MIMU/GPS组合导航系统小型化设计

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传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies) 2014 年第33 卷第1 期
MIMU/GPS 组合导航系统小型化设计
包超，郭美凤，周斌，刘刚
( 清华大学精密仪器系，北京100084)
摘要: 为满足小型无人机、手持制导设备及无人探测车等对低成本轻重量导航系统需求，应用MEMS 惯
性测量单元和GPS 接收机模块，完成MIMU/GPS 组合导航系统小型化设计。组合导航计算模块基于
DSP + FPGA + FLASH 设计完成，实现多传感器通信、串并行数据转换及与上位机人机交互等功能。将计
算模块、电源模块、MIMU 及GPS 接收机集成到嵌入式MIMU/GPS 组合导航系统中，完成的系统直径
80 mm，高度80 mm，质量不超过600 g。对集成后系统进行定点动姿态实验，结果表明: 该组合导航系统定
点位置测量精度在1 m 以内，动姿态测量精度姿态角在0． 1°以内，航向角在0． 5°以内。
关键词: MIMU/GPS 组合导航系统; 嵌入式系统; 小型化
中图分类号: U666． 1 文献标识码: A 文章编号: 1000—9787( 2014) 01—0116—04
Miniaturization design of MIMU/GPS integrated
navigation system
BAO Chao，GUO Mei-feng，ZHOU Bin，LIU Gang
( Department of Precision Instrument，Tsinghua University，Beijing 100084，China)
Abstract: In order to meet the needs of low cost and light weight navigation system for small UAV，handheld
guidance equipment and unmanned vehicle，using MIMU and GPS receiver module，MIMU/GPS integrated
navigation system miniaturization design is completed． Computing module of MIMU/GPS integrated navigation
system is designed based on DSP + FPGA + FLASH． Ｒealize functions of multiplex sensor communication，serial
data to parallel data conversion and man-machine interaction with upper-PC． Embedded integrated navigation
system is integrated with computation module，power module MIMU and GPS receiver，the diameter of system is
80 mm and the height is 80 mm． Static fixed-point test、fixed-point dynamic posture test and dynamic car test show
that static position accuracy is in 1 m，attitude angle accuracy is in 0． 1°，heading angle accuracy is in 0． 5°．
Key words: MIMU/GPS integrated navigation system; embedded system; miniaturization
0 引言
在捷联惯导系统一般应用的陀螺器件有光纤陀螺［1］、
激光陀螺［2］、MEMS 陀螺［3，4］等，近年来，MEMS 技术的发展
使得捷联惯导系统向着体积更小、质量更轻、成本更低的方
向发展。基于MEMS 技术的微惯性测量单元( MEMS inertial
measurement unit，MIMU) 不仅可被用在军用制导炸弹、
手持制导武器上，在民用的车载定位导航和小型无人机导
航等方面也有着巨大潜力。MIMU/GPS 组合导航系统精度
和实用性不断加强，国外大学实验室和公司的先进产品质
量已在100g 以内，系统集成度很高，例如: 美国Crossbow 公
司的MEMS IMU/GPS 组合导航系统—Nav440，其质量
0． 58 kg，功率只有4W，它的定位精度为3 m，姿态测量精度
均方根( root mean square，ＲMS) 为0． 4°; 德国的iMAＲ 公司
的iVＲU—CB—M 和iVＲU—SNC 的质量只有550 g，功率只有
6W，的定位精度为5 m，姿态测量精度ＲMS 为0． 5°。相比
之下，国内组合导航系统有的仍处在分立传感器程度［5 ～ 7］，
大部分体积大、质量重，不适于手持制导或小型无人机导航
方面。
1 组合导航系统方案
MIMU/GPS 组合导航系统包括4 个部分，其中嵌入式
电源模块为MIMU、组合导航计算模块和GPS 接收机模块
提供电源，MIMU 和GPS 接收机模块分别通过标准ＲS—422
和ＲS—232 与计算模块进行通信，组合导航计算模块接收到
IMU 和GPS 的测量信息，采用基于卡尔曼滤波的观测控制
