基于光纤陀螺的DGPS_DR组合导航定位系统的设计与实现

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计算机测量与控制.2010.18(6) ComputerMeasurement&Control

文献标识码:A

设计与应用

文章编号:1671 4598(2010)06 1394 03 中图分类号:V249

基于光纤陀螺的DGPS/DR组合

导航定位系统的设计与实现

魏 鹏1,张志强1,张春熹1,厉秉强2,杜 强3

(1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京市 100191;

2 国家电网公司机器人重点实验室,山东济南 250002;3 山东电力集团公司潍坊供电公司,山东潍坊 261041)

摘要:针对导航定位系统是变电站设备巡检机器人的关键技术之一,设计了一种由光纤陀螺仪、里程仪、加速度计、差分GPS和FPGA/DSP构成的导航计算机组成的硬件系统,并基于差分GPS定位、航位推算(DR)导航原理设计了该组合导航系统软件,系统采用了初始自寻北、切换式组合导航定位方式,该方法简单易行、实用性较强,实验表明该系统能为变电站设备巡检机器人提供连续、实时、较高精度的导航定位。

关键词:巡检机器人;组合导航系统;航位推算;FPGA/DSP;光纤陀螺

DesignandRealizationofDGPS/DRIntegratedNavigationandPositioningSystemBasedonFiberOptic-gyro

WeiPeng1,ZhangZhiqiang1,ZhangChunxi1,LiBingqiang2,DuQiang3

1 SchoolofInstrumentScienceandOpto-electronicsEngineering,BeijingUniversity

ofAeronauticsandAstronautics,Beijing 100191,China;

2 RobotLaboftheStateGridCorporationofChina,Jinan 250002,China;

3 WeifangDepartmentoftheShandongElectricPowerCorporation,Weifang 231041,China)

Abstract:Thenavigationandpositioningsystemisthekeytechnologyfortherobotinthetransformersubstationtoinspecttheequip ment.Therefore,thepapermadeupthehardwaresystem,whichconsistsofthefiberoptic-gyro(FOG)、milemeter、accelerometer、DGPSreceiverandthenavigationcomputerbasedonFPGA/DSP.Also,thesoftwareofthisintegratednavigationandorientationsystemwasdesignedbasedonthedifferentialGPS(DGPS)andDeadReckoning(DR)principle,thesystemadoptsthemethodoftheself-north-seekerandswitching-integratednavigation.Themethodissimpleandeasilyfeasible,meanwhile,thesystemhasgoodpracticability.Theexperimentindicatesthatthissystemprovidestotherobotofinspectingtheequipmentinthetransformersubstationwithcontinuous,real-time,accuratenavigationandposition.

Keywords:inspectionrobots;integratednavigationsystem;deadreckoning(DR);FPGA/DSP;fiberoptic-gyro

0 引言

变电站设备巡检机器人对高压设备检测的关键技术之一是给机器人的运动控制系统提供连续、实时、精确的位置、航向

等导航信息,使其沿预定的路径行驶并完成检测任务,而利用基于差分GPS/DR组合导航定位系统[1 2]是一种GPS定位精度高、实时性好和DR(Dead-Reckoning)自主导航定位短时精度高相组合的特点,能使系统在GPS信号受变电站高压电场和强磁场干扰等因素的影响而中断时使用DR进行导航定位,同时当GPS有效时,利用其定位精度高的特点不断校正DR随时间累积的导航定位误差,两者扬长避短,使机器人获得更高的定位精度,提高系统可靠性[3]。

其中,DR自主导航定位系统是使用光纤陀螺、里程仪、加速度计等传感器来测量小车的角速度、位移、比力信息,由

收稿日期:2009 12 21; 修回日期:2010 01 28。基金项目:国家电网公司资助项目。

作者简介:魏 鹏(1971 ),男,山东潍坊人,讲师,博士,主要从事自动化控制、惯性导航控制、组合导航系统方向的研究。

此解算出机器人的航向、位置、姿态等信息,这些外围传感器信号以及GPS信号都需要由FPGA/DSP构成的导航计算机进

行采集、传输和处理,其中,大容量逻辑门数FPGA可以进行多通道高速并行数据采集和时序控制,高速DSP实现导航运算。本文将介绍差分GPS/DR组合导航系统的软硬件设计及实现。

