專利名稱：基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微型測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及微型導(dǎo)航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
導(dǎo)航是利用各種傳感器進(jìn)行測(cè)量分析得到載體相對(duì)于參考基準(zhǔn)的位置和姿態(tài)。傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)有(1)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，它由陀螺儀和加速度計(jì)組成。其中陀螺儀價(jià)格昂貴、體積大、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)環(huán)境條件要求高；(2)圖象導(dǎo)航系統(tǒng)，由攝像、圖象處理、圖象辯識(shí)等環(huán)節(jié)組成，在該導(dǎo)航的實(shí)施過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)拍攝盲點(diǎn)而引起誤導(dǎo)，此外，圖象處理過(guò)程復(fù)雜，實(shí)時(shí)性差；(3)全球定位系統(tǒng)(GPS)，它由24顆衛(wèi)星、地面接收器和處理器組成，由于其在時(shí)間和衛(wèi)星位置信息中有人為加入的誤差，從而限制了GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)量精度。此外由于GPS需要外界提供參考信息，所以對(duì)水下載體進(jìn)行導(dǎo)航不適合采用該種方式。相比較而言，新興的以硅微傳感器為基礎(chǔ)的微機(jī)電導(dǎo)航系統(tǒng)，卻可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化、實(shí)用化和智能化的完美結(jié)合，在價(jià)格上、尺寸上、重量上以及性能上都具有超越傳統(tǒng)導(dǎo)航系統(tǒng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，不僅可以為船舶、飛機(jī)等大型運(yùn)動(dòng)載體進(jìn)行導(dǎo)航，而且更加適用于小型載體(如機(jī)器人、無(wú)人小飛機(jī)、導(dǎo)彈等)的姿態(tài)測(cè)量和控制。
微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)是將微電子技術(shù)和微機(jī)械技術(shù)結(jié)合，將傳感器與其處理電路完全集成在一個(gè)硅微結(jié)構(gòu)傳感器片上，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的微型系統(tǒng)。
微機(jī)電系統(tǒng)中的傳感器是在單晶硅、石英晶體、鈮酸鋰等電光材料芯片上應(yīng)用光刻、腐蝕、沉積、離子注入、鍵合等微機(jī)械加工技術(shù)生產(chǎn)的硅微結(jié)構(gòu)傳感器，它具有成本低、體積小、質(zhì)量輕、功耗小、可靠性高、易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和智能化等優(yōu)點(diǎn)。
基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)的主要代表要屬90年代末由美國(guó)Honeywell公司研制生產(chǎn)的數(shù)字磁阻羅盤HMR3000，其主要功能是提供航向信息，為了補(bǔ)償傾斜的負(fù)效應(yīng)，系統(tǒng)中還增設(shè)了傾斜傳感器，以消除小于40°傾斜對(duì)航向測(cè)量的影響。其組成及工作原理如

圖1所示由充有液體的兩軸傾斜器測(cè)得小幅傾斜角，傾斜角信息與由三軸磁阻傳感器測(cè)得的三路磁場(chǎng)信號(hào)在單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算，算得航向數(shù)據(jù)，角度數(shù)據(jù)通過(guò)RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口與PC機(jī)進(jìn)行通訊。其中的磁阻傳感器是由透磁合金薄片(NiFe)制作而成，采用很小的固態(tài)封裝。HMR3000可以測(cè)量小于40°傾斜的0°～360°的航向，航向測(cè)量精度為±1.0°(水平位置)和±2.0°(傾斜位置)；傾斜測(cè)量范圍為±40°，傾斜測(cè)量精度為±0.4°(當(dāng)＜20°)和±0.6°(當(dāng)＞20°)。
該HMR3000數(shù)字磁阻羅盤存在如下問(wèn)題(1)傾斜角度測(cè)量范圍小，只能測(cè)量小于40°的傾斜角；(2)測(cè)量精度會(huì)隨著傾斜角度的增大而減小，如航向精度在水平位置時(shí)為±1.0°，當(dāng)發(fā)生傾斜時(shí)，航向精度降為±2.0°；對(duì)于傾斜精度，隨著傾斜角度的增加，傾斜精度由±0.4°降至±0.6°。
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，設(shè)計(jì)出一種新型的基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，在上述數(shù)字磁阻羅盤的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和軟件算法都作了較大的更改，集多種MEMS傳感器為一體，通過(guò)對(duì)采集信號(hào)的處理，能夠得到運(yùn)動(dòng)載體的全姿態(tài)信息，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動(dòng)快、成本低等特點(diǎn)。