器方式进行初始对准，之后采用松组合方式进行导航解算，
并通过标准ＲS—422串口和上位机监测软件进行通信。上
收稿日期: 2013—05—21
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第1 期包超，等: MIMU/GPS 组合导航系统小型化设计
述4 个部分集合成一体，系统框图如图1 所示。
RS-232
RS-422
RS-422
图1 嵌入式组合导航系统框图
Fig 1 Block diagram of embedded integrated navigation system
2 组合导航系统设计
2． 1 硬件设计
组合导航系统采用了U-blox 公司的LEA_6TGPS 接收
机，该种接收机尺寸只有17． 0 mm × 22． 4 mm × 2． 4 mm，相
比其他公司的接收机板卡体积缩小50 %。该接收机模块
能够提供位置、速度和时间等解算结果，也能提供如伪距、
载波相位和多普勒频率等原始数据。它的位置测量精度为
2． 5 m，速度测量精度为0． 1 m/s，可以承受4 gn 的动态性，
且价格便宜。该模块既可按照标准NMEA 协议对外输出
也可以输出U-blox 独有的UBX 协议，为其设计的外围天线
接口电路与标准ＲS—232 串口电路如图2 所示。
图2 GPS 接收机模块外围电路
Fig 2 Peripheral circuit of GPS receiver module
组合导航系统采用清华大学导航中心自主设计的
MIMU，它由三轴MEMS 加速度计和三轴MEMS 陀螺组成，
体积小、质量轻，可测量载体的加速度和旋转角速度，它的
测量精度直接影响到组合系统初始对准和导航解算精度。
组合导航系统中采用的电源模块具有输入防反接功
能，转换效率为70 %，符合GJB 181 所规定的B 类直流用
电设备要求，同时符合GJB 151A 所规定的电磁兼容性要
求。电源模块采用单+ 28 V 直流电源供电，提供5 路输出。
组合导航计算模块采用DSP + FPGA 设计方式，此种
方法运算能力高、功耗低，且易于做系统集成。其中，DSP
选用的是TI 公司的TMS320C6713B，该芯片是基于超长指
令字结构的高性能32 位浮点DSP，工作主频最高可达
300 MHz，具有丰富的中断外设资源，能够完成初始对准和
组合导航的计算。FPGA 芯片选用的是Xilinx 公司Spartan
3 系列的XC3S400，该芯片是Spartan3 系列中门数较低的一
种，它功耗较低且价格便宜，虽然逻辑门数较少，但足以完
成DSP 与其他传感器之间的通信工作。DSP + FPGA 组合
导航计算模块如图3 所示。
图3 DSP + FPGA 组合导航计算模块框图
Fig 3 Block diagram of DSP + FPGA integrated navigation
calculation module
1) 频率设置
系统采用20 MHz 的外部振荡器为芯片提供时钟，利用
C6713 内部的PLL( 可编程锁相环控制器) 进行分频，外部
的20 MHz 时钟经过15 倍频变为300 MHz 供DSP 芯片工
作，然后经过2 分频的变为150 MHz 供片上外设工作，经过
3 分频的变为100 MHz 连接到FPGA 芯片128 管脚使其工
作。
2) 中断系统
C6713 的中断向量表为int0 ～ int13，其中，int0 中断优
先级最高，为系统复位中断，int13 中断优先级最低。GPIO
管脚设置为输入时可以产生CPU 中断或EDMA 同步事件，
将GPINT［4∶ 6］产生的GPU 中断映射为int4 ～ int6，其中，
GPINT4 为GPS 中断，即当GPS 向DSP 发送一包正确数据
后，FPGA 相应管脚会产生低电平触发中断服务子程序进
行读取; 同理，GPINT5 为MIMU 中断，即从MIMU 接收测量
数据; GPINT6 为上位机中断，即接收上位机给出的指令。
3) 地址分配
EMIF( external memory interface) 是DSP 片上的外部存
储器接口，共有CE0～ CE3 4 个空间，可以外接各种存储器
如SDＲAM，SＲAM，FLASH，FIFO 等，其具有32 位数据线支
持8，16，32 bit 等多种数据宽度。EMIF 具有22 根地址线，
当外部连接32 bit 存储器时用到A［21∶ 2］。4 个空间的起
始地址分别为: 0x8000000，0x9000000，0xA000000，
0xB000000，每个空间大小为256 M。
本系统设计中CE1 空间外接FLASH，起始地址为:
0x9000000，用于存放系统程序，并完成系统上电自举等功
能。CE2 空间外接FPGA，起始地址为: 0xA000000，该空间
被分配成6 部分，分别用于与GPS，MIMU 和上位机的发送
接收缓存ＲAM，CE0 和CE3 空间暂时保留。
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传感器与微系统第33 卷
2． 2 FPGA 通信设计
FPGA 通信模块设计是为了解决各个传感器与DSP 通
信速率不同的问题，各传感器对外通信采用标准串口协议
均比较慢，而DSP 通过EMIF 发送接收数据很快，所以，FPGA
通信模块起到了编解码和数据缓存的作用。它包括以
下功能单元:
1) 片选检测单元: 检测DSP 的TCE2 管脚是否出现上
升沿，如果出现上升沿则说明DSP 要通过FPGA 向传感器
发送数据。
