基于惯性传感器的室内惯性导航与定位系统

基于惯性传感器的室内惯性导航与定位系统鋈*黄洪加(广东工业大学自动化学院，广州510006)摘要：研制的轮式小车室内惯性导航装置和定住系统选用MEMS惯性传感器，实现小车在室内一定区域的导航和定 位。该装置可以通过WiFi无线数据传输，将其所在的实时坐标信息发给控制终端，在PC或平板电脑上的电子地图中 显示小车所处的位置。操作员也可以用PC通过wiFi对小车进行无线控制。实验结果表明，控制终端能对轮式小车进 行位置显示和有效控制。关键词：TMS320F28335；WiFi；MEMS 中图分类号：TP368文献标识码：AIndoOr NavigatiOn and PositiOnjng System Based On InertiaI SensOr鲞Huang Hongjia(CoUege of Automation，Guangdong University of Techn0109y，Guangzhou 510006，China)Abstract：Wheeled trolley indoor inertial navigation and positioning device is developed in this paper，which selects MEMS inertial sensor to achieve navigation and positioning in the indoor areaThe device can transmit the data through WiFi wireless，the real一time coordinate information can be sent to control terminal，then displays the trolley position on the map of PC or tabletThe operator can control the troIIey using the PC through WiFi wireIessThe experimentaI resuIts show that the controI terminaI can achieve position display and ef fective control for the wheeled trolleyKey words：TMS320F28335；WiFi；MEMS情况下的导航。引 言 由于是在室内区域进行勘测搜索，小车的运行特点与轮式遥控机器人已经在地震、火灾等一些危险的室内 飞机、船、车不同，它的运动轨迹变化较快，且运动时存在 区域进行救援和探测，或执行反恐任务。由于在这些特殊 一定的振动，因此常用的卡尔曼滤波算法需要改进才能应 的环境下存在诸多未知因素，且室内无GPS信号，人们不 用。惯性传感器采集数据量大，且进行惯性导航时需要大 得不依靠先进的科学技术和仪器来获取遥控机器人小车 量的浮点运算，因此本项目采用了具有强大数字信号处理的导航信息。但是，目前轮式运动小车主要采用的导航传功能的DSP芯片TMS320F28335和PC控制终端，实现惯 感方式有视觉、光电、超声、里程计等，比较容易被外界环性传感器的数据采集、时序逻辑控制、与驱动系统通信和境干扰，不能满足广大市场的需求。地图显示功能，具有体积小、成本低、功耗低等优点。 但是惯性导航装备安装在运载体内，工作时不依赖于外界信息，也不向外界辐射能量，不容易遭到干扰，是一种 1 系统体系架构自立式导航系统，优于常见的导航传感方式。并且近年来本文的目标是研制一个轮式小车惯性导航系统，能够MEMS(微机电系统)结构的惯性传感器随半导体技术的通过WiFi实现PC终端或手持终端控制轮式小车行动以进步得到了迅速发展，低成本而高精度的期望得到了实及小车所采集数据的传输。现。MEMS惯性传感器组成的惯性导航装置结合轮式小搭建如图1所示的系统，TI公司的浮点DSP芯片车的里程计，能够产生导航和定位信息，减少对外部环境TMS320F28335采集各MEMS惯性传感器的信号并处的依赖，实现在外部环境条件(例如光照、墙壁材质)未知理，处理结果通过wiFi输送到PC终端；PC终端负责定位结果显示和地图显示，并向小车驱动系统发送控制命*基金项目；省部级一2013大学生创新创业训练项目(1184513014)。 