阅读说明：本技术 一种面向教学的复合式惯性系统 (Teaching-oriented composite inertial system ) 是由 张珉 宋敏 谷庭军 刘峭丽 李永满 赵帅 于 2020-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种开放式、模块化、低成本的用于教学的复合式惯性系统,包括惯性组件、信号采集控制板和上位机,所述惯性组件包括外壳和设置于外壳内的惯性模块,所述外壳形状为方形,且每个面都设置有透明观察窗,所述惯性模块包括一台体,设置于台体上的加速度计和陀螺仪、用于安装台体的旋转框架,用于驱动旋转框架的电机、电机驱动器、滑环,所述旋转框架活动安装在滑环内；所述信号采集控制板包括I/F电路板、ARM控制板和通讯板,所述I/F电路板采集惯性组件的数据信息,所述ARM控制板通过同步串行通讯与I/F电路板进行实时数据交流,所述通讯板与上位机通过无线连接实时进行数据传输。便于对惯性系统的教学和对惯性系统的研究。(The invention discloses an open type, modularization and low cost composite inertial system for teaching, which comprises an inertial component, a signal acquisition control board and an upper computer, wherein the inertial component comprises a shell and an inertial module arranged in the shell, the shell is square, each surface of the shell is provided with a transparent observation window, the inertial module comprises a table body, an accelerometer and a gyroscope which are arranged on the table body, a rotating frame for mounting the table body, a motor for driving the rotating frame, a motor driver and a slip ring, and the rotating frame is movably arranged in the slip ring; the signal acquisition control panel comprises an I/F circuit board, an ARM control panel and a communication panel, the I/F circuit board acquires data information of the inertia assembly, the ARM control panel carries out real-time data communication with the I/F circuit board through synchronous serial communication, and the communication panel and an upper computer are in wireless connection and carry out data transmission in real time. The teaching and the research of the inertial system are convenient.)

一种面向教学的复合式惯性系统

技术领域

本发明属于惯性测量技术领域，具体涉及一种面向教学的复合式惯性系统。

背景技术

惯性测量系统利用陀螺仪、加速度计等惯性敏感元件和电子计算机，实时测量运载体相对于地面运动的加速度，以确定运载体的位置和地球重力场参数的组合系统。是在惯性导航系统的基础上发展起来的，分为当地水平惯性系统和空间稳定系统。一般多采用第一类的当地水平指北惯性系统。

带旋转机构的捷联惯性系统，简称“复合式惯性系统”，是近年来国内提出的一种介于捷联惯性系统与平台惯性系统之间的新型惯性导航系统。在系统组成方面，与传统的捷联惯性导航系统相比较，复合式惯性系统增加了一套旋转机构；与传统的平台惯性系统相比较，复合式惯性系统对旋转机构的旋转精度大幅降低，加工难度大大降低。在性能上，复合式惯性系统在采用了旋转机构后，结合标定算法，可以具备自标定功能，解决惯性系统定期需上高精度转台标定的问题；可以具有很高的寻北精度；可以利用旋转机构运动，获取优于传统捷联惯性系统数倍的导航精度。

复合式惯性系统已经在飞行器制导与控制系统和车辆定位定向瞄准系统当中得到了应用，其中代表性的产品为具有自标定、自对准、自检测功能的“三自捷联惯组”。许多单位和研究机构开始投入精力，开展复合式惯性系统的研究及其应用，开展相关工作。