2) 32 bit 双口ＲAM: 每个ＲAM 的大小为M，共有6 个
依次存放上位机、MIMU 和GPS 的发送和接收数据包。
3) 多路通信译码单元: 地址线的高9 位连入译码实现
多路通信的区分，其中，向上位机发送的起始地址为
0xA0000000，向IMU 发送的起始地址为0xA0000800，向
GPS 发送的起始地址为0xA0001000，从上位机接收起始地
址为0xA0001800，从IMU 接收的起始地址为0xA0001800，
从GPS 接收的起始地址为0xA0002800。
4) 串行发送接收单元: 将并行的8 bit 数据转换成串行
数据发送出去，也可接收串行数据合成8 bit 数据。
5) 接收数据区分单元: 将3 个通道的接收数据根据选
择地址发送到数据总线上。
6) 接收控制单元: 将从UAＲT 接收到的8 bit 数据编码
成32 bit 数据，按顺序存储在双口ＲAM 中，并向DSP 发出
中断。
7) 发送控制单元: 将DSP 发送的存储在双口ＲAM 中
的32 bit 数据按顺序解码成8 bit 的数据，并以此发送给串
行发送接收单元。
各单元均由硬件描述语言( VHDL) 编写完成，其中接
收控制单元和发送控制单元需要特别设计。
2． 2． 1 发送控制单元设计
发送控制单元的功能是将DSP 发送的存储在双口
ＲAM 中的32 bit 数据按顺序解码成8 bit 的数据，并以此发
送给串行发送接收单元。发送控制单元共有3 个状态: 空
闲状态( idle) 、读数据状态( read) 和发送状态( send) ，如
图4。
空闲状态: 此时没有接收到DSP 的发送数据信号。
读数据状态: 此时从双口ＲAM 中依次读取32 bit 数
据，读取完成后进入send 状态。
发送状态: 将读取到的32 bit 数据依次拆分成4 个8 bit
数据经由UAＲT 发送出去，当发送数据量未达到要求时回
到read 状态，当发送数据量达到要求时回到idle 状态。
2． 2． 2 接收控制单元设计
接收控制单元的功能是将从UAＲT 接收到的8 bit 数
据编码成32 bit 数据，按顺序存储在DualＲam 中，并向DSP
发出中断。接收控制单元共有4 个状态分别是: 空闲状态
发送
空闲
读取
图4 发送控制单元的状态机
Fig 4 State machine of send control unit
( idle) 、读数据状态( read) ，编码状态( pack) 和发送状态
( send) 。
空闲状态: 此时未接收到数据。
读数据状态: 此时从UAＲT 接收8 bit 数据，并将其存放
在接收数据缓存中，完成后进入编码状态。
编码状态: 验证接收到的数据是否满足，同步帧要求，
如果不满足，则回到空闲状态; 如果满足，则将8 bit 数据按
小端存储顺序打包成32 bit 数据，完成后进入发送状态。
发送状态: 将编码好的32 bit 数据发送给对应的Dual-
Ｒam，如果一包数据未接收完毕，则回到读数据状态; 如果
接收完毕，则回到空闲状态并发出中断，如图5。
发送
空闲
读取
编码
图5 接收控制单元的状态机
Fig 5 State machine of receive control unit
3 实验结果分析
3． 1 定点位置、速度、姿态航向实验
定点位置、速度、姿态航向实验地点为清华大学精仪系
系馆实验室，GPS 天线放置在系馆楼顶，每组测试时间约为
7 min，可反复测量多次，实验结果如图6。
-0.20 -0.10 0 0.10 0.20 0.30
东向误差/m
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
北向误差/m
图6 定点水平定位误差
Fig 6 Fixed point horizontal positioning error
连续静态测试3 次，将3 次测量结果的位置、速度和姿
态的最大值、最小值、平均值和标准差整理到表1 中。从下
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第1 期包超，等: MIMU/GPS 组合导航系统小型化设计
述实验结果可以看出: MIMU/GPS 组合导航系统水平定位
精度可以达到1 m 以内，相比单独GPS 接收机模块水平定
位2． 5 m( CEP) 有了一定提高。GPS 接收机本身高度通道
即有一定的误差，这项误差会被带入组合导航高度解算过
程，所以，相比水平定位高度解算结果精度达到2． 85 m。系
统解算出北向和东向的水平速度均小于1 cm/s，标准差在
1 cm/s左右，同样的向速度的平均值和标准差受GPS 接收
机精度的影响略差，平均值在6 cm/s。系统的俯仰角和横
滚角平均值均在0． 3°以内，标准差小于0． 05°。
表1 静态定点实验结果
Tab 1 Ｒesults of fixed point static test
最小值最大值平均值标准差
纬度( °) 39． 996 773 39． 996 757 4 39． 996 767 9 0． 372( m)
经度( °) 116． 323 930 116． 323 866 6 116． 323 905 8 1． 052( m)
高度( m) 75． 336 67． 579 72． 314 2． 852
北速( m/s) 0． 042 14 － 0． 055 21 － 0． 002 09 0． 012 8
东速( m/s) 0． 025 61 － 0． 050 40 － 0． 007 66 0． 010 1
地速( m/s) 0． 077 38 － 0． 130 08 － 0． 066 98 0． 038 1