令，同时接收驱动系统反馈的里程计信息。敬请登录网站在线投稿20 75年第2期 平方机乌嵌入式条鬣l应用7万方数据I专题论述 彳固纠C缓誓ofSe懑3电子地图 22小车驱动板设计驻i区虱小车：及小车坐标 在本装置中，采型墨!显示 TMSl蒜稽息t用BTs7960作为直孚凳11DI掣 VCC：f加速度计卜n丽渺 DSP流电机驱动芯片。鬟时FTMS320F28335lPc终端 TDo控制命矽TRETBTS7960是集成的!曼垦I!TCK垴由Il+田韶斗：1 ， f lEMUo蓊岑l l蓓：j萤：”；I键盘控制I大电流半桥驱动，其厂一 mG内部包含了一片 33V小车驱动模块10kQ TNMOS、一片PMoS和一片半桥门集驱图3 JTAG下载电路图1 系统总体架构动，在Iou，一9 A，V。一135 V，I一25时，其内阻抗为17 mQ。装置采用两个直流大电机，图4为驱动单个电机2硬件设计及详细实现前后转向的电路图。鸯硬件设计上，主要分为核心板和驱动板。核心板包括DSP最小系统、JTAG下载口设计、电源供给电路、MEMS 一H传感器和wiFi模块等。而驱动板主要设计的内容是直流470l】F大电机的驱动模块。21核心板设计 m晤繁群屿一 l!【一TMS320F28335工作时需要的电压不同：内核电压19 V，IO供电电压33 V，所以电源部分利用两路输出Header2电源器件TPS767D318来实现，如图2所示。同时根据仿真实验和实际焊接电路的测试，电源模块输出端最好使用 电容值不小于10扯F的保护电容，且不能使用贴片电容，二二爿譬8器否则工作不稳定。娩唇繁NC lRST鞋I 电机驱动中，需要注意一个细节，就是电机在转+3 3V+5V “+33V。=!图4驱动模块电路设计事科 间过大，导致单片机复位甚至有可能烧坏芯片。因习|。NCNC动过程中有可能会产生反向的电动势，使电流一瞬lGNDNClENl阳小TC10岬+1；vl矾10UT字硒，一叩1工+5V1玳10UT此在设计过程中，可以考虑在单片机PWM输入到NC 2RST丁r_础 离。如图5所示，驱动板选择了TLP5214光耦器104田i NCNC 州|l电机驱动接口的地方添加光耦器件或者二极管隔2GND NC吉+33v2ENNC2D420UT2呵20UT件设计隔离电路，减小了电压的干扰，简化电路的设NCNC卫1心rNCNC1砸登1心-。哑计，同时也把4路PWM的IO电平从33 V上拉= _L TPS767D318到5 V。图2 DSP电源设计3软件设计及具体实现在电源设计中，考虑到TPS767D318芯片可以产生复位信号，所以在核心板上并没有另外为DsP设计复位 在软件程序设计上，主要应用9自由度惯性导 电路。航传感器(ITG3200+ADXL345十HMC5883L)，结合DSP 图3为JTAG下载电路，按照仿真器的通信引脚选和卡尔曼滤波算法，实现较高精度的轮式小车导航和定择14脚的仿真接口，同时要注意EMUo和EMUl信号位。 必须通过上拉电阻连接至电源，其中上拉电阻为31传感器程序设计10 kQ。 9自由度惯性导航传感器在许多领域都得到了实际应8 Mjcroco仃fr0ersEmbedded sysfems 2D15年第2期wWWmeS几efC0m。Cn万方数据麓澜鬻麟黍蒺黧攀鏊黎鬻黎ii溱鬟豢羹曼滤波算法需要进一步改进才能应用。卡尔曼过滤算法 是用前一个估计值和最近一个观察数据，来估计信号的当 前值，它是用状态方程和递推的方法进行估计，解也是以 估计值形式给出的。其运用在加速度器和陀螺仪上的卡 尔曼滤波程序略编者注。通过滤波时数据平滑将加速度输出电压附近产生的=波动噪声滤掉。要害4实验测试与结果分析星在装置硬件和软件搭建完成后，通过设计好的PC端软件和平板电脑安卓软件，搜索到WiFi，自动连入局域网。在实验室测试环境下，小车可以自由行驶并反馈实时图5 TLP5214隔禹电路的数据进行测试比较。 用，如无人机、救灾机器人等。它包括ITG3200三轴陀螺 仪、AD345三轴加速度传感器和HMC5883L三轴磁感41航向角数据测试应传感器，可以得到角速度、加速度以及角度的实时数值。 HMC5883L采集到的航向角存在随机波动性，因此 ITG3200是MEMS三轴陀螺仪，可以测量小车的旋可以对其进行多次采集平均值滤波，以提高系统输出的数 转角速度，同时也可以通过积分把角速度转换为小车的倾据稳定性。