基于MEMS的低成本捷联惯导系统实现

　　0　引言

　　惯导系统以其自主性强、输出参数全面等特点,广泛应用于现代航空、航天、航海等领域。捷联惯导系统由于取消了传统平台式惯导的平台框架,结构更简单、成本相对较低,因而应用领域更广阔。随着微机电惯性传感器如加速度计、陀螺仪性能的提升,基于MEMS(MicroElectroMechanical System)惯性器件构建低成本的捷联惯性系统已成为当前惯性技术领域的一个研究热点。本文通过对基于MEMS技术的Model1221x-002加速度计、LCG50角速率陀螺的特性和参数进行分析,利用PC104工控机设计出一个完整的软、硬件平台,在实验室条件下实现了低成本的捷联惯导系统。

　　1　MEM S器件介绍

　　Model1221是一种低成本的集成加速计,适用于低频至中频且要求低噪声的各种仪表。每个型号的封装包含了微机电传感单元和自定义电路,如传感放大电路、差分输出端等。由于是一种低成本的传感器,因而Model1221x-002对温度和温度的变化比较敏感。Model1221x-002传感器的主要参数见表1。

　　Model1221x-002的典型应用电路见图1,图中2.5V参考电压由一个精确电压源分压后通过电容低通滤波获得;DV为测试输入端,给DV端施加测试电压相当于给该加速度计施加正的加速度,可以用来检验加速度计是否正常工作。

　　LCG50是一款低成本微机械电子单轴角速率陀螺。该传感器采用集成化设计,全部工作电路集成于一块电路板上,体积为29.4mm×29.4mm×10.7mm,便于安装,工作时只需接入单+5V电源。传感器对环境的适应性强,性能可与许多高端陀螺相比,因此,该传感器非常适用于各种低成本嵌入式应用。LCG50的性能参数见表2。

　　2　系统设计

　　捷联式惯导系统没有实体平台,陀螺和加速度计的敏感轴安装在载体坐标系(b系)三轴方向上,测得的是载体坐标系下的物理量。陀螺仪测量的是载体相对于惯性空间转动的角速度在载体系中投影ωbib,加速度计测量的是载体相对于惯性空间的比力在载体系中的投影fbib。对于捷联惯性导航系统,导航计算并不在载体系中进行,而要在导航坐标系(n系)中完成,通常选取为地理坐标系。因此,首先利用陀螺仪测得的ωbib计算载体坐标系至导航坐标系的坐标变换矩阵Cnb;然后利用此矩阵将加速度计测得的比力fbib变换到导航坐标系中;最后通过2次积分,即可得到导航参数。另外,利用坐标变换矩阵的元素,可以提取载体姿态信息。计算姿态矩阵、提取姿态角和比力变换这三项构成了捷联惯性导航系统的“数学平台”,代替了物理平台。本文中捷联惯导系统基本实现示意图见图2。

　　2.1　硬件设计

　　系统采用盛博的PC104工控机主板作为导航计算机,对采集到的数据进行解算并输出导航参数。由于LCG50陀螺与Model1221加速计输出均为模拟电压信号,故系统另增加了一块ADT700数据采集板,PC104主机通过总线与ADT700板卡直接相连。参考加速度计和陀螺的输出电压,A/D通道的量程选择±5V。由于本系统需要采集3路角速率信号ωbib、3路加速度信号fbib、2路温度信号Tacc、Tgyro,故ADT700的模数转换接口可以采用8路差分连接,以有效抑制采集信号的共模噪声。