为数据采集通信模块和导航信息处理模块。

3.1 数据采集通信模块设计

数据采集通信模块主要完成IMU、GPS、WLAN等外部导航传感器的信息采集、测试任务指令接收、导航结果输出等任务。全组合导航系统采用满足RS232和RS422/485标准的通用异步串口(UART)作为导航计算机与外部设备的数据通信接口。本设计在FPGA芯片内部使用Verilog HDL语言实现了多路UART模块,这种方式设计灵活能够降低硬件成本,并且减小电路板的面积。导航计算机需要丰富的接口与外围设备进行数据交换,虽然DSP芯片己经具有各种外围接口,但是惯性测量器件的数据更新率快,如果单纯的釆用DSP芯片上的外围接口将浪费大量时间在通信过程中,不能满足实时性要求。因此,本课题中选用FPGA实现多个接口的集成,系统工作时FPGA读取惯性测量器件IMU、GPS和WLAN的数据并存储到FIFO中同时发送中断信号给DSP等待读取。整个系统采用异步串行总线并且在同一系统时钟的控制下对各个外围设备的信号进行读写。该设计不仅使整个系统更加紧凑、稳定和可靠,而且更容易实现导航计算机对不同传感器的扩展。

3.2 导航信息处理模块设计

导航数据处理模块主要由DSP、SDRAM、FLASH、时钟电路、总线驱动电路以及由FPGA实现的逻辑控制电路等组成。其中DSP主要完成各种导航算法的运算;SDRAM主要用来扩展系统运行所需要的内存空间;FLASH主要用来扩展外部ROM,固化系统程序代码;时钟电路的主要功能是为导航计算机系统提供稳定的时钟基准;总线驱动电路以及逻辑控制电路主要是配合DSP芯片完成外部存储器数据以及I/O口的读写操作。

捷联解算和组合滤波算法都涉及到大量的矩阵运算和有限冲激响应(FIR)滤波器的设计,运算复杂度高,对实时性要求较强。DSP是一种新型数字信号处理器,它能实时、快速、高效地实现数值运算,内部集成FIR滤波器。本设计选用导航信息处理器时,在满足组合导航系统导航运算实时性要求的基础上,同时兼顾处理器的功耗、体积、成本等多种因素,最终采用了TI公司的TMS320C6713B (C6713B)芯片作为导航计算机的核心处理器。

由于DSP芯片内部RAM存储空间有限,需要使用外部SDRAM芯片作为DSP的数据存储器。SDRAM芯片选用Hynix公司的HY57V561620BT-H芯片,其存储空间为256 Mbit,工作温度范围为-55～125,工作电压为3.0～3.6 V,时钟频率133 MHz,完全满足导航信息处理器对数据的存储需求。本设计中,SDRAM存储器占用DSP存储的CEO空间。通过FPGA实现地址译码功能,用于选择与该模块通信。

C6713B芯片内部ROM存储器空间有限,难以满足导航系统程序存储的需求,需要扩展外部Flash存储器实现导航程序和初始化数据的存储。系统上电后,DSP运行二次引导程序将FLASH内存储的程序与初始化数据加载到DSP芯片的内部的RAM中,从而实现程序运行。FLASH芯片选用SST公司的SST39VF800A芯片,存储空间为8Mbit,工作电压为3～6 V,运行电流20 mA,待机电流3 A,可以满足导航信息处理器的使用需求。Flash存储占用DSP存储CE1空间。

DSP通过EMIF口和FPGA通讯,DSP的EMIF口通过16根数据总线和4根地址总线和FPGA相连,并且DSP的CE2、CE3也引入了FPGA.EMIF接口就相当于一个可配置的总线接口,其接口上面的信号线基本囊括了各种存储器(SRAM、Flash RAM、DDR-RAM,等)的读写接口信号。通过软件配置相应的寄存器,可以使EMIF接口工作于和设计中使用的外部存储器相匹配的固定的接口形式。但是与其他固定接口不同的是,EMIF接口读写时序中的高低电平的保持时间是可以通过寄存器设置的[6]。

4 系统软件体系架构设计

嵌入式导航计算机系统软件体系架构设计如图4所示。主要包括系统控制模块和系统数据管理模块。其中,系统控制模块包括系统控制管理模块、导航信息处理控制模块、外部信号控制模块、导航数据显示控制模块。