图7为一定时间内滤波前和滤波后航向角的角。ITG3200的初始化程序略编者注。 数据。其具体功能实现可以在主程序中通过SCI读取其值。所读取的值为角速度，不会受到小车运动的影响，因此信 号噪声很小，同时可以由它积分得到小车倾斜角度，从而 平滑信号使其更加稳定。由于装置在不同的室内区域进行勘测搜索，再加上未 知的环境，所以角速度信号可能存在一定的偏差，导致积分后的角度出现大的误差，无法得到实际的数值。为了消除由于偏差而产生的累积误差，装置上加上ADXL345三川7s轴加速度传感器对于获得的角度信息进行校正。ADXL345初始化程序略编者注。 图7航行角数据滤波前和滤波后对比图通过ADXL345所得 角速度 由图7的数据对比可以得知，航向所采集到的数据进 到的角度，与陀螺仪积分暑 行平均值采样滤波优化后误差大大减小，比原有数据稳定 后的角度进行对比，然后暑V) 许多，说明滤波效果明显。使用它们的偏差改变陀一螺仪的输出，从而使积分 42角度数据测试后的角度慢慢校正到实可以使用ADXL345和ITG3200所得的数据，转换为 际值，如图6所示。 图6通过加速度传感器校正角度横滚角和俯仰角，再结合卡尔曼算法对数据进行滤波以达HMC5883L三轴磁感应传感器的作用相当于罗盘，到更准确的实验结果。表1为滤波前角度的数据及误差，在水平情况下，无需借助其他传感器便可以计算出航向。 表2为滤波后角度的数据及误差。 I其初始化程序略编者注。表1 滤波前角度的数据及误差由于装置是要在不同环境下进行工作的，所以其并不序号 理论值 实际值 误差能保持时刻是水平的，就需要加速度传感器来纠正由于倾 1 O。 一350。 一350。斜引起的误差。 2 100 1270。 270。32卡尔曼滤波算法应用 3 20。 23806 380。430。3210。 210。由于装置在室内区域进行勘测搜索，它的运动变化540。3740。 一260。快，轨迹不定，而且要适用于不同的环境，因此常用的卡尔敬请登录网站在线投稿2075年第2期 平砖机乌嵌入式条谯l应冈万方数据译后通过开源的tslib程序直接对触摸屏进行测试，运行在Linux系统上实现电容触摸屏的驱动。本文分析了电 tctest可以自由画线，测试结果如图4所示。容触摸屏的硬件设计、驱动程序流程和触点坐标定位方 法，并详细讨论了触摸屏入口函数与工作函数的设计。只需对底层驱动进行适当修改，就可以将本设计移植到多种嵌入式Linux系统平台上，简化了系统调试与开发。蠢参考文献 1孙杨，张永栋，朱燕林单层IT0多点电容触摸屏的设计J液晶与显示，2010，25(4)：551553图4电容触摸屏测试图2詹思维，魏廷存，李博，等投射式电容触摸屏控制芯片设计第二种为在驱动函数中通过printk函数和串口工具J微电子学，2013，43(3)：364368 SecureCRT来显示触摸坐标，触摸的同时显示x，y坐标，3李兵兵电容式多点触摸技术的研究与实现D成都：电子如图5所示。虽然该方法没有第一种直观，但通过该方法 科技大学，2011可以检测出驱动过程中是否工作正常。4詹思维，魏廷存，李博，等投射式电容触摸屏控制芯片设计 J微电子学，2013，28(1)：3643685朱维安，郑寿云，陈莉电容触摸屏的坐标定位分析J电子测量技术，2009，32(5)：13166冯先成，李小鹏，司擎华基于S3C2410嵌入式系统的触摸 屏驱动设计J光学与光电技术，2012，10(6)：7276 7刘秋菊，王树森，段其昌基于嵌入式的电容触摸屏接口设计J微电子学与计算机，2012，29(06)：90一95 8周自立电容式触摸屏的多点解决方案D广州：华南理工大学，2012图5电容触摸屏测试图陈续(曩士研究生)，研究方向为智能信息处理与通信系统；期国巍结语(硕士生导师)，研究方向为信号与信惠处理技术。本设计应用SP5V210处理器和电容触摸屏控制器(量任编辑：杨迪 收稿日期；2014一0822)G1r811作为系统硬件，通过两种方法的测试表明，成功地编者注：本文为期刊缩略版，全文见本刊网站www表2滤波后角度的数据及误差mesnetcomcn。参考文献序号 理论值 实际值 误差1陈志崇机器人惯性定位信息显示系统设计D广州：广东10。O02。 002。210。1011。 O11。 工业大学，2013320。1960。 一O40。 2刘文国四轮全向驱动吸尘机器人的避障实现J经济技术430。2970。 一O30。