1 GPS/DR组合导航系统设计

DGPS/DR组合导航系统总体构成如图1所示。

系统硬件结构主要包括DR单元、差分GPS接收机,导航计算机、数据采集和接口电路、通信电路和机器人系统等,系统设计主要包括了导航系统的硬件电路、FPGA下载程序和DSP配置程序及导航算法设计。整个导航系统工作过程为:导航系统将初始数据信息传送给导航计算机,用于系统导航解算时的初始自寻北,并确定相应的通信协议,导航计算机通过从数据采集系统获得外围传感单元和GPS接收机的信息完成组合导航系统的方向、位置和姿态计算,并将数据通过标准串口(如RS 422或RS 232)传输到机器人控制系统。

中华测控网

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第6期魏

鹏,等:基于光纤陀螺的DGPS/DR组合导航定位系统的设计与实现

解算时同步读取导航数据;

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(6)采用BOOTLOADER装载程

序方式,将外部FLASH低速存储器或串行输入口的程序数据加载到DSP内部的高速SRAM中运行,保证了TMS320VC33的高速运行。导航计算机构成如图2所示。

图1 系统总体组成

1 1 航位推算单元(DR)和差分GPS

航位推算单元由2只中低精度光纤陀螺仪、2只石英挠性加速度计和里程仪组成,其中陀螺仪和加速度计在惯组安装中的位置相互正交,光纤陀螺仪的信号输出采用脉冲方式,静态工作精度在0 05 /h左右。石英挠性加速度计输出信号是模拟电流量,根据系统要求采用高精度的V/F信号采集电路,使其信号以脉冲方式输出,静态工作精度可到百万分之20g~30g(重力加速度值),动态测量范围!15g,满足系统导航解算要求。它们的功能为:水平陀螺和加速度计实现初始静态寻北功能,敏感轴沿机器人载体平面垂直安装的天向陀螺用来测量沿小车平面垂直方向的旋转角速率,两个挠性加速度计除了完成初始寻北外还为系统提供姿态角,供机器人上的摄像机提供姿态控制功能;里程仪主要由电机、驱动器、减速器、编码器组成,机器人行驶的里程由光电编码器发送的脉冲经过MAX490EESA芯片发送给导航计算机,可为机器人提供速度、位移信息。

差分GPS接收机采用瑞士徕卡公司的LeicaGPS1200,与基准站构成差分测量,其测量精度可达厘米级且测量时间短,可进行静态、动态测量。GPS接收机输出NMEA-0183消息的LLQ数据格式,其形式为:

$--LLQ,hhmmss.ss,mmddyy,eeeeee.eee,M,nnnnnn.nnn,M,x,xx,x.x,x.x,M*hh<CR><LF>,包括定位的UTC时间、日期,相对基准站的东向、北向位置,GPS信号质量,坐标质量和使用的卫星号。GPS信号输出通过RS 232通讯协议与导航计算机通信。1 2 导航计算机

导航计算机是在DSP芯片上进行开发,实现导航运算功能。数字信号处理器选用TMS320VC33,它是TI公司推出的一款32b浮点式高性能数字信号处理器[4 5],以高速、低功耗、低成本、体积小、内部资源丰富和易于开发为显著特点。具有高速的浮点运算能力,最高处理速度为150MFLOPS,足够满足系统的运算速度要求。此外还具有以下特点:(1)内含5倍频的锁相环(PLL)时钟发生器,能产生到达75MHz的内部时钟,实现实时数据处理;(2)内含8个扩展寄存器,R0-R7;(3)采用1 8V内核电压和3 3V的I/O电压;(4)带有34k 32b的片内双静态RAM(2 16k …… 此处隐藏：6724字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……