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【摘 要 】光纤惯性组合是载体的敏感部件,为载体导航提供信息.光纤惯性组合计算机的硬件主要由采集板和存储板组成,通过软件设计实现数据采集、工具误差补偿、温度补偿、系统校时、数据存储等多项功能.计算机软件重点介绍了系统校时和工具误差补偿功能的设计.经过设计、生产、调试、地面对接试验的考核,计算机功能实现稳定,数据实时性与精确性良好,各项指标均满足设计要求.

【关 键 词 】惯性组合,计算机,数据采集

引言

光纤惯性组合是载体的敏感部件,它将惯性测量器件安装在载体上,测量载体在运动中绕载体三个轴转动的角速度和沿载体质心三个轴的加速度,为载体导航提供信息.

光纤惯性组合主要由光纤陀螺、加速度计、温度传感器、电源板、计算机、GPS、里程仪等组成,如图1所示.

本文主要阐述了光纤惯性组合计算机部分的设计,包括数据的采集、处理与存储,工作流程的设计.针对光纤惯性组合工作过程中产生的各种误差,着重介绍了系统校时、工具误差补偿和温度补偿功能的设计原理.本文还展示了产品各项功能的测试结果,证明产品的软硬件设计都满足设计需求.

图1 光纤惯性组合原理框图

1.计算机硬件设计

计算机硬件由采集板和存储板组成,如图2所示.

图2 计算机硬件设计框图

1.1 采集板设计

采集板按照功能集成设计,集成了单片机电路、测温电路、逻辑控制电路、串行接口等,主要完成对光纤陀螺、加速度计、GPS、里程仪、温度传感器等信号的采集,并进行解算和各种补偿,然后输出载体的三维速度、姿态、位置等信息.

a)单片机电路

单片机电路用于采集光纤陀螺、加速度计、温度传感器的输出数据,进行解算,通过工具误差补偿、软件补偿,得出载体运动信息.单片机选用ARM7系列的LPC2388,该芯片有丰富的片上资源:4路串口、1路SPI口、两路CAN口、3路I2C口、4路32位计数器、8路A/D转换通道.

b)测温电路

测温电路中测温芯片采用MICROCHIP公司生产的TC104AVNBTR,该芯片直接安装在印制板上,采集到温度数据后以电压的方式发送给单片机,单片机通过内部A/D对电压值进行采集、解算,完成温度补偿功能.

c)逻辑控制电路

控制逻辑电路采用CPLD来实现,相对于其他硬件来实现控制逻辑和计数模块,使用CPLD具有易编程、升级、维护的优点,也能更好适应需求的变化,而且减小了成本、简化了产品的硬件设计.

外部4路计数信号通过光耦后接入CPLD,完成计数功能.

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GPS对时秒脉冲信号接到单片机中断引脚上,同时通过串口接收GPS信息,完成校时工作.

d)串行接口

系统共需8路UART串行接口,单片机内部有4路串行接口,再通过总线上外接串口芯片TL16C754B,扩充4路串口完成8路串口的要求.与常用的UART芯片16C554相比,其基本功能相同,但其发送和接收FIFO有64byte,可供单片机与各分系统的通信数据进行缓冲,减少计算机操作串口的时间,提高解算速度.另外TL16C754B可以在3.3V逻辑电平下操作,直接通过总线与单片机接口.

1.2 存储板设计

存储板的主要功能是接收采集板采集的各路数据,并进行存储.采集板将光纤惯性组合的原始数据打包发送给存储板,并将数据保存在CF卡中,为后续数据分析及问题定位提供原始数据资料.存储板通过单片机C8051F040对CF卡进行读写,C8051F040通过串口与采集板进行通信,并将光纤惯性组合输出的数据信息写入CF卡.

2.计算机软件设计

计算机软件是光纤惯性组合的重要组成部分,是运行在系统上的程序集合,它依赖于计算机硬件系统,主要采集光纤陀螺、加速度计、温度传感器、里程仪和GPS的输出信息,进行工具误差补偿、温度补偿、系统校时等,输出载体的三维速度、位置、姿态和时间等信息.软件设计流程如图3所示.

系统上电初始化后,中断接收上位机命令并处理,包括设置数据发送频率、惯组标定、标定系数上传、产品编号上传等.

图3 计算机软件设计流程图

若未接收到上位机命令,则实时采集光纤陀螺、加速度计和温度传感器信息,经过工具误差补偿和温度补偿后得到三个方向的角度增量和视速度增量,采集GPS的UTC时间和PPS信号进行系统时间校准,采集四路IO数据得到里程仪信息和相位.将采集到的全部数据按照通讯协议装订后发往上位机,并存储到FLASH中.