目前已经开展研制的复合式惯性系统价格高昂，虽然较平台式惯性系统已有大幅降低，但动辄数百万的价格让很多具有潜在应用需求的用户望而却步，仅在一些特殊场合得到应用。同时现有复合式惯性系统开放性差，模块化程度低，一般为定制化产品，用户难以开展进一步应用开发，不便于教学。基于此，中山大学李孟委等人发明的一种基于稳定平台的教学实验设备专利，利用惯组模块、上位机、控制模块的结合，提高了实验效率，加快了教学进程。但是并未解决惯性系统的教学问题。中国人民解放军国防科学技术大学曾庆华等人发明的飞行器导航、制导与控制技术教学实验装置，主要面向导弹控制系统的全系统仿真，组成复杂，没有提出针对惯性系统的解决方案。湖北航天技术研究院总体设计所刘源远等人发明的一种具有自标定、自对准、自诊断功能的捷联惯导系统，以及任勇芳围绕“三自惯组”发明的专利，主要是针对飞行器导航设计，设备组成复杂，成本高，开放性差，难以直接用于教学用途。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：提供一种开放式、模块化、低成本的用于教学的复合式惯性系统。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种面向教学的复合式惯性系统，包括惯性组件、信号采集控制板和上位机，所述惯性组件包括外壳和设置于外壳内的惯性模块，所述外壳形状为方形，且每个面都设置有透明观察窗，所述惯性模块包括一台体，设置于台体上的加速度计和陀螺仪、用于安装台体的旋转框架，用于驱动旋转框架的电机、电机驱动器、滑环，所述旋转框架活动安装在滑环内；所述信号采集控制板包括I/F电路板、ARM控制板和通讯板，所述I/F电路板采集惯性组件的数据信息，所述ARM控制板通过同步串行通讯与I/F电路板进行实时数据交流，所述通讯板与上位机通过无线连接实时进行数据传输。陀螺敏感角速度或角增量信息，以数字或脉冲信号向外输出，I/F电路板将加速度计敏感到的视加速度信息转换成脉冲或数字信号后向外输出，通过串行总线实时发送给信号采集控制电路，信号采集控制板将接收到的信号进行处理并输出到上位机，上位机提供用户端的操作界面与数据分析显示界面以及数据保存功能。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述通讯板包括蓝牙接收模块、HDLC处理模块和微控制器，所述蓝牙接收模块和微控制器通过HDLC处理模块进行信息传递和沟通，所述HDLC处理模块包括控制寄存器、状态寄存器、数据存储器和HDLC协议内核。信号采集控制板采用一种基于蓝牙无线接口的HDLC通讯控制器，可以方便的完成与上位机和台体的信号通讯，可方便的在惯性测量系统外部完成参数装订和程序下载，便于用户开展算法研究，提高了系统的开放性；大大减少走线环节，提高系统可靠性；同时HDLC通讯控制器的高速数据传输能力，满足了惯性系统向外部高速传递大量数据的要求。随着惯性测量系统高度综合、高度集成及高度小型化的设计趋势，对系统内各功能模块之间数据通讯提出更高的要求，当前常用技术方案存在的问题为：用高速并行传输在成本、技术风险和抗电磁干扰方面存在明显不足；目前广泛使用的RS485/422串行通讯接口速率低下，难以满足高速传输数据的技术需求。

所述滑环由碳纤维增强聚四氟乙烯材料组成，高精密惯性系统中使用的是专用轴承，其价格昂贵，保养复杂，采用碳纤维增强聚四氟乙烯材料合成的滑环具有具有摩擦系数低、无需润滑的特点。

三只所述加速度计空间正交安装在台体外侧，三只所述陀螺仪空间正交安装在台体外侧。

所述上位机包括以下功能模块：数据采集模块、数据存储模块，数据显示模块、数据曲线模块、自标定计算模块、自寻北计算模块、转位机构控制模块和参数装订回读模块。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的面向教学的复合式惯性系统，有效的解决了惯性测量产品中模块之间高速串行、同步全双工的数据交换需求，提高数据的可靠性和稳定性，数据的转换及处理过程在FPGA内部完成，不易受到外界的干扰。采用蓝牙无线接口，构成的HDLC通讯控制器将一般的串行接口芯片传输速率提高了几十倍。

采用硬件描述语言实现了高速同步串行总线的方法，实现了无线蓝牙控制模块及HDLC协议功能，能够兼容灵活性和通用性，并能实现多路实时并行处理，设计开发周期短。

信号采集控制板可以输出陀螺仪原始脉冲和加速度计原始脉冲信息，可以输出旋转机构角度信息；可以接受外部的转位机构控制指令，控制旋转机构内框和外框按设定速率进行旋转。通过开放底层数据，提供惯组软件通讯和旋转机构控制接口，用户可根据自身需求，设计旋转机构转动流程，采集惯组数据，完成算法验证，如自寻北算法、自标定算法及导航算法等。

