[发明专利]一种微型捷联航姿系统及其工作方法

说明书

一、技术领域

本发明属于惯性技术领域，特别是一种微型捷联航姿系统及其工作方法。

二、背景技术

在航天器、导弹、车辆的导航以及卫星、机器人、平台的姿态控制等领域中都需要用航姿系统来测量载体的姿态信息。目前发展较为迅速的为捷联航姿系统，捷联航姿系统是指直接把惯性测量组件(陀螺仪和加速度计等)固联在运载体上用数学平台解算载体姿态信息的系统。捷联航姿系统依靠算法建立起导航坐标系，即平台坐标系以数学平台形式存在，这样省略了复杂的物理实体平台，因此应用越来越广泛。但现有的捷联航姿系统集成度不够高，体积偏大，使用的惯性测量组件成本太高，没有考虑到外界信号(如GPS等)失效的情况下如何利用地球周围固有的磁场来补偿航姿精度使其长时间稳定工作的问题，且隐蔽性不强，因此设计一种体积小，集成度高，性能好，成本低和适应能力强的捷联航姿系统成为航姿系统发展的趋势。

文献1：中国实用新型专利“航姿组合测量装置”(公开号CN 201402140Y，公开日2010年02月10日)公开了一种可靠性高、成本较低的航姿组合测量装置，由信号处理与解算模块、惯性传感器组合及三轴磁传感器组成，其中的传感器模块由惯性传感器组合和三轴磁传感器两个独立部分组成，集成度不高；且该装置外围通信接口只有RS422，效率较低，数据传输不够稳定。

文献2：中国发明专利“一种基于光纤陀螺的捷连航姿系统”(公开号CN 102135430A，公开日2011年07月27日)公开了一种集成度高的小型捷联航姿系统，这种系统的传感器模块由陀螺仪和数字双轴倾角仪组成，在解算航姿信息的过程中，解算算法为积分运算，各种误差也会经过积分运算，导致系统的数据解算误差随时间不断积累，并且不断震荡和发散，航姿信息精度越来越低；其惯性测量传感器的陀螺仪为价格昂贵的光纤陀螺仪，使得航姿系统成本较高；该装置外围通信接口只有CAN总线，不够丰富，应用受限。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种体积小，集成度高，性能好，成本低和适应能力强的微型捷联航姿系统及其工作方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种微型捷联航姿系统，包括数据采集模块、数据处理解算模块和外围通信接口模块，其中：

数据采集模块采用三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器和第1SPI接口集成一体化的微电子机械系统传感器，其中三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器分别独立工作；数据处理解算模块采用32位ARM微控制器，该微控制器集成了数据处理解算单元、CAN控制器、UART接口和第2SPI接口；外围通信接口模块包括串口电平转换芯片、RS_232接口、CAN收发器和CAN接口；

三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器分别通过第1SPI接口与第2SPI接口连接；第2SPI接口与数据处理解算单元连接；数据处理解算单元通过UART接口与串口电平转换芯片连接，数据处理解算单元还通过CAN控制器与外围通信接口模块的CAN收发器连接；串口电平转换芯片与RS_232接口连接，外围通信接口模块的CAN收发器与CAN接口连接；

第1SPI接口与第2SPI接口之间通过SPI总线连接，数据采集模块的三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁阻传感器分别通过SPI总线与数据处理解算模块通信；数据处理解算模块通过SPI总线读取数据采集模块的三轴角速度信息、三轴加速度信息和周围三轴磁场强度信息，并传输给数据处理解算单元，解算的航姿信息通过UART接口或CAN控制器发送给外围通信接口模块；外围通信接口模块的串口电平转换芯片把UART接口发来的TTL电平数据转换为RS_232电平数据，并通过RS_232接口发给外设；外围通信接口模块的CAN收发器将CAN控制器发来的TTL电平数据转换为物理总线的差分电平数据，然后通过CAN接口传输到CAN总线上的设备。

使用所述的微型捷联航姿系统测量航姿的方法如下：

1)航姿系统上电后完成系统初始化工作，并进行系统自检，通过采集数据、发送数据，检查航姿系统有无异常；

2)磁场自标定：在没有磁干扰的环境，将航姿系统在水平面缓慢均匀转动一周，数据处理解算单元通过SPI总线，从三轴磁阻传感器读取地球磁场强度在载体系三轴上的分量，通过椭圆补偿自标定法，标定出磁场补偿系数：载体系X轴的标定因数Xsf、Y轴的标定因数Ysf，以及磁场强度在载体系X轴上的漂移量Xoff、Y轴上的漂移量Yoff；