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计算机软件的单次运算周期(包括数据采集)小于等于2.5ms,采集的数据采用多次采集并经平滑处理,以剔除数据中的野点.软件中使用的微分算法采用了合适的二阶数字滤波算法,以消除噪声影响.

2.1 系统校时设计

光纤惯性组合在有GPS信号时,发送校时指令,实现校时,在无GPS信号(GGA/ZDA/PPS)情况下,不进行校时.

系统接收到GPS数据后对其进行解析,从GGA数据中提取GPS状态,看GPS是否已定位.如果GPS已定位,则从ZDA数据中提取UTC时间,解算为具体的年、月、日、时、分、秒.通过响应外部中断服务程序,进行PPS秒对时,用GPS提供的UTC时间对时间寄存器进行初始化,完成系统时间的校准.

2.2 工具误差补偿设计

理想情况下的光纤惯性组合,其三个加速度计的敏感轴应该是相互垂直的,三个光纤陀螺的敏感轴也是相互垂直的,且与加速度计的三个敏感轴分别保持平行.但实际上总会存在一定的偏差,零位、标度因数和安装偏角是影响惯性元件精度的主要误差源,而惯性元件精度又是影响光纤惯导精度的主要因素,因此在进行惯性导航之前必须先提高惯性元件即光纤陀螺和加速度计的精度,对其进行补偿. 三轴数率转台、位置标定平台采用当地地理坐标系,与光纤惯性组合所采用的导航坐标系一致,采用速率和位置标定的方式,分别对光纤陀螺、加速度计的零偏、标度因数和安装误差进行标定,建立系统的误差模型,装订到光纤惯性组合中,完成工具误差补偿.


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2.3 温度补偿设计

电子元器件通常都有一定的温度系数,输出信号会随着温度的升高而漂移.光纤陀螺和加速度计都是敏感元件,要保证光纤陀螺和加速度计在全温范围内的精度,减小惯性器件的温漂,需施加硬件温补或者软件温补.硬件温补是采用硬件温度控制的方式,采用加温电路,使光敏感元件及电路工作在一个恒定的温度下.其缺点是功耗大,响应时间长,需要长时间的加温后,温度才能达到平衡,且对结构设计要求较高,敏感元件需置于密闭空间中.软件温补是通过大量的试验,计算得到系统的温度模型,并加以补偿,使敏感元件的精度在全温范围内保持不变.本设计采用软件温补的方法,将光纤惯性组合安装在温控转台上,采集光纤惯性组合在不同温度、不同角度、不同速度情况下的陀螺、加速度计和温度传感器数据,通过计算公式建立光纤惯性组合的温补模型,将光纤惯性组合的当量或标度因数还原为标准温度下的当量或标度因数,使这些参数不受环境温度影响,完成温度补偿.

2.4 数据输出频率设计

数据输出频率需设置为400Hz、200Hz和100Hz三种,满足光纤惯性组合在不同使用环境下的数据输出需要.因此软件在内存中设计了一个缓冲区用于存储惯组数据,数据采集频率为400Hz.当系统数据输出频率低于400Hz时,缓冲惯组数据并进行积分处理,保证在低于400Hz时系统输出的角度增量和速度增量符合要求.同时在FLASH中制定了一块区域用于数据输出频率的存储,在系统启动后就可按照用户要求的频率进行数据输出.

3.系统测试

3.1 校时功能测试

在有GPS信号(PPS/GGA/ZDA)时,正常完成校时,实施10次以上校时操作,校时成功率100%.无GPS信号(PPS/GGA/ZDA),不进行校时.有GPS信号(GGA/ZDA)但无PPS信号,不进行校时.三种情形相互转换后测试,所有功能测试正常.

3.2 时间漂移测试

当GPS工作正常时,系统进行校时,校时成功后,测试时间漂移为360us/h,满足系统时间漂移<500us/h的要求.

3.3 串口异常数据测试

分别在高温(+50℃)、低温(-20℃)、常温下连续测试3h以上,检测数据丢帧和串口数据中是否包含奇异值等,测试结果正常,数据中不包含奇异值、串口数据丢帧率满足要求.

4.结束语

软件设计完成后,对光纤惯性组合进行了多项环境应力测试、系统对接试验,经过反复测试,计算机性能稳定,能够保证所有功能实现的实时性与精确性.

参考文献

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