本發(fā)明設(shè)計(jì)出一種新型的基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，包括多個(gè)傳感器，對(duì)該傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)該A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的微處理器，將微處理器與PC機(jī)相連的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，其特征在于，所說(shuō)的傳感器由三軸硅微加速度計(jì)及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計(jì)及其外圍電路組成，以及預(yù)先存儲(chǔ)在所說(shuō)的微處理器和PC機(jī)中的信號(hào)處理及顯示軟件模塊。
所說(shuō)的信號(hào)處理及顯示軟件模塊包括傳感器信號(hào)融合模塊、姿態(tài)解算模塊、圖形接口模塊、用戶操作演示界面模塊。
本發(fā)明的信號(hào)融合模塊包括信號(hào)濾波和信號(hào)轉(zhuǎn)換兩部分。其中信號(hào)濾波采用有限沖激響應(yīng)(FIR)數(shù)字濾波，即數(shù)字濾波的輸出y(n)取決于有限個(gè)過(guò)去的輸入和現(xiàn)在的輸入x(n),x(n-1),…,x(n-N+1)。在本發(fā)明中采用了二階濾波，其濾波的輸入和輸出關(guān)系是y(n)=h0x(n)+h1x(n-1)式中h0,h1為濾波系數(shù)。
信號(hào)轉(zhuǎn)換是將實(shí)際測(cè)得的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的物理量，其處理算式為u(n)=(v(n)-v0)/kv式中v(n)為輸入的電壓信號(hào)，u(n)為對(duì)應(yīng)的物理量，v0為零點(diǎn)電壓，kv為變化幅值，各傳感器的零點(diǎn)和幅值由預(yù)先標(biāo)定確定。
本發(fā)明的姿態(tài)解算方法為建立載體所在位置的地理坐標(biāo)系北-東-地(即N-E-D)、固連于載體的載體坐標(biāo)系X-Y-Z(X-處于載體對(duì)稱平面內(nèi)，由質(zhì)心指向載體運(yùn)動(dòng)前向；Y-垂直于載體對(duì)稱平面并指向右方；Z-在載體對(duì)稱平面內(nèi)且垂直于X軸指向下方。)，見圖2(載體以飛機(jī)為例)。
載體在空間中的姿態(tài)可用載體坐標(biāo)系相對(duì)于地理坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)來(lái)表示，運(yùn)動(dòng)角度稱為載體的姿態(tài)角。導(dǎo)航學(xué)中常用航向角ψ、俯仰角θ和滾轉(zhuǎn)角γ作為載體的姿態(tài)角，起始時(shí)兩坐標(biāo)系重合(N與X軸、E與Y軸、D與Z軸相對(duì)應(yīng))，隨后載體繞D軸(Z)偏行ψ角，再繞水平Y(jié)’軸俯仰θ角，最后繞X”軸滾轉(zhuǎn)γ角。載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系中的矢量可通過(guò)以下方向余弦矩陣進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換Cnh=cos(N,X)cos(E,X)cos(D,X)cos(N,Y)cos(E,Y)cos(D,Y)cos(N,Z)cos(E,Z)cos(D,Z)=[Tij]3×3]]>其上標(biāo)b表示載體坐標(biāo)系，下標(biāo)n表示地理坐標(biāo)系，Tij為矩陣中的第i行第j列元素。
將三個(gè)磁強(qiáng)計(jì)分別沿載體坐標(biāo)系的三軸放置，分別測(cè)量地球磁感應(yīng)強(qiáng)度H在載體坐標(biāo)系三軸上的投影分量，設(shè)X軸磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量值為xM,Y軸磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量值為yM,Z軸磁強(qiáng)計(jì)的測(cè)量值為zM；同樣將加速度計(jì)的三軸分別沿載體坐標(biāo)系的三軸放置，分別測(cè)量重力加速度f(wàn)g在X、Y和Z軸上的分量，設(shè)X軸的分量為xg、Y軸的分量為yg,Z軸的分量為zg。地磁場(chǎng)H和重力加速度f(wàn)g在地理坐標(biāo)系和姿態(tài)坐標(biāo)系中的表示通過(guò)方向余弦矩陣Cnb進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并考慮干擾[eMxeMyeMz]T和[egxegyegz]T的影響(包括隨機(jī)和常值)，從而得到以下姿態(tài)角解算算式，其中H為地磁感應(yīng)強(qiáng)度，β為地磁傾角。
干擾信號(hào)的常值和相關(guān)部分可以通過(guò)信號(hào)處理和建模加以消除。
本發(fā)明的圖形接口模塊、用戶操作演示界面模塊均采用Microsoft Visual C++軟件編制而成。