信号采集控制板采用一种基于蓝牙无线接口的HDLC处理模块，可以方便的完成与上位机和台体的信号通讯，可方便的在惯性测量系统外部完成参数装订和程序下载，便于用户开展算法研究，提高了系统的开放性；大大减少走线环节，提高系统可靠性；同时HDLC处理模块的高速数据传输能力，满足了惯性系统向外部高速传递大量数据的要求。

上位机软件具有多种工作界面：原始数据采集模式，可以采集并保存陀螺仪原始脉冲和加速度计原始脉冲信息；电机控制模式，实现内框、外框转位机构的单独控制功能；预留设计自标定离线计算模块和自寻北离线计算模块，可以完成自标定和自寻北功能；

结构方面，惯性系统的盖板均采用透明塑料外壳，使外部可以清晰观察到三个方向上的惯性器件、IF电路、电源模组、信号处理电路、旋转框架、电机控制电路等；

外环与机座、内环与外环间的轴系支撑采用碳纤维增强聚四氟乙烯滑环，结构简单，轴系拆装方便，不需要润滑油，维护方便，成本低。

模块化集成设计，对电机和测角器件进行集成，三只加速度计形成单独组件，电源模组单独成组件，便于拆装与维护。

附图说明

图1为本发明外壳结构示意图；

图2为本发明惯性模块结构示意图；

图3为本发明的通讯板系统结构示意图；

图4为本发明的HDLC处理模块系统结构示意图。

附图标记：11、外壳；12、惯性模块；111、透明观察窗；121、台体；122、加速度计；123、陀螺仪；124、旋转框架；125、电机；129、电源模组。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。

如图1至图4所示，本实施例的面向教学的复合式惯性系统，包括惯性组件、信号采集控制板和上位机，惯性组件包括外壳11和设置于外壳11内的惯性模块12，外壳11形状为方形，且每个面都设置有透明观察窗111，惯性模块12包括一台体121，设置于台体121上的加速度计122和陀螺仪123、用于安装台体121的旋转框架124，用于驱动旋转框架124的电机125、电机驱动器、滑环，旋转框架124活动安装在滑环内；信号采集控制板包括I/F电路板、ARM控制板和通讯板，I/F电路板采集惯性组件1的数据信息，ARM控制板通过同步串行通讯与I/F电路板进行实时数据交流，通讯板与上位机通过无线连接实时进行数据传输。台体121上还设置有电源模组129，电源模组129用于给加速度计122和陀螺仪123供电，陀螺仪123的敏感角增量信息，以数字信号向外输出，通过串行总线实时发送给信号采集控制板，信号采集控制板将接收到的信号进行处理并输出到上位机，上位机提供用户端的操作界面与数据分析显示界面以及数据保存功能。信号采集电路采用一种基于蓝牙无线接口的HDLC通讯控制器,实现信号的内外传输，提高产品的开放性。信号采集控制电路接收自标定、自对准和自检测指令时，通过总线控制锁紧机构解锁和内、外框旋转机构按设定程序进行旋转，同时通过串行总线接收信号采集电路发送的陀螺仪123数据、加速度计122数据以及测温数据。

信号采集控制板对数据进行处理和解算，得到自标定参数、自对准结果和自检测信息，实现惯组的自标定、自对准和自检测功能。完成三自功能后，惯性模块12进入导航工作模式；信号采集控制板控制旋转框架124转动，使惯性模块12工作在特定导航状态。信号采集控制板通过I/F电路板的422同步串行通讯，采集I/F电路板采集到的三路陀螺仪123和三路加速度计122的原始脉冲数据、I/F及陀螺温度。同时对原始数据通过温度补偿、FIR数字滤波进行通讯输出；根据陀螺仪123及加速度计122建立动态误差模型，采用动态补偿滤波方法输出角度增量和视加速度增量。ARM控制板选用意法半导体公司的芯片为STM32H743IITX，该芯片技术参数满足产品设计需求。

