基于惯性传感器的室内惯性导航与定位系统
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2020-07-27
04:12:03
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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
研制的轮式小车室内惯性导航装置和定位系统选用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。
引言
轮式遥控机器人已经在地震、火灾等一些危险的室内区域进行救援和探测，或执行反恐任务。由于在这些特殊的环境下存在诸
多未知因素，且室内无GPS信号，人们不得不依靠先进的科学技术和仪器来获取遥控机器人小车的导航信息。但是,目前轮式
运动小车主要采用的导航传感方式有视觉、光电、超声、里程计等，比较容易被外界环境干扰，不能满足广大市场的需求。
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，是一种自立式导航系
统，优于常见的导航传感方式。并且近年来MEMS(微机电系统)结构的惯性传感器随半导体技术的进步得到了迅速发展，低成
本而高精度的期望得到了实现。MEMS惯性传感器组成的惯性导航装置结合轮式小车的里程计，能够产生导航和定位信息，减
少对外部环境的依赖，实现在外部环境条件（例如光照、墙壁材质）未知情况下的导航。
由于是在室内区域进行勘测搜索，小车的运行特点与飞机、船、车不同，它的运动轨迹变化较快，且运动时存在一定的振动，
因此常用的卡尔曼滤波算法需要改进才能应用。惯性传感器采集数据量大，且进行惯性导航时需要大量的浮点运算，因此本项
目采用了具有强大数字信号处理功能的DSP芯片TMS320F28335和PC控制终端，实现惯性传感器的数据采集、时序逻辑控
制、与驱动系统通信和地图显示功能,具有体积小、成本低、功耗低等优点。
1 系统体系架构
本文的目标是研制一个轮式小车惯性导航系统，能够通过WiFi实现PC终端或手持终端控制轮式小车行动以及小车所采集数据
的传输。
搭建如图1所示的系统，TI公司的浮点DSP芯片TMS320F28335采集各MEMS惯性传感器的信号并处理，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令，同时接收驱动系统反馈的里程计信
息。
图1 系统总体架构
2 硬件设计及详细实现
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传感器和WiFi
模块等。而驱动板主要设计的内容是直流大电机的驱动模块。
2.1 核心板设计
TMS320F28335工作时需要的电压不同：内核电压1.9 V,I/O供电电压3.3 V，所以电源部分利用两路输出电源器件
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 μF
的保护电容，且不能使用贴片电容，否则工作不稳定。
图2 DSP电源设计
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设计复位电路。
图3为JTAG下载电路，按照仿真器的通信引脚选择14脚的仿真接口，同时要注意EMU0和EMUl信号必须通过上拉电阻连接至
电源，其中上拉电阻为10 kΩ。
图3 JTAG下载电路
2.2 小车驱动板设计
在本装置中，采用BTS7960作为直流电机驱动芯片。BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片
PMOS和一片半桥门集驱动，在IOUT = 9 A，VS= 13.5 V，Tj = 25 ℃时，其内阻抗为17 mΩ。装置采用两个直流大电机，图
4为驱动单个电机前后转向的电路图。
图4 驱动模块电路设计
电机驱动中，需要注意一个细节，就是电机在转动过程中有可能会产生反向的电动势，使电流一瞬间过大，导致单片机复位甚
至有可能烧坏芯片。因此在设计过程中，可以考虑在单片机PWM输入到电机驱动接口的地方添加光耦器件或者二极管隔离。
如图5所示，驱动板选择了TLP5214光耦器件设计隔离电路，减小了电压的干扰，简化电路的设计，同时也把4路PWM的I/O电
平从3.3 V上拉到5 V。
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