本發(fā)明的特點(diǎn)及效果本發(fā)明在前述數(shù)字磁阻羅盤的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)組成和軟件算法都作了較大的更改，采用三軸硅微加速度計(jì)構(gòu)成傾斜傳感器，由于加速度機(jī)能夠提供三維空間中成直角坐標(biāo)系的三個(gè)垂直方向上的重力加速度分量，所以由加速度計(jì)組成的傾斜儀不僅可以起到為航向角進(jìn)行傾斜補(bǔ)償?shù)淖饔?，更可以作為測(cè)量載體全傾斜姿態(tài)(指任意傾斜)的有效工具。通過(guò)方位余弦矩陣建立地理坐標(biāo)系和載體坐標(biāo)系之間的聯(lián)系，從而可以解算出全姿態(tài)的俯仰、滾動(dòng)和航向角?？傊?，本發(fā)明所涉及的微型導(dǎo)航系統(tǒng)是集硅微加速度計(jì)和磁強(qiáng)計(jì)等多種MEMS傳感器為一體，通過(guò)本發(fā)明中的算法處理能夠得到運(yùn)動(dòng)載體的全姿態(tài)信息。該系統(tǒng)中所使用的MEMS器件相比于傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中的慣性器件(如慣性陀螺)，具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動(dòng)快、成本低等特點(diǎn)；該系統(tǒng)在功能上和性能上都優(yōu)于美國(guó)Honeywell公司的HMR3000，如可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)的測(cè)量，并當(dāng)環(huán)境作用場(chǎng)大小發(fā)生變化時(shí)，該系統(tǒng)仍具有較好的魯棒性；此外，本系統(tǒng)還使高精度在全姿態(tài)(包括小、中、大角度)測(cè)量中得以實(shí)現(xiàn)。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為已有的數(shù)字磁阻羅盤結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的載體坐標(biāo)系與地理坐標(biāo)系相對(duì)關(guān)系示意圖。
圖3為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。
圖4為本發(fā)明的軟件模塊總體結(jié)構(gòu)框圖。
圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)原理圖。
圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的圖形顯示操作界面示意圖。
本發(fā)明基于MEMS器件構(gòu)成微型導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下本發(fā)明的硬件總體結(jié)構(gòu)及工作原理如圖3所示，其中，包括三軸MEMS加速度計(jì)及其外圍電路、三軸磁阻式磁強(qiáng)計(jì)及其外圍電路、磁復(fù)位電路、穩(wěn)壓電路、A/D轉(zhuǎn)換、微處理器(CPU)和RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通訊電路。其中，三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)分別是由三路獨(dú)立的加速度傳感器和三路獨(dú)立的磁阻傳感器組成，可以分別測(cè)量三維空間中直角坐標(biāo)系三個(gè)互相垂直方向X、Y、Z的重力加速度和磁場(chǎng)；磁復(fù)位電路是為了消除環(huán)境高磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)傳感器靈敏度的影響；穩(wěn)壓電路將外接的6-15V電源統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為5V的電源再接入系統(tǒng)；A/D轉(zhuǎn)換將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)化為12位的數(shù)字信號(hào)，由數(shù)據(jù)總線并行讀入微處理器(CPU)；CPU接受傳感器信號(hào)以后，由存儲(chǔ)在CPU和PC機(jī)中的軟件模塊進(jìn)行處理。
本發(fā)明的軟件程序總體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其軟件包括傳感器信號(hào)融合(包括濾波、轉(zhuǎn)換)、姿態(tài)解算、圖形接口、用戶操作演示界面等應(yīng)用軟件模塊；其步驟包括將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、物理量轉(zhuǎn)換的信號(hào)融合，并進(jìn)行姿態(tài)角的解算(以上過(guò)程均在CPU中完成)；解算出的角度可采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串行的接口模塊輸出到PC機(jī)上顯示，也可直接用于姿態(tài)角的控制，進(jìn)行實(shí)時(shí)導(dǎo)航；測(cè)量結(jié)果先經(jīng)過(guò)有條件的平滑處理，即對(duì)微小變化進(jìn)行平滑，而對(duì)較大的和較明顯的變化不加以平滑處理，最后在PC屏幕上用戶操作演示界面模塊進(jìn)行顯示。