通讯板包括蓝牙接收模块、HDLC处理模块和微控制器，蓝牙接收模块和微控制器通过HDLC处理模块进行信息传递和沟通，HDLC处理模块包括控制寄存器、状态寄存器、数据存储器和HDLC协议内核。HDLC协议是面向比特的高级数据链路控制规程，具有强大的差错检测功能和同步传输特点，保证数据的可靠传输。HDLC协议没有对物理层进行要求，只要采用适当的电平接口标准就可以达到很高的传输速度，并具有操作灵活、可靠性高、速度快特点。

整个系统采用无线蓝牙信号作为数据通讯的物理层及数据链路层接口，连接惯测系统内各单元模块之间的高速数据交换。硬件采用FPGA+DSP的处理架构，其中采用的Xilinx Virtex7系列FPGA芯片均在芯片内部集成了蓝牙无线控制模块，使用蓝牙5.0标准实现点对点传输。蓝牙模块工作在2.4G 无线频段，可以避免各种因素对无线收发的影响，依照不同高速数据传输条件，其波特率可灵活设置。控制寄存器负责更新记录与HDLC处理模块接收和发送工作有关的状态信息；状态寄存器用于标识微控制器对HDCL处理模块工作方式设置的事件；数据存储器采用FIFO(FirstInput-FirstOutput)式双口存储器，对微控制器与HDLC处理模块之间的通讯数据进行缓存；HDLC协议内核采用按照标准HDLC的编码规程设计的FPGA内核，将内核硬件植入FPGA芯片内部。微控制器选用TI公司C6000系列DSP处理器，利用并行数据、地址总线配合，完成对HDLC处理模块中缓存数据区的访问，包括将所需发送通讯数据写入至缓存数据区的写操作和读取缓存数据区中接收数据的读操作。

整个系统的数据接收过程为：依据HDLC协议解析由蓝牙接收模块接收到外部惯性模块12的通讯数据，通过HDLC协议内核解码处理后保存在数据存储器中，并向嵌入式微控制器发出中断请求信号，表示接收到一帧正确的HDLC数据。嵌入式微控制器通过查询接收状态寄存器，获取接收状态信息后，利用并行数据、地址总线访问数据存储器来完成数据的读取。

整个系统的数据发送过程为：向微控制器将待发送的数据按序写至发送数据存储器中，并配置发送控制寄存器中数据包长度信息，最后由微控制器启动发送命令。HDLC处理模块接收到发送指令后，其内部的HDLC协议内核将发送数据存储器内的数据进行编码处理，并逐位将处理后数据传递至无线蓝牙收发器。当指定长度的一帧数据按蓝牙PHY协议发送完毕后，HDLC处理模块更新发送状态寄存器，表示数据发送完毕。

滑环选用碳纤维增强聚四氟乙烯材料组成，其具有具有摩擦系数低、无需润滑、价格低的特点。

三只加速度计122空间正交安装在台体121外侧，三只陀螺仪123空间正交安装在台体121外侧。

上位机包括以下功能模块：数据采集模块、数据存储模块，、数据显示模块、数据曲线模块、自标定计算模块、自寻北计算模块、转位机构控制模块和参数装订回读模块。上位机软件采用VisualStudio6.0和BCGCBPro6.0联合设计，运行环境为Windows操作系统，实现数据采集、数据显示、曲线绘制、数据保存、数据计算、参数装订等功能；软件设计可视化人机界面，方便用户对惯组的测试操作。数据采集主要通过RS422高速串口进行，为避免Windows多任务事件干扰而引起数据采集丢帧情况出现，软件采用多线程设计技术，串口数据采集单独占用一个最高优先级的线程，确保Windows系统下数据采集稳定可靠。上位机软件预留设计自标定离线计算、自寻北离线计算模块，在惯组软件未实现自标定、自寻北计算功能时，由上位机软件完成自标定计算、自寻北计算功能。该部分功能设计为自动执行模式，即当自标定流程结束后，上位机软件自动调用标定计算函数，计算完毕后自动保存标定结果，并自动下载到惯组内部。如惯组软件内部实现了自标定、自寻北计算功能，则上位机软件不再进行标定、寻北计算。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。