系统控制管理模块包括系统初始化、任务的调度和执行、系统时间同步;导航信息处理控制模块包括初始对准、捷联惯导解算(PVT的计算)、多传感器数据信息融合模块(卡尔曼滤波)、故障检测模块和全组合导航任务管理。外部信号控制模块主要是指多传感器数据的采集,如IMU、WLAN、GPS的数据采集,导航数据的输出接口,多采样通道控制。导航数据显示控制包括用户界面,控制系统工作流程,系统状态信息显示,导航数据显示,参数配置以及显示接口设计。系统数据管理模块则主要包括了原始数据管理模块,比如导航的初始值;传感器数据管理模块,导航结果数据管理模块和最终的数据库管理模块等[7]。

图4 系统软件体系架构设计

5 结束语

通过对比不同的定位方式的优缺点,本文提出了一种利用FPGA+DSP组成的GPS/INS/WLAN全组合导航计算机系统,设计了为实现泛在无缝导航的数据融合方案后,提出了适合该嵌入式导航计算机系统的功能架构,硬件架构和软件架构。通过后期的实验证明,该系统具有体积小、重量轻、成本低、自主性强的优点,并且能够提供高质量的导航信息,具有良好的应用价值和发展前景。

[1] 张平,苗杰,胡铮,等.泛在网络研究综述[J].北京邮电大学学报,2010,22(12):43-45.

[2] 全伟,刘百奇,宫晓琳,等.惯性/天文/卫星组合导航技术[[M].北京:国防工业出版社,2011:9-46.

[3] 杜锋,田世伟,李广侠.WLAN定位综述[C]//第五届中国卫星导航学术年会电子文集,2014.

[4] 洪海斌.基于IMU/GPS/ZigBee的室内外无缝导航定位系统的方法研究[D].南昌:南昌大学,2014.

[5] 夏春杰. 基于TMS320C6747和FPGA的GPS/SINS组合导航系统研究[D].南京:南京理工大学,2013.

[6] 闫捷,徐晓苏,李瑶,等.基于DSP与FPGA的嵌入式组合导航计算机系统设计[J].测控技术,2013,32(12):61-64.

[7] 曹宁.基于双DSP的SINS/GPS车载组合导航系统的设计与软件实现[D].西安:西安电子科技大学,2008.

[8] 徐建波.基于WLAN位置指纹的室内定位技术研究与实现[D].北京:北京工业大学,2014.

Based on Ubiquitous Location Service of the Embedded Navigation Computer System Research and Design

SHEN Qinghui,GUO Chengjun

(UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,ResearchInstituteofElectronicScienceandTechnology,Chengdu611731,China)

In the urban canyons and complex indoor environment, because the GPS signal is easily obscured and interference, so that often receives less than four satellites, especially in highly developed cities. But with people's daily activities scope expanding gradually, people want to anytime and anywhere, anytime to get its own location information. So, in order to solve this problem, this topic researchs the Global Positioning System (GPS), the Strapdown Inertial Navigation System (SINS) and the Wireless Location Technology (WLAN) in urban complex environment of indoor and outdoor location advantages and disadvantages, the SINS/GPS integrated navigation and positioning method based on Kalman filter loose combination is proposed in urban complex environment. In the indoor environment, the use of WLAN wireless location technology alone is vulnerable to the impact of complex indoor environment, suchas multi-path effect caused by ceiling, wall and in the propagation process, it’s susceptible to interference of electrical appliances in the same band, etc. This paper proposes a SINS/WLAN based integrated navigation and positioning technology based on Kalman filter to achieve more smooth navigation and positioning results.At the same time, the integrated navigation system of high precision, low power consumption, miniaturization requirement, design the embedded navigation computer based on TMS320C6713 and FPGA architecture platform. Through the construction of the platform system, it can effectively help solve the problem of people demand for ubiquitous service in the location.

GPS; embedded navigation computer; TMS320C6713; FPGA; ubiquitous service in the location

10.13442/j.gnss.1008-9268.2017.02.002

2016-11-11

P228.4

A

1008-9268(2017)02-0006-06

申庆辉 (1992-),男,硕士生,研究方向为电子与通信工程。

郭承军 (1985-),男,博士生,研究方向为信号与信息处理。

联系人: 申庆辉E-mail:1570487113@qq.com