本發(fā)明各部件的實(shí)施例及工作原理如圖5所示將電源和接口電纜連接，此時(shí)微處理器開始采集三路加速度計(jì)(本實(shí)施例由兩個(gè)雙軸的編號(hào)為U10和U12的IC301組成)和三路磁強(qiáng)計(jì)(本實(shí)施例由一個(gè)雙軸的編號(hào)為U8的M102和一個(gè)單軸的編號(hào)為U9的M101組成)的輸出，其中加速度計(jì)信號(hào)需要經(jīng)過(guò)電壓跟隨器(本實(shí)施例采用編號(hào)為U11的TL404)以消除后接負(fù)載對(duì)其信號(hào)的影響，三路磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)分別需要經(jīng)過(guò)三個(gè)編號(hào)為U5、U6、U7的AD863(其中由編號(hào)為D2的D025為AD863提供2.5V的參考電壓)放大；六路傳感器的輸出通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換(本實(shí)施例采用編號(hào)為U22的BB567)進(jìn)入微處理器(本實(shí)施例采用編號(hào)為U21的Intel8052)，在微處理器中進(jìn)行濾波、轉(zhuǎn)化、角度解算得到三個(gè)姿態(tài)角，該姿態(tài)角通過(guò)RS232通訊(本實(shí)施例采用編號(hào)為U23的TL202)，使用簡(jiǎn)單的ASCII指令字符串進(jìn)行與PC機(jī)的通訊；此時(shí)，在PC機(jī)的屏幕上將會(huì)出現(xiàn)信息塊，顯示當(dāng)前姿態(tài)角的讀數(shù)并由圖形體現(xiàn)當(dāng)前的姿態(tài)。
除上述介紹的基本功能外，裝置還將外接電源經(jīng)過(guò)編號(hào)為UD3的78D05穩(wěn)壓；在磁強(qiáng)計(jì)復(fù)位電路中，由兩路脈寬信號(hào)通入場(chǎng)效應(yīng)晶體管(本實(shí)施例采用編號(hào)為U13的ICL6054)產(chǎn)生周期性的正負(fù)大電流脈沖，電流大小由編號(hào)為U14的N7011(N7011將5V電源電壓轉(zhuǎn)換成所要求的電壓，本實(shí)施例中要求電壓采用12V)的輸出電壓大小來(lái)控制。脈沖電流通過(guò)磁強(qiáng)計(jì)，磁阻在正負(fù)大電流作用下，可以恢復(fù)正常的工作靈敏度。
本實(shí)施例的圖形顯示操作界面如圖6所示，圖中左上角為六路傳感器的輸出，右上角為姿態(tài)圖形顯示，圖形下面為姿態(tài)角的數(shù)據(jù)顯示，界面中還設(shè)置了啟動(dòng)、關(guān)閉系統(tǒng)的“開始”和“結(jié)束”按鈕，和控制標(biāo)定、復(fù)位的按鈕。
本實(shí)施例可以實(shí)現(xiàn)全姿態(tài)測(cè)量，即俯仰角測(cè)量范圍為-90°～+90°，滾轉(zhuǎn)角測(cè)量范圍為-180°～+180°，航向角測(cè)量范圍為0°～360°；可以保證測(cè)量精度在全姿態(tài)測(cè)量范圍內(nèi)的穩(wěn)定性，角度測(cè)量精度為航向及傾斜角誤差均小于1°；可以適應(yīng)于不穩(wěn)定或不確定作用場(chǎng)中的姿態(tài)測(cè)量(如磁場(chǎng)和重力場(chǎng)幅值不確定或不穩(wěn)定的情況)。本實(shí)施例采用一體化MEMS芯片集成封裝技術(shù)，使儀器更加小型化，其抗振性和抗過(guò)載性得到提高，從而使儀器能夠適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.一種基于微機(jī)電技術(shù)的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，包括多個(gè)傳感器，對(duì)該傳感器測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的A/D轉(zhuǎn)換器，對(duì)該A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的微處理器，將微處理器與PC機(jī)相連的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，其特征在于，所說(shuō)的傳感器由三軸硅微加速度計(jì)及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計(jì)及其外圍電路組成，以及預(yù)先存儲(chǔ)在所說(shuō)的微處理器和PC機(jī)中的信號(hào)處理及顯示軟件模塊。
2.如權(quán)利要求1所述的微型導(dǎo)航系統(tǒng)，其特征在于，所說(shuō)的信號(hào)處理及顯示軟件模塊包括依次連接的傳感器信號(hào)融合模塊、姿態(tài)解算模塊、圖形接口模塊及用戶操作演示界面模塊。
全文摘要
本發(fā)明屬于微型測(cè)量?jī)x器技術(shù)領(lǐng)域,包括多個(gè)傳感器,A/D轉(zhuǎn)換器,微處理器,PC機(jī)及RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口,其特征在于,所說(shuō)的傳感器由三軸硅微加速度計(jì)及其外圍電路和三軸磁強(qiáng)計(jì)及其外圍電路組成,以及預(yù)先存儲(chǔ)在所說(shuō)的微處理器和PC機(jī)中的信號(hào)處理及顯示軟件模塊。本發(fā)明能夠得到運(yùn)動(dòng)載體的全姿態(tài)信息,具有全固態(tài)結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕、低功耗、啟動(dòng)快、成本低等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01C17/00GK1325017SQ0111013
公開日2001年12月5日 申請(qǐng)日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月30日
發(fā)明者周兆英, 朱榮, 王廣龍, 孫雪峰, 魏強(qiáng) 申請(qǐng)人:清華大學(xué)