俯仰角( °) － 0． 189 15 － 0． 389 86 － 0． 285 73 0． 026 5
横滚角( °) － 0． 168 55 － 0． 377 89 － 0． 247 45 0． 027 8
3． 2 定点动姿态航向实验
表2、表3 表明: 俯仰角和横滚角的测量误差基本在
0． 1°以内，航向角输出结果在0． 5°左右，这主要因为: 1) 在
GPS 接收机天线静止情况下，系统航向角可观测性极差;
2) 静态条件下测试，系统航向角存在长期漂移，以上2 点都
会使系统静态航向测量精度产生影响。
表2 定点动姿态误差
Tab 2 Error of fixed point dynamic posture test
俯仰角
角度( °) 误差均值( °)
横滚角
角度( °) 误差均值( °)
30 － 0． 005 30 － 0． 073
－ 30 － 0． 048 － 30 － 0． 066
60 0． 005 60 － 0． 066
－ 60 － 0． 045 － 60 － 0． 138
4 结论
本文基于清华大学自主研发的MIMU 和U-blox 公司
的GPS 接收机，设计完成了MIMU/GPS 组合导航系统。导
表3 定点动航向误差
Tab 3 Error of fixed point dynamic heading test
航向角
角度( °) 误差均值( °)
航向角
角度( °) 误差均值( °)
30 0． 400 120 0． 611
－ 30 0． 423 － 120 0． 766
60 0． 486 150 0． 501
－ 60 0． 180 － 150 0． 785
90 0． 481 180 0． 443
－ 90 － 0． 020 180 0． 866
航解算部分采用DSP + FPGA 方式，其中FPGA 主要负责
DSP 和各外部传感器的通信，DSP 负责初始对准和导航解
算。重点进行了FPGA 内部程序VHDL 编写，实现从串口接
收到的数据和将要通过串口发送出的数据进行编码和解码，
解决DSP 总线和外部串口速率不一致的问题。将各硬件部
分集成在一起，完成的系统高度90 mm，直径80 mm，重量不
超过600 g。基于设计完成的MIMU/GPS 组合导航系统进行
了静态实验，分为定点静姿态实验和定点动姿态实验，实验
结果表明:该组合导航系统静态水平定位精度可达到1 m 以
内，姿态测量精度在0． 1°以内，航向测量精度也在0． 5°左
右。
参考文献:
［1］ 章燕申，伍晓明． 光学陀螺系统与关键器件［M］． 北京: 中国
宇航出版社，2010．
［2］ 秦永元． 惯性导航［M］． 北京: 科学出版社，2006．
［3］ 陈志勇． 振动轮式微机械陀螺改进设计［D］． 北京: 清华大
学，2001．
［4］ 周斌． 微机械陀螺数字化技术研究［D］． 北京: 清华大学，
2003．
［5］ 秦红磊，张亚珍，丛丽，等． GPS /MEMS—INS 组合导航系统
设计［J］． 计算机工程与设计，2011，32( 11) : 3890 － 3893．
［6］ 曾庆双，蒋蔚，伊兴国． 基于高性能DSP 的小型组合导航系
统设计与实现［J］． 哈尔滨商业大学学报: 自然科学版，2010，
26( 4) : 475 － 479．
［7］ 李昂，王伟，吴佳楠． 低成本IMU/GPS 组合导航系统设
计［J］． 测控技术，2012，31( 8) : 12 － 15．
作者简介:
包超( 1987 － ) ，女，辽宁大连人，硕士研究生，主要从事
MEMS 组合导航算法与系统的研究
檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸
。
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［4］ 陈攻攻． 手指静脉图像的去噪与分割算法研究［D］． 长春: 吉
林大学，2010．
［5］ Venckauskas A，Morkevicius N，Kulikauskas K． Study of finger
vein authentication algorithms for physical access control［J］．
Elektronika IＲ Elektrotechnika，2012，121 ( 5) : 101 － 104．
［6］ Yang Jinfeng，Wu Meijing，Wang Wanyin，et al． Finger-vein matching
based on adaptive vector field estimation［C］∥The International
Conference on Image Processing ( ICIP) ，Orlando，USA:
IEEE Signal Processing Society，2012．
［7］ 王科俊，刘靖宇，马慧，等． 手指静脉图像质量评价［J］． 智
能系统学报，2011，6( 4) : 324 － 327．
［8］ 张漫． 图像质量评价算法的研究［D］． 济南: 山东大学，
2007．
作者简介:
梁爱华( 1979 － ) ，女，山西晋中人，讲师，主要研究领域为图像
处理、模式识别等。
119
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2014-10-1 06